《系统工程基础概述》PPT课件.ppt

1、系统工程及其发展历程,系统工程的基础理论,系统工程研究方法,物流系统工程的基本方法及技术,第二章 系统工程基础概述,系统工程及其发展历程,系统工程的基础理论,系统工程研究方法,物流系统工程的基本方法及技术,第二章 系统工程基础概述,系统工程的概念,（一）典型定义,系统工程,中国著名科学家钱学森教授给出的定义：“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，是一种对所有系统都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。”,系统工程,美国著名学者H切斯纳(HChestnut)认为：“虽然每个系统都是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

2、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。 系统工程就是按照各个目标进行权衡，全面求得最优解(或满意解)的方法，并使各组成部分能够最大限度地互相适应。”,日本工业标准JIS的定义：“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。”,系统工程,系统工程(Systems Engineering)是系统科学的一个分支，实际是系统科学的实际应用。,系统工程,丁渭修复皇宫,宫殿大火后，北宋大臣丁渭负责修复皇宫的工程。在工程实施阶段，他构思了一整套施工方案：首先是挖沟，把施工工地与一自然河道联通，构成一条暂时的人工运

3、河，而挖出的泥土烧制成砖，用作工程所需的建材，人工运河用以运输所需的其他建材，最后用工程的建筑废料填去人工运河。,系统工程(Systems Engineering)是系统科学的一个分支，实际是系统科学的实际应用。 系统工程是以大型复杂系统为研究对象，应用定量分析和定性分析相结合的方法以及计算机等技术工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换、反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，从而实现系统整体目标的最优化。它既是一个技术过程又是一个管理过程。,系统工程,（二）系统工程与其他工程的区别,任何一种物质系统都能成为系统工程它的研究对象，而且还不只限于物质系统，还可以包括自然系统、社会经济系统、

4、经营管理系统、军事指挥系统等等。,社会系统工程; 宏观经济系统工程； 区域规划系统工程； 环境生态系统工程； 交通运输系统工程； 农业系统工程 军事系统工程 工业及企业系统工程 。,系统工程通常包括,现代生态农业,Ex1：,当今的生态农业中,如水稻种植产生的稻秆用于饲养奶牛、肉牛；牛粪用来制沼气；沼气渣用来养鱼；鱼塘的塘泥再用作植物肥料。 又如，种植业生产的大豆制作成豆制品，沼气用于制作豆制品的燃料，豆渣用于养猪、养牛等，牛粪、猪粪再用于制沼气，沼气渣又用于肥田。,二、系统工程的发展历程及趋势,19世纪下半叶起，人们开始考虑生产系统中的协调与综合，关注关于系统的技术； 二战期间，英国成立了一个

5、跨学科的OR (0perational Research)小组，导致了一种新的研究、分析系统问题的技术慢慢诞生； 战争结束后，各种社会经济系统和工程管理系统的规模日益扩大和复杂化，导致一些新的问题的出现，人们又一次寻求通过科学的系统方法作为解决复杂经济社会系统问题的技术 。,系统工程溯源,40年代是现代系统工程的起点； 50年代，系统工程方法全面形成； 60年代之后，系统工程方法取得突破； 70年代之后，系统工程应用范围不断扩大，由工程系统工程发展到复杂系统工程，特别是复杂巨系统工程； 70年代中后期，软系统思想出现，并创造出一些面向更复杂系统的方法。,20世纪中总体发展情况,阿波罗登月计划,

6、20世纪60年代 美国 投资300亿美元 42万多人 2万多厂家 历时11年,阿波罗飞船和土星5型运载火箭有700多万个零部件 在总系统下面，有众多的子系统，如飞船系统，火箭推进系统、燃料系统，飞行制导系统，轨道控制系统，通讯系统和测试系统等等 每个子系统下面又包含相当多的小系统 子系统或小系统间相互联系、相互作用,航天英雄-杨立伟,航天事业-庞大的系统工程 需要几代人、多少年的努力 千千万万的幕后英雄,系统工程作为一门交叉学科，日益向多种学科渗透和交叉发展。 系统工程作为一门软科学，日益受到人们的重视。 系统工程的应用领域日益广泛，推动了系统工程理论和方法不断深化发展。,发展趋势,系统工程三

