第一章系统工程概述

1、,南华大学经济管理学院 李鹏程 ,系统工程（Systems Engineering,SE) 系统工程导论,引言：WHY？,时代特征及社会发展趋势 经济全球化（环境） 动态市场带来挑战和机会（变化） 社会加速信息化 创新已成为时代的最强音（概念、途径） 社会进入合作竞争新时代 （COOPETITION；GUANXI） 科学发展观引起普遍关注（系统发展观） 管理科学的发展与管理人才培养 管理科学发展的“制高点” 系统化管理 T型人才,“要学一点系统工程”,引言：What?,SE是以大规模复杂系统（特别是管理系统）为研究对象，在系统理论、管理科学及其运筹学、专业工程技术等学科基础上形成的一门交叉学科

2、。通过学习，主要使学生掌握分析与解决一般管理系统问题的思想、程序和方法。,理解“系统工程”概念、思想 掌握“系统工程”方法 应用“系统工程”理论和方法,如何学习？,引言：How?,注重系统思考 坚持问题导向 采用系统化方法,1. 谭跃进. 系统工程原理M. 国防科学技术大学出版社, 2003. 2. 周德群. 系统工程概论M. 科学出版社, 2005. 3. 孙东川. 系统工程引论M. 清华大学出版社, 2004. 4. 许国志. 系统科学M. 上海科技教育出版社, 2004. 5. 许国志. 系统科学与工程研究M. 上海科技教育出 版社, 2001. 6.汪应洛主编，系统工程（第3版），机械

3、工业出版社，2003.8 7. 系统工程学报 8. 系统工程理论方法应用 9.系统工程理论与实践 等期刊,“系统工程”课程参考材料,第一章 系统工程概述,1.1关于系统 1.2关于系统工程 1.3系统工程的产生、发展及应用 1.4系统科学体系,7,钱学森对系统的描述性定义： 系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分（元素）结合成的具有特定功能的有机整体，记为S = ,其中 （Elements）为系统 （Systems）中所有元素构成的集合， （Relationship）为系统 中所有关系的集合。,1.1.1 系统的概念,8,1. 1.1 系统的概念,1.1.2 系统的结构和功能,系统的结构：S

4、 = 系统的功能：,企业系统的基本结构和功能？ 高校系统的基本结构和功能？,10,1.1.3 系统的特征,11,关于系统的整体性,系统的整体性就是强调“整体功能大于各部分功能之和” ，即 “112”,系统具有整体的结构、整体的特性、整体的状态、整体的行为、整体的功能等。,1.1.3 系统的特征,12,关于系统的集合性,系统的集合性就是由许多（至少两个）可以相互区别的要素构成。如一个工业企业的集合要素如下图。,1.1.3 系统的特征,13,关于系统的层次性,任何一个系统 都可以分解为一系列的不同层次的子系统 ，而它本身又是它所从属的一个更大系统 的子系统 。,子系统： 如果系统 的元素集合满足以

5、下条件，则称为系统 的一个子系统 ： （1） 是 的子集合，即 （2） 本身是一个系统。,1.1.3 系统的特征,14,关于系统的层次性,系统的层次结构：组分（子系统元素）及组分（组分内部）之间的关联方式的总和。 关联方式主要是因果关联（数学和逻辑关系），表现形式有树状结构和网状结构两种。,1.1.3 系统的特征,15,树状结构示意图,关于系统的层次性,1.1.3 系统的特征,如：“教育系统”的层次结构,1.1.3 系统的特征,17,网状结构示意图,关于系统的层次性,1.1.3 系统的特征,18,网络系统及层次性,1.1.3 系统的特征,19,系统的分类,1.1 .4 系统的分类,自然系统与人

