《系统工程教学课件》第一章系统与系统工程.ppt

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1、马从安,系 统 工 程,系 统 工 程,第一章 系统与系统工程,1.1系统的概念 1.2系统工程与系统科学 1.3系统工程方法论 1.4系统的应用,第一节 系统的概念,系统是相互作用和相互依赖的若干组成部分（要素）组合而成的、具有特定功能的有机整体。系统具备三个条件：（1）由两个以上的要素所组成；（2）要素之间存在一定的有机联系；（3）系统都有特定的功能。,系统的整体性主要表现为系统的整体功能，系统的整体功能不是各组成要素功能的简单叠加，也不是简单拼凑，而是呈现出各组成要素所没有的新功能。当低层次上的几个部分组成上一层次时，一些新的功能也会涌现出来。系统各个部分组成一个整体后，系统整体功能大于

2、其组成要素功能的总和。“三个臭皮匠，赛过一个诸葛亮”。,系统的特性,是否多个要素凑在一起，其功能都一定大 于部分功能之和呢？否！最典型的就是人们所说的“一个和尚挑水吃，两个和尚抬水吃，三个和尚没水吃”。这是因为，这三个和尚没有形成一个“系统”，这些“和尚要素”相互不协调、不统一，才使得集体运水的效果急减。这就说明，要使得整体的功能大于部分功能之和，组成该整体的各要素必须协调统一。也就是说，系统的功能，也与要素间的关系，即系统的结构有关。,系统的特性,系统的特性,系统的集合性是指由两个或两个以可相互区别的对象（要素）组成的系统。,系统的特性,系统内的各要素是相互作用而又相互联系的。系统中任一要素

3、与该系统中其他要素是相互关联又相互制约的，它们之间的某一要素如果发生了变化，则其他关联的要素也要跟着相应的改变和调整，从而保持系统整体的最佳状态。相关性包括：系统内部各要素间；要素与系统整体间；系统与环境间的有机联系。如不存在相关性，众多的要素如同一盘散沙，只是一个集合，而不是一个系统。,系统的特性,一个大的系统，包含很多层次，上下层之间是包含与被包含的关系，或领导和被领导的关系。如：行政系统，军队，企业。按层次性可以把企业内部系统分层次建立生产、销售、财务、人事四个二级子系统，再运用系统工程的方法研究各个子系统，探讨它们如何为企业的利益目标服务。,系统的特性,目的性是系统存在的条件。开发系统

4、工程项目的首要工作是确定系统的目的性。任何一个系统都有它的目的，否则，也就失去了这个系统存在的价值和意义。例如，生物系统的目的性就是增殖个体、繁衍物种、保存生命；同样，人造系统也有它的目的性，如企业的经营目的，就是以最少的资源消耗去取得最大的经济效益。运输系统的目的，就是为国民经济的发展提供运输服务。,系统的目的性人们根据实践的需要而确定的，人造系统是具有目的，而且不是单一的目的性。系统的目的性要求人们正确的确定系统的目标，从而用各种手段把系统导向预定的目标，达到系统整体最优的目的。,系统的特性,系统的特性,坚持环境适应性原则，就是说不仅要注意系统内各要素之间相关性的调节，而且要考虑系统与环境

5、的关系，只有系统内部和外部相互协调和统一，才能全面发挥系统的整体功能。,系统的特性,下面，我们来看一个实例：例1-1：城市交通综合系统 城市交通综合系统是一个庞大的动态系统，它本身的状态是随时间变化而变化的。其结构如下图所示：,系统的特性,系统的特性,从图可以看出，城市交通系统具有以下四个特性：整体性 城市交通系统是由人、车、道路、设施、管理、环境等许多子系统组成的综合性整体，各子系 统从属于这个整体，而整个城市交通系统又是更庞大的城市系统中的子系统。相关性 城市交通系统内部各子系统、各子系统要素之间是有机联系、相互依存又相互作用的。目的性 城市交通系统具有特定的目的。这就是：为人们从事各种活

6、动提供必要的物质条件和空间活动条件，并达到安全、快速、高效、舒适的目的。环境适应性 城市交通系统处于社会环境之中，受周围环境的影响和制约，并与周围环境相协调。,系统的分类,1、自然系统和人造系统 自然系统是自然物形成的系统，它的特点是自然形成的；（如海洋系统、大气系统、矿藏系统等）人 造系统是为了达到人类所需的目的而由人类设计和制造的系统；（如矿山开采系统、科学试验的风洞系统等）2、实体系统和概念系统 实体系统是以矿物、能源、机械等实体组成的系统；（如电力系统、机械系统等）概念系统是由概念、原理、原则、方法、制度程序等观念性的非物质实体组成的系统；（如科技体系、法律系统等）,系统的分类,3、静

