《系统工程》课件 第1章绪论

全国工程管理专业学位研究生教育核心课程规划教材系统工程第1章

绪论课程的知识结构2胡祥培，苏秦，于明、吴锋等，《系统工程》，重庆大学出版社，2024年4月第1版王众托，《系统工程引论》（第四版），电子工业出版社，2012汪应洛，《系统工程（第五版）》机械工业出版社，2017谭跃进等，《系统工程原理（第二版）》科学出版社，2017教材与参考书01.系统工程的典例02.03.04.目录CONTENTS系统工程基本概念系统工程的发展历程系统工程特点与原则【知识架构】05.系统工程应用第一章

绪论01.系统工程的典例02.03.04.目录CONTENTS系统工程基本概念系统工程的发展历程系统工程特点与原则【知识架构】05.系统工程应用第一章

绪论一、系统工程的应用举例身边的系统工程烧水沏茶

生活中经常需要泡茶招待客人，如果当时的情况是：开水壶、茶壶和茶杯都很长时间没有用了，没有开水。朋友来了，你如何准备安排？一、系统工程的应用举例身边的系统工程——烧水沏茶甲：先做好准备工作，洗开水壶、茶壶、茶杯，一切就绪后，灌水，烧水，等水开了泡茶给朋友喝乙：洗净开水壶后，灌水烧水，等水开了之后，洗茶壶、茶杯，拿茶叶，泡茶水给朋友喝丙：洗净开水壶后，灌水、烧水。利用等待水开的时间，洗茶壶、茶杯，拿茶叶，等水开了，泡茶水给朋友喝。哪种办法更节省时间？显然是办法丙，因为前两种办法都“窝工”了。可看出系统工程：（1）多个子任务之间存在关联，需要协调，以优化任务安排（2）实现总体花费时间最短一、系统工程的应用案例古代的系统工程岷江出岷山山脉，从成都平原西侧向南流去，对整个成都平原是地道的地上悬江，而且悬得十分厉害。成都平原的整个地势从岷江出山口玉垒山，向东南倾斜，坡度很大，都江堰距成都50km，而落差竟达273m。在古代每当岷江洪水泛滥，成都平原就是一片汪洋；一遇旱灾，又是赤地千里，颗粒无收。岷江水患长期祸及西川，鲸吞良田，侵扰民生，成为古蜀国生存发展的一大障碍。都江堰水利工程巴、蜀在统一中国中特殊的战略地位，“得蜀则得楚，楚亡则天下并矣”（秦相司马错语）一、系统工程的应用案例古代的系统工程

修建都江堰水利工程，包括三大工程及120多项配套工程，在防洪、灌溉、航运等多个方面发挥了重要作用，体现了系统工程的思想。都江堰水利工程一、系统工程的应用案例古代的系统工程都江堰水利工程宝瓶口(引水)鱼嘴分水堤(分流)飞沙堰(防淤)巧妙地通过系统工程实现了分流分沙、泄洪灌溉等多个功能的协调统一一、系统工程的应用案例古代的系统工程都江堰水利工程宝瓶口(引水)鱼嘴分水堤(分流)飞沙堰(防淤)巧妙地通过系统工程实现了分流分沙、泄洪灌溉等多个功能的协调统一可看出系统工程：（1）将人工系统与自然系统结合（2）多个子任务之间存在关联，需要协调，以优化调度启示：系统的思想，整体考虑，综合寻优。一、系统工程的应用案例古代的系统工程丁渭修皇城通过系统工程解决了建筑材料来源、建筑材料运输和建筑垃圾清理三大难题一、系统工程的应用案例古代的系统工程丁谓修皇城通过系统工程解决了建筑材料来源、建筑材料运输和建筑垃圾清理三大难题可看出系统工程：（1）追求系统总体最优（2）选择最优的目标的具体实现方法和途径启示：丁渭工程体现了系统的思想，使重建工程各个工序在时间、空间上彼此协调，环环相扣。一、系统工程的应用案例60年代的系统工程两弹一星“两弹一星”的伟大事业,是二十六个部委,二十多个省区市,一千多家单位协同参与的系统工程。一、系统工程的应用案例当代的系统工程C919大飞机（1）多个国家参与、多个部件组成的系统工程（2）以航电系统为例，其集成了多项功能：综合显示飞行管理通信无线电导航综合监视大气数据测量惯性导航飞行记录机载维护一、系统工程的应用案例当代的系统工程C919大飞机（1）多个国家参与、多个部件组成的系统工程（2）以航电系统为例，其集成了多项功能：综合显示飞行管理通信无线电导航综合监视大气数据测量惯性导航飞行记录机载维护可看出系统工程：涉及许多不同的学科及交叉学科一、系统工程的应用举例当代的系统工程高速铁路高速铁路的6大系统：工务工程系统牵引供电系统列车运行控制系统高速列车系统运营调度系统客运服务系统一、系统工程的应用举例当代的系统工程高速铁路高速铁路的6大系统：工务工程系统牵引供电系统列车运行控制系统高速列车系统运营调度系统客运服务系统可看出系统工程：（1）日渐依赖于计算机技术（2）强调信息交换与反馈机制一、系统工程的应用案例当代的系统工程北斗卫星导航系统北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成：空间段地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星、中圆地球轨道卫星地面段主控站

