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1、第一章 系统与系统工程,系统的基本概念 1.系统的定义 2.系统的特征 3.系统的分类 4.系统的结构与功能系统工程概述 1.系统工程的定义、特点 2.系统工程的形成与发展 3.系统工程的方法与步骤,本章主要内容,一、系统的基本概念,1.系统的定义,系统（Systems）一词来源于希腊文systema。,由词冠“sys-”和动词词干“tema”构成的复合词。,原意是指事物中的共性部分和每一事物应占据的位置。也就是由部分组成整体的意思。,系统的各种定义,有组织的和被组织化了的整体；结合着的整体所形成的各种概念和原理的综合；由有规则的相互作用、相互依赖的诸要素形成的集合等等。,相互作用的诸要素的综
2、合体。,许多组成要素保持有机的秩序向同一目标行动的体系。,系统是由相互作用、相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机体，而且这个系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。,在韦氏大辞典（Webster大辞典）中，系统一词被解释为:,一般系统论的创始人贝塔朗菲把系统定义为：,在日本的JIS工业标准中,系统被定义为：,钱学森语：,1.系统定义(概括),系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合的具有特定功能的有机整体。,分析系统的定义，它包含三层意义：,第一，系统是由若干元素组成的。,第二，这些元素相互作用、相互依赖。,第三，由于元素间的相互作用，使系统作为一个 整体具有特定的功能。
3、,2.系统的特征,（1）整体性,（2）相关性,（3）目的性,（4）层次性,（5）动态性,（6）适应性,即系统整体不等于各组成元素之和，即非加和原则，有两种情况：整体小于各组成元素之和，即1+12（也叫整体的涌现性）,涌现，美约翰霍兰著，陈禹等译，上海科学技术出版社，2001年,连战：两岸合作一加一大于二 否则“共失双输”,2.系统的特征,系统中相互关联的部分或部件形成“部件集”，“集”中各部分的特性和行为相互制约和相互影响，这种相关性确定了系统的性质和形态。,2.系统的特征,人工系统和复合系统都具有一定的目的性，要达到既定的目的，系统必须具有一定的功能。没有目的的系统不属于系统工程研究的对象。
4、,2.系统的特征,由于系统的结构、功能和层次的动态演变有某种方向性，因而使系统具有有序性的特点。系统的有序性可以表述为：系统是由较低级的子系统组成，而该系统自己又是更大系统的一个子系统。系统的有序性揭示了系统与系统之间存在着包含、隶属、支配、权威、服从的关系，统称为传递关系。,（有序性）,生命系统的层次结构图,2.系统的特征,如：开放系统和外界环境有物质、能量和信息的交换，系统内部结构也可以随时间变化。一般来说，系统的发展是一个有方向性的动态过程。,2.系统的特征,任何系统都存在于物质环境（更大的系统）之中，它必然要与外界环境产生物质、能量和信息的交换，外界环境的变化也必然会引起系统内部各要素
5、之间的变化。因此为了保持和恢复系统原有特性，系统必须具有对环境的适应能力，就象元素必须适应环境一样，因为：系统+环境=更大的系统。,2.系统的特征,3.系统的分类,（1）自然系统与人工系统,（2）实体系统与概念系统,（3）开放系统与封闭系统,（4）静态系统与动态系统,（5）可控系统和不可控系统,原始的系统都是自然系统，如：天体、海洋、生态系统等；人工系统都存在于自然系统之中，如：人造卫星、海运船只、机械设备、生产管理、物流系统等等。,3.系统的分类,实体系统是指以矿物、生物、机械、能量和人等实体为构成要素所组成的系统，如：机械系统、计算机系统等；概念系统是指以概念、原理、原则、方法、制度、程序
6、等非物质实体为构成要素所组成的系统，如：管理系统、教育系统、国民经济系统等。,3.系统的分类,开放系统是指与外部环境有物质、能量和信息交换的系统，如：教育系统、企业系统等；封闭系统是指与外部环境无关的系统，实际上，没有绝对的封闭系统，只是有时把与环境联系较少，相对独立的系统看作封闭系统。,3.系统的分类,静态系统是指决定系统特性的因素不随时间推移而变化的系统，没有绝对的静态系统；动态系统是指这些因素随时间的推移而变化的系统，如：人体系统、企业系统等。,3.系统的分类,凡是人能够改变其状态的系统称为可控系统，反之称为不可控系统。人工系统是可控的，大多数自然系统是不可控的。,3.系统的分类,4.系