6、造系统（按自然属性分） 实体系统与概念系统（按物质属性分） 动态系统和静态系统（按运动属性分） 开放系统与封闭系统 （按系统与环境之间的关系分） 简单系统、简单巨系统和复杂巨系统 （按系统复杂程度分）,20,（1）钱学森对系统工程的定义： 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。简言之“系统工程是一门组织管理的技术”。,1.2 关于系统工程 1.2.1系统工程的概念,1.2.1系统工程的概念,“系统工程认为虽然每个系统都由许多不同的特殊功能部分所组成，而这些功能部分之间又存在着相互关系，但是每一个系统都是完整的整体，每一个系统都要求有一个或若干个目标。系统工程则是

7、按照各个目标进行权衡，全面求得最优解（或满意解）的方法，并使各部分能够最大限度地互相适应。”,（2）美国著名学者H.切斯纳的定义,22,1.2.1系统工程的概念,（3）美国军用标准MIL - STD - 499A 定义： “系统工程是将科学和工程技术的成就应用于： 通过运用定义、综合、分析、设计、试验和评价的反复迭代过程，将作战需求转变为一组系统性能参数和系统技术状态的描述； 综合有关的技术参数，确保所有物理、功能和程序接口的兼容性，以便优化整个系统的定义和设计； 将可靠性、维修性、安全性、生存性、人素工程和其它有关因素综合到整个工程工作之中，以满足费用、进度、保障性和技术性能指标。”,23,

8、装备系统工程,系统工程过程,及时地部署、使用和保障一个有效的系统，并在可承受的费用条件下满足用户的需求。,装备系统工程既是一个复杂的管理过程，又是一个复杂的技术过程,24,对系统工程的定义“人各一词，莫衷一是”本书从更广泛的基础上描述了系统工程的内涵：,系统工程是以研究大规模复杂系统为对象的一门交叉学科。它是把自然科学和社会科学的某些思想、理论、方法、策略和手段等根据总体协调的需要，有机地联系起来，把人们的生产、科研或经济活动有效地组织起来，应用定量分析和定性分析相结合的方法及计算机等技术工具，对系统的构成要素、组成结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，从而达到最优设计、最

9、优控制和最优管理的目的，以便最充分地发挥人力、物力的潜力，通过各种组织管理技术，使局部和整体之间的关系协调配合，以实现系统的综合最优化。,1.2.1 系统工程的概念,25,系统工程的特点, 整体性(系统性) 关联性(协调性) 综合性(交叉性) 满意性(最优化),1.2.2 系统工程解决问题的特点,1.2.3系统工程的研究对象及内容,(一)SE的研究对象是大规模复杂系统 该类系统的主要特点有：规模庞大、结构复杂、行为复杂、属性及目标多样、以及内部表现的开放性、非线性、随机性等 一般为人-机系统、经济性突出等。,1.2.3系统工程的研究对象及内容,(二)SE的研究内容 系统辨识技术 系统模型化技术

10、 系统最优化技术 系统评价技术 系统预测技术 系统决策技术,1.3系统工程的产生、发展及应用,（一）系统思想及系统理论的产生与发展 系统思想的发展经历了三个阶段，即：“不见树木，只见森林”（朴素的系统思想）阶段“只见树木，不见森林”阶段“既见树木，又见森林”（科学的系统思想）阶段。 古代中国和古希腊在系统思想的产生与早期发展中具有突出地位和贡献。,(一)系统思想及系统理论的产生与发展,整体思想和联系思想是科学系统思想的核心与实质。 一般系统论、控制论、信息论、耗散结构理论、协同学及自组织理论等是系统理论的重要内容和SE的理论基础。,军工产品项目定型管理,30,管子 农事管理,李冰父子 工程管理

11、,孙子 军事管理,（一）系统思想及系统理论的产生与发展,古代朴素的系统思想,31,都江堰水利工程示意图,战国时期川西太守李冰父子主持修建。目标：利用岷江水资源灌溉川西平原、防洪与航运。包括三大工程及120多项配套工程。其总体构思是系统思想的杰出运用。两千多年来，都江堰一直发挥着巨大的效益，是我国最成功的水利工程。,军工产品项目定型管理,32,古代朴素的系统思想,“不见树木，只见森林”,国外：古希腊辨证法奠基人之一赫拉克利特（Herakleitos,约公元前540-前470年）在论自然界一书中说过：“世界是包括一切的整体”。 古希腊唯物主义哲学家德谟克利特（Demokritos,约公元前460-

