1、第一讲 系统工程概述,李慧芳 北京理工大学 自动化学院,1.1 系统工程的产生与发展 1.2 系统 1.3 系统工程 1.4 系统工程的学科基础 1.5 系统工程方法论,主要内容,1.1 系统工程的产生与发展,系统工程的产生系统工程的发展系统工程的应用,系统工程的产生,系统思想的发展经历了三个阶段，即： 1、“只见森林”（朴素的系统思想）阶段； 2、“只见树木”阶段； 3、“先见森林，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
2、系统理论的重要内容和系统工程的理论基础。,系统工程的产生,系统工程的发展,系统工程在中国的发展,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。,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
3、程学会在北京成立； 1980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。,系统工程在中国的发展,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1
4、978年）、水资源的开发利用（始于1978年）等。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。,系统工程在中国的发展与应用,1.2 系统的概念与特点,“系统”的定义：近代一些科学家、哲学家常用系统一词来表示复杂的具有一定结构的研究对象，如天体系统、人体系统、工程系统、控制系统、机械系统、电子系统、流体系统、教育系统等。 “系统”是由相互作用和相互依赖的若干组成部分(要素) 结合而成、具有特定功能的有机整体。,1、系统必须由两个或两个以上的要素组成，要素是构成系统的基本单位； 2、要素与要素之间存在着一定的有
5、机联系，在系统的内部和外部形成一定的结构和秩序，任何一个系统又是它所从事的一个更大的系统的组成部分，系统整体与要素、要素与要素、整体与环境之间相互作用； 3、任何系统都有特定的功能，这是整体具有不同于各个组成要素的新功能。,系统必须具备的三个条件：,系统的特点：,（1）整体性； （2）层次性； （3）相关性； （4）目的性； （5）适应性。,（1）系统的整体性,具有独立功能的系统要素以及要素间的相互关系是根据逻辑统一性的要求，协调存在于系统整体之中。任何一个要素不能离开整体去研究，要素之间的联系和作用也不能脱离整体去考虑。系统的构成要素和要素的机能、要素间的相互联系要服从系统整体的功能和目的，
6、在整体功能的基础上展开各要素及其相互之间的活动，这种活动的总和形成了系统整体的有机行为。在一个系统整体中、即使每个要素并不都很完善，但它们也可以协调、综合成为具有良好功能的系统。相反，即使每个要素都是良好的，但作为整体却不具备某种良好的功能，也就不能称之为完善的系统。,（2）系统的层次性,系统作为一个相互作用的诸要素的整体来看，它都可以在空间或时间上分解为一系列的子系统(sub-system)，并存在一定的层次结构，表现为系统具有树状或金字塔结构。在系统层次结构中表述不同层次子系统之间的从属关系或相互作用关系，子系统在不同的层次结构中存在着不同的运动形式，这便构成了系统的整体运动特性，为深入研
7、究复杂系统的结构、功能以及有效地对系统进行控制与调节提供了条件。,（3）系统的相关性,组成系统的要素是相互联系、相互作用的，相关性说明这些联系之间的特定关系和演变规律。例如，城市是一个大系统，它由资源系统、市政系统、文化教育系统、医疗卫生系统、商业系统、工业系统、交通运输系统、邮电通讯系统等相互联系的部分组成，通过系统内各子系统相互协调的运转来完成城市生活和发展的特定目标。各子系统之间具有密切的关系，相互影响、相互制约、相互作用，牵一发而动全身。要求系统内的各个子系统根据整体目标，尽量避免系统的“内耗”，提高系统的整体运行效果。,（4）系统的目的性,任何系统都有其存在的作用与价值，有其运行的具
8、体目的。为达到既定的目的，系统都具有一定的功能，而这正是区别不同系统的标志。系统的目的一般用更具体的目标来体现，比较复杂的社会经济系统都具有不止一个目标。因此，需要用一个指标体系来描述系统的目标。例如，衡量一个工业企业的经营业绩，不仅要考核它的产量、产值指标，而且要考核它的成本、利润和质量指标。在指标体系中各个指标之间有时相互矛盾，需要从整体出发，力求获得全局最优的经营效果，在矛盾的目标之间进行协调，寻求平衡或折衷目标方案。,（5）系统的环境适应性,任何一个系统都存在于一定的环境之中，并与外界环境之间产生物质、能量和信息交换，外界环境的变化必然会引起系统内部各要素的变化。不能适应环境变化的系统
9、将失去生命力，只有能够经常与外界环境保持最优适应状态的系统，才是具有发展前景的理想系统。例如，一个企业必须经常了解市场动态、同类企业的经营动向、有关行业的发展动态和国内外市场的需求等环境变化，并在此基础上研究企业的经营策略，调整企业的内部结构，以适应环境的变化，最终赢得市场。,系统与外部环境的关系,系统的分类,（1）自然系统与人造系统 （2）实体系统与概念系统 （3）动态系统和静态系统 （4）控制系统与行为系统 （5）开放系统与封闭系统,（1）自然系统与人造系统,按照系统的起源，自然系统是由自然过程产生的系统。这类系统是自然物(矿物、植物、动物等）所自然形成的系统。人造系统则根据特定的目标将有
