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1、1,系统工程概论,普通高等教育“十一五”国家级规划教材21世纪高等院校教材 工业工程系列,主讲教师：周志华电话：13786244515,2,第2章 系统工程的历史与现状,一、 系统工程的产生与发展二、 系统工程的概念三、 系统工程的学科基础,3,一、系统思想的形成过程,第一节 系统工程的产生与发展,第一阶段：古代朴素的唯物主义自然观,第二阶段：近代形而上学自然观,第三阶段：19世纪辩证唯物主义自然观,第四阶段：二十世纪中期形成的系统观,第五阶段：现代系统理论,4,一、系统思想的形成过程,第一节 系统工程的产生与发展,系统思想从经验到哲学到科学，从思维到定性到定量的发展过程。即：,第一阶段:古代
2、农事、工程、医药、天文方面的实践成就，以及建立在这些成就之上的古代中国和古希腊朴素的唯物主义自然观（以抽象的思辨原则来代替自然现象的客观联系）；,第二阶段:近代自然科学的兴起，以及由此产生的形而上学自然观（把自然界看作彼此不相依赖的各个事物或各个现象的偶然堆积）；,5,第三阶段:19世纪自然科学的伟大成就，以及建立在这些成就基础之上的辩证唯物主义自然观（以实验材料来说明自然界是有内部联系的统一整体，其中各个事物、现象是有机地相互联系、相互依赖、相互制约着的）；,第四阶段:20世纪中期现代科学技术的成就，为系统思想提供了定量方法和计算工具；,6,现代科学技术对系统思想方法的贡献,现代科学技术对于
3、系统思想方法来说，第一个贡献在于使系统思想定量化，成为一套具有数学理论、能够定量处理系统各组成部分相互联系的科学方法；第二个贡献在于为定量化系统思想的实际应用提供了强有力的计算工具电子计算机。这两大贡献都是在20世纪中期实现的。,运筹学（数学规划、排队论、博弈论）,计算机（1946年出现并广泛应用）,7,第五阶段：现代系统理论 信息论、控制论、耗散结构理论、协同学、突变论、非线性系统理论的迅速发展，系统工程不仅涉及到工程技术领域，还涉及到社会经济、医疗卫生等人类社会各方面紧密联系起来。,8,二、系统工程的发展历史,系统概念来源于古代人类社会实践。人类自有生产活动以来，无不在同自然系统打交道。,
4、（一）我国古代朴素的系统思想,“协同学”创始人哈肯评论,“系统科学的概念是中国学者较早提出的”,9,（一）我国古代朴素的系统思想,1、春秋末期老子用自发的系统概念观察自然现象，认为自然界是统一的。,道可道，非常道。名可名，非常名。,老子：约公元前571公元前471,道教中老子被尊为道祖。著有“道德经”。唐皇武后封为： 太上老君,认为道是事物之本原，又是事物的法则，天地人都是道的产物。,“道生一，一生二，二生三，三生万物”,10,2、西周五行观念,易经阴阳五行和八卦学说五行指：金、木、水、火、土。 认为大自然由五种要素所构成，随着这五个要素的盛衰，而使得大自然产生变化，不但影响到人的命运，同时也
5、使宇宙万物循环不已。,木好华美，且具有风雅的个性。仁，慈爱，行善。,火性情急躁，而富有自尊心。礼，就是为人谦让谨慎，敬上而不欺下。,土性情温厚笃实，而具有自信心。信，就是又诚实又温厚诚恳之意。,金性情刚强，而具有自尊心。义，就是崇善弃恶，事事都顺理。,水聪明，并能推测事物。智，观察事物详细，能预知前兆，善理权谋术事。,11,阴阳五行学说:是中国古代朴素的唯物论和自发的辩证法思想，它认为世界是物质的，物质世界是在阴阳二气作用的推动下孳生、发展和变化；并认为木、火、土、金、水五种最基本的物质是构成世界不可缺少的元素。,阳运动、外向、上升、温热、明亮的,阴相对静止、内守、下降、寒冷、晦暗的,12,3
6、、东汉地动仪,地动仪:地动仪是东汉科学家张衡的传世杰作-候风地动仪 。八个龙头，按东、南、西、北、东南、东北、西南、西北八个方向布列，每个龙头嘴里都衔有一个铜球。当某个地方发生地震时，发生地震方向的龙头张开嘴，吐出铜球，落到铜蟾蜍的嘴里，发生很大的声响。所以人们就可以知道地震发生的方向。张衡还用铜制造了一种测量天文的仪器“浑天仪” 。,地动仪-我国历史上最早的系统模型,13,4 最早的医学经典-黄帝内经,它分别从阴阳五行、天人相应、五运六气、脏腑、经络、病机、诊法、治则、针灸等方面来阐述。,主张不治已病，而治未病，同时主张养生、摄生、益寿、延年。,将“自然现象、生理现象、精神活动”三者结合分析
7、疾病根源。,整体观、矛盾观、经络学、脏像学、病因病机学、养生和预防医学、诊断治疗等。,14,自然界、人体由五种要素相生相克、相互制约所组成的有秩序、有组织的整体。,看病望闻问切,“藏象、病机、气血、津液、经络”,讲究内观、体悟、直觉，与西医的靠仪器、化验、解剖不同。,15,请问：我国古代的三大经书（奇书）是什么？,易经、道德经、黄帝内经,16,5 春秋末期孙子兵法,问：孙子兵法为谁所著？,以系统思想研究战争，从“道、天、地、将、法”五个方面分析战争。,道内修德政、战争是否有理。有道乃胜利之本。,天时、地利,将将领的才智、威信状况、士兵是否训练有素。,“得到多助、失道寡助”,法法度。“纪律是否严
8、明、赏罚是否分明”。,将领要做到“智、信、仁、勇、严”。,兵圣孙武,公元前535,17,在山东临沂银雀山发掘的两座汉代墓葬中同时发现了用竹简写成的孙子兵法和孙膑兵法。,孙子兵法全书共十三篇孙武所著。 以兵法十三篇见吴王阖闾h l ，阖闾说：“子之十三篇，吾尽观之矣。”即用孙武为将，与伍子胥率吴军攻破楚国,率兵6万打败楚国20万大军。,著名论点：“知己知彼，百战不殆”,“以我之长，功敌之短”,18,孙膑兵法,孙膑兵法又名齐孙子，系与孙子兵法区别之故。汉书艺文志称齐孙子八十九篇，图四卷。,知名典故：“田忌赛马”,孙膑,约公元前380年至公元前320,孙膑乃孙武后人，有人说是玄孙。孙膑和庞涓拜鬼谷子
9、为师，出仕后到魏国做官，被庞涓陷害，受到膑刑。生死关头，他向齐国使者求助，被救到齐国，指挥齐军两次击败魏军，设伏杀死庞涓。孙膑继承并发扬了孙武的军事思想，他的孙膑兵法也是兵学宝库的瑰宝。,19,三十六计,胜战计：瞒天过海、围魏救赵、借刀杀人、以逸待劳、趁火打劫、声东击西敌战计：无中生有、暗渡陈仓、隔岸观火、笑里藏刀、李代桃僵、顺手牵羊攻战计：打草惊蛇、借尸还魂、调虎离山、欲擒故纵、抛砖引玉、擒贼擒王混战计：釜底抽薪、混水摸鱼、金蝉脱壳、关门捉贼、远交近攻、假道伐虢并战计：偷梁换柱、指桑骂槐、假痴不颠、上屋抽梯、树上开花、反客为主败战计： 美人计、空城计、反间计、苦肉计、连环计、走为上,20,6
10、 战国时期“都江堰”水利工程,战国时期秦国李冰父子设计修建的都江堰水利工程，它包括“鱼嘴”岷江分水工程，“飞沙堰”分洪排沙工程，“宝瓶口”引水工程三大主体工程和120个附属渠堰工程，工程之间的联系处理得恰到好处，形成一个有机整体，兼有防洪、排沙、灌溉、漂木、行舟等多种功能，渠道上设置了水尺，根据测得的水位，多级分水，合理控制分水流量，使汹涌急流的岷江化害为利，灌溉了成都平原上14个县的几百万亩粮田。工程完工后，又建立了一套岁修养护制度，每年按规定淘沙修堤，因此，虽然该工程经历二千多年，至今仍发挥着效益，该工程堪称我国古代运用系统思想解决实际问题的典范。,21,飞沙堰,22,23,飞沙堰特写,2
11、4,7：丁渭修皇宫,北宋年间，汴都（今河南开封）的宫室在遭到火灾以后，大臣丁渭奉命修建，修建工程的泥土、石料、木材等建筑材料都需从郊外由旱道运到建筑现场，另外，完工后的建筑废弃物又要从旱道运出城外。这在当时是需要花费大量的人力、物力和材力的，丁渭根据工程实际，设计出了一套方案，就是在工地前面的大街上挖取泥土使用，几天以后，大街被挖成了巨沟，并通过护城河与汴河相通，河水流入沟中，船只可直接由汴河驶入工地，于是便可从四面八方运来建筑材料，再也不需经过郊区码头起卸，然后用陆运搬到工地的繁重手续了，在工程将要结束时，再把废弃的瓦砾、灰土等投入巨河，平土以后，重新成为大街。这一设计方案由于系统解决了取土
12、、运输、清除废料和修复街道等多项任务，因此节省了大量的人力、物力和财力，并使工程提前完工。,25,总结：古代朴素系统思想的特点,“耗散结构”创始人普利高津从存在到演化中说：,“着重于研究整体性和自发性、研究协调与协和”,即强调对自然界整体性、统一性的认识，缺乏对细节的认识能力。,26,(二）系统工程的发展历史世界文明,第二节 系统工程的产生与发展,2. 1930年前后，一般系统论的创始人贝塔朗菲指出了自然界和社会的各种表面上极不相同的领域中存在着某种共性，提出了一般系统论，为系统工程的产生作好了准备。,系统工程是工业生产和科学技术发展的必然产物。,1. 系统概念的最早提出：美国人泰勒“管理之父
13、”在1911年出版的科学管理原理提出了工业管理系统，包括“合理安排工序、动作分析、提高工作效率等”。,27,3.系统工程的首次提出 二十世纪40年代，美国贝尔电话公司在发展微波通讯网络时首先应用系统方法，并提出了“系统工程”这个名词。,美国贝尔电话公司马利娜G.Molina,丹麦哥本哈根电话公司厄朗A.Erlang,研究整个电话通讯系统，不能只注意电话机和交换台站，首次提出“系统工程”，运用了排队论原理。,28,4. 二次世界大战(1939-1945)，产生和发展了“运筹学”Operation Research,1）英国为防御德国的突然空袭，研究了雷达报警系统、飞机排队降落系统，广泛采用了数学
14、规划、排队论、博弈论等方法。,2）1945年，美国军事部设立兰德公司（政府和军方的最大智囊团），开发了许多系统分析方法。,3）1942-1945年，美国制造原子弹的“曼哈顿”计划 负责人L.R.格罗夫斯和R.奥本海默应用了系统工程的思路和方法，大大缩短了工程所耗时间。 1945年7月15日,世界上第一颗原子弹试验成功。8月6日和9日，美国分别在日本的广岛和长崎投下了原子弹，直接导致第二次世界大战结束。,29,（二）系统工程的发展历史世界文明,7.进入70年代后，由于电子计算机的迅速发展和普及，系统工程得到了广泛地应用。,5. 1957年首部系统工程著作出版,美国密执安大学古德H.Goode 马
15、乔尔R.Machol合著,6.1961-1969年“阿波罗”登月计划系统工程的光辉成就。,工程系统社会经济系统,行为科学+思维科学政策研究,作为一门交叉学科解决复杂大系统研究非线性系统理论迅速发展,30,（三）现代系统工程在中国的发展,(1) 第一阶段：1950S中期1970S中期，以运筹学的研究为主,1）钱学森、许国志等学者大力提倡运筹学,2）1960S华罗庚大力发展优选法与统筹学，取得较好效果,3）我国导弹和航天事业的发展，系统工程技术得到迅猛发展以钱学森为代表,31,（2） 第二阶段：19781980S初,推广应用系统工程的热潮,1）1978年，钱学森、许国志、王寿云在文汇报发表“组织管