7、统的结构与功能,系统的结构可以用以下式子表示：,式中 S代表系统；代表元素的集合；R表示元素之间的各种关系的集合。,系统的功能可以用以下图示表示：,4.系统的结构与功能,二、系统工程概述,日本学者三浦武雄 认为：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。因为系统工程的目的是研究一个系统，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。所以为了圆满地解决这些领域的问题，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，这种横向的技术就是系统工程。,日本工业标准(JIS)中定义:系统工程学是为了最优地达到系统目标而
8、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。,我国著名学者钱学森认为:,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。,1.系统工程的定义,系统工程是在系统思想的指导下，用近代数学方法和计算机工具来研究一般系统的分析、规划、开发、设计、组织、管理、调整、控制、评价等问题，使系统整体最佳地实现预期目标的一门综合性的工程技术。,系统工程既是一个技术过程，又是一个管理过程。,因此，系统工程是一门现代化的组织管理技术，是特殊的工程技术，是跨越许多学科的边缘科学。,系统工程的研究对象：大型复杂的人工系统和复合系统；,系统工程
9、的研究内容：组织协调系统内部各要素的活动，使各要素为实现整体目标发挥适当作用；,系统工程的目的：实现系统整体目标最优化。,系统工程与常规工程学的区别,常规工程学以自己特定的物质为对象，而系统工程则不限于某一特定的物质对象，各种自然的、生态的、人类的、企业的和社会的组织等都可以作为它的研究对象。系统工程具有多学科综合性的特点，它不仅应用于自然科学，而且也要用到其他工程技术，如管理科学、经济学、社会学，乃至心理学、生态学和医学等知识。常规工程学多着眼于技术的合理性，往往是利用组成元素的良好程度来确保和维持整个系统的总体功能。而系统工程则是从整个系统的最优出发，首先确定整体的目标，然后再参照这个目标
10、来决定各元素所必需的性能，并利用各元素间的巧妙联系和协调运转来实现总体目标。这样做往往更能提高整个系统的水平,系统工程的特点,（1）整体性（系统性）,（2）关联性（协调性）,（3）综合性（交叉性）,（4）满意性（最优性）,上世纪80年代时，日本科技代表团参观“长征”火箭，回国后嘲笑中国工艺和产品粗糙落后，认为没有几件东西是日本不能生产。然而至今，日本最优秀的2火箭平均两三枚就炸掉一枚，技术指标虽优于中美，但是实用性能不佳。“长征”和“神舟”追求的并非“单项最优”而是“整体最优”，这就是钱学森在中国大力提倡的系统工程（System Engineering）。中国航天工业正是在系统工程精神指导下，
11、取得了瞩目成就。神六发射和回收成功，得益于全国的庞大系统工程网络，涉及全国二十多个省市的航空、航天、电子、兵器、舰船、冶金、食品、化学、科研院校等。只有高超的协调能力才能做好系统工程，这是真正的大国和强国才能做到的。摘自,小案例1,有一项调查显示，在日本、美国生产的同一种产品，若考察该产品各部件的合格率，美国大于95%，日本70%多一点；若看产品的整体合格率，则日本不低于98%，美国90%左右。,小案例2,附：钱学森的系统观,钱学森提出的系统科学结构图,2.系统工程的形成与发展,系统工程的发展大致可以分为萌芽、发展和初步成熟三个时期：1萌芽时期（20世纪50年代以前）2发展时期（20世纪50年
12、代至60年代）3初步成熟时期（20世纪60年代以后）,萌芽时期（20世纪50年代以前）,我国古代朴素的系统工程思想：,李冰的都江堰水利工程,战国初期秦国李冰设计修造了伟大的都江堰，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个渠堰工程，工程之间的联系处理的恰到好处，形成一个协调运转的工程总体。科学地解决了江水自动分流、自动排沙、控制进水流量等问题，消除了水患，使川西平原成为“水旱从人”的“天府之国”。,二王庙李冰父子塑像,珍贵的李冰石刻像,都江堰水利工程,李冰的都江堰工程,造福千秋的都江堰,李冰的都江堰水利工程,都江堰灌溉区,明朝永乐大钟,钟高6.7
13、5米，重46.5吨，钟内外有文字23万多字。,萌芽时期（20世纪50年代以前）,1940年美国贝尔电话公司首先使用了“系统工程（system engineering）”命名设计新系统（研究发展微波通信网）的科学方法。,我国古代朴素的系统工程思想：,20世纪初，美国的泰勒(FWTaylor)从合理安排工序、分析工人的操作、提高劳动生产率入手，研究科学管理的规律。1911年他的“科学管理的原理”一书问世后，工业界出现了“泰勒系统”。,发展时期（20世纪50年代至60年代）,1957年美国的古德（）和麦考尔（）合作出版了第一本以“系统工程”命名的书 兰德公司倡导“系统分析（System analys
14、is）”1958年美国在北极星导弹的研制中，首先采用了计划评审技术（PERT），有效地推进了计划管理。,在这一时期，一般系统论、运筹学、控制论、信息学等学科相互渗透融合，对系统工程的发展发挥的巨大的推动作用。（1）一般系统论（贝塔朗菲）本世纪二十年代，奥地利学者贝塔朗菲研究理论生物学时，用机体论生物学批判并取代了当时的机械论和活力论生物学，建立了有机体系统的概念，提出了系统理论的思想。1945年他发表关于一般系统论，这可以看作是他创立一般系统论的宣言。贝塔朗菲定律：整体(系统)的属性与功能大于各孤立部分(小系统)的 简单总和。,发展时期(20世纪50年代至60年代)(续),（2）运筹学:A.物
15、资运输问题;B.深水炸弹爆炸深度问题;C.飞机极限使用问题。,发展时期(20世纪50年代至60年代)(续),二战期间，产生和发展了运筹学，其广泛应用是系统工程产生和发展重要因素。,（3）控制论(维纳（N.Wiener，18941964）)维纳于1948年出版了控制论一书，揭示了机器、生物和人所遵循的共同规律信息变换和反馈控制规律，为机器模拟人和动物的行为或功能提供了理论依据，由此诞生了一门崭新的学科控制论。研究大系统的结构方案、稳定性、最优化、建模及模型简化等。经典控制论现代控制论大系统控制理论,诺伯特维纳名言：一个天才的儿童，如果在精神力量方面不能与其天才相称，就必须取得巨大的成功，做不到的
16、话，他就很可能认为自己是个失败者，而实际上也是个失败者。,发展时期(20世纪50年代至60年代)(续),（4）信息论(美国数学家申农（）)以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机、光导纤维等为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要研究目标。,在1948年的贝尔系统技术杂志的7月号和10月号上，申农发表了其具有划时代意义的论文：通讯的数学理论（athematical heory of ommunication）,发展时期(20世纪50年代至60年代)(续),初步成熟时期（20世纪60年代以后）,1965年美国学者麦考尔（）编写了系统工程手册“阿波罗”登月计划的实
17、现 始于1961年的阿波罗等月计划，是一项巨大的系统工程该工程有300多万个零部件，参加人员约42万，2万多个企业，120所大学与研究机构，耗资244亿美元，1969年实现登月。在这个高科技系统下面，有众多的分系统，如：飞船系统、通讯系统和测试系统等等。这些分系统下面又包含无数小系统。实现总体最优。,3.系统工程的方法与步骤,逻辑维,知识维,时间维,表示系统工作的各个阶段,是指实施系统工程的每一个工作阶段所要经历的步骤，也称思考过程,指为完成上述各阶段、各步骤的工作所需要的各种专业知识和技术知识,切克兰德的方法论,问题现状说明,（说明现状，目的是为了改善现状）,（初步弄清与改善现状有关的各种因
18、素及其相互关联情况）,（用结构模型或语言模型来描述系统现状）,（用数学模型的有关理论和方法改进上述概念模型）,（将概念模型和现状进行比较，找出符合决策意图的且是可行的改革途径或方案）,（实施提出的改革方案）,两种方法论的比较,霍尔三维结构和切克兰德方法论均为系统工程方法论，均以问题为起点，具有相应的逻辑过程。在此基础上，两种方法论主要存在以下不同点：（1）霍尔方法论主要以工程系统为研究对象，而切克兰德方法更适合于对社会经济和经营管理等“软”系统问题的研究。（2）前者的核心内容是优化分析，而后者的核心内容是比较学习。（3）前者更多关注定量分析方法，而后者比较强调定性或定性与定量有机结合的基本方法。,思考讨论题,选择一个你所熟悉的系统问题说明：(1)系统的功能及其要素；(2)系统的环境及输入、输出；(3)系统的结构(最好用框图表达)；(4)系统的功能与结构、环境的关系。结合系统工程应用领域，说明系统工程在你所学专业领域的可能应用及其前景。什么是霍尔三维结构?它有何特点?霍尔三维结构与切克兰德方法论有何异同点?,