10、关元素按其属性和相互关系组合而成的系统，如生产系统和管理系统。现实生活中，大多数系统是自然系统与人造系统的复合系统。如在人造系统中，有许多是人们运用科学技术，改造了自然系统。随着科学技术的发展，出现了越来越多的人造系统。但是，许多人造系统的出现破坏了自然生态系统的平衡，造成严重的环境污染和生态系统的良性循环破坏。近年来，系统工程愈来愈注意从自然系统的属性和关系中，探讨研究人造系统。,（2）实体系统与概念系统,凡是以矿物、生物、机械和人群等实体为基本要素构成的系统称之为实体系统。凡是由概念、原理、原则、方法、制皮、程序等模念性的非物质实体所构成的系统称为概念系统，如管理系统、军事指挥系统、社会系
11、统等。在实际生活中，实体系统和概念系统在多数情况下是结合在一起的，实体系统是概念系统的物质基础，而概念系统往往是实体系统的中枢神经，指导实体系统的行为。如军事指挥系统中既包括军事指挥员的思想、信息、原则、命令等概念系统，也包括计算机系统、通讯设备系统等实体系统。,（3）动态系统与静态系统(稳态系统),动态系统就是系统的状态变量随时间而变化的系统，即系统的状态变量是时间的函数；而静态系统则是表征系统运行规律的数学模型中不含有时间因素，即模型中的变量不随时间变化，它是动态系统的一种极限状恋，即状态处于稳定的系统。例如：一个化工生产系统是一种连续生产过程，系统中的参数是随着时间而变化的动态系统。大多
12、数系统都是动态系统，但是，由于动态系统个各种参数之间的相互关系是非常复杂的，要找出其中的规律性非常困难。为了简化起见假设系统是静态的或使系统中的参数随时间变化的幅度很小而视同静态的。,（4）控制系统与行为系统,控制就是为了达到某个目的给对象系统所加的必要动作，为了实行控制而构成的系统叫做控制系统。当控制系统由控制装置自动进行时，称之为自动控制系统，如计算机控制的机械加工生产过程自动控制系统。行为系统是以完成目的的行为作为构成要素而形成的系统。所谓行为就是为了达到某一确定的目的而执行某种特定功能的一种作用，这种作用能对外部环境产生某些效用。这种系统一般是根据某种运行机制而实现某种特定行为的系统，
13、而不是受某种控制作用而运行的系统。,（5）开放系统与封闭系统,开放系统是指系统与外界环境之间具有物质、能量与信息交换，例如生命系统和社会系统；如果该系统与环境之间没有物质、能量和信息的交换，则称之为封闭系统，封闭系统是与环境完全隔绝的孤立系统。开放系统通过内部各子系统的不断调整来适应环境变化，以保持相对稳定的状态，获得发展。开放系统一般具有自适应、自调节功能。系统工程研究具有特定输入、输出的相对孤立系统。,1.3 系统工程的概念与特点,系统工程的若干定义：(1) 钱学森指出：“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”，系统工程是一门组织管理的技术”。,(2)美国著
14、名学者H切斯纳(HChestnut)指出：“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。”(3)日本学者三浦武雄指出：“系统工程与其它工程学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科学。因为系统工程的目的是研究系统，而系统不仅涉及到工程学的领域，还涉及到社会、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
15、种技术从横向把它们组织起来，这种横向技术就是系统工程。也就是研究系统所需的思想、技术和理论等体系化的总称。”,(4)中国大百科全书自动控制与系统工程卷指出：“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”。(5)日本工业标准(JIS)规定：“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”。(6)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：(i)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
16、状态的描述；(ii)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；(iii)将可靠性、维修性、安全性、生存性、人因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。”,综上所述，系统工程是： 从总体出发，合理开发、运行和革新一个大规模复杂系统所需的思想、理论、方法论、方法与技术的总称，属于一门综合性的工程技术； 按照问题导向的原则，根据总体协调的需要，把自然科学、社会科学、数学、管理学、工程技术等领域的相关思想、理论、方法有机地结合起来，应用定量分析和定性分析相结合的基本方法，采用现代信息技术等技术手段，对系统的功能配置
17、、构成要素、组织结构、环境影响、信息交换、反馈控制、行为特点等进行系统分析； 最终达到使系统合理开发、科学管理、持续改进、协调发展的目的。,系统工程的特点,（1）整体性（系统性） （2）关联性（协调性） （3）综合性（交叉性） （4）满意性（最优化）,（1）整体性（系统性）,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，从整体最优化的角度去实现系统各组成部分的有效运转。,（2）关联性(协调性),用系统工程