16、理的技术系统工程”，推广系统工程新局面。,最优化方法,图论、排队论,对策论,可靠性分析等,普及应用、取得显著成果,2）1980年中国系统工程学会正式成立,3）20世界70年代末、80年代初学术理论遍地开花,邓聚龙教授灰色系统理论,吴学谋泛系理论,蔡文物元分析,32,（3）第三阶段：1986年系统工程的研究和应用扩大至科技、经济、社会等领域。,1）系统工程作为一门软科学，日益受重视。,物理事理人理（WSR系统方法论）,硬件软件斡件人件,2）钱学森等致力于开放复杂系统的研究,方法：定性与定量的综合集成技术、综合集成工程,专家系统,统计技术,信息化与计算机技术,以人为主的高度智能化的人机结合系统,3
17、3,3）2003年10月15日，中国首次载人航天“神州五号”上天,大规模复杂系统的设计、优化、管理等取得重大突破。,综合：系统工程作为一门综合应用性学科、交叉学科、一门新学科，未来发展靠大家。,2011年11月1日清晨5时58分，中国“长征二号F”遥八运载火箭，将“神舟八号”飞船成功送入预定轨道。2011年11月3日凌晨，神舟八号与天宫一号对接环接触成功。中国成为继美、俄之后第三个掌握空间交会对接技术的国家。可以在地球轨道上长期滞留工作的空间站，对于探索宇宙奥秘、造福人类有着重要意义。,34,钱学森提出的现代系统技术的四个层次：,图1-6 系统科学体系结构,第二节 系统工程概念,35,第二节
18、系统工程概念,一.系统工程的研究对象和领域,1.研究对象系统,人工系统或复杂系统,大系统（多层次）,复杂系统（总系统+分系统）,组织化的系统（有共同目标）,（1）系统工程的研究领域成果显著,（2）系统工程呈现多学科性,自然环境、生物医学、工业、农业、社会、国家管理等,36,系统工程的应用领域：,第二节 系统工程概念,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） 航天系统工程,37,系统工程的应用领域：,第二节 系统工程概念,10）工程项目管理系统,11）科技管理
19、系统工程,12）教育系统工程,13）人口系统工程,14）军事系统工程,15）信息系统工程,16）物流系统工程等,38,2. 系统工程研究对象的具体特征,（1）系统工程是一门工程技术，可研究任何一种物质系统，可跨越各专业领域。,如：机械工程、电子工程,水利工程、采矿工程等,以专门的技术领域为对象,系统工程跨专业，研究系统的开发、运用等问题。,（2）还涉及社会经济、环境生态、经营管理、军事指挥等非工程系统,（3）系统工程更注重事理，注重计划、组织、安排、优化。,系统工程处理的对象主要是信息。,39,二、系统工程的的定义,第二节 系统工程概念,（1）1967年美国学者切斯纳定义 按照各个目标进行权衡
20、，全面求得最优解的方法，并使各组成部分能最大限度地互相适应。,（2）1976年美国科学技术辞典注释系统工程是研究许多密切联系的元素所组成的复杂系统设计的科学。,（3）1977年日本学者三浦武雄指出系统工程与其它工程学的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。,40,第三节 系统工程概念,（4）日本工业标准“运筹学术语”中的定义系统工程是为了最优地达到系统目标，而对系统的构成要素、组织结构、信息流通和控制机构进行分析的技术。,（5）我国学者钱学森认为 系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验与使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的方法。