12、前370年）的一本没有留传下来的著作宇宙大系统中指出，“宇宙是一个大系统”。 古希腊亚里士多德（公元前384-公元前322）：整体大于部分之和,34,十五世纪下半叶，近代科学开始兴起，力学、天文学、物理学、化学、生物学等逐渐从哲学中分离出来。近代自然科学发展了研究自然界的独特的分析方法，包括实验、解剖和观察，把自然界的细节从总的自然联系中抽出来，分门别类地加以研究。这种考察自然界的方法移植到哲学中，就成为形而上学的思维方式。形而上学的出现是有历史根据的，是时代的需要，对科学、技术、文化的蓬勃发展起了不可磨灭的重要作用。但是，形而上学撇开总体的联系来考察事物和过程，蕴含着极大的局限性。 “只见树

13、木，不见森林”,（一）系统思想及系统理论的产生与发展,35,十九世纪上半叶，自然科学取得了一系列伟大成就。特别是能量转化、细胞和进化论的发现，使人类对自然过程的相互联系的认识有了很大提高。十九世纪的自然科学“本质上是整理材料的科学，关于过程、关于这些事物的发生和发展以及关于把这些自然过程结合为一个伟大整体的联系的科学” 。马克思、恩格斯的辩证唯物主义认为，物质世界是无数相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的事物和过程所形成的统一整体。 “既见树木，又见森林”,（一）系统思想及系统理论的产生与发展,（二）系统工程的发展概况,（二）系统工程的发展概况,(三)系统工程在我国的发展及应用,(三)系统

14、工程在我国的发展及应用(1) 上世纪50至60年代，我国的一些研究机构和著名学者为SE的研究与应用作了理论上的探讨、应用上的偿试和技术方法上的准备。其主要标志和集中代表是钱学森的工程控制论、华罗庚的统筹法和许国志的运筹学。 我国大规模地研究与应用SE是从70年代末、80年代初开始的。,(三)系统工程在我国的发展及应用(2) 1978年9月27日，钱学森、许国志、王寿云在文汇报发表题为“组织管理的技术系统工程”的长篇文章； 从1978年起，西安交大、天津大学、清华大学、华中理工大学、大连理工大学等国内著名大学开始招收了第一批SE专业硕士研究生； 1980年11月，中国系统工程学会在北京成立； 1

15、980年10月至1981年1月，中国科协、中央电视台会同中国系统工程学会、中国自动化学会联合举办“系统工程电视普及讲座（45讲）”，取得了良好的社会效果。,(三)系统工程在我国的发展及应用(3),70年代末以来，应用SE理论和方法来研究与解决我国的重大现实问题，在许多领域和方面取得了较好的效果，如： 人口问题的定量研究及应用（始于1978年） 2000年中国的研究(1983至1985年） 全国和地区能源规划（始于1980年） 全国人才和教育规划（始于1983年） 农业系统工程（始于1980年） 区域发展战略（始于1982年） 投入产出表的应用（始于60年代和1976年） 军事系统工程（始于19

16、78年） 水资源的开发利用（始于1978年） 等,(三)系统工程在我国的发展及应用(4),80年代以来，系统工程与以下几个方面的结合得到了广泛的研究和应用。,43,社会系统工程研究对象是整个社会，这是一个开放的复杂巨系统。目前正在探讨一种从定性到定量，综合运用多种学科处理复杂巨系统的方法论。 经济系统工程主要研究宏观经济问题，如国家的经济发展战略、综合发展规划、经济指标体系、产业结构分析、资源合理配置、经济政策分析、综合国力分析、世界经济模型等。 环境生态系统工程主要研究大气生态系统、大地生态系统、流域生态系统、森林与生物生态系统、城市生态系统的规划建设问题。,44,企业系统工程主要研究市场预