18、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，还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。,（3）综合性(交叉性),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和综合运用，以实现整体优化。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，这样复杂而庞大的工程没有采用一种
19、新技术，而完全是综合运用现有的科技结果。,（4）满意性(最优化),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，使系统的整体目标达到最优。,1.4 系统工程的学科基础,一般系统论 信息论 控制论 运筹学 耗散结构理论 协同学理论 混沌系统理论 突变理论,系统工程的应用领域,(1)社会系统工程； (2)经济系统工程； (3)区域规划系统工程； (4)环境生态系统工程； (5)能源系统工程； (6)水资源系统工程； (7)交通运输系统工程；
20、 (8)农业系统工程； (9)企业系统工程； (10)工程项目管理； (11)科技管理； (12)教育系统工程； (13)人口系统工程； (14)军事系统工程; (15)物流系统工程; (16)质量系统工程。,1.5 系统工程方法论,(1)霍尔的三维结构 (2)切克兰德的“调查学习”模式,(1)霍尔的三维结构：,美国学者A.D.霍尔（A.D. Hall）等在大量 工程实践的基础上，于1969年提出,其内容集中体现了系统工程方法论的系统化、综合化、最优化、程序化和标准化的特点； 将系统工程的工作内容按时间维（表示系统工程的工作阶段或进程）、逻辑维（系统工程每一阶段工作所要遵循的逻辑顺序和工作步骤
21、）和知识维（从事系统工程工作所需要的知识或者系统工程的专门应用领域）展开。,霍尔三维结构图示,霍尔的三维结构,运用系统工程知识，把六个时间阶段和七个逻辑步骤结合起来，便形成所谓的霍尔管理矩阵。矩阵中时间维的每一阶段与逻辑维的每一步骤所对应的点aij(i1，2，6； jl，2，7)，代表着一项具体的管理活动。矩阵中各项活动相互影响、紧密相关，要从整体上达到最优效果，必须使各阶段步骤的活动反复进行。反复性是霍尔管理矩阵的一个重要特点，它反映了从规划到更新的过程需要的控制、调节和决策。因此，系统工程过程系统充分体现了计划、组织和控制的职能。,霍尔管理矩阵,霍尔的三维结构特点：,强调明确目标，核心内容
22、是最优化，并认为现实问题都可归纳为工程系统问题，应用定量分析手段，求得最优解； 该方法有研究上的整体性（三维）、技术应用上的综合性（知识维）、组织管理上的科学性（时间维和逻辑维）和系统工程工作的导向性（逻辑维）等特点。,(2) 切克兰德的“调查学习”模式,系统工程常常把所研究的系统分为良结构系统与不良结构系统两类。所谓良结构系统是指偏重工程、机理明显的物理型的硬系统，它可以用较明显的数学模型描述，有较现成的定量方法可以计算出系统的行为和最佳结果。解决这类系统所用的方法通常称“硬方法”，霍尔的三维结构主要适用于解决良结构的硬系统。,所谓不良结构系统是指偏重社会、机理尚不清楚的生物型的软系统，它较
23、难用数学模型描述，往往只能用半定量、半定性或者只能用定性的方法来处理问题。解决这类系统所用的方法，通常称为“软方法”。“软”的主要原因是它加入了人的判断和直觉，因此，解决问题时不像硬方法可以求出最佳的定量结果，而是所求出的结果一般是可行的满意解，并且有些结果随人而异，因人而定。到目前为止，解决不良结构的软系统方法已提出一些，如专家调查法(德尔菲法，Delphi)、情景分析法(scenario)、冲突分析法(conflict analysis)等等。但从系统工程方法论角度看，切克兰德的“调查学习”方法具有更高的概括性。,(2) 切克兰德的“调查学习”模式,切克兰德的“调查学习”软方法的核心不是寻
24、求“最优化”，而是“调查、比较与探寻”，它强调从“理想”模式（概念模型）与现实模型的比较中探寻改善现状的途径，使决策者满意（化）。,(2) 切克兰德的“调查学习”模式,切克兰德的“调查学习”软方法步骤如下：(1)不良结构系统现状说明: 通过调查分析，收集与问题有关的信息，表达问题现状，寻找构成或影响因素及其关系，以明确系统结构、现存过程现状问题;(2)根底定义：初步弄清系统问题的关键要素，为系统的发展及其研究确立各种基本的看法，选出最合适的基本观点;(3)建立概念模型：来自根底定义，用结构模型或系统化语言模型来描述系统的现状，即建立系统的to-be model;(4)比较及探寻：将明确的现实问
25、题与建立的概念模型进行对比，找出符合决策者意图而且可行的改革途径或方案;(5)选择：针对比较解决，选择现实可行的改善方案；(6)设计与实施：通过详尽和有针对性的设计，形成具有可操作性的方案；(7)评估与反馈：根据实施过程中的认识，修正问题描述、根底定义及概念模型，是一个循环求精的过程。,切克兰德的“调查学习”方法图示,本章小结,所谓系统工程，是用来开发、运行、革新一个大规模复杂系统所需思想、程序、方法的总和（或总称）。系统工程强调以下基本观点：(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）,本章思考题：,1、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。 2、说明系统一般属性的含义，并据此归纳出若干系统思想或观点； 3、以一个管理系统为例，说明为什么现代管理系统是典型的(大规模)复杂系统? 4、请总结系统工程(学)的特点(结合第二、三章内容)。 5、结合系统工程应用领域，说明系统工程在你所学专业领域的可能应用及其前景。,The end,many thanks!,
