Transcript 第1章- 系统工程概论
系统工程概论 卢亚丽 Email:[email protected] Tel:18739936530 Office:龙子湖校区6214 管理与经济学院 在百度里输入 “是一项系统工程” 会有多少个相关结果 呢？ 当代中国领导层的系统思维 The Leadership’s Systems Thinking of Contemporary China 落实科学发展观，是一项系统工程…… 这就需要我们采用系统科学的方法来分析、 解决问题，从多因素、多层次、多方面入 手研究经济社会发展和社会形态、自然形 态的大系统．……要把自然科学、人文科 学、社会科学等方方面面的知识、方法、 手段协调和集成起来，不断认识和把握社 会发展的客观规律…… 胡锦涛(2004年06月) 当代中国领导层的系统思维 The Leadership’s Systems Thinking of Contemporary China 构建社会主义和谐社会是一个复杂的社会 系统工程，必须统筹兼顾、突出重点，坚持 把群众利益放在首位，力求在解决突出矛盾 和关键问题上不断取得实实在在的成效．要 认真查找影响本地区本部门社会和谐的突出 矛盾，找准群众普遍关心的现实问题，在深 入调查研究的基础上，提出切实有效的政策 措施，一个一个加以解决，使构建社会主义 和谐社会的成效真正体现到为群众排忧解难 上来，体现到实现和维护群众的切身利益上 来． 胡锦涛(2005年02月) 当代中国领导层的系统思维 The Leadership’s Systems Thinking of Contemporary China 新华网北京2012年１２月１５ 日电 习近平总书记广东考察重要 讲话中谈到改革时强调，更加注 重改革的系统性、整体性、协同 性。这一要求回应了时代呼唤， 对于增强改革的理性思维，凝聚 更多的改革智慧，用好事关民族 复兴的关键一招，不断推进改革 取得实效，有着十分重要的现实 意义。 改革是庞大复杂的系统工程。 任何一项改革都会牵一发而动全 身，必须放在大系统内来考量； 改革与发展面临诸多棘手难题， 破解每一个难题也是系统工程。 钱学森（1911.12.11-2009.10.31 教材： 汪应洛主编： 《系统工程》（第4版） 机械工业出版社 2012年6月 8 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 薛惠锋等，现代系统工程导论，国防工业出版社，2006 9 课程学习目的、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。 10 内容 学时数 第一章 系统工程概述 2 第二章 系统工程方法论 6 第三章 系统模型与模型化 6 第四章 系统仿真及系统动力学方法 6 第五章 系统评价方法 4 第六章 决策分析方法 4 第七章 战略研究与管理 2 第八章 案例 +开卷考试 2 合计 32 11 第一章 系统工程概述 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 12 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 系统工程作为一门学科形成于20世纪50年代,但 是系统思想的产生历史悠久，可以追溯到古代。 系统思想属于哲学范畴，从渊源上来看，可追 溯到古代中国和古希腊。这两个国家在系统思想 的产生与早期发展中具有突出地位和贡献。 13 古希腊的唯物主义哲学家德谟克利特曾提出”宇宙大 系统”的概念,并最早使用”系统”一词; 后人把亚里士多德的名言归结为：整体大于部分的总 和。这是系统论的基本原则之一。 易经把世界看成为一个由基本要素组成的系统整体， 以代表天地的乾坤二卦作为起始形成八卦，八卦重叠 形成六十四卦，从而形成了概括天地间万事万物的世 界体系。 老子曾阐明了自然界的统一性：西周时代，出现了世 界构成的“五行说”（金木水火土），东汉张衡提出 了“浑天说”。 在政治上，秦始皇创建的郡县制在系统工 程中具有重要意义。它就是现在图论中的 树结构，像一棵大树：树干是中央政府， 端部坐着是皇帝；然后主干分岔，成为主 枝，每一主枝相当一个郡（省）；主枝又 分成次枝，相当一个县；次枝分成末枝， 相当于保甲，末枝上长叶，相当于家庭。 