21、,41,综述： 系统工程定义,第三节 系统工程概念,1.系统工程是一门交叉学科,协调：自然科学和社会科学的思想、理论、方法、策略、手段等,组织：生产、科研或经济活动,应用：定量分析和定性分析相结合的方法和计算机等技术,三最优：实现最优设计、最优控制和最优管理,（达到综合最优化）,2.一门工程技术、一门软科学,42,一、系统工程的理论和技术基础,第三节 系统工程的学科基础,系统工程是一门交叉学科，有其宽广的理论和技术基础。它们主要是一般系统论、信息论、控制论、运筹学、耗散结构理论、协同学、突变论等，通常把一般系统论、信息论，控制论称为“老三论”，而把耗散结构理论、协同学、突变论称为“新三论”。,
22、1. 一般系统论,一般系统论是由美籍奥地利生物学家贝塔朗菲（19011972）首先提出并发展的.,43,第三节 系统工程的学科基础,1. 一般系统论,一般系统论所包含的主要内容和基本观点有：,一般系统论用相互关联的综合性思维来取代分析事物的分散思维，突破了以往分析问题的局限性，为系统工程的发展奠定了基础。,作用：,44,2. 信息论,第三节 系统工程的学科基础,信息论于20世纪40年代末产生，其主要创立者是美国的数学家香农和维纳。信息论是一门研究信息的获取、传送和处理等一般规律的科学。,人们根据不同的研究内容，把信息论分成三种不同类型。,狭义信息论：即申农信息论。主要研究消息的信息量、信道（传
23、输消息的通道）容量以及消息的编码问题。,45,创始人：美国数学家香农，美国贝尔研究所研究员。,解决通信技术中信息编码问题，把发射信息和接收信息作为一个整体的通信来研究。,克劳德香农(Claude Elwood Shannon ）,信息论及数字通信时代的奠基人,信息论诞生的标志：,1948 通信的数学理论,1949噪声中的通信（滤波理论、信号预测理论）,还对加密理论有开创性贡献,维纳提出了信息量的统计数学公式,46,香农的通信系统模型,47,第三节 系统工程的学科基础,一般信息论：主要研究通信问题，但还包括噪声理论、信号滤波与预测、调制、信息处理等问题。,广义信息论：不仅包括 前两项的研究内容，
24、而且包括所有与信息有关的领域。,信息论中运用信息的观点，把系统看作是借助于信息的获取、传达、加工、处理而实现其有目的性的运动的一种研究方法。图1-3便是信息方法的图示。,48,第三节 系统工程的学科基础,2. 信息论,图1-3 信息方法,49,3. 控制论,第三节 系统工程的学科基础,1947年美国人维纳创立了控制论。,维纳的控制论阐述了两个根本观念：,一切有生命、无生命系统都是信息系统。控制的过程也可以说是信息运动的过程。无论是机器还是生物，在构成控制系统的前提下，都存在着对信息进行接收、存取和加工的过程。,50,第三节 系统工程的学科基础,一切有生命、无生命系统都是控制系统。一个系统一定有
25、它的特定输出功能，而要具有这种输出功能，必须有相应的一套控制机制。控制必须要有目标，没有目标，则无所谓控制。,研究生命系统、非生命系统以及社会经济内部通信、控制、调节、组织、平衡、计算或反馈等问题。,应用于工程技术、生物、经济、社会等各领域,将自然科学与社会科学，物质世界与非物质世界联系了起来。,51,第三节 系统工程的学科基础,4. 运筹学,运筹学的定义,据大英百科全书释义，“运筹学是一门应用于管理有组织系统的科学”，“运筹学为掌管这类系统的人提供决策目标和数量分析的工具”。,52,5. 耗散结构理论(新三论之一）,比利时布鲁塞尔自由大学教授普里高津在1969年一次理论物理和生物学国际学术会
