系统工程第1章-系统工程概述

1、系统工程,经济管理学院 工业工程系 孙其龙 ,2,教材：,汪应洛主编： 系统工程（第4版） 机械工业出版社出版社 2008年 8月,参考书籍,王众托等，系统工程引论，电子工业出版社，2006 白思俊等，系统工程，电子工业出版社，2006 陈宏民等，系统工程导论，高等教育出版社，2006 谭跃进等，系统工程原理 ，国防科大出版社，1999 孙东川等，系统工程导论，清华大学出版社，2004,教学过程考核,作业或实践报告（15分）：2-3次。均为下次上课前交，否则，作业成绩一律为零。 出勤要求（15分）： 三次未到，平时成绩为零 考试形式：闭卷 平时成绩（30%）+考试成绩（占70%）,5,课程学习

2、目的、要求,通过课程学习，掌握系统工程方法论，能用系统的观点分析问题，并掌握系统工程分析解决问题的基本概念、基本原理和基本方法，初步具有运用系统建模、系统分析、系统预测、系统评价、系统决策与系统网络计划等系统工程方法分析解决实际问题的能力。,6,7,7,第一章 系统工程概述 Systems Engineering（SE）,第一节 系统工程的产生、发展及应用 第二节 系统工程的研究对象 第三节 系统工程的概念与特点 第四节 系统工程的应用领域,8,第一节 系统工程的产生、发展及应用,一、系统思想的产生与发展,系统思想的发展经历了三个阶段，即：“只见森林”（朴素的系统思想）阶段“只见树木”阶段“先

3、见森林，后见树木”（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。 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。,朴素的系统思想,哲学认识：把世界当作统一的整体 “宇宙大系统” -德谟克利特 “世界是包括一切的整体”-赫拉克利特 “整体大于部分”-亚里士多德,中国系统思想,老子：“无为而治”、道法自然 西周：五行说 金木水火土 传统思想：天时、地利、人和 以和为贵、家和万事兴 中医：望闻问切，形、气、色 饮食：色、香、味、鲜,中国军事,孙子兵法十三篇

4、 打仗要把道（义）、天时、地利、将才、法治综合起来考虑 内经易经 古代工程：都江堰 都江堰的创建，以不破坏自然资源，充分利用自然资源为人类服务为前提，变害为利，使人、地、水三者高度协调统一。,启示：将所面对的事物或问题，作为一个系统来加以思考分析，从而获得对事物整体的认识，或找到解决问题的恰当的办法。现实生活中，不善于进行系统思维就容易遭受挫折或造成损失，而善于着眼于系统就能够获得巨大成功。,都江堰位于四川省中部岷江中，已有2000多年历史，是当今世界上唯一留存的以无坝引水为特征的宏大水利工程，由战国时期秦国的李冰设计修造。 都江堰包括“鱼嘴”分水工程、“飞沙堰”分洪排沙工程、“宝瓶口”引水工

5、程三大主体工程和120个附属渠堰工程，工程之间的联系处理得恰到好处，形成一个协调运转的工程总体。 它充分利用当地西北高、东南低的地理条件，根据江河出山口处特殊的地形、水脉、水势，乘势利导，无坝引水，自流灌溉，使堤防、分水、泄洪、排沙、控流相互依存，共为体系，保证了防洪、灌溉、水运和社会用水综合效益的充分发挥。 都江堰的创建，以不破坏自然资源，充分利用自然资源为人类服务为前提，变害为利，使人、地、水三者高度协调统一。,都江堰建堰2250多年来，依旧保存完好，经久不衰，发挥着巨大的效益。都江堰创建时的鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道、宝瓶口引水口三大主体工程和百丈堤、人字堤等附属工程至今犹存。 随着科学技

6、术的发展和灌区范围的扩大，从1936年开始，逐步改用混凝土浆砌卵石技术对渠首工程进行维修、加固，增加了部分水利设施，古堰的工程布局和“深淘滩、低作堰”，“乘势利导、因时制宜”，“遇湾截角、逢正抽心”等治水方略没有改变，都江堰发挥的效益越来越大。 截至1998年，灌溉面积达到了6.87万公顷，同时，为四川50多个大、中城市，数百家工矿企业提供了工业和生活用水，成为世界最佳水资源利用的典范。,科学系统思想,“只见森林”（朴素的系统思想）阶段 缺乏实践的检验 “只见树木”阶段 形而上的思想 “先见森林，后见树木” 辩证唯物主义 世界是相互联系、相互依赖、相互制约和相互作用的过程所形成的统一整体。,1