中央集权，一管到底！皇帝的权力非常大， 指挥很灵，谁都要听他的，老百姓的话他 听不到，为什么？ 虽然古代还没有提出一个明确的系统概念，没有也不可能建立一套 专门的、科学的系统方法论体系，但是人们已经自觉的将对客观世 界的系统性和整体性的认识运用到改造客观世界的实践中，中国在 这方面表现尤为突出。 饭菜要求——色香味俱全 系统化，吃饭的工具：多要素配合，筷子 两根和手的配合； 孙子兵法--战争中多要素的配合； 中医诊病——主要有望、闻、问、切四种方法，简称为“四诊”。 人体是一个有机的整体，局部的病变可以影响全身；内脏的病变， 可以从五官四肢体表各个方面反映出来。所以，通过望、闻、问、 切这四种诊断方法，诊察疾病表现在各个方面的症状，就可以了解 疾病的病因、性质和它的内在联系，从而为进一步的辨证论治提供 依据。 都江堰——成功的工程实践。整个工程具有总体目标最优化、选址 最优和自动分级排沙、利用地形并自动调节水量、就地取材及经济 方便等特点。 都江堰 鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口这个 都江堰渠首的三大主体工程， 在一般人看来可能会觉得平 平常常、简简单单，殊不知 其中蕴藏着极其巨大的科学 价值，它内含的系统工程学、 流体力学等，在今天仍然是 处在当代科技的前沿，普遍 受到推祟和运用，然而这些 科学原理，早在二干多年前 的都江堰水利工程中就已被 运用于实践了。这是中华古 代文明的象征，这是我们炎 黄子孙的骄傲。 赵州桥 长扁的大券上面， 每端所负的两个小 券，张嘉贞《铭》 所说的“两涯嵌四 穴”，真是可惊异 的表现出一种极近 代的进步的工程精 神。 系统思想的发展经历了 三个阶段 先见森林，后见树木 19世纪自然科学取得了 巨大成就， 使人的对自 大约15世纪下半叶开始， 认过程相互联系的认识 力学、天文学、物理学等各 有了质的飞跃。“先见 门自然科学从哲学中独立出 森林，后见树木”（科 来， 人们认识世界的层次和 学的系统思想）阶段。 方式发生的变化，形成了形 整体思想和联系思想是 而上学的思想，研究有深度， 科学系统思想的核心与 但是缺点，忽视了树与树之 实质。 间的关联。具有“只见树木” 和具体化的特点。 只见树木 只见森林 古代朴素的系统思 想永自发的系统概念 考察自然现象，是 “只见森林”（朴素 的系统思想）阶段— —总体概念，比较抽 象的特点。 二、系统理论的形成与发展 系统思想发展到（一般）系统论、控制论、信息论等 系统理论，是和近代、现代科学技术的兴起合发展紧 密联系的，大约在20世纪初、中叶才实现。 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。 我国著名科学家钱学森对系统理论和系统科学的发展 具有独到的贡献。在系统工程和系统科学领域，钱学森在80年代初期提 出国民经济建设总体设计部的概念，坚持致力于将航天系统工程概念推广应用到 整个国家和国民经济建设，并从社会形态和开放复杂巨系统的高度，论述了社会 系统。他发展了系统学和开放的复杂巨系统的方法论。 老三论，新三论 –理论丛林（体系）不断地发展，为 系统工程学科的发展奠定了必要的基础。 三、系统工程的发展概况 阶段 年代（份） 重大工程实践或事件 重要理论与方法贡献 美国发展与研究广播电视 正式提出系统方法（Systems approach）的概念 美国实施彩电开发计划 采用系统方法，并取得巨大成功 美国Bell电话公司开发微波 通讯系统 正式使用系统工程（Systems Engineering）一词 英、美等国的反空袭等军事 行动 产生军事运筹学（Military Operations Research）,也即军事 系统工程 美国研制原子弹的“曼哈顿 计划” 运用SE，并推动了其发展 1930 I 1940 第二次世界大 战期间 II 本世纪40年代 1945 美国空军建立兰德（RAND） 曾经提出系统分析（Systems 公司 analysis）概念，强调了其重要性 21 三、系统工程的发展概况 III 40年代后期到50年代初 期 运筹学的广泛运用与发展、控制论的创立与应用、电子计 算机的出现，为SE奠定了重要的学科基础 1957 H.Good和 R.E.Machol发 系统工程学科形成的标志 表第一部名为《系统工程》 的著作 1958 美国研制北极星导弹潜艇 提出PERT（网络优化技术），这是最早 的系统工程技术之一。 