7、维结构由美国贝尔研究所工程师系统工程学者霍尔(ADHall)在1969年提出的。,三维结构方法论,霍尔系统工程三维结构,逻 辑 维,明确问题,确定目标,系统方案综合,系统分析,系统评价,决策,方案实施,1.,通过系统调查尽量全面地收集和提供有关要解决的问题的历史、现状及发展趋势的资料和数据，主要是研究系统的环境对系统的要求。,明确问题,电熨斗，,Ex2：,新产品开发,在新产品开发活动中，“明确问题阶段”也称之为概念探索阶段。 产品的开发，需要通过对使用者的调查，来明确问题所在。 概念对行动的指向是直接的，有了概念就有行动。,2.,在问题搞清后，应该选择具体的评价系统功能的指标(目标)，以利于衡

8、量所有供选择的系统方案。,确定目标, 指标设计指确定具体的目标。 目标对行动具有导向意义。 目标是在一系列特殊的信息分析与处理中形成。 需要建立目标评价体系。,二战时的英国,商船 高射炮,Ex3：,手表,计时功能,Ex4：,装饰效果,*,可口可乐与百事可乐的竞争,Ex5：,1886,可口可乐行业龙头老大,行业老二百事可乐,百事可乐 想打翻身仗,试验：允许350个家庭以折扣优惠价每周订购任何所需数量的百事可乐。 发现：“买多少，喝多少 ” 看到了销售的空间,20世纪70年代之前，行业老大与老二，悬殊很大,目标的定位依据,竞争制胜的关键,3.,按照问题的性质及总的目标要求，形成一组可供选择的系统方

9、案(即方针、活动程序等)，方案中要明确所选系统的结构和相应参数(优缺点、成本等)。,系统方案综合,提出方案 1、其他事物中的原理借鉴过来，在类比中引伸。 2、把一个整体功能分解成小的功能子块，小功能再分解，形成功能树，直到最小层的功能可用已有零件来实现，然后把零件再组装回去形成结构树。（如图所示） 3、对一个简单的方案进行改造，也称爬山法。,功能图,功能树,结构树,装配图,结构树和功能树,功能图,装配图,提出方案往往不是一个人的事，通常可能是在一个小组或组织的讨论中完成的。因此提出方案的有关人员之间要互相启发，以形成一种便于发挥创造性思维的宽松环境。,1、发表意见时应注意： 集中一个题目，用易

10、懂的语言 简洁地叙述； 绝不允许批判别人的想法； 欢迎各抒己见； 想法越多越好； 鼓励以别人的想法为启示加以 修改或构成自己的新想法。 2、作用： 能在短时间内得到许多意见， 能够有效地发挥集体的长处。,头脑风暴法,4.,对已提出方案的特征进行研究，对方案被采用时可能会出现的情况进行分析、预测。,系统分析, 主要内容： 允许性分析,可行性分析 1、负作用的分析； 2、潜在问题的分析； 3、敏感性分析； 4、费用效果分析。, 采用模型化方法，建立模型， 进行系统分析。,5.,在一定的限制条件下，对各入选方案进行系统选择，选出最优方案。,系统评价,最优化, 系统评价是方案选优与决策的基础。 一般可