7、8,18,二、系统工程的发展概况,19,二、系统工程的发展概况,20,二、系统工程的发展概况,三、系统工程在中国的发展及应用,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。 钱学森工程控制论华罗庚统筹法许国志运筹学,70年代末、80年代初,我国大规模地研究与应用SE是从70年代末、80年代初开始 文汇报关于系统工程的文章 招收第一批系统工程专业硕士研究生 中国系统工程学会在北京成立,管理科学与工程,国内与系统相关学科研究生学位授予,1201 管理科学与工程,系统工程理论和方法的应用,人口问题 能源规划 人才和教育规划 农业

8、系统工程 区域发展战略 军事系统工程 水资源的开发利用 .,90年代以来,90年代以来，系统工程在与企业发展结合、与现代信息技术结合、与实施可持续发展战略结合、与思维科学结合等方面已具有初步结果和强劲势头。,27,27,第二节 系统工程的研究对象,一、系统的概念及特点,系统工程的研究对象是组织化的大规模复杂系统。而“系统”作为系统理论、系统工程和整个系统科学的基本研究对象，需要正确理解和深刻认识。,研究对象：,28,一、系统的概念及特点,系统的定义：系统是由两个以上有机联系、相互作用的要素所组成，具有特定功能、结构和环境的整体。 该定义有以下四个要点： (1)系统及其要素 (2)系统和环境 (

9、3)系统的结构 (4)系统的功能,实例,人和高等动物有8个系统，即消化系统、呼吸系统、循环系统、泌尿系统、运动系统、生殖系统、内分泌系统等。以上系统构成了人体和动物体，并且在神经系统调节下，互相联系、互相制约，共同完成整个生物体的全部生命活动，以保证生物体个体生存和种族绵延。,1、系统及其要素 系统是由两个以上要素组成的整体，构成这个整体的各个要素可以是单个事物（元素），也可以说一群事物组成的分系统、子系统等,2、系统与环境 环境是对系统有影响但与系统任何要素的相互联系或相互作用又都弱于系统要素间任何相互联系或相互作用的那些实体的集合。,3、系统的结构,一个系统的结构就是所有组分间关联方式的总

10、和。,4、系统的功能,任何系统都有其存在的作用和价值，也即有其特定的功能 系统功能的实现受到其环境和结果的影响,系统的功能,各种系统的特定功能是大不一样的，从一般意义上讲，系统的功能如图1.1 图 1.1,其他系统举例,物流系统 运输系统 航空系统 交通系统 教学系统,36,一、系统的概念及特点,系统的一般属性: （1）整体性 （2）关联性 （3）环境适应性,系统特性,（1）整体性。整体恒大于各孤立部分的简单之和。 （2）目的性。系统工作者进行系统的构思、设计、分析与控制、运转时，必须事先弄清其目的性，否则是无法构成一个良好和有序的现实系统的。 （3）有序性 。由于系统的结构、功能和层次的动态

11、演变有某种方向性，因而使系统具有有序性。 （4）相关性。科学发展的全部成就证明了现实世界普遍联系的观点。系统中相互关联的要素集中了各部件或要素的特性和行为相互制约与相互影响的关系，正是这种相关性确定了系统性特有的整体形态与功能。,37,（5）复杂性。现代系统一般是多结构、多目标、多功能、多参数、多层次、多输入、多变化的系统。 （6）适应性。系统与周围环境之间通常都有物质、能量和信息交换。因此，一般结构良好的系统必须具有反馈系统、自适应和自学习系统，以保持对客观环境的适应能力。 （7）动态性。系统的动态性是指其状态与时间的关系。开放系统因与外界的物质能量和信息交换，而系统内部结构也可随时变化，系

12、统的发展是一个有方向性、周期性的动态反馈过程。 （8）开放性。系统与环境的关系。,SWOT分析,从系统的观点出发，分析系统所处的环境 SWOT分析代表分析企业优势（strength）、劣势（weakness）、机会（opportunity）和威胁（threats）。 因此，SWOT分析实际上是将对企业内外部条件各方面内容进行综合和概括，进而分析组织的优劣势、面临的机会和威胁的一种方法。,选择一个你所熟悉的系统问题,说明 1、系统的功能及其要素 2、系统的环境及输入、输出 3、系统的结构（最好用框图表达） 4、系统的功能与结构、环境的关系,41,二、系统的分类型,1、自然系统与人造系统 2、实体

