第二章系统与系统工程

1、第二章 系统与系统工程,教学要求： 在熟悉国内外专家不同定义和系统构成条件的基础上，掌握系统的含义和系统的构成条件；了解系统和要素之间的辩证关系以及系统的基本性质；熟知系统分类的方法和系统研究的内容。 掌握系统工程的概念；深刻理解系统工程的内涵，了解系统工程的理论基础和系统工程的四类基本问题（排序、组集、适度、联接）。 了解社会经济系统的复杂性和掌握社会经济系统的一些基本特点。,第二章 系统与系统工程,2.1 系统概论 2.2 系统工程概论 2.3 系统工程的重点研究对象社会经济系统,2.1 系统概论,2.1.1 关于系统的定义 2.1.2 系统的基本性质 2.1.3 系统的分类 2.1.4

2、系统研究的内容,2.1.1. 关于系统的定义,从学习、生活和工作所在的学校、地区和单位，城市、国家、地球，或者从身体、身体内不同的子系统来说明系统的普遍性； 剖析一个学校、一个家庭，从系统的组成、关系等掌握系统一下基本概念。,2.1.1.关于系统的定义,日本JIS（工业标准）认为系统是许多要素保持有机的秩序，向着同一目的行动的东西。 美国学者阿柯夫教授认为系统是有由两个或两个以上相互联系的任何类的要素所构成的集合。 生物学家冯贝塔朗菲认为系统是由相互作用着的诸要素的综合体。 汪应洛教授 “系统是有特定功能的、相互间具有联系的许多要素所构成的一个整体”。 王众托教授“所谓系统就是由相互作用和相互

3、依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体”。,2.1.1 关于系统的定义,一、系统 大脑思考问题的特征 形成边界：把要认识的对象割裂开来，形成一个思考范围。例：深山里的老板 串联：同一时间只能思考一个问题（左手画方，右手画圆） 整合：一系列分散素材以自学习方式整合起来。,2.1.1 关于系统的定义,一、系统 定义： 系统包含两个或两个以上的元素，这些元素可以称为要素（主要元素）、部分、或者子系统 ； 系统的元素之间存在着各种简单或复杂的关系或联系； 系统是其所有元素与全部关系综合而成的有机整体，或称为有机统一体； 具有一定的边界，作为更大系统的子系统存在。,2.1.1 关于系统的定义

4、,二、结构：要素及关联的总和 要素：系统内有一定独立性的“零件”，它是系统内部在一定意义下的最小的基本单元 要素之间边界清晰 要素之间联系的描述可行 要素的划分与认识系统的目的有关，具有主观性 关联：要素之间的联系 企业之间的竞争、合作 领导与被领导关系 师生关系 系统中的要素不仅是指物质存在，而更是指在关联中的意义。“砍下来的手不再是手”,2.1.1 关于系统的定义,三、功能：描述系统与外部环境关系的一个概念 输入： 可控输入：原料 不可控输入（环境）：法律 变换 输出： 关心的功能：利润，杀害虫 剩余功能：污染，杀益虫、残留,e1,e2,e3,e4,输入,输入,输出,边界,2.1.1 关于

5、系统的定义,四、层次：系统结构在同一时空结构中可描述性。如：宏观经济学与微观经济学 空间层次结构：如 不同地区 不同部门 时间层次结构：社会经济系统在不同时间尺度上的可耦合性 功能层次结构：不同层次有不同作用 高层：长远决策 中层：管理 下层：操作与精确控制,2.1.2 系统的基本性质,整体性 虽然每一个要素都有其各自不同的特征和功能，但通过要素之间的各种关系的相互影响，对外总是以系统的综合特性与功能显示出来。人们很容易观察到这样的事实：即使不全是完善的要素也可以构成性能良好的系统，反之即全是性能良好的要素也不一定能构成一个完善的系统，这说明系统的功能不等于子系统功能之和，而系统功能大于、等于

6、或小于各子系统功能之和与系统结构安排、系统法则设计密切相关。 例：球队系统 涌现性 系统的整体性反映系统要素与系统整体功能数量上的差异，而系统的涌现性则表现在质的差异，即系统各个部分组成一个整体后，就会产生整体具有而各个部分原来没有的某些东西（性质、功能、要素），系统的涌现性还包括系统层次的涌现性，即当低层次的几个部分组成上一层次时，一些新的性质、功能和要素就会涌现出来 。 例：“三个臭皮匠顶个诸葛亮 ”，飞机等,2.1.2 系统的基本性质,相关性 系统的相关性是指构成系统的要素之间，系统内各层次之间都是以一定的规律相互联系，相互作用，它们既相互存在、又相互制约。要素之间关系既存在正相关关系，