7、态系统和动态系统 静态系统是其固有状态参数不随时间改变的系统，没有既定的相对输入和输 出；(如车间平面布置系统、城市规划布局等）动态系统是系统状态变量随时间而改变的系统，也就是把系统的状态变量作为时间的函数而表现出来的系统；（如工厂的库存）,系统的分类,4、可控系统和不可控系统 从系统和人为关系上看，凡是根据一定目的，能够改变其状态的系统称为可控系统，否则和称为不可控系统。例如计算机控制的现代机械加工生产过程的自动控制系统是可控系统，宇宙系统是不可控系统。,5、封闭系统和开放系统,封闭系统是指该系统与环境之间没有物质、能量和信息的交换；开放系统是指系统与环境之间具有物质、能量与信息交换的系统；

8、（如生态系统、商业系统等）提问：谁将下面的概念图具体化？,系统的分类,系统的分类,6、简单系统、简单巨系统和复杂巨系统,钱学森院士的分类,系统的分类,大系统和小系统之间无明显的界限之分。一般认为：大系统具有结构复杂、规模庞大、变量众多、功能综合多样等特征。如国民经济体系、生物学、经济、社会学领域中的系统。,1.1.3 系统的结构和功能,1、结构的定义 各组成要素之间的相互联系、相互作用的方式或秩序，即各要素之间在时间或空间上排列和组合的具体形式。2、系统结构的特性 1)稳定性 系统总是趋于保持某一状态。由于系统受到外界环境的干扰，有可能使系统偏离某一状态而产生不稳定，但是干扰消除，系统又恢复到

9、原来的状态，继续出现稳定。2)层次性,1.1.3 系统的结构和功能,3)开放性 系统世界中任何系统结构都不是绝对封闭和绝对静态的，任何系统总存在与环境中，总与外界进行能量、物质、信息的交换。系统的结构在这种交换中由量变到质变。4)相对性 系统结构的层次性决定了系统结构和要素之间的相对性。高一级的结构层次对低一级的结构层次有着较大的制约性，而低一级结构也反作用于高一级的结构层次,1、功能的定义 把系统与外部环境相互作用所反映的能力称为系统的功能，体现了一个系统与外部环境之间物质、能量和信息的输入与输出的转换关系。系统工程的任务在于提高系统的功能，特别是系统的处理或转换的效率，即在一定的输入条件下

10、，输出越多越好；或在一定的输出条件下，输入越少越好。,1.1.3 系统的结构和功能,1.1.3 系统的结构和功能,2、系统功能的特性 1）易变性 一个系统对外部条件发挥功能，总要遵循一定的规律，随着环境条件的不同，将相应的引起系统功能的变化。2)相对性 在一个大系统内部，其要素之间的相互作用本来是属于结构关系，但如果把每个要素或子系统作为一个整体来考察，则子系统之间均相互作用又转化为独立子系统之间的功能关系。,1.1.3 系统的结构和功能,（1）系统的结构决定系统的功能（2）功能具有相对的独立性（3）功能对结构具有巨大的反作用 结构决定功能，功能对结构有反作用，它们相互作用而又相互转化。,1.

11、1.3 系统的结构和功能,思 考 讨 论 题,1、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；(4)系统的功能与结构、环境的关系。2.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。,第二节 系统工程与系统科学,1,2,3,1.2.1系统工程的定义和特点1.2.2系统工程的形成和发展1.2.3系统科学体系,1.2.1 系统工程的定义和特点,1.系统工程的定义 钱学森：“系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、实验和使用的科学方法”，“系统工程是一门组织管理技术”。定义:系统工程是从系统的整体出发，按既定

12、的目标合理规划、设计、试验、建造实施、管理和控制系统，使其达到最优的工程技术。,1.2.1.2 系统工程的特点（1）系统工程与传统工程技术的主要区别 1)概念不同：“软件的工程”“工程的工程”2)对象不同：以“系统”为研究的对象 3)任务不同：整体最优化 4)方法不同：系统科学方法数学运筹学模型 实验 5)人员素质不同“”型人才,1.2.1 系统工程的定义和特点,1.2.1 系统工程的定义和特点,（2）系统工程的一般特点 1)研究思路的整体化 就是既把所要研究的对象看成是一个系统整体，又把研究对象的过程看成 是一个整体。2)应用方法的综合化 系统工程强调综合运用各个学科和各个技术领域内所获得的

13、成就和方法，使得各种方法相互配合，达到系统整体最优化。3)组织管理上的科学化、现代化,1.2.2 系统工程的发展与展望,1.2.2 系统工程的发展与展望,1.2.2 系统工程的发展与展望,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）、

14、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，随着全球一体化的发展，如何面对全球市场竞争，使企业立于不败之地，更要求我们用系统工程的方法研究市场，研究企业。,1.2.3系统科学体系,我国著名科学家钱学森提出了一个清晰的现代科学技术的体系结构，认为从应用实践到基础理论，现代科学技术可以分为四个层次：首先是工程技术这一层次，然后是直接为工程技术提供理论基础的技术科学这一层次，再就是基础科学这一层次，最后通过进一步综合、提炼达到最高概括的马克思主义哲学。如图所示。,1.2.3系

