系统工程清华大学.ppt

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1、系统工程导论,开课单位：清华大学自动化系主讲教师：胡坚明开课时间：2009年春季学期,清华大学本科生专业限选课程,系统工程导论,2,清华大学本科限选课程,胡坚明 副教授 自动化系系统工程研究所办公地点:中央主楼806电话 E-赵志强 助教实验室：中央主楼802电话：62785047E-Mail:zhaozq03王 音 助教实验室：中央主楼802电话：62785047E-Mail:,主讲教师,系统工程导论,3,清华大学本科限选课程,课程时间安排,序言（3学时）系统分析方法（2学时）解释性结构建模（3学时）黑箱建模（4学时）主成分分析法（2学时）因子分析法（2学时）,聚类分析方法（3学时）决策分析

2、方法概论（2学时）不确定性决策分析（3学时）多目标决策（2学时）群决策（1学时）工程管理初步（1学时）现代优化方法（2学时）期末考试（2学时）,系统工程导论,4,清华大学本科限选课程,参考文献,梁军等，系统工程导论，化学工业出版社，2005梁迪，系统工程，机械工业出版社，2005岳超源，决策理论与方法，科学出版社，2003黄燕等，SAS统计分析及应用，机械工业出版社，2006汪应络，系统工程理论方法与应用，高教社，1997高志亮，系统工程方法论，西北工业大学出版社，2004孙东川，系统工程引论，清华大学出版社，2004,系统工程导论,5,清华大学本科限选课程,需要学习和使用的软件,SPSS、S

3、AS、STATISTICA等统计分析软件MATLAB等计算软件VC等程序设计软件,系统工程导论,6,清华大学本科限选课程,第一章：序 言,本节内容,历史回顾基本概念与数学的关系课程内容、要求及考核方式,重点,理解系统的概念、系统的特性和分类以及系统工程的概念理解与数学的关系,难点,强化系统意识注意补充和复习数学知识,系统工程导论,7,清华大学本科限选课程,1.1 历史回顾,突然崛起,迅速扩张,返璞归真,源远流长,系统工程导论,8,清华大学本科限选课程,第一阶段：源远流长,大禹治水,都江堰工程,丁渭工程,田忌赛马,几个生动的实例,系统工程导论,9,清华大学本科限选课程,大禹治水,4000多年前，

4、舜帝派大禹治水。大禹经过调查研究，认为其父采取“湮”的方法是错误的，决定采用“导”的方法。他率领群众挖了9条大川，放田水入川，放川水入海。同时，他把全国分成12州5大区，分派5个首领掌管。治水过程中还注意调运物资，救济灾荒，调动百姓积极性。13年后，治水成功！,启示,系统思想“治水”与“治人”并重。,系统工程导论,10,清华大学本科限选课程,系统的要素不变（比赛双方及六匹马）策略不同，总体效果不同。该思想至今仍然在用，如：博弈理论；体育比赛中的团体赛等。,启示,http:/,系统工程导论,11,清华大学本科限选课程,战国时期（公元前250年前后），秦国的李冰父子主持修建的四川都江堰水利工程，将

5、分洪、引水和排沙等多种需求结合在一起进行考虑，使各部分组成一个整体，实现了防洪、灌溉、行舟、漂木等多种功能。,都江堰水利工程,启示,系统的思想，整理考虑，综合寻优,系统工程导论,12,清华大学本科限选课程,都江堰水利工程,三大工程,鱼嘴岷江分水工程飞沙堰分洪排沙工程宝瓶口引水工程,系统工程导论,13,清华大学本科限选课程,都江堰水利工程,三大工程,鱼嘴岷江分水工程飞沙堰分洪排沙工程宝瓶口引水工程,系统工程导论,14,清华大学本科限选课程,丁渭工程,启示,北宋真宗时期（998-1022年），皇城失火，宫殿被毁。皇帝任命丁渭负责修复皇宫。丁渭的方案是：1、皇宫旧址前原有大街处挖一沟渠，挖沟的土烧砖