、监测站用户段芯片、模块、天线等基础产品，终端设备、应用系统与应用服务一、系统工程的应用案例当代的系统工程港珠澳大桥港珠澳大桥的组成——三座通航桥一条海底隧道四座人工岛梁式桥港珠澳三地陆路联络线/video/av711178916//video/BV15A411J74Z/?spm_id_from=333.788.recommend_more_video.3一、系统工程的应用案例当代的系统工程2025.05.07印巴空战一、系统工程的应用举例其他的系统工程：企业的长远规划新产品开发区域规划粮食价格调整燃料能源价格调整银行利率调整美元利率的调整一、系统工程的应用举例对上述案例的总结：工程的本质——通过一个人类活动系统（工程活动系统）把人工系统嵌入自然系统。人工系统中包含多个子系统，相互协调，达到总体目标（常常是多目标）。完成一项工程任务，涉及多个子任务，需要彼此协调，子任务之间存在关联，可以优化调度——项目管理本身是系统性的活动。追求系统总体最优以及实现目标的具体方法和途径的最优着重研究系统的构成要素、组织结构、信息交换与反馈机制研究具有系统意义的问题强调定量分析与定性分析的有机结合很大程度上依赖于电子计算机是研究系统所需的一系列思想、理论、程序、技术、方法的总称是涉及许多学科的边缘学科与交叉学科是一种方法论，是一种组织管理技术研究对象是具有普适意义的系统，特别是大系统什么是系统工程?系统工程系统工程的问题与方案现实系统特点：多种要素结合多个组成部分彼此相互作用，彼此影响对这种系统进行建造和改造往往包含多重目标系统工程一系列理论、方法和技术目标系统：经过改造的现实系统01.系统工程的典例02.03.04.目录CONTENTS系统工程基本概念系统工程的发展历程系统工程特点与原则【知识架构】05.系统工程应用第一章

绪论

什么是系统工程？

系统工程=系统+工程

？系统工程的特征、原则是什么？学术界和工程界对系统工程给出了不同的定义系统工程的定义“系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统具有普遍意义的科学方法。”“系统工程是一门组织管理的技术。”钱学森等，《组织管理的技术——系统工程》，1979“系统工程学是为了研究由多数子系统构成的整体系统所具有的多种不同目标的相互协调，以期系统功能的最优化，最大限度地发挥系统组成部分的能力而发展起来的一门科学。”切斯纳，《系统工程学的方法》，1967系统工程的定义“系统工程与其他工程学的不同之处在于它是跨越许多学科的科学，而且是填补这些学科边界空白的边缘学科。因为系统工程的目的是研究系统，而系统不仅涉及工程学领域，还涉及社会、经济和政治等领域。为了圆满解决这些交叉领域的问题，除了需要某些纵向的专门技术以外，还要有一种技术从横的方向把它们组织起来。这种横向技术就是系统工程，也就是研究系统所需的思想、技术、方法和理论等体系化的总成。”三浦武雄学术界和工程界对系统工程给出了不同的定义系统工程的定义