1965 R.E.Machol编著《系统工 程手册》 表明系统工程的实用化和规范化 美国自动控制学家 L.A.Zedeh提出“模糊集 合”概念 为现代SE奠定了重要的数学基础 美国实施“阿波罗”登月 计划 使用了多种SE方法，其成功极大地提高 了SE的地位 IV 1961-1972 22 1972 V VI 国际应用系统 分析研究所 （IIASA）在维也 纳成立 SE的应用开始从 工程领域进入到社会 经济领域，并发展到 了一个重要的新阶段。 70年代 SE的广泛应用在国际上达到高潮 80年代 SE在国际上稳定发展、在中国的研究 与应用达到高潮 23 阿波罗登月计划 阿波罗载人登月飞船于1969年7月16日发射，计划是于1961年提出，其 系统目标是：10年内把人送到月球表面并且安全返回地球，并要求在最 短的时间内，以最少的费用，胜利完成登月计划。阿波罗计划顺利实施， 是现代系统科学研究的成功典范。此项工程组织了2万多个公司，120多 所大学，动用了42万人参加，投入了300亿美元的巨资，用了近10年的时 间，终于实现了人类征服地球引力，遨游太空，登上月球探险的梦想。 关键在于运用系统方法进行有效的组织管理。 首先，建立强有力的管理组织，明其职责分工。 其次，用系统方法加强对阿波罗计划整体过程的管理工作，将其管理工 作全过程划分为编制计划，分析评价，控制指导及督促检查等阶段，创 造性地运用了新的管理方法，推广使用了电子计算机从事生产与科研的 管理，从根本上保障了阿波罗计划的顺利完成。 阿波罗飞船的登月成功，还证实——“综合 即创造”。负责阿波罗计划实施的总指挥 韦伯先生说过：“阿波罗计划中没有一项 新发明的自然科学理论和技术，全部工作 都是现有技术的运用。关键在于综合。” 系统方法的价值就在于它使你能够把所有 这些常识性的思想汇集起来，协调一致， 集中解决复杂环境中的复杂问题。 四、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。 我国大规模地研究与应用SE是从70年代末、80年代初开始，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。 26 摘录：钱学森、徐国志、王寿云在《文汇报》上发表的文章 “组织管理的技术---系统工程” 总体设计部由熟悉系统各方面专业知识的技术人 员组成，并由知识面比较宽广的专家负责领导。 总体设计部设计的是系统的“总体”，是系统的 “总体方案”，是实现整个系统的“技术途径”。 总体设计部一般不承担具体部件的设计，却是整 个系统研制工作中必不可少的技术抓总单位。 “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。 怎样学好系统工程呢？ 系统工程的内容包含许多数学和一些前沿学科的内容， 涉及面广，学习者在学习中要注重培养自己整体的、系 统的思维方式，掌握基本的系统工程方法，提高自己解 决实际问题的工作能力。 学习中要注意以下几点： 1.通过理论联系实际来掌握基本概念，如：在生活中寻 找系统的实例。 2.要善于运用互联网的搜索功能来帮助理解相关的学习 内容。 3.多相互交流， 及时弄清相关的问题。 4.多看几本相关的教学资料。 做到了以上几点，相信会对您的学习有较大的帮助。 第二节 系统工程的研究对象 一、系统的概念及特点 研究对象： 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。 29 一、系统的概念及特点 1.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 (3)系统的结构 (4)系统的功能 30 该定义有四个要点： (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)，也可以是一群事物组成的分系统、子系统 等。系统与其构成要素是一组相对的概念，取决于所研究的具体 对象及其范围。 (2)系统和环境 任一系统又是它所从属的一个更大系统(环境或超系统)的组成部 分，并与其相互作用，保持较为密切的输入输出关系。