1、系 统 工 程 主讲教师：应纪来 工作单位：交通运输系,第一章 概论 1.系统概念的形成系统概念是来源于人们对自然界和人类社会的长期实践和认识,古代人类的社会实践和著作1.1系统概念在古代人类的社会实践和著作 中已经有所反映. 老子指出:天下万物生于有,有生于无无，名天地之始，有名万物之母表述了老子对自然界统一性的见解,古代人类的社会实践和著作管子“地元篇”， 诗经“七月”等古籍，对农作与种子、地形、土壤、水分、肥料、季节、气候等因素的关系已经能从总体上进行分析,古代人类的社会实践和著作孙子兵法从道、天、地、将、法五个方面来分析战争全局指出：凡此五者将莫不闻，知之则胜，不知者不胜,古代人类的社
2、会实践和著作黄帝内经的阴阳五行说，强调人体各器官的有机联系，强调人体健康与自然环境的有机联系，强调治病必须因时、因地、因人制宜,古代人类的社会实践和著作战国时期秦国太守李冰父子主持修建都江堰水利工程和个附属工程，形成具有防洪、灌溉、漂木、行舟等多种功能的有机整体渠道上设置了水尺，根据测得的水位，用多级分水控制分水流量还规定了淘砂修堤的岁修养护制度，使整个工程经久不衰其设计、施工和运行体现了完善的整体观念，和开放的、发展的观念,古代人类的社会实践和著作古希腊哲学家德谟克利特曾论述“宇宙大系统”，他在物质构造的原子论基础上，认为世界是由原子和虚空组成的，原子组成万物，形成不同层次的系统古希腊伟大学
3、者亚里士多德提出：“整体大于它的各部分的总合”,古代人类的社会实践和著作以上的观点受到时代和科学发展的局限，不可能对客观世界整体各方面的细节有深刻的认识，因而对事物整体性的认识也不可能完备，而带有猜测直觉和思辩的色彩,古代人类的社会实践和著作现代耗散结构理论创始人普利高津在存在到演化一文中指出：“中国传统的学术思想是着重于研究整体性和自发性，研究协调和协和”,古代人类的社会实践和著作恩格斯在自然辩证法指中出：在希腊人那里正因为他们还没有进步到对自然界的解剖、分析自然界还被当作一个整体而从总的方面来观察，自然现象的总联系还没有在细节方面得到证明,系统概念形成过程1. 2 15世纪下半叶各门自然科
4、学的分离与发展15世纪下半叶，力学、天文学、物理学、化学、生物学等逐渐从混为一体的哲学中分离出来，发展了研究自然界的实验、解剖和观察方法深化了人类对自然界各方面细节的认识,自然科学的分离与发展以世纪下半叶以来获得的大量实证知识材料为基础，经过综合研究，到世纪初，人类发现了能量守恒定律和转化定律，提出了细胞学说和进化论,能量守恒与转化定律迈尔（18141878），德国汉堡人，医生放血治疗太阳中心约2750万度(现在我们知道是1500万度)论无机界的力，测得热功当量为365千克米/千卡疯子，从三层楼上跳下自杀，未遂，精神病院。瑞士巴塞尔自然科学院授为荣誉博士英国皇家学会的科普利奖章蒂宾根大学的荣誉
5、哲学博士巴伐利亚和意大利都令科学院院士的称号,能量守恒与转化定律焦耳（18181889），英国人，他自幼在道尔顿门下学习化学、数学、物理，他一边经营父亲留下的啤酒厂，一边搞科学研究。通电导体所产生的热量与电流强度的平方，导体的电阻和通电时间成正比。这就是焦耳定律。自然界的力（能）是不能毁灭的，哪里消耗了机械力 （能），总得到相当的热。法拉第说：“这不太可能吧。”40年后，他把热功当量精确到了焦耳423.9千克米/千卡。汤姆孙,细胞学说德国植物学家施莱登（M. Schleiden）和德国动物学家施万(T. Schwann)提出的学说。一切生物都由细胞组成，细胞是生命的结构单位，细胞只能由细胞分裂
6、而来。从 1665 年英国物理学家 罗伯特胡克 (Robert Hooke) 发现细胞到 1839 年细胞学说的建立，经过了 170 多年。,进化论古希腊阿那克西曼德（约公元前6世纪）认为生命最初由海中软泥产生，原始的水生生物经过蜕变（类似昆虫幼虫的蜕皮）而变为陆地生物基督教圣经把世界万物描写成上帝的特殊创造物。这就是所谓特创论。与特创论相伴随的目的论则认为自然界的安排是有目的性的，“猫被创造出来是为了吃老鼠，老鼠被创造出来是为了给猫吃，而整个自然界创造出来是为了证明造物主的智慧”,进化论不变论：牛顿和C.v林奈 科学的规律：地球由于所谓第一推动力而运转起来，以后就永远不变地运动下去，生物种原
7、来是这样，现在和将来也是这样转变论：J.-B.d e拉马克在1809年出版的动物哲学一书中详细阐述了他的生物转变论观点进化论 达尔文新拉马克主义与新达尔文主义现代综合进化学说中性学说和间断平衡论自然诱导生物自组织学说,自然科学的分离与发展马克思恩格斯选集中：由于这三大发现和自然科学的巨大进步，我们现在不仅能够指出自然界中各个领域内的过程之间的联系，而且总的说来也能够指出各领域之间的联系，这样我们就能够依靠经验和自然科学本身所提供的事实，以近乎系统的形式描绘出一幅自然界联系的清晰图画,自然科学的分离与发展还明确指出物质世界是由无数相互联系、 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一
8、般系统论创始人贝塔朗菲和其他不少科学家都公开宣称辩证唯物主义是系统概念的重要思想来源,系统概念形成过程1. 3 20世纪中叶以来，一般系统论、运筹学、控制论、信息论的相继问世， 以及电子计算机的迅速发展及其应用，逐步形成一套能定量分析处理系统各组成部分之间关系，并与定性分析相结合的理论和方法，进而逐步形成现代系统的观念,系统概念形成过程综上所述，系统概念的形成过程是人类认识客观世界的过程迄今为止，这个过程可以大致概括为：古代直观朴素的整体认识近代经验的部分认识现代辨证的定性与定量相结合的认识,2.系统的定义2.1 系统这个词来源于拉丁语systema，一般认为是“群”与“集合”的意思. 2.2
9、 韦氏大词典中，对系统的解释为：有组织或被组织化的整体；由有规则的相互作用，相互依存的形式组成的诸要素的综合体. ,2.系统的定义 2.3 一般系统论创始人L.V贝塔朗菲把系统定义为：相互作用诸要素的综合体. 2.4 日本工业标准中的系统定义：许多组成要素保持有机的秩序向同一目的行动的东西. 2.5 美国著名学者R.L阿柯夫认为：系统是由两个或两个以上相互联系的任何种类的要素所构成的集合.,2.系统的定义综合以上各种论述，我们把系统定义为：系统是由若干相互依赖、 相互制约的部分组成的，具有特定功能的整体.,3.系统的属性3.1 整体性：指的是系统整体具有各组成部分独立存在时所不具备的性质。一般
10、情况下，它不等于各组成的简单相加，而且不能回溯到各组成部分.,比如：水（）是由和组成的整体在一般情况下，水（）是难以回溯的和的,3.系统的整体性A. 构成系统的相对独立的部分称为子系统，系统不可再分的最小单元，称为系统元素. 如：学生是班级系统的子系统，也可以称其为班级系统的系统元素.,3.系统的整体性 B. 系统整体功能与系统组成部分的性能和数量有关. 如：一个水分子没法解渴，更不具备 海洋那种净化功能,3.系统的整体性 C. 系统整体功能由系统最短板所决定. 如： 木桶理论瓶颈现象 例子：城市交通系统,3.系统的属性 3.2 关联性：包括内部关联和外部关联。A. 内部关联：指系统组成部分与
11、系统整体之间的关系和系统各组成部分之间的相互关系。,即使组成要素相同，而要素之间的联系不同，则会形成不同的系统，如金刚石和石墨，它们都是由元素构成，但是元素的排列方式不同，所以形成两种性质完全不同的系统,3.系统的关联性B. 外部关联：指系统整体及其组成部分与环境之间以一定数量和方式输入输出物质、能量和信息。系统内部关联和外部关联分别对系统的稳定性和适应性起重要作用.,3.系统的关联性系统是从环境中孕育的 ，系统在环境中生存，环境中的诸多因素中，凡是能够进入系统的要素都能够进入，从而对系统产生作用，有的促进系统的生长，有的抑制系统的生长，甚至杀死系统。,3.系统的层次性3.3 层次性：系统的层