15、统科学体系,1.2.3系统科学体系,系统工程是把自然科学和社会科学的某些思想、理论、方法、策略和手段等根据总体协调的需要，有机地联系起来，把人们的生产、科研、经济和社会活动有效地组织起来，应用定量和定性分析相结合的方法和计算机等技术工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目的，以便最充分地发挥人力、物力和信息的潜力，通过各种组织管理技术，使局部和整体之间的关系协调配合，以实现系统的综合最优化。,第三节 系统工程方法论,1.3.1 系统工程的构思原则1.3.2 硬系统工程方法论1.3.3 软系统工程方法论（切克兰

16、德方法）1.3.4 系统方法论的发展,2,3,4,1.3.1 系统工程的构思原则（1）由粗到细原则（2）相互结合原则（3）定性分析与定量分析相结合原则（4）分解、协调和综合原则,1.3.1 系统工程的构思原则,1.3.2 硬系统工程方法论,霍尔三维结构,A.D.Hall,1969,知识维（K）,运筹学控制论社会科学工程技术,逻辑维（L）,规划阶段,设计阶段,分析阶段,运筹阶段,实施阶段,运行阶段,更新阶段,时间维(T),摆明问题,系统设计,方案综合,模型化,实施计划,决策,最优化,一、时间维 规划阶段 制定方案阶段开发研究阶段生产制造阶段安装实施阶段运行作业阶段改进更新阶段,1.3.2 硬系统

17、工程方法论,方案选择（最优化）发方案决定实施计划,二、逻辑维 讨论系统工程所需经历的每一个阶段中思考问题、解决问题的思维程序。明确问题 系统指标设计系统方案综合系统分析,三、知识维 知识维就是为完成上述各阶段、各步骤所需要的知识和各种专业技术。,1.3.2 硬系统工程方法论,1.3.3 软系统工程方法论（切克兰德方法）,两种方法论的比较,霍尔三维结构与切克兰德方法论均为系统工程方法论，均以问题为起点，均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)霍尔三维结构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

18、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,1.3.4 系统方法论的发展,在中国科学家钱学森、许国志及美国华裔专家李耀滋等人的工作基础上，中国系统工程专家顾基发和英国华裔专家朱志昌于90年代中期提出了物理事理人理(WSR)系统方法论。物理主要涉及物质运动的机理，通常要用到自然科学知识，主要回答这个“物”是什么，它需要的是真实性；事理是做事的道理，主要解决如何去安排这些事物，通常用到管理科学方面的知识，主要回答怎样去做；,人理是做人的道理，处理任何事和物都离不开人支做，以及由人来判断这些事和物是否得当，通常要用到人文社会

19、科学的知识，主要回答应当如何。WSR作为一个统一的工作过程，可由理解领导意图、调查分析、形成目标、建立模型、协调关系、提出建议等六个步骤来构成。在应用WSR方法论时通常还需要遵循参与、综合集成、人机结合且以人为主、迭代和学习等主要原则。该方法论已在水资源管理、商业标准体系制定、商业综合自动化评价、海军武器系统评价、新疆地区可持续发展、高技术开发区评价、飞行器安全性、劳动力市场评估、科研周转金评价等系统分析问题中得到应用。,1.3.4 系统方法论的发展,WSR 系统方法论,第四节 系统工程应用案例-都江堰,岷江，是长江所有支流中流量最大的一条江。大流量从数百公里崇山峻岭之中奔腾而下，简直就是一头

20、巨兽，从海拔数千米的山地，在今都江堰地区进入海拔只有几百米的成都平原，后果不堪设想，却被都江堰轻轻收拾，切割成两条江，其中一条通过宝瓶口乖乖的进入成都。,灌县,都江堰修建前灌县一带,岷,江,都江堰水利工程在四川省岷江中游，它是由渠首和渠道两大部分组成，渠首工程包括都江鱼嘴、飞沙堰和宝瓶口三部分，都江鱼嘴是建在岷江中流的分水建筑工程，它把岷江一分为二，东边的叫内江，供灌溉渠用水；两边的的叫外江，是岷江正流，内江水通过宝瓶中流入密如蛛网的渠道系统。都江堰水利工程是一个以灌溉为主兼有防洪、运输功效的综合水利工程。它的建成既解除了岷江泛滥之灾，又便利了航运，并灌溉农田300万亩，使成都平原成为“水旱从人，不知饥馑”、旱涝保收的“天府之国”。它可谓是中国水利史上的颗明珠。李冰也由此得到了人民的尊敬，有诗称赞李冰的功绩胜过大禹：“始知李太守，伯禹亦不如”。,内江,外江,宝瓶口,离堆,飞沙堰,都江堰由分水堤、宝瓶口和飞沙堰三部分组成。外江是正流，可排洪通航；内江供灌溉，江水通过宝瓶口流入成都平原。当内江水流过大时，江水漫过飞沙堰，流入外江。都江堰能灌溉农田300万亩。,都江堰水系图谱,堰：挡水堤坝,“我以为，中国历史上最激动人心的工程不是长城，而是 都江堰。”,水利工程,水利工程都江堰灌溉成都平原,將岷江分為內外的都江魚嘴,活動調節水堤,谢谢大家！,