“系统工程是从整体出发，合理开发、设计、实施和运用系统的工程技术。它是系统科学中直接改造世界的工程技术。”《中国大百科学术·自动控制与系统工程卷》

“系统工程是研究彼此密切联系的许多要素所构成的复杂系统的设计科学。在设计这种复杂系统时，应有明确的预定功能及目标，而在组成它的各要素之间及各要素与系统整体之间又必须能够有机地联系，配合协调，致使系统总体达到最优目标。在设计时还要考虑到参与系统中人的因素和作用。”美国《科学技术辞典》，1976

“系统工程是为了更好地达到系统目标，而对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机制等进行分析与设计的技术。”日本工业标准学术界和工程界对系统工程给出不同的定义

系统工程=系统+工程？

什么

是

系统

？出处概念钱学森院士极其复杂的研制对象称为“系统”，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体，而且这个‘系统’本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。《中国大百科全书·自动控制与系统工程卷》由相互制约、相互作用的一些部分组成的具有某种功能的有机整体。《韦氏大辞典》有组织的或被组织化的整体；结合着的整体所形成的各种概念和原理的结合；由有规则的相互作用、相互依赖的形式组成的诸要素集合。日本工业标准许多组成要素保持有机的秩序向同一目的行动的集合体。《苏联大百科全书》一些在相互关联与联系之下的要素组成的集合，形成了一定的整体性、统一性。系统是由多个要素（或元素）构成。系统的内部与外部要有一定的秩序。系统是由一些元素（要素）通过相互作用、相互关联、相互制约而组成的具有一定功能的整体。系统的特性系统系统是由两个以上的可以相互区别的要素所组成。组成系统的各要素之间具有相互联系、相互作用、相互依赖的特定关系。某—要素若发生变化则会影响其他要素的状态变化。一个系统可分解为若干子系统，而子系统还可以分解为亚子系统等，以致最终可分解为要素，这样就可构成具有特定的空间层次结构。系统不是各个要素的简单拼凑，而是根据特定的统一性要求协调存在于系统整体之中。是具有整体的特定功能和特性。整体性强调要素间的协调与综合，这样才能获得具有良好功能的系统。任何一个系统都存在于一定的物质环境之中，它必然与环境不断地进行物质、能量、信息的交换。系统必须适应外部环境的变化，这样的系统才更有生命力。层次性集合性相关性环境适应性整体涌现性系统的分类动态系统静态系统系统分类实体系统抽象系统闭环系统开放系统按成因划分人造系统复合系统自然系统按构成要素性质划分按系统状态与时间关系划分按系统与环境的关系划分系统的描述系统的集合论描述：S＝（E,R），其中

E:系统要素，R：系统结构；系统的图论描述：系统环境系统的矩阵描述：

ABCDABCD系统描述的等价性

ABCDABCDABCDE={A，B，C，D}R={(A,C),(B,C),(B,D)}系统的描述系统要素、结构、子系统：

E:系统要素，R：系统结构；子系统S’＝（E’，R’），E’是E的子集，R’是R的子集系统的层次性：层次结构有助于认识和处理系统。即使是最简单的系统，也有两个层次，包括系统层次和要素层次；

是自然界和人类社会在从简单到复杂，从低级到高级的发展、进化过程中产生的；举例：两个钟表匠装表；系统的描述系统与环境系统的环境；系统边界；系统的行为：系统相对于环境表现出来的变化系统的功能：系统行为对环境能够产生的作用系统的功能由系统结构和环境共同决定系统环境系统的结构与功能系统的结构是由系统要素间相对稳定的关联所形成的整体结构；结构可以理解为系统内部各组成要素之间或时间方面的有机关联和相互作用顺序；结构是有层次的；

系统的功能问题是系统的作用问题；系统作用于环境体现出来的“能力”。结构和功能的辩证关系：功能很大程度上由结构决定；而反过来，系统之所以形成特定的结构，往往又跟其所要实现的功能相关。40系统为什么能保持它的整体性？？？系统的结构和功能以汽车为例汽车的内部结构决定了汽车的外在功能但在设计、制造汽车时，是按照功能需求确定系统结构。41结构功能：速度油耗操纵性……系统的秩序42任何系统之所以能够正常工作，是由于它具有一定的秩序。所谓秩序，可以理解为事物之间有规则的相互关系。