11、以从单项评价入手， 再到综合评价， 从而得到方案的优先顺序。,6.,由决策者根据更全面的要求，最后选定一个或少数方案。,决策-方案决定,最优方案不是单纯经济意义上的，而是综合的。,7.,根据最后选定的方案，具体实施。,方案实施,逻 辑 维,明确问题,确定目标,系统方案综合,系统分析,系统评价,决策,方案实施,时 间 维,规划阶段,拟定方案阶段,系统研制阶段,生产阶段,安装阶段,运行阶段,更新阶段,分析阶段,实验阶段,调试阶段,知 识 维,社会科学,工程,医药,建筑,商业,法律,管理,艺术,为完成上述各阶段、各步骤，知识维为其提供所需要的知识和各种专业技术，霍尔把这些知识分为工程、医药、建筑、商

12、业、法律、管理、社会科学和艺术等。,系统工程及其发展历程,系统工程的基础理论,系统工程研究方法,物流系统工程的基本方法及技术,第二章 系统工程基础概述,系统工程的基础理论,一般系统论,大系统理论,运筹学,经济控制论,一般系统论(general systems theory)是通过对各种不同系统进行科学理论研究而形成的关于适用于一切种类系统的学说。 其主要创始人是生物学家L.V贝塔朗菲。,一般系统论,1969年，比利时著名学者I.普利高津提出了“耗散结构（Dissipative Structure）理论”，认为一个开放的系统在远离平衡态的情况下，通过不断地与外界交换能量、物质和信息，当发生某些特

13、殊事物耦合，达到一定的阈值时，就会突然出现以新的方式组织起来，产生新的质变，从原来混沌无序的混乱状态，转变为在时空上或功能上的稳定的有序状态。,一般系统论,1973年，联邦德国的赫尔曼哈肯提出了协同学理论（synergetics），认为不同系统之间存在着各要素的协同行为，这种协同作用超越各要素自身的单独作用，从而形成整个系统的统一作用和联合作用。协同作用是形成系统有序结构的内部作用力，通过这种作用，系统能够自动产生时间上、空间上或功能上的有序结构。,一般系统论,大系统一般是规模庞大、结构复杂、环节多或层次较多、目标多样、影响因素众多、关系错综复杂、并常带有随机性质的系统。 大系统理论就是研究大

14、系统的结构方案、稳定性、大系统优化、以及大系统的模型简化等问题的理论或方法。,大系统理论,经济控制论是应用现代控制论的科学方法分析经济过程的学科。 1966年美国哈佛大学经济系的L泰勒(L. Taylor)和D肯德里克(DKendrick)教授应用控制理论中的共轭梯度法制订了当时的韩国经济最优计划模型。,经济控制论,运筹学主要是运用模型化的方法，将一个已确定研究范围的现实问题，按提出的预期目标，将现实问题中的主要因素及各种限制条件之间的因果关系、逻辑关系建立数学模型，通过模型求解来寻求最优方案。 运筹学的分支主要有：线性规划、非线性规划、动态规划、排队论、对策论、库存论等。,运筹学,系统工程综

15、合了一般系统论、大系统论、经济控制论、运筹学、计算机科学、计算技术等专业学科的内容。,系统工程及其发展历程,系统工程的基础理论,系统工程研究方法,物流系统工程的基本方法及技术,第二章 系统工程基础概述,1、基本功能 基本功能是指能实现人们预期目的的功能。 一是从能力的角度来理解，主要是系统“能干什么”之类的问题。 二是从功效的层面来理解，也就是考虑系统输入、输出的综合特征，衡量系统具有的效益或性能。,一、系统功能分析,2、剩余功能 剩余功能是相对于系统的基本功能而言的。 系统功能中，除去基本功能的其他功能都可以称为剩余功能。 我们有时会用副产品或副作用来描述系统的剩余功能。,（一）功能分类,（

16、二）功能的层次性,系统总功能可理解成各项子功能的集成，也就是说，系统总功能可分解成不同层次的子功能。,（三）功能分析的思路,1、系统功能的制约因素 （1）外界输入与环境因素的制约 （2）系统结构的制约 2、功能分析的步骤 （1）对系统的输入输出关系进行准确描述； （2）进行输入输出关系的整体评价和分析； （3）对某一特定功能进行流程分析及流程再设计。,二、系统结构分析,对系统结构进行分析首先就需要确定系统中的要素集，然后再对要素之间的关联进行分析，以此达到认识系统的目的。 （一）系统要素的描述 系统中的要素具有一定的功能，能将来自其他要素的输入转换成输出。,图2-3 用“黑箱”描述的要素,（二