7、也存在负相关关系，即系统要素对系统的作用和对其他要素的作用既存在正作用也可能存在负作用。 例：球队系统，政策 层次性 任何一个系统都可以在空间或时间上进行初步分解，分成次级、次次级等分系统、子系统，直至元素。形成一系列的排列次序。一般而言，系统的层次性表现为系统具有树状结构或金字塔结构。但随着英特网技术发展，管理系统层次在向扁平化发展，当网络化程度很高时，系统层次性会下降。 例：行政系统、问题系统,2.1.2 系统的基本性质,目的性 任何一个人造系统或人为系统都具有特定的目的，为了总的目的，各子系统（要素）直至元素都具有各自的中小目的。只有了解不同层次的目的，才能更好的对系统进行管理。只有了解

8、系统中不同层次各自要素的目的，才能合理的制定各项管理制度和章程，才能有效的管理好系统。 例：公司目标系统 成长性 任何系统都是从无到有，从小到大，经历孕育期、诞生期、发展期 、成熟期、衰老和更新期。在系统上升时期，要素在增长，层次性更分明，系统结构稳定性加强，系统与环境的联系紧密，且适应性好，反之在系统衰老期，要素在萎缩，层次性模糊，系统结构稳定性减弱，系统与环境的联系松散，且适应性差。其次，系统的生长曲线为S型，如果系统发展到一定高度，如果不进行及时地更新改造，就将进入衰退期，系统很难再上一个层次。 例：企业发展,2.1.2 系统的基本性质,环境适应性 任何一个系统都处于一定的环境之中，或者

9、说它是一个更大系统的子系统；它的形成与发展在不同程度上会受到环境的制约。同时，任何一个系统与同处一个类似环境的系统之间存在着竞争，只有适应环境的系统才能在竞争中取胜。一般来讲，一个系统在诞生之后，它会主动地适应环境的需要，调整自己，使自己适应环境，从而更加有利于自身的生长、发展、壮大。 例：企业发展,2.1.3 系统的分类,自然系统与人造系统 实体系统与概念系统 静态系统与动态系统 开放系统与封闭系统 开环系统与闭环系统,2.1.4 系统研究的内容,对于一个人造系统来讲，人们最关心的是系统功能，系统行为、系统结构、系统环境、系统运行规则以及系统的目标 。 所以在很多场合，人们研究系统的目的是要

10、使系统功能、系统行为达到人们所期望的状态，系统结构与系统运行法则应如何设计的问题。,2.1.6 系统研究的内容,系统目标是多样的 ，方方面面的目标组成了系统的目标体系 ，各子目标的权重不一样 ，随着时间的推移、领域的变化、各子目标的权重也是变化的 ，系统近期、中期和远期的系统目标不仅权重是变化的，有时目标体系也会变化的 。 案例：建设方案,2.1.4 系统研究的内容,系统功能指的是系统在环境中所起的作用，或系统完成任务以及完成任务的能力，系统功能是相对环境来说的，环境是系统功能作用的舞台 。 案例：计算机系统，某个职工,2.1.4 系统研究的内容,系统行为指的是一个系统输入作用于系统所引起的输

11、出，反映系统对系统输入的响应程度。系统响应时间的快慢和强度的大小是系统的重要性质，系统行为是系统结构和系统输入的函数，或者说系统行为是系统自身特性的表现，但与环境有关。 案例：能源对企业的影响,2.1.4 系统研究的内容,系统结构指系统内部各组成要素（组分）之间在空间、时间的联系、作用方式与顺序，系统要素在空间的排列或配置方式成为系统的空间结构，系统要素在时间流程中的关联方式称作系统的时间结构，有些系统主要呈现空间结构，有些系统主要呈现时间结构，有些系统兼而有之 。 案例：地区经济结构,2.1.4 系统研究的内容,系统法则指支配系统各要素，以及要素之间相互支持、联系、制约的一些规律。系统法则包

12、含自然法则和人为法则。 案例：产业政策,2.1.4 系统研究的内容,系统环境是指系统之外的一切与它相关联的事物构成的集合，由于不同研究目的和不同研究者对于相关联事物理解的差异，系统环境只能在相对的意义上确定。 案例：企业或学校环境,2.1.4 系统研究的内容,系统结构与功能的关系 构成系统结构的要素不同，系统的功能不同；构成系统的要素相同，但连接方式、排列次序不同，系统的功能不同 ，但在某些特定场合，构成系统的要素与结构不同，也可获得相同的功能 ，同一结构的系统，可以由不同的功能 。,2.2 系统工程概论,2.2.1 关于系统工程的定义 2.2.2 系统工程的学科性质与特点 2.2.3 系统工