17、测、新产品开发、CIMS及并行工程、全面质量管理、成本效益分析等； 农业系统工程主要研究农业发展战略、大农业和立体农业的战略规划、农业结构分析、农业区域规划、农产品需求预测、农业政策分析等； 教育系统工程主要研究人才需求预测、人才与教育发展规划、人才结构分析、教育政策分析等。,45,区域规划系统工程运用系统工程的原理和方法研究区域发展战略、区域综合发展规划。、区域投入产出分析、区域城镇布局、区域资源合理配置、城市水资源规划、城市公共交通规划与管理等。 能源系统工程研究能源合理结构、能源需求预测、能源开发规模预测、能源生产优化模型、能源合理利用模型、电力系统规划、节能规划、能源数据库等问题。 水

18、资源系统工程研究河流综合利用规划、流域发展战略规划、农田灌溉系统规划与设计、城市供水系统优化模型、水能利用规划、防汛指挥调度、水污染控制等问题。,46,交通运输系统工程研究铁路、公路、航运、航空综合运输规划及其发展战略、铁路调度系统、公路运输调度系统、航运调度系统、空运调度系统、综合运输优化模型、综合运输效益分析等。 信息系统工程信息网络+用户是一个人网结合的开放的复杂巨系统，不仅具有信息采集、加工、存储、传输、调用、共享、分析、综合等功能，还具有产生新信息的功能，是信息的生产系统。 军事系统工程主要研究国防发展战略、作战模拟、情报、通信和指挥自动化系统、武器装备发展规划、国防经济学、军事运筹

19、学等。,47,水资源系统工程的热点话题： “南水北调”工程，它分西线、东线、中线三条调水方案，其意义在于，它是我国长江流域、黄河流域水资源的一次带有全局性和战略性的结构调整。如何实现市场经济下水资源的合理利用，构成我国水资源“四横三纵、南北调配、东西互济”的新格局，是一项复杂的系统工程。,48,什么是系统科学方法？,1.4 系统科学体系,定义：系统科学是一门从总体上研究（复杂）系统共同运动规律的学科。 系统科学属于基础科学层次，主要讨论系统的概念、特征、分类及演化规律，探讨系统分析的方法和系统逻辑的具体应用。重点是复杂系统演化规律的研究，难点是整体与局部关系的研究。,49,1.4 系统科学体系

20、,物性描述研究对象的物质特征； 系统性描述研究对象的整体特征，即整体性。 系统往往与一修饰词组成复合词，如自然系统、物理系统、生物系统、军事系统、经济系统。 （ 物性+系统性） 传统科学研究物性： 数、理、化、天、地、生 . 系统科学研究系统性： 如整体与局部的关系 结构与功能的关系 稳定与演化的关系,物性与系统性(个性与共性),50,1.4 系统科学体系,涌现的定义（斯文森，1989）： 涌现是一组元素（或广义粒子）在一个广义的“流场”作用下，从一种杂乱无章的状态向一种协调一致的状态的自发转变。从广义上讲，涌现包括了现实中所有新系统的出现、序的产生和层次复杂性的增加。,整体与局部的关系：涌现性,51,1.4 系统科学体系,涌现性的特点： （1）微观不可预测性：即使对低层次元素有完备的知识，也不可能推断出高层次的结构。 （2）新质特性：涌现性对元素的性质而言是全新的，处在一种更宏观的层次上，是在微观层次不存在的新质。 （3）不变性：涌现性相对于微观层次的元素状态而言，有一定的不变性，元素总是处于微涨落不断变化的状态中，但整体的特性相对不变。 （4）宏观约束性：系统的整体性约束元素的行为，即元素间的相互作用产生了宏观层次上涌现的整体或约束，这种宏观约束又反过来支配元素的行为。,整体与局部的关系：涌现性,52,贝塔朗菲的一般系