17、）要素之间的关联及描述,要素之间的关联是指要素之间的相互联系或作用，按照不同的分类标准可划分出不同的关联类型。例如，按照要素之间关系明确与否可划分为下面三种： (1)确定性关联，即要素之间的关联是受确定的规律支配的。 (2)不确定性关联，即要素之间是随机的关联，如统计学中所揭示的关联大多属于这一类。 (3)确定性与随机性关联的混合。,图2-4 按过程描述的新产品规划网络,图2-5 按职能划分组织（制造型企业）,物流系统结构分析的主要任务-分析物流系统的组成要素以及要素之间有什么样的关系。,从系统内部来考察其组成要素的联结关系，,要素之间的关系发生了变化，就要引起系统结构的变化。,（三）系统结构

18、矩阵,要素的联结,S1,S2,y12,x12,S1,S2,y21,x21,S1,S2,y12,x12,y21,x21,(a),(b),(c),联结系数 Cij,描述要素Si与Sj的联结状态， Si直接作用于Sj时，Cij = 1； Si与Sj未联结时，Cij = 0 规定自我联结系数都为0。,前面三图中的联结系数分别为： （a）：C12=1，C21=0；（b）：C12=0，C21=1； （c）：C12=1，C21=1。,联结方式 (1),串联方式,S1,S2,S3,S4,S5,并联方式,S1,S2,S3,S4,S5,联结方式 (2),反馈联结,S1,S2,S3,S4,S5,联结方式 (3),串

19、联方式中的联结系数,对一个由5个要素构成的系统，其结构矩阵用M表示如下：,至 S1 S2 S3 S4 S5,串行结构的结构矩阵,并行结构的结构矩阵,反馈结构的结构矩阵?,反馈结构的结构矩阵,三、系统环境分析,（一）系统与环境的关系 环境因素对系统的影响是通过系统结构起作用并在输入输出中得以表现的。系统的存在不能离开环境的支撑，一方面是环境对系统功能的支撑；另一方面，系统结构及其变化也离不开环境因素的支持。 以功能为目的而建造的系统，往往在特定的环境中才显现出这种功能。 环境变化可能会使一个现有的结构解体或变成另一结构。 环境因素对系统的影响表现在两个层次： 第一是不影响系统结构、但影响系统行为

20、（输入输出过程）的环境因素，称之为行为层的环境因素。 第二是影响系统结构的环境因素，称之为结构层的环境因素。,（二）情景规划法,情景规划方法是随着社会经济运行环境的频繁变化而开发出来的有效方法。 1处理环境变化的方法 基于对未来的预测，利用可信的预测结果，对未来情况进行规划与布局。 风险分析也是考虑不确定性因素的控制方法。,2情景规划,情景规划是针对不确定性的新结构问题时经常采用的重要规划方法。 情景规划方法首先关注现实的趋势是否存在新的结构不确定性。其本质是针对所关注的焦点问题分析现实的变化趋势。 其次，要抓住主要的不确定因素，并勾画出未来的几种情景。 然后，设计出适合各种未来情景的有效方案。 最后，随着时间的推移，事物变化的趋势不断明确，通过不断地调整方案，摒弃某些不可能出现的情景方案。,系统工程及其发展历程,系统工程的基础理论,系统工程研究方法,物流系统工程的基本方法及技术,第二章 系统工程基础概述,物流系统工程的理论和方法基础,运筹学,经济控制论,大系统论,系统动力学,物流系统工程的常用技术,模型化技术,最优化技术,网络技术,分解协调技术,仿真技术,由实体系统经过变换而得到的一个