第一章系統工程概述第一節：系統工程的產生、發展及應用第二節：系統工程的研究對象第三節：系統工程的概念與特點第一章系統工程概述一、系統思想及系統理論的產生與發展

系統思想的發展經歷了三個階段，即：“只見森林”（樸素的系統思想）階段—“只見樹木”階段—“先見森林，后見樹木”（科學的系統思想）階段。古代中國和古希臘在系統思想的產生與早期發展中具有突出地位和貢獻。

第一節系統工程的產生、發展及應用系統思想的回顧整體思想和聯系思想是科學系統思想的核心與實質。二、系統工程的理論的形成與發展系統理論包括：1、老三論（形成于二十世紀四十年代）：

一般系統論、控制論和信息論。2、新三論（形成于二十世紀七十年代）：

耗散結構理論、協同論和突變論。

2、一般系統論的基本觀點系統的整體性系統的開放性系統的動態相關性系統的多級遞階性系統的有序性一）控制論（Cybernatics）控制論是用數學工具研究控制機構或控制系統運行一般規律的科學．

1、控制論的產生與發展1947年由美國人維納（NorbertWiener）創立的控制論（Cybernetics）是一門研究系統的控制的學科。維納于1948年出版了《控制論》一書，他對控制論的定義是：“關于動物和機器中控制和通信的科學。”

控制論的發展已大致經歷了三個時期。從20世紀40年代末到50年代是第一個時期，即經典控制理論時期。在這一時期，主要的研究對象是單因素控制系統，即單輸入單輸出的自動調節系統，重點是反饋控制，借以實現的工具是各種各樣的自動調節器、伺服機構及其有關的電子設備，著重解決單機自動化和局部自動化問題。控制論發展的第二個時期為60年代，即現代控制理論時期。這一時期，控制論的主要研究對象就成了多因素控制系統，研究重點是“最優控制”，研究借助的工具是電子計算機。以火箭運載的衛星、飛船、導彈等的飛行為例:火箭的質量特性要用變質量力學來描述；控制是在遠距離上實現的；火箭的距離、速度、加速度、飛行姿態、多級工作程序等參數都需要控制,因而是一種多輸入多輸出的多路控制；控制要求高度精確；地面系統復雜而龐大,控制問題復雜。一般認為,現代控制理論的奠基者是匈牙利出生的美國人卡爾曼。

進入70年代以后，是大系統控制理論時期。在這一時期，主要研究對象是因素眾多的大系統，重點是大系統多級遞階控制，借助的工具是電子計算機聯機和智能機器，應用領域主要為社會系統、經濟系統、生態系統、管理系統、環境系統等。

2、控制系統控制系統由施控器、受控器和控制作用的傳遞者三者組成，形成一個整體的控制功能和行為，但這又是相對于某種環境而言。因而可以把施控器、受控器和控制作用的傳遞者三個部分所組成的、相對于某種環境而具有控制功能與行為的系統，稱為控制系統。3、控制論對系統工程方法論的啟示

黑箱—灰箱—白箱法功能模擬法（如：蠅眼照相機）

形式化、數量化、最優化方法

舉例：恒溫箱下圖是恒溫箱的人工控制系統的結構圖。要求恒溫箱中的溫度保持恒定。為了測量恒溫箱中的溫度，安裝一個溫度計來指示恒溫箱中的溫度，這個溫度就是系統的輸出量，或稱被控制量。操作者始終觀察溫度計的溫度，當小于恒溫箱給定時，就增大加熱裝置的電流；相反當大于恒溫箱給定時，就減小電流。這樣恒溫箱就能保持給定的溫度。人在這個系統中有以下的作用： 1．觀察恒溫箱中溫度。

2．比較恒溫箱中溫度與給定溫度的差值。

3．調節加熱電流的大小。人工控制系統結構圖了解了人工控制系統的原理，我們只要用一些設備模仿和代替人的智能，就可以把它變成自動控制系統。首先用熱電偶來代替溫度計來測量溫度的值，然后用比較放大電路代替人對溫度的比較，用電機代替人手來轉動恒溫箱的電流調節裝置。只要放大電路的極性和電機的轉動方向合理選擇，就可以完成自動控制恒溫箱溫度的工作。自動控制系統的結構圖下圖所示。自動控制系統結構圖二）信息論（informatics）1、信息論的基本思想信息論是一門研究信息傳輸和信息處理一般規律的學科。信息論起源于通訊理論，是美國科學家申農（Shannon）在1948年創立的。信息論的基本思想和方法完全撇開了物質、能量等各種具體客觀形態，而把任何通訊和控制系統都看作是一個信息的傳輸和加工處理系統，把系統有目的運動抽象為信息變換過程，通過系統內部的信息交流使系統維持正常的有目的的運動。所有系統，在信息論的框架中，是一個進行信息變換和信息處理的機構。人們根據不同的研究內容，把信息論分成三種不同的類型。

狹義信息論：即申農信息論。主要研究消息的信息量、信道（傳輸消息的通道）容量以及消息的編碼問題。

一般信息論：主要研究通訊問題，但還包括噪聲理論、信號濾波與預測、調制、信息處理等問題。

廣義信息論：不僅包括前兩項的研究內容，而且包括所有與信息有關的領域。四）耗散結構理論、協同學、突變論原理等新的系統理論及其啟示耗散結構理論(dissipativestructuretheory)1969；比利時統計物理學家I.普利高津

研究遠離平衡態的開放系統從無序到有序的演化規律的一種理論協同學(synergetics)70年代初，聯邦德國理論物理學家H.哈肯

研究協同系統從無序到有序的演化規律的新興綜合性學科突變論(catastrophetheory)60年代末，法國數學家R.托姆

研究不連續現象的一個新興數學分支，也是一般形態學的一種理論，能為自然界中形態的發生和演化提供數學模型.五）運籌學

運籌學是用數學方法研究系統最優化問題的學科，運籌學著重于發揮現有系統的效能，通過建立系統的數學模型，求出合理運用人力、物力和財力的最優方案。

應用運籌學處理問題的一般步驟：

運籌學與系統工程運籌學和系統工程可以看作是屬于一個領域中的兩個姐妹學科，都是系統思想方法定量化的實際應用研究。運籌學發展成為一個專門的數學分支，由數學家進行專門研究，并為系統工程提供最重要的方法和理論基礎。運籌學的目的：增加現有系統效率的分析工作，通常涉及現已存在系統的運營情況，如工廠、市場等系統；以專業技術為導向，分析程序由下而上（戰術）系統工程：對若干可供選擇的執行特定任務的系統方案進行選擇比較；以問題狀況為導向，分析程序由上而下（戰略）三、系統工程的發展概況階段年代（份）重大工程實踐或事件重要理論與方法貢獻I1930美國發展與研究廣播電視正式提出系統方法（Systemsapproach）的概念1940美國實施彩電開發計劃采用系統方法，并取得巨大成功美國Bell電話公司開發微波通訊系統正式使用系統工程（SystemsEngineering）一詞II第二次世界大戰期間英、美等國的反空襲等軍事行動產生軍事運籌學（MilitaryