1、系统工程 （Systems Engineering, SE） 管理系统工程方法论及其应用,第1章 系统工程概述,信息与控制学院,Why?1. 科学发展的需要2. 研究复杂大系统的需要3. 科学发展观引起普遍关注4. 解决问题的科学素养 。,引言: Why,“要学一点 系统工程”,第1章 系统工程概述,信息与控制学院,引言: What/When,“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，应有明确的预定功能及目标，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
2、。” （1975，美国科学技术辞典 ）,引言: What/When,系统工程与其他工程学不同之点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，还涉及社会、经济和政治等领域，所以为了 适当地解决这些领域的问题，除了需要某些纵向技术以外，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“ （ 1977，三浦武雄“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方法” （1978，钱学森）,引言: What/When,What /When?
3、 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等学科基础上形成的一门交叉学科。通过学习，主要使学生掌握分析与解决各种管理系统问题的思想、程序和方法。,第1章 系统工程概述,信息与控制学院,引言: What/When,第1讲 系统工程概述 第2讲 系统工程理论 第3讲 系统工程方法论 第4讲 系统模型与模型化,第1章 系统工程概述,信息与控制学院,引言: What/When,第5讲 系统仿真及系统动力学方法 第6讲 系统评价方法 第7讲 决策分析方法,第1章 系统工程概述,信息与控制学院,引言: Who/Where,Who/Where?Who 学生为主体，教
4、师为主导。Where 将课堂内外的学习结合起来！,第1章 系统工程概述,信息与控制学院,引言: How,How?建议注重系统思考坚持问题导向采用系统化方法教学要求上课及考核,第1章 系统工程概述,信息与控制学院,引言: How,教学参考书：汪应洛主编，系统工程（第3版），机械工业出版社，2003.8系统工程原理，谭跃进，国防科学技术出版社系统科学，许国志，上海科技教育出版社,第1章 系统工程概述,信息与控制学院,考试要求：,期末70%+期中10%+平时成绩（考勤、作业情况）20%,系统科学的体系结构,按照钱学森的”九大学科共同的体系结构模式“，”三个层次一座桥梁“模式 工程技术层：直接改造客观
5、世界的认识技术科学层：工程技术共用的各种理论基础科学层：认识客观世界的各种理论通向哲学的桥梁：对应于该学科的哲学分论,第一讲 系统工程概述,一.系统工程的产生、 发展及应用 二.系统工程的研究对象 三.系统工程的概念与特点,第1章 系统工程概述,信息与控制学院,第一讲 系统工程概述,(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：“只见森林”（朴素的系统思想）阶段“只见树木”阶段“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。,一. 系统工程的产生、 发展及应用,第1章 系统工程概述,信息与控制学院,系统思想及
6、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。,第1章 系统工程概述,信息与控制学院,第1章 系统科学概述,信息与控制学院,系统科学理论体系,一般系统论,运筹学,控制论,信息论,耗散结构论,协同学,突变理论,复杂性 科学,非线性 科学,第1章 系统科学概述,信息与控制学院,一般系统论（1）1937年由贝塔朗菲提出一般系统论，1945发表关于一般系统论（2）主要内容,系统是由它的所有组成元素构成的统一整体 系统是多样性的统一、差异性的统一 系统内元素是相互关联的、相互作用的
7、系统的存在具有目的、功能、层次、组织、边界 系统随时间不断演化 在系统科学意义上，整体涌现性是系统的质变,贝塔朗菲,第1章 系统科学概述,信息与控制学院,运筹学（1）30年代末，在战争背景下，产生运筹学（2）69年，瓦格纳（H. M. Wagner）出版书运筹学原理和对管理决策的应用，标志运筹学走向成熟（3）一些研究内容,钱学森,线性规划/整数规划/目标规划 非线性规划/动态规划 网络规划/网络评审 排队论/存贮论/对策论/决策论 多目标决策,华罗庚,第1章 系统科学概述,信息与控制学院,信息论（1）信息学关于系统的信息传递和处理的科学理论（2）1948年，香农（C. E. Shannon）出
8、版书通信的数学理论，标志着信息论的诞生（3）冯诺伊曼计算机为信息处理提供了重要手段,香 农,冯诺伊曼,第1章 系统科学概述,信息与控制学院,控制论（1）控制论创始人维纳（N. Wiener）（2）控制论提炼了自然系统与人工系统中的一类普适性共性与规律，具有重大意义，也是系统科学研究的主要内容之一,当前，控制理论形成丰富的内容线性系统/非线性系统/随机系统单体系统/多体系统/连续系统/离散系统稳定性控制/优化控制/鲁棒控制连续控制/切换控制/混合控制稳定/分岔/分形/混沌/同步/状态一致,维 纳,第1章 系统科学概述,信息与控制学院,耗散结构理论 1969年由普里戈金在一次“理论物理学和生物学”
9、的国际会议上正式提出 理论主要内容,一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构” 。,普里戈金,第1章 系统科学概述,信息与控制学院,协同学 1971哈肯提出协同概念，1976发表协同学导论给出协同学理论 主要观点,千差万别的系统，尽管其属性不同，但在整个环境
10、，各个系统间存在着相互影响而又相互合作的关系。事物的演化受序参量的控制，演化的最终结构和有序程度决定于序参量。不同的系统序参量的物理意义也不同。序参量的大小可以用来标志宏观有序的程度，当系统是无序时，序参量为零。当外界条件变化时，序参量也变化，当到达临界点时，序参量增长到最大，此时出现了一种宏观有序的有组织的结构。协同论揭示了物态变化的普遍程式：“旧结构-不稳定性-新结构”，即随机“力”和决定论性“力”之间的相互作用把系统从它们的旧状态驱动到新组态，并且确定应实现的那个新组态。,哈 肯,第1章 系统科学概述,信息与控制学院,突变理论 1972年雷内托姆在书结构稳定性和形态发生学中提出该理论 理
11、论主要内容,系统所处的状态，可用一组参数描述。当系统处于稳定态时，标志该系统状态的某个函数就取唯一的值。当参数在某个范围内变化，该函数值有不止一个极值时，系统必然处于不稳定状态。系统从一种稳定状态进入不稳定状态，随参数的再变化，又使不稳定状态进入另一种稳定状态，那么，系统状态就在这一刹那间发生了突变。突变论认为，在严格控制条件的情况下，如果系统质变中经历的中间过渡态是稳定的，那么它就是一个渐变过程。质态的转化，既可通过飞跃来实现，也可通过渐变来实现，关键在于控制条件。,雷内托姆,(二)系统工程的发展概况,第1章 系统工程概述,(三)系统工程在我国的发展及应用,上世纪50至60年代，我国的一些研
12、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。,第1章 系统工程概述,信息与控制学院,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；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
13、、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。,第1章 系统工程概述,信息与控制学院,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1978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
14、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。,第1章 系统工程概述,信息与控制学院,(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、属性及目标多样、一般为人-机系统、经济性突出等。,二. 系统工程的研究对象,第1章 系统工程概述,信息与控制学院,2.1系统的定义,2.1系统的定义,2.1系统的定义,2.1系统的定义,2.2系统的特性,2.2系统的特性,2.2系统的特性,2.2 系统的特性,2.2 系统的特性,2.2 系统的特性,2.2系统的特性,2.2系统的特性,2.2 系统的特性,2.2 系统的特性,2
15、.2 系统的特性,2.2 系统的特性,2.2系统的特性,2.2系统的特性,系统学基本原理整体性原理 最优化原理 木桶原理 模型与模拟化原理,2.3 系统原理,整体性原理（属性） 系统的属性总是多于各个元素分别独立作用时的分属性个数的和。多出的部分主要会是什么？设系统由n个元素构成，Ai表示第i个元素独立作用时所有分属性之和，A表示系统的全部属性的集合，则：,2.3 系统原理,整体性原理（目标）,整体大于部分之和：,整体等于部分之和：,整体小于部分之和：,有用的系统,没用的系统,起反作用的系统,2.3 系统原理,最优化原理系统结构的演进总是在完成系统规定的目标前提下，使整个系统对时间、空间、物质
16、、能量及信息的利用率最高。如树型结构到扁平结构如精确后勤、网络中心战，信息流代替物流,2.3 系统原理,木桶原理 系统的各个组成部分相互协调，使系统达到最优。 系统水平受最低水平的要素所制约,2.3 系统原理,模型和模拟化原理 概念 模型：对现实原型的抽象。 模拟：采用人工手段，模仿真实世界的事物及其运动方式。模型和模拟是人们认识世界的重要方法和手段，也是把握和开发系统的有效途径。,2.3 系统原理,管理系统问题举例,第1章 系统工程概述,信息与控制学院,三.SE的内容与特点,所谓SE，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）。SE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）,第1章 系统工程概述,信息与控制学院,