6、，解决部分建筑材料问题。2、开封附近的汴水引入沟内，形成航道，从外地运输沙石木料。3、皇宫修好后，把沟水排掉，用建筑垃圾、废弃杂物填入沟中，恢复原来大街。,皇宫修复全过程看成一个系统，并划分为若干并行和交叉作业的子系统。蕴含了“系统工程”思想。,系统工程导论,15,清华大学本科限选课程,第二阶段：突然崛起,大体上形成于上世纪50、60年代,经典成功案例（美国）,阿波罗登月计划,北极星导弹核潜艇计划,计算机,客观需求,关键原因,系统工程导论,16,清华大学本科限选课程,阿波罗登月计划工程涉及三百多万个部件、两万多个企业、120个大学和研究机构，耗资244亿美元，持续11年。整个工程在计划进度、质

7、量检验、可靠性评价和管理过程等方面都采用了系统工程方法，创造了“计划评审技术(PERT)”和“图解评审技术(GERT)”，实现了时间进度、质量技术与经费管理三者的统一，如期完成总体目标。,阿波罗登月计划,系统工程导论,17,清华大学本科限选课程,阿波罗登月计划,系统工程导论,18,清华大学本科限选课程,问题明确、规模巨大、递阶结构,第三阶段：迅速扩张,经典案例的特点,大系统,子系统,子系统,子系统,子系统,子系统,子系统,非常适合处理这类问题,系统工程导论,19,清华大学本科限选课程,发展一般性的处理大系统问题的方法,基本方法：分解协调,大系统,子系统,子系统,子系统状态变量,大系统协调变量,

8、各子系统求解过程受协调变量影响，大系统调节协调变量实现自己目标。,缺点：针对特殊结构有效，很难成为一般性方法！,系统工程导论,20,清华大学本科限选课程,系统中包括有主观意志的人,用大系统方法处理社会经济问题时遇到新问题：,基本手段：在一些合理的假设下建立社会经济系统，包括人的行为方式在内的数学模型，一旦建立了这种模型，就可以直接应用处理工程系统的方法，甚至发展决策支持系统代替人做决策。,局限性：假设合理与模型实用存在严重矛盾！,系统工程导论,21,清华大学本科限选课程,80年代掀起高潮,广泛用于制定社会经济发展规划,上世纪50、60年代开始,国防科研机构和大规模项目广泛应用,中国的发展,运筹

9、学理论方法和应用研究,本质上是用集中控制方法处理社会经济问题！,系统工程导论,22,清华大学本科限选课程,载人航天是一项庞大的系统工程，包括：载人飞船、运载火箭、航天员、测控通信网、发射场、着陆场以及有效载荷等7个分系统。其中火箭又包含：箭体结构、动力装置、控制、推进剂利用、故障检测处理、逃逸救生、遥测、外测安全、地面设备和附加系统共10个分系统。载人航天11年（截止2003年）耗资180亿元，“神五”一次发射耗资10亿元。载人航天是中国航天史上的第2个里程碑。,中国的成功范例载人航天工程,系统工程导论,23,清华大学本科限选课程,第四阶段：返璞归真,根本原因,上世纪90年代以来,系统工程的名

10、称提的越来越少系统工程的方法用的越来越多,信息处理能力和计算能力迅速发展导致定量处理问题的能力不断增强,交通、地理、制造、金融、服务、,系统工程导论,24,清华大学本科限选课程,1.2 基本概念,1.2.1 系统思想的演变,古希腊哲学家赫拉克利特：世界是包括一切的整体。论自然界,古希腊哲学家德谟克里特提出宇宙大系统的理念，认为原子组成万物，形成不同系统层次的世界。这是“系统”一次的最早出处。宇宙大系统,系统工程导论,25,清华大学本科限选课程,中国春秋时期老子：“道生一、一生二、二生三、三生万物”,中国西周时期：用阴阳二气的矛盾来解释自然现象，产生了“五行观念”，认为金、木、水、火、土是构成世

11、界大系统的五种基本物质要素。,金生水 水生木 木生火 火生土 土生金,金克木 水克火 木克土 火克金 土克水,系统工程导论,26,清华大学本科限选课程,系统运动图,系统工程导论,27,清华大学本科限选课程,20世纪4070年代出现的部分系统工程学科分支,系统工程导论,28,清华大学本科限选课程,钱学森,1911年祖籍杭州，生于上海。应用力学、工程控制论、系统工程科学家。1934年毕业于上海交通大学，1939年在加州理工学院获博士学位。并担任过加州理工学院航空系副教授，麻省理工学院航空系副教授、空气动力学教授，1949年至1955年任美国加州理工学院喷气推进中心主任、教授。中国控制学科最重要的奠

12、基人，中国自动化学会首任理事长。,系统工程导论,29,清华大学本科限选课程,钱学森,中国力学学会、中国自动化学会、中国宇航学会、中国系统工程学会名誉理事长，中国科学院学部主席团名誉主席，中国科学技术协会名誉主席。曾任国防科学技术委员会副主任和中国科学技术协会主席。在应用力学、工程控制论、系统工程等多领域取得出色研究成果，在中国航天事业的创建与发展等方面作出了卓越贡献。1999年获“两弹一星功勋奖章”。1957年选聘为中国科学院院士（学部委员）。,系统工程导论,30,清华大学本科限选课程,中国航天之父,感动中国2008年度人物。,中国火箭、导弹和航天技术的重要奠基人。,感动中国推选委员会阎肃：大

13、千宇宙 浩瀚长空，全纳入赤子心胸。惊世两弹 冲宵一星，尽凝铸中华豪情，霜鬓不坠青云志。寿至期颐 回首望去，只付默默一笑中。,钱学森先生引入“不太可靠的元件通过冗余技术可以组成可靠的系统”的思想，开创了中国的航天领域研究，是中国导弹航天技术跻身世界前沿。,钱学森,系统工程导论,31,清华大学本科限选课程,1.2.2 系统的定义及其特性,定义：系统是具特定功能的，相互间具有有机联系的许多要素所构成的一个整体。,特性：,集合性：系统是具有某种属性的对象的全体(集合)，是由两个或两个以上相互区别的要素组成。整体性：各要素缺一不可，且不是各要素的简单集合，任何要素及其之间联系和作用不能脱离整体的协调去考

14、虑。,系统论一个基本原理：总体不等于部分和。,系统工程导论,32,清华大学本科限选课程,整体性特性之一有机性 部分只在整体中才具有其部分的意义；整体的特性只有在系统的运动中，整体与部分，部分与部分，环境与系统，以及不同层次之间按一定规律进行一定程度的物质、能量及信息交换，才体现出其性质和功能。,整体性特征之二组合效应 系统形成整体后，产生系统性能，这是一种质变，是形成整体以前没有的。同时又可能丧失了组成部分在孤立状态下的某特性。,系统工程导论,33,清华大学本科限选课程,系统的特性,相关性：组成系统的要素是相互联系，相互作用的。阶层性：系统作为一个相互作用的整体来看，它可分解成一系列的子系统，

15、子系统之间存在一定层次关系。目的性：要达到既定目的，系统具有一定功能。这是区别系统与系统的标志。环境适应性：系统是处于一定的物质环境中，环境变化，引起系统内部各要素的变化，不能适应变化的系统是没有生命力的。,系统工程导论,34,清华大学本科限选课程,系统实现环境适应性有如下三种方式：1、适应性自稳 指系统具有这样一种能力或倾向：当环境变化或施加干扰，使它偏离原有状态，系统具有某种机制，使其恢复原有状态。2、适应性组织 为适应环境变化，系统通过内部或外部指令形成特定的结构和功能。3、自组织性 对系统的结构、要素进行自动调整，改变。,自组织性:是指系统结构的有机性和反馈功能，不通过系统内部或外部指

16、令完成，而是系统各要素按彼此的相关性，协同性或某种默契而形成特定的结构和功能。,系统工程导论,35,清华大学本科限选课程,自然系统和人工系统实体系统和概念系统动态系统与静态系统控制系统与行为系统,1.2.3 系统的分类,概念系统是由概念、原理、原则、方法、制度、程序等非物质实体构成,模型中的变量是否随时间变化,系统工程导论,36,清华大学本科限选课程,1.2.4 系统的结构与功能,系统的组成要素：C系统的结构：S系统的环境：E系统的功能：F(体现了系统与外部环境之间物质、能量、信息交换能力),要素、结构、功能三者关系：1、要素不同，功能不同；2、要素相同，结构不同，功能不同；3、要素，结构不同

17、，也可能功能相同。4、同一结构，也可多种功能。,达到同一目标可有多种方案,F f(E,C,S),系统工程导论,37,清华大学本科限选课程,1.2.5 系统工程,什么是系统工程？系统工程就是用工程方法处理系统问题。是把事情尽量做好（优化）的方法（事理）事情表面上可以完全不同（跨学科）都是互相联系的量组成的整体（模型）尽量获得量化的结果（数学，计算机）主要特点：定量，寻优 基本手段：建模，优化,系统工程导论,38,清华大学本科限选课程,系统工程解决问题的基本依据,物理规律（科学知识）,数学方法（严格的逻辑）,随着应用范围的不断扩大，工程性质的常识或经验，与严格的数学方法成为系统工程解决问题的主要依

18、据。,常识或经验（工程性质）,系统工程导论,39,清华大学本科限选课程,1.2.5 系统工程,发展历程：1、系统工程是建立在运筹学基础上，并与运筹学一起发展起来的。2、1956年，中国科学院在力学所成立“运筹学教研室”（钱学森所长）3、1978年，钱学森组织管理的技术系统工程一文发表，产生巨大影响。4、1980年，成立中国系统工程学会中科院系统工程研究所,高校开设相关课程,成立相关专业。,系统工程导论,40,清华大学本科限选课程,1.2.5 系统工程,对系统工程的理解：1、系统工程是跨越多个学科领域的横断性学科，它不但涉及各种技术方面的“硬”因素，还涉及社会，心理等“软”因素。2、系统工程是以

19、处理一个系统为对象的一类工程技术的总称。3、将系统工程原理用于各个领域内，就形成了各个领域的系统工程。,系统工程导论,41,清华大学本科限选课程,1.2.5 系统工程,对系统工程的理解：4、系统工程不同于传统的工程技术，系统工程是工程战略，工程技术，组织管理和工程哲学的统一。5、系统工程是一种思想方法，而不是一种可以不偏不倚地照此办理就能得到预期结果的技术。6、系统工程的方法体系是运用系统的思想方法和各种数学方法、控制理论，以及电子计算机等技术工具来实现系统的模型化和最优化，进行系统分析和系统设计。,系统工程导论,42,清华大学本科限选课程,1.2.5 系统工程,系统工程的理论基础 系统科学：

20、一般系统论，大系统理论 控制论：经济控制论，分散控制 运筹学：线性规划，动态规划，排队论，对策论 管理科学,系统工程导论,43,清华大学本科限选课程,1.2.5 系统工程,目的性原则：系统工程是人类社会的实践活动，必有其目的。整体性原则：处理问题着眼于系统整体。综合性原则：解决同一问题的不同方案，取长补短，加以综合。动态性原则：在运动和变化中掌握事物 协调与优化原则 适应性原则：系统在环境中生存,系统工程的原则,系统工程导论,44,清华大学本科限选课程,逻辑维,时间维,知识维,实施计划决策优化系统分析系统综合评价系统设计问题确定,商业、法律、建筑、心理学、等社会科学控制论运筹学工程技术,系统工

21、程方法论,霍尔的系统工程三维结构(1968),（粗结构）,（细结构）,（专业维）,系统工程导论,45,清华大学本科限选课程,系统工程的步骤,1、明确问题2、设置目标，建立评价准则3、生成方案4、把方案建模5、对方案进行评价6、选择一个方案7、规划实施,系统工程导论,46,清华大学本科限选课程,1、明确问题、确立目标 明确问题是首要任务 确立目标：总目标下有分目标，有多目标。（1）确立目标时，考虑建立指标体系。（2）确立目标时，要考虑系统的约束。（3）符合约束条件的目标或方案，叫做 可行目标或可行方案。可行性问题是系统分析中的关键问题。,系统工程导论,47,清华大学本科限选课程,2、方案的生成与