系统的有序性表现为它在结构和功能方面具有一定的规则。系统在结构上的有序性，是指它的要素或者子系统之间的联系是确定的、有规则的；

系统在功能上的有序性，是在它的过程中包含许多阶段、步骤、程序，需要有序地加以安排和协调。有序性：系统的一个关键状态度量43系统从无序的状态转变为有序的状态，往往意味着对称性的降低对称性破缺均匀分布的铁屑：对称性高，混乱度高，有序度低系统有序程度增加对称性破缺按一定磁场分布的铁屑“系统”与“系统工程”从“系统”的视角看，系统工程包含两重含义SystemicEngineeringSystematicEngineering第一层含义：把工程实施的对象看做“系统”的工程第二层含义：按照系统性的方式和方法针对对象进行工程化实施的工程什么是工程？双重含义工程实践：十八世纪，“工程”（Engineering）的提法在欧洲出现，其本来含义是军事目的的各项劳作，之后扩展到许多领域，如建筑、制造机器、架桥修路等。工程学：由于这些劳作需要科学知识和技术技艺，又出现了第二层含义。第一层含义：针对需要科学知识和技术技艺的劳作，通常是集体劳作。第二层含义：工程基本等同于“技术”——或者说在科学理论知识基础上的某一领域的技术汇集。例如：机械工程、土木工程、建筑工……什么是工程？实践的视角学科的视角狭义：某组设想的目标为依据，应用有关的科学知识和技术手段，通过一群人的有组织活动将某个（或某些）现有实体（自然的或人造的）转化为具有预期使用价值的人造产品过程。广义：由一群人为达到某种目的，在一个较长时间周期内进行协作活动的过程。王连成《工程系统论》工程是将自然科学原理应用到工农业生产部门中去而形成各学科的总称。“工程”是科学的某种应用，通过这一应用，使自然界的物质和能源的特性能够通过各种结构、机器、产品、系统和过程，是以时间最短的和精而少的人力做出高效、可靠且对人类有用的东西。

工程管理是新兴的工程技术与管理学科交叉的复合性学科，主要包括：工程建设管理、国际工程管理、投资与造价管理等三个专业方向。从工程到系统工程丁谓修皇城系统工程传统工程任务目标相关技术任务：完成皇宫修建考察对象：皇宫问题界定：皇宫修建的建筑设计与工程实施解决方案：设计、组织施工……大视角考察对象（修建皇宫）问题(木料、废物、备料……)构造综合方案只着眼于眼前的问题本身，没有从更大的多要素、多成员相互关联的系统的角度把握并解决问题。从更宽的视野考察

环境中的目标系统。从“物理”到“事理”

设计制造到“运筹帷幄”。从传统工程到系统工程48

要说明什么是系统工程，先说明什么不是系统工程。

通常意义下的工程：用显微镜看问题，考察要建造的人工物本身，解决其中的技术问题。例如城市交通拥堵问题，通常解决方案某路段拥堵加宽该路段结果往往是：拥堵点转移到另一位置问题提出方案方案实施：技术设计、施工管理特点：只着眼于眼前的问题本身，没有从更大的多要素、多成员相互关联的系统的角度把握并解决问题。这不是系统工程，也没有很好的解决问题。从传统工程到系统工程49基于系统工程的研究和实施路线：某路段拥堵该路线周围由车辆、道路、行人、信号灯等组成的交通流系统问题研究

系统系统建模与分析提出系统解决方案系统实施01.系统工程的典例02.03.04.目录CONTENTS系统工程基本概念系统工程的发展历程系统工程特点与原则【知识架构】05.系统工程应用第一章