13、程的理论基础 2.2.4 常见的四类系统工程问题,2.2.1、关于系统工程的定义,不同专家站在不同的层次，不同专家来自不同的学科，从自己工作和熟悉的专业术语对系统工程进行定义，由此产生对系统工程定义描述相差较大的现象 钱学森：系统工程是关于组织、管理、规划、研究、设计、制造、试验、和使用系统的科学方法，是一种对所有系统都具有普通意义的科学方法。 “系统工程是一门组织管理的技术”。,2.2.1、关于系统工程的定义,日本寺野寿郎：系统工程就是使从无到有的创造合理化的科学，就是合理进行开发、设计、运用系统而采用的思想、程序、组织和方法的总称。 日本学者三浦武雄：为了制造系统，需要实现其目标和功能的必

14、要硬件、软件、子系统、要素等适当地组织起来并进行统一，系统研究不仅涉及到工程学领域，而且涉及到社会、经济和政治等领域，为了适当地解决这些领域的问题，除了需要各种纵向技术之外，还必须有横向技术，而系统工程就属于这种技术，可以理解为制造系统所必须的许多思想、技术、方法和理论等构成体系化的总称。,2.2.1、关于系统工程的定义,汪应洛：系统工程是一门以大系统为研究对象的多学科、跨行业的边缘学科，它结合自然科学、工程技术和社会科学的思想、理论和方法，把系统内人类的生产、科研或经营组织起来，应用现代数学和电子计算机技术为工具或手段，对系统构成的要素、组织结构、信息交流和反馈控制等功能进行分析、设计、制造

15、和运行、从而达到系统的最优设计、最优控制、最优管理,2.2.2、系统工程的学科性质与特点,无论用哪一种系统工程方法去处理问题，其基本原则都是把要研究对象作为一个系统，从整体性角度去分析、组织和管理 。 从系统工程的研究对象来说，可以是具有普遍意义的系统，尤其是大规模复杂系统，复杂系统的研究更能体现出系统工程的优势。,2.2.2、系统工程的学科性质与特点,从系统工程要解决问题的手段来看，要以软为主，软硬结合。 从系统工程研究要达到目的来说，无非是使系统达到“最优的开发、最优的设计、最优的管理和最优的运行”。,2.2.2、系统工程的学科性质与特点,广义系统工程是指开发和改造系统的规划、计划、设计、

16、研制、生产、安装、运行等阶段所涉及的思想、程序、方法等的总和。而狭义系统工程是指对系统进行分析、综合、仿真、优化等比较理性的技术,2.2.3、系统工程的理论基础,系统工程的产生与发展除了在哲学、系统科学等方面获得思想方法的源泉以外，同时也因为分析和处理各类系统的相关理论和技术的诞生和成熟，如运筹学、控制论、信息论、计算机科学和信息技术等学科的理论支持 。,2.2.3、系统工程的理论基础,钱学森先生提出的系统科学体系：,工程技术,马 克 思 主 义 哲 学,社会科学,数学科学,自然科学,系统科学,人体科学,思维科学,运筹学,控制论巨系统理论,信息论,各门系统工程,自动化技术,通信技术,其他技术科

17、学,其他技术科学,其他工程技术,其他工程技术,2.2.4、常见的四类系统工程问题,排序。“序”指要素在系统某特定广义空间排列的次序 。如技术改造方案的选择，创新构思的筛选，技术创新能力的评估，创新战略方案选择等，如何科学合理的解决这类排序问题，系统工程最常用的方法系统评价是解决这类问题的最好方法。它运用合理地分解方法，将评价的目标和对象属性共同构成评价指标体系，以及利用专家经验和评价方法确定各指标的权重，最后运用效用原理将系统各个属性的价值组合成为系统的价值，作为排序的依据。 案例：地区市场秩序评价，企业新业务开发,2.2.4、常见的四类系统工程问题,组集。组集是寻求集合的合理匹配，以实现系统