12、次是在自然界和人类社会从简单到复杂，从低级到高级的发展和进化过程中形成的.,3.系统的层次性A. 所处的系统层次不同，所具有的功能也不同，要解决的问题也不同。B. 研究一个系统时，首先要弄清楚该系统处于哪个层次，然后根据需要确定向上和向下所必须涉及的层次。,.系统的可控性3.4 可控性：指人们通过调节可控系统的可控元素，使它按预期轨迹运动，实现预期的目标. A.一般人工系统、机械系统是可控的，自然系统就不一定可控。,.系统的可控性B. 系统元素的可控与否是相对的，在较低层次上不可控的元素，在较高层次可能是可控的，在一种条件下是不可控的，在另一种条件下可能是可控的，在现在是不可控的，在将来可能是
13、可控的。,.系统的可控性自然系统大都存在自我控制的奥秘，人类在为自身谋取利益的过程中，要谨慎参与其中，否则得到了眼前小的利益而失去长远利益。,.系统的可控性对系统的控制要遵循系统自身发展的规律，而不是强制介入，要让系统自己具有充分的自主性。,.系统的时序性3.5 时序性：指任何系统都随时间而运动和发展，并在一定条件下转化为另一种形态的系统，因此任何系统都是由若干发展阶段组成的动态的过程系统。,.系统的时序性在研究现实系统时，必须弄清楚该系统所处的发展阶段，也就是搞清楚系统是处于产生还是处于发展、成熟或灭亡阶段预测其变化趋势和速度。,4.系统的分类 4.1. 自然系统和人造系统 4.2. 实体系
14、统和抽象（概念）系统 4.3. 静态系统和动态系统 4.4. 开放系统和封闭系统 4.5. 开环系统和闭环系统 4.6. 白色系统、灰色系统和黑色系 统,5.系统工程5.1 系统工程的含义： 1978年我国著名学者钱学森指出：系统工程是组织管理系统的规划、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方法。,1977年日本学者三浦武雄指出：系统工 程与其它工程学科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 白的一种边缘学科。因为系统工程的目的是 研制一个系统，而系统不仅涉及到工程学的 领域，还涉及到社会、经济和政治领域，所 以为了为了适当地解决这些领域的
15、问题，除 了需要某些纵向技术外，还要有一种技术从 横的方向把它们组织起来，这种横向技术就 是系统工程。,系统工程的含义1975年美国科学技术词典的论述为：系统工程是研究复杂系统设计的科学，该系统由许多密切联系的元素所组成。设计该复杂系统时，应有明确的目标，并协调各个元素之间及元素和整体之间的有机联系，以使系统能从总体上达到最优目标。在设计系统时，要同时考虑到参与系统活动的人的因素及其作用。,系统工程的含义从以上各种论点来看，系统工程是以大型复杂系统为研究对象，按一定目的进行设计、开发、管理与控制，以期达到总体效果最优的理论与方法。,5.1系统工程的特点系统工程是一门工程技术，与一般工程技术 有
16、共同之处，但是，系统工程又是一类包括许多工 程技术的一大工程技术门类，与一般工程比较，系 统工程有三个特点：（1）研究对象广泛，包括人类社会、生态环 境、自然现象和组织管理等。,（2）系统工程是一门跨学科的边缘学科。不仅要用到数、理、化、生物等自然科学，还要用到社会学、心理学、经济学、医学等与人的思想、行为、能力有关的学科。是自然科学和社会科学的交叉。因此，系统工程形成了一套处理复杂问题的理论、方法和手段，使人们在处理问题时，有系统的整体的观点。,（3）在处理复杂大系统时，常采用定性 分析和定量计算相结合的方法。,5.2系统工程在系统科学体系中的地位钱学森在论系统工程中，把系统科 学体系分为四