系统连同 其环境超系统一起形成系统总体。系统与环境也是两个相对的概 念。 (3)系统的结构 在构成系统的诸要素之间存在着一定的有机联系，这样在系统的 内部形成一定的结构和秩序。结构即组成系统的诸要素之间相互 关联的方式。 (4)系统的功能 任何系统都应有其存在的作用与价值，有其运作的具体目的，也 即都有其特定的功能。系统的功能受到其环境和结构的影响。 2.系统的一般属性 （1）整体性 是系统最基本、最核心的特性，是系统性最集中的体现。 （2）关联性 关联性辨明系统要素之间联系或关系的特性，并且形成 了系统结构问题的基础。 （3）环境适应性 系统的开放性及环境影响的重要性是当今系统问题的新 特征，系统必须适应环境的变化，在此基础上使环境得到持 续改善。 除此之外，系统还具有目的性、层次性等特性。 32 3.大规模复杂系统的特点 系统工程所研究对象系统的复杂性主要表现在： (1)系统的功能和属性多样，由此而带来的多重目 标间经常会出现相互消长或冲突的关系； (2)系统通常由多维且不同质的要素所构成； (3)一般为人—机系统，而人及其组织或群体表现 出固有的复杂性； (4)由要素间相互作用关系所形成的系统结构日益 复杂化和动态化。大规模复杂系统还具有规模庞 大及经济性突出等特点。 二、系统的类型 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.封闭系统与开放系统 34 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。 35 第三节 系统工程的概念与特点 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”。 36 36 二、系统工程是一门交叉学科 比较一致的看法是： 系统工程学是以大规模复杂系统问题为研 究对象，在运筹学、系统理论、管理科学 等学科的基础上逐步发展和成熟起来的一 门交叉学科。 系统工程本身就是跨学科研究的成果，学 科交叉是系统工程之母，目前的系统科学 理论大都依托于另外一门科学： 1．以生物学为背景：贝塔朗菲——一般系统论，米勒——一般生命 系统论，艾根——超循环理论 2．以物理学为背景：普里高津——耗散结构理论，哈肯——协同学， 槌田敦（日）——资源物理学 3．以数学为背景：托姆——突变论，莫萨洛维克体系，怀莫尔体系， 克勒体系，廖山寿（中国）——动力系统理论吴学谋（中国）——泛 系统论 4．以控制论和信息论为背景：维纳、艾什比——控制论，申农—— 信息论，屈浦缪勒（德）、法乌尔（法）——（各自的）系统论，福 雷斯特（英）——系统动力学理论、大系统理论，模糊系统理论，灰 色系统理论，等等。 5．以社会科学为背景：曼内斯库（罗马尼亚）—《经济控制论》， 汉肯（荷兰）——《控制论与社会》，阿法纳西耶夫（苏联）—— 《社会：系统性、 认识与管理》，马宾（中国）——《论经济系统 学》，等等。 6．以哲学为背景：贝塔朗菲——系统哲学，拉兹洛（美）——系统 哲学，邦格（加拿大）——系统主义，乌耶莫夫、库兹明（苏联）等 对于未来系统工程学发展，必须发扬系统工程的 跨学科、交叉性优势，以下的科学资源值的特别 重视： 生态学：组织、食物链、环境、生物圈等概念； 数学：对混沌和不稳定性的研究，以及图论等； 心理学： “完形心理学”、 “非Aristotelian”逻 辑； 历史学：对历史过程的系统/控制学分析； 语言学（解释学）：各类语言要素在特定环境上 相互联系和作用从而给出特定含义的思想； 三、系统工程方法的特点 系统工程工作的前提：系统的观点 系统工程的目的：总体最优及平衡协调的观点 系统工程解决问题的手段：综合运用方法与技术的观点 系统工程的有效性的保障：问题导向和反馈控制的观点 科学性与艺术性兼容，这与系统工程主要作为组织管理的 方法和基本方法，在逻辑上是一致的；多领域、多学科的 理论、方法与技术的集成；定性分析与定量分析有机结合； 需要各有关方面（人员、组织等）的协作。 第四节 系统工程的应用领域 目前，系统工程的应用领域已十分广阔。 主要有以下几个方面： (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 (8)农业系统工程 (9)企业系统工程 (10)工程项目管理系统工程 41 42