26、议上作了题为结构、耗散和生命的报告，提出了耗散结构理论。,孤立系统总是朝着均匀和无序的平衡态发展，此时系统的熵最大。,开放系统总是与外界进行物质、能量的交换。,dS=diS + deS,Dissipative Structure Theory,1977年获诺贝尔化学奖,53,耗散结构系统与外界交换能量与物质，吸进负熵。当外界条件达到一定阈值时，系统从原来的混乱无序发展成为一种在时间上、空间上或功能上新的有序结构，称为耗散结构。,54,耗散结构的形成条件,远离平衡态的开放系统，不断与外界交换物质、能量。,进入远离平衡态的非线性区域。,有涨落的触发,为系统有序结构的稳定性提供了严密的理论根据，推动
27、了其他学科的发展。,经典热力学,统计物理学,理论生物学,55,6. 协同学 Synergetics (新三论之二）,协同学是20世纪70年代后期由原西德理论物理学家哈肯（Hermann Haken）创立的。,研究系统如何自发地形成有序结构或功能的行为自组织,（1）激光的产生（2）贝纳德花纹（3）电脑城、美食城、中心商业区的形成,例子：,56,贝纳德花纹:1900 年贝纳德发现了对流有序现象，他在一个圆盘中倒入一些液体。当从下面加热这一薄层液体时，刚开始上下液面温差不太大，液体中只有热传导。但当上下液面温差 T 超过某一临界值 Tc 时，对流突然发生，并形成很有规律的对流花样（液体中突现类似蜂房
28、的六边形网格）。从上往下俯视，是许多像蜂房那样的正六角形格子。中心液体往上流，边缘液体往下流。这是一种宏观有序的动态结构。,57,(1) 快变量：多数变量，在系统受到干扰而波动时，总是力图使系统回到原先的稳定状态。特点：衰减快，对系统结构性转变无大影响。,(2) 慢变量：数量极少，在系统受到干扰而波动时，使系统偏离稳态走向非稳态，或进入新的稳态。特点：始终左右演化进程，决定其结构与功能。,“协同导致有序”子系统的合作导致出现宏观结构的自组织现象。,基本观点：,58,揭示不同系统通过子系统间的协同作用与自组织，从无序状态向有序状态转变的共同规律和特征。 在自然科学（如：物理、化学、生物）和社会科
29、学（经济学、管理学等）应用广泛，推动了系统工程的发展。,协同学的意义：,59,7. 突变论Catastrophe theory,突变论是法国数学家勒内托姆于1972年创立的。他于1972年发表的结构稳定性和形态发生学一书阐述了突变理论，荣获国际数学界的最高奖-菲尔兹奖章。,例子：水的沸腾、岩石的破裂、桥梁的崩塌、地震、细胞的分裂、生物的变异、人的休克、情绪的波动、战争、市场变化、经济危机等等。,突变论的本质:是系统从一种稳定状态到另一种稳定状态的跃迁。,(新三论之三）,60,8 混沌理论-Chaos Theory,混沌理论的主导思想是：宇宙本身处于混沌状态，在其中某一部分中似乎并无关联的事件间的冲突，会给宇宙的另一部分造成不可预测的后果。,蝴蝶效应（ The Butterfly Effect）：是指在一个动力系统中，初始条件下微小的变化能带动整个系统的长期的巨大的连锁反应。这是一种混沌现象。蝴蝶在热带轻轻扇动一下翅膀，遥远的国家就可能造成一场飓风。“蝴蝶效应”的概念，是气象学家洛伦兹1963年提出来的。,61,本章到此结束！谢谢！,