绪论系统工程的发展历程1930事件：美国广播电视的发展与研究理论：正式提出系统方法的概念1940事件：美国Bell公司微波通讯系统的开发理论：正式使用系统工程一词二战期间事件：英、美等国的反空袭军事行动理论：产生军事运筹学1942~1945美国的“曼哈顿计划”实施过程中运用系统工程推动其发展1945事件：美国空军研发与开发机构的建立理论：提出系统分析的概念……兰德公司的前身系统工程的发展历程美国实施的“阿波罗”计划中使用了多种系统工程方法并获得巨大成功，极大地提高了系统工程的地位20世纪40年代后期到50年代初期运筹学的广泛运用与发展、控制论的创立与应用、电子计算机的出现为系统工程奠定了学科基础古德和马克尔出版第一部名为《系统工程》的著作，标志着系统工程学科正式形成1957事件：美国研制北极星导弹潜艇理论：提出计划评审技术（PERT）1958马克尔编著《系统工程手册》表明系统工程的实用化和规范化；查德提出“模糊集合”概念，为现代系统工程奠定了重要的数学基础19651961~1972系统工程的发展历程1972国际应用系统分析研究所在维也纳成立，标志着系统工程的应用重点从工程领域进入到社会经济领域系统科学迅猛发展，系统工程的理论与方法日趋成熟，其应用领域不断扩大，开始从分立状态向整合方向发展。20世纪70年代系统工程方法发展到复杂系统工程，特别是复杂巨系统工程，如社会经济系统工程20世纪80年代人-机结合的系统研究快速发展，系统工程在国内外呈现出社会化、特色化、专业化、集成化、精细化和实用化等特点20世纪90年代钱学森等著名学者提出了综合集成法系统工程在中国的发展历程第一阶段始于20世纪50年代中期，以运筹学的研究与应用为主，代表性人物有钱学森、许国志、华罗庚60年代，随着我国导弹和航天事业的发展，以计划协调、组织管理为特色的系统工程技术得到了迅速的发展始于1978年，钱学森、许国志、王寿云联名发表了《组织管理的技术——系统工程》掀起应用系统工程的热潮。1980年，中国系统工程学会成立始于1986年，随着全国软科学研究工作座谈会的召开，系统工程的研究和应用进一步扩大至科技、经济及社会等领域第二阶段第三阶段01.系统工程的典例02.03.04.目录CONTENTS系统工程基本概念系统工程的发展历程系统工程特点与原则【知识架构】05.系统工程应用第一章