17、个层次：（一）基础层次：系统工程。它是系统思 想，系统理论和系统方法在实践中的应用。,（二）第二层次：系统工程理论基础技 术学科。它是针对各专业系统工程实践 中各种共性的技术问题而形成的理论和 方法。包括运筹学、控制论和信息论 等。,（三）第三层次：基础科学。钱学森把它称为系统学，它研究系统的普遍属性，运动规律，系统的功能和结构关系，系统与环境的关系，系统内部与外部各种关系形成的机理，特别是系统有序结构的形成规律等。一般系统理论、控制论、信息论、耗散结构理论、协同论、突变论、超循环理论等工程技术，自然科学和数学方面的成果，为系统学的建立准备了丰富的材料。,（四）最高层次：系统观（或系统思想）。
18、它是关于系统的基本概念和基本观点，是系统科学与它的哲学基础辩证唯物主义之间的桥梁。,5.2系统工程的技术基础理论简介（一）运筹学（二）控制论（维纳，美国，1947）（三）信息论（申农，美国，1948）（四）突变论（托姆，法国，1972）（五）耗散结构理论（普利高津，比利时，1967）（六）协同学（哈肯，西德，1977）,运筹学 Operational ResearchOperations Research它是本世纪40年代初发展起来的一门新兴学科，其主要目的是在决策时为管理人员提供科学依据，是实现有效管理、正确决策和现代化管理的重要方法之一,控制论 Cybernetics1948 年诺伯特维纳
19、发表了著名的控制论关于在动物和机中控制和通讯的科学维纳把控控制论制论看作是一门研究机器、生命社会中控制和通讯的一般规律的科学，是研究动态系统在变的环境条件下如何保持平衡状态或稳定状态的科学。他特意创造“Cybernetics” 最初来源希腊文“mberuhhtz”，原意为“操舵术”，就是掌舵的方法和技术的思。在柏拉图（古希腊哲学家）的著作中，经常用它来表示管理人的艺术.,控制论 Cybernetics基本论点：一、一切有生命和无生命的系统都是信息系统二、一切有生命和无生命的系统都是反馈系统,信息论 information theory 美国电气专家申农1048年提出的，是关于信息量度量和信息编
20、码、信号处理和分析的科学理论。信息论的研究范围极为广阔。一般把信息论分成三种不同类型：,狭义信息论：是一门应用数理统计方法来研究信息处理和信息传递的科学。它研究存在于通讯和控制系统中普遍存在着的信息传递的共同规律，以及如何提高各信息传输系统的有效性和可靠性的一门通讯理论。 一般信息论：主要是研究通讯问题，但还包括噪声理论、信号滤波与预测、调制与信息处理等问题。 广义信息论：不仅包括狭义信息论和一般信息论的问题，而且还包括所有与信息有关的领域，如心理学、语言学、神经心理学、语义学等。,突变论 Catastroph theory 1972,法国数学家托姆创立研究自然界各种形态、结构和社会经济活动的
21、不连续过程的数学理论。用数学形式描述事物由无序到有序，由旧序到新序，由有序到无序，为研究系统突变过程提供定量分析。,耗散结构理论 Dissipative structure theory 普利高津，比利时布鲁塞尔学派创始人，1967一个在远离平衡态的非线性区的开发系统，在一定外界条件下，与外界交换能量、和物质的过程中，通过能量的耗散和内部的非线性动力机制，经过突变，能够形成和维持宏观的时空有序结构。系统无序到有序，从原来的有序到新的有序系统自组织理论,协同论 synergetics赫尔曼哈肯，西德斯图加特大学理论物理学教授，1977，协同论导论控制参数达某一限度时，子系统之间自觉产生某种协同运动，使系统向有序状态转化，以及从有序向混沌的变化。混沌是一种无规则运动,协同论 synergetics复杂的大系统是由许多子系统组成，系统表现子系统的整体行为，由于子系统多，总自由度就很大，当各子系统的独立性站主导地位时，系统整体显示不出其特定功能，这样的系统是无序的，当子系统之间的关联足以束缚各子系统的状态时，系统整体在宏观上显示出一定的结构和功能，这样的系统是有序的。,