22、未来环境预测（1）对方案的要求包括：方案具有稳健性，可靠性，完整性，灵活性。不允许一个方案是另一个方案的一部分。（2）未来环境预测：对方案在未来环境下产生的后果进行分析比较 预测方法：定性预测 定量预测,系统工程导论,48,清华大学本科限选课程,定量预测：给出数量指标，建立在统计资料基础 上，有历史数据，且假设平稳发展。（1）因果关系分析法：一元线性回归法，多元线性回归，非线性回归法（2）时间序列分析法：预测对象的自身变化过程及发展趋势（短期预测）定性预测：复杂情况及变化很难定量描述。（1）专家预测法：利用专家经验（2）德尔菲法：带反馈的函询调查法，一轮轮征求意见，集中，不记名寄出。,系统工程

23、导论,49,清华大学本科限选课程,3、建模、分析与优化,A、模型的分类（一）按模型的本质 具体模型：也称物理模型。如：船、飞机等 抽象模型：也称数学模型。用数学公式、图形、计算机程序来抽象描述系统某一方面属。数学模型按系统输入输出情况又分成：(1)确定型模型：系统输入和输出是确定的时间函数，模型可用确定性的数学工具来描述。(2)概率型模型：系统输入和输出具有随机性，用概率工具描述。(3)模糊型模型：输入输出之间关系无法明确的数学关系描述。（用模糊数学工具描述）,系统工程导论,50,清华大学本科限选课程,3、建模、分析与优化,（二）按模型描述的内容 结构模型：系统中要素之间联系，是一种结构关系。

24、（功能上，未必实体上）数量模型：反映变量间的数量关系。数量模型按变量随时间的取值可分为：（1）连续模型：变量是时间的连续函数。（2）离散模型：变量是时间的离散函数。（三）按系统所处状态 静态模型：系统相对时间来说是静止状态 动态模型：描述系统的运动动态。,系统工程导论,51,清华大学本科限选课程,B、模型的基本要素及其关系基本要素：变量、参量、常量变量：输入变量、输出变量、状态变量、控制变量（决策变量，可认为控制）关系：由物理性质、工艺机理、运动规律建立 如：F=maC、建模中对模型的要求 能反映原系统在某方面的基本属性（抓主要因素）简洁、易于分析计算 与其他模型易于衔接，模型的详尽程度与数据

25、来源、数据精度能够匹配。,系统工程导论,52,清华大学本科限选课程,3、建模、分析与优化,D、建模过程（1）明确系统的目的与功能（2）选择变量与参量（3）建立粗模型（4）将系统划分成子系统（5）建立子系统模型（6）建立衔接与关联部分模型（7）归纳并建立系统总体的细模型,系统工程导论,53,清华大学本科限选课程,3、建模、分析与优化,E、模型分析：手算、机算、仿真F、优化：希望一个或几个指标达到最优值。按目标函数个数分为：（1）单目标优化（2）多目标优化 按随机变量取值方式分为：（1）连续优化（2）离散优化（变量取值和方案个数为有限个）,系统工程导论,54,清华大学本科限选课程,例1：60年代，美苏军备竞赛 美国方面：核武器破坏力的模型：其中：k：核武器的破坏力，y：核武器当量（核弹级位数，由核弹内部结构决定）c：命中误差,1.2.6 学习系统工程的意义两个例子,由此可见：c减少7/8，k提高64倍 y增加8倍，k提高4倍美国策略：提高命中精度，而不是核弹的当量级。,系统工程导论,55,清华大学本科限选课程,例2：将个人发展看成一项系统工程。根据个人素质，特长，经历，性格，家庭状况等等选择一条最适合自己的路。推研？工作？出国？,