绪论整体性（系统性）关联性（协调性）综合性（交叉性）满意性（最优化）整体性是系统工程最基本的特点，系统工程把所研究的对象看成一个整体系统，这个整体系统又是由若干部分（要素与子系统）有机结合而成的。因此，系统工程在研制系统时总是从整体性出发，从整体与部分之间相互依赖、相互制约的关系中去揭示系统的特征和规律，从整体最优化出发去实现系统各组成部分的有效运转。系统工程的特点用系统工程方法去分析和处理问题时，不仅要考虑部分与部分之间、部分与整体之间的相互关系，而且要认真地协调它们的关系。因为系统各部分之间、各部分与整体之间的相互关系和作用直接影响到整体系统的性能，协调它们的关系便可提高整体系统的性能。系统工程以大型复杂的人工系统和复合系统为研究对象，这些系统涉及的因素很多，涉及的学科领域也较为广泛。因此，系统工程必须综合研究各种因素，综合运用各门学科和技术领域的成就，从整体目标出发使各门学科、各种技术有机地配合，以达到整体最优化的目的。例如，把人类送上月球的“阿波罗”登月计划，就是综合运用各学科、各领域成就的产物，这样一项复杂而庞大的工程没有采用一种新技术，而完全是综合运用现有科学技术的结果。系统工程是实现系统最优化的组织管理技术，因此，系统整体性能的最优化是系统工程所追求并要达到的目的。由于整体性是系统工程最基本的特点，所以系统工程并不追求构成系统的个别部分最优，而是通过协调系统各部分的关系，使系统整体目标达到最优。谭跃进等，《系统工程原理（第二版）》科学出版社，2017系统工程的原则适应性原则协调与优化原则动态性原则综合性原则整体性原则目的性原则系统工程是人类社会的实践活动，必定有它的目的。只有目的正确，有科学根据，符合客观实际，才能建立和运转具有预期效果的系统。因此系统工程特别强调目的性，自始至终需要有明确的目的。尽管实施的方案和道路是多种多样的，但是必须达到统一目的，这就是所谓的异因同果。反过来说，如果目的不正确，方法手段措施越好，离原目的的希望就越远。过去的方法性学科，比较多的是研究探讨怎样实现目的，比较少去研究如何明确目的，而系统工程首先要求明确目的，这是系统工程学科在方法论上有所突破的地方。系统工程要求人们处理问题首先要着眼于系统整体，不要见木不见林，而要先见林，后见木。现代社会和科学的发展使得系统性的问题越来越多，人们深感只重局部而忽视全局的观点有很大缺陷，要求建立从全局、整体着眼的思考方式。更重要的是系统各部分组成整体之后，产生了（涌现出）总体功能，即系统的功能，而系统的功能要超越各部分功能的综合，这不仅是量变，而且是质变，系统工程首先看重的就是这种整体功能。处理问题总是先看整体，后看部分；先看全局，再看局部；从宏观到微观，并把部分与局部放在整体与全局之中来考察，这便是整体性原则。这个原则有两方面含义：一是指系统的属性和目的是多方面的，相互关联的，带有综合特点的。例如，发展生产需要兼顾经济效益、社会效益和生态效益，而高产量、高质量又是和低消耗、低成本、低污染相矛盾的，每一项措施所引起的结果和影响力都是多方面的，都带有综合特点。二是指解决同一个问题可以有不同方案，有不同的方法和途径，而各种方法和技术如果能加以综合，取长补短，会得到意想不到的效果。在阿波罗登月计划中，关键部分——登月舱所采用的单项技术都是成熟的，但是巧妙地把他们综合集成起来，就起了卓越的作用，在综合中得到新的成果。所以有人说，集成也是一种创造。系统工程强调综合性原则，指出上述两方面都要加以考虑，就不会顾此失彼，因小失大。系统工程强调在运动和变化过程中来掌握事物，关注系统的过程，而不是仅仅关注系统的某一状态。系统的平衡有时是静态的，而更多的时候是动态的平衡，至于平衡的破坏和不断的转化更是经常发生的。系统工程十分重视系统中的物质流、能量流和信息流的运动。从长远来看，任何系统都有从孕育、产生、发展到衰退、消亡的生命周期，也需要用动态的观点加以研究。客观世界中的系统是复杂多变的，组成的部分为数众多，互相制约，怎样才能使他们相互配协作，使整个系统在协调的情况下运行，这是系统工程在处理复杂系统时需要考虑的。此外，在建立或改造一个系统、运转一个系统时，总希望它在给定的条件下达到最优的效果，也就是说系统工程强调系统的优化。当然由于目标的多元化，优劣标准也是多样化的，所以优化也是要统筹兼顾的。有时候由于人的认识和环境的限制，无法达到理想的最优结果，人们就比较现实地去追求满意结果。由于系统是在外界环境中存在和发展的，所以它必须适应环境。系统工程不仅重视系统内部要素之间的关系，而且要考虑系统与环境的关系。现实中的系统都是开放的，与环境之间有物质、能量和信息的交换，当外界环境发生变化时，系统必须相应地调整自己以适应这种变化，否则系统就会丧失生存的条件。特别是现代社会经济技术变化都很快，系统必须主动适应这种变化，这就是系统工程所要强调的。高级的系统有自动调节自身组织、活动的功能，这就是系统的自组织性，设计与建立高水平的复杂系统时，应考虑使系统具有自组织性，以达到适应环境的目的。胡祥培等，《工程管理系统工程》，重庆大学出版社，2024年出版01.系统工程的典例02.03.04.目录CONTENTS系统工程基本概念系统工程的发展历程系统工程特点与原则【知识架构】05.系统工程应用第一章

绪论(1)社会系统工程(2)经济系统工程(3)管理系统工程(4)区域规划系统工程(5)环境生态系统工程(6)能源系统工程(7)水资源系统工程(8)交通运输系统工程(9)农业系统工程(10)企业系统工程(11)工程项目管理系统工程(12)