13、系统与概念系统 3、动态系统和静态系统 4、封闭系统与开放系统,42,第三节 系统工程的概念与特点,一、系统工程的概念,定义：用定量与定性相结合的系统思想和方法处理大型复杂系统的问题，无论是系统的设计或组织建立，还是系统的经营管理，都可以统一地看成是一类工程实践，统称为系统工程。,43,43,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”。,一般认为，系统工程是从整体出发，分析各单元的内在联系和约束条件（关系），作统筹安排，发挥各单元的功能，基于系统思想的定量和定性相结合的系统方法及计算机等技术工具处理大规

14、模复杂系统的问题，从而达到系统整体最优的目的。,例子 泡茶问题,华罗庚先生的泡茶,“想泡壶茶喝。当时的情况是：开水没有，开水壶要洗，茶壶茶杯要洗，火已升了，茶叶也有了，怎么办?”,一、问题描述,1.目标：喝到一碗清新的热茶。 2.条件：已有一个茶壶、一包好茶叶、一个燃着的火炉和可用的凉水水源。 3.其它要求：以最节约资源的方式实现目标。 4.系统工程研究任务：为解决喝茶问题设计一个行动计划系统(设计一个解决泡茶问题的行动计划)。,泡茶问题,二、问题分析,1 资源需求 根据我们的日常经验，现代人类的活动通常需要人、财、物等类资源。在这个泡茶问题上，不涉及资金，所需的资源包括：凉水、茶壶、茶叶、茶

15、碗、火炉。这些资源目前都已齐备，且假设除人外没有限制。,泡茶问题,2 目标要求 以最节约资源的方式泡一壶好茶。 这个问题中，前面提到的各项资源除了人力资源外，都是没有限制的。但实际上，茶壶的大小是确定的，因而所用水是确定的。 再假定炉火的发热量及热效率是确定的，那么，一旦装满水的茶壶放到火上，其消耗的能源也是确定的。 茶叶使用量是有定额的。,泡茶问题,所以，在泡茶问题上，前述各项资源除随机干扰外，不存在节约问题。这个问题，唯一涉及的节约问题是关于一种既无限又有限的资源时间的节约。,3 系统工程研究任务界定 设计一个解决泡茶问题的行动计划，要求合理安排各道工序，最大限度节约时间。,泡茶问题,三、

16、定性策划几个备选方案,泡茶问题,根据日常经验，对以上泡茶问题可以有以下三种解法： 甲：洗净水壶；灌上凉水；壶放在火上；等水开；水开后，以最快的速度洗茶杯，找茶叶；泡茶，待茶泡好；喝茶。 乙：洗净水壶；洗茶杯；找好茶叶；灌凉水；壶放火上；等水开；水开后，用准备好的茶杯、茶叶泡茶；等待茶泡好；喝茶。 丙：洗净水壶；灌凉水；壶放火上；洗茶杯；拿茶叶；水开之前，可干一些其它事；水开，泡茶；喝茶。,泡茶问题,四、方案分析与比较 (系统分析),1.列出泡茶所需的全部工序 2.确定每道工序所需的时间 3.确定各道工序之间的时间连接关系 4.分析计算每种方案所需的总时间 5.做出比较结论,泡茶问题,工序列表,

17、泡茶问题,图1 泡茶系统工程备选方案工序图,方案分析,甲方案总时间=1+0.5+0.3+15+2+2.2=21 乙方案总时间=1+1+1+0.5+0.3+15+2.2=21 丙方案总时间=1+0.5+(0.3+15)+2.2=19 分析结果：丙方案最节约时间。 方案建议：丙,泡茶问题,泡茶工程经验总结,泡茶问题,几大步骤： 确定问题 目标分析 需求分析 方案策划 系统分析（统计、计算、比较） 决策建议 方案实施 系统原理：最优化、并行统筹、工序图法,系统工程强调以下观点： (1) 整体性和系统化观点（前提） (2) 总体最优或平衡协调观点（目的） (3) 多种方法综合运用的观点（手段） (4) 问题导向及反馈控制观点（保障）,系统工程是一门交叉学科,系统论 大系统理论 经济控制论 运筹学 管理科学 计算机科学 ,现代科学技术体系,系统科学的体系,系统工程的理论基础,一般系统论 控制论 信息论 运筹学,奥地利理论生物学家L.VON 贝塔朗菲；1949年发表关于一般系统论研究复杂系统一般规律的学科。 基本观点： 整体性 开放性及目的性（有效性、适应性、寻的性） 动态相关性（动态性取决于相关性） 等级层次性 有序性（结构或空间；发展或时间）,一、一般系统论,控制论与系统工程,美国数学家申农（C.E.Shannon）和维纳以信息为主要