18、的预定目标和特定功能与行为。前提是对系统各种要素进行详细、全面地分析，和要素的相关分析。组集常用的技术为多元相关分析与聚类分析。组集有两种类型，互补性组集是对性质互补的要素进行合理的匹配，形成一个能相互取长补短、合乎客观规律、适应外部环境与实现系统整体功能的集合 ；同类性组集是把性质相近的要素聚合在一起，形成一个特定功能与行为的系统 。 案例：地区科技重点行业的选择,2.2.4、常见的四类系统工程问题,适度。适度就是掌握事物的质和量的分寸，“恰到好处”。解决这类问题常用“优化”技术，一般来讲“运筹学”是寻求“适度”最重要的方法。但在很多社会经济系统的研究中，为了保证社会经济可持续发展、建设和谐

19、社会，合理的分配资源，合适的发展速度，社会经济系统各子系统的协调发展是重要的议题，由于系统的复杂性，难以写出优化的数学表达式，所以采用系统仿真方法能够较有效的确定系统各要素的量和质的关系。 案例：开发治理资金的匹配，企业研发项目计划安排,2.2.4、常见的四类系统工程问题,联接。联接包含两重含义，一重是系统内各要素如何衔接，支配关系如何选定，要素比重如何确定，才能使系统的功能达到最佳 。第二重含义是，一旦系统目标确定之后，系统以何种策略，从现在过渡到目标点，或者系统的近期目标、中期目标、远期目标如何衔接问题，才能使达到目标所花费的时间或投入最少 。 案例：地区社会经济发展问题，,2.3 系统工

20、程的重点研究对象社会经济系统,2.3.1 社会经济系统遵循因果律 2.3.2 社会经济系统具有多重反馈 2.3.3 社会经济系统存在反直观性 2.3.4 社会经济系统具有较强的非线性特征 2.3.5 社会经济系统存在时滞（延迟）效应 2.3.6 社会经济系统存在大惯性 2.3.7 社会经济系统不适应做直接试验 2.3.8 社会经济系统因果有时在空间上分离,2.3.1、社会经济系统遵循因果律,因果律是社会经济系统的基本规律，是系统工程分析问题的基本点。对系统实施任何一个影响都会产生一定的效果（正面的或负面的影响）；反过来，系统中任何结果的产生都会找到原因。 系统工程工作者在分析社会经济系统问题时

21、，要分清什么是原因，什么是结果，还更要清楚某项原因产生的正作用和负作用。在现实中，不仅大量存在着一因多果和一果多因，而且一个原因可能产生短期与长期的不同效果，或者直接和间接的不同效果。 案例：“分田到户，责任承包”政策 。,2.3.2、社会经济系统具有多重反馈,反馈是指因果关系的互动，存在正负反馈，正反馈指系统的A要素的增长会引起系统B要素的增长，而B要素的增长又使得A要素增长，负反馈指系统A要素的增长会引起系统B要素的增长，而系统B要素的增长又使得系统A要素减弱 。社会经济系统不但具有正负反馈，还具有多重反馈。 用因果关系环表示社会经济系统的反馈和多重反馈，是系统工程常用的分析方法，尤其是复

22、杂系统的分析，同时也是系统建模的前提，只有准确的描述系统的行为才能有效地进行分析，才可能得到正确的结论。 案例：人口系统,2.3.3、社会经济系统存在反直观性,社会经济系统具有较高的复杂性，其因果关系特别复杂， “歪打正着”“好心办坏事”正是系统复杂性的表现。在社会经济系统里，反直观性是指某一项政策，经过常规的分析认为是一个好的政策，但政策实施后其效果不佳，或出现人们意想不到的后果。造成这一结局的可能性是系统复杂程度太高，根据常规思维人们不容易进行有效的分析，或人们根据现有的资料、用常规方法是难以全面认识该问题，如心理问题；其次是系统分析人员，在设计政策时分析欠深入，或被表面现象所迷糊，或基本

23、假设与现实相差太大,2.3.4、社会经济系统具有较强的非线性特征,人们很容易地观察到社会经济系统存在大量的非线性现象。如一个国家的税率和税收总额的关系，或者一个国家的税率与社会财富创造数量（GDP）之间的关系。简单地看，似乎会觉得税率与税收总额应该是一个线性关系，税率越高，税收总额也越高，其实不然。税率太低，固然税收总额很少；税率过高，也会过度伤害人们创造财富的积极性，而使整个社会财富创造数量减少，从而减少实际税收 。 在系统复杂性较高时，给系统的设计、系统优化带来了很大麻烦。目前在社会经济系统的系统设计、系统优化研究中常用的方法是系统动力学方法。 案例：工作压力问题,2.3.5、社会经济系统存在时滞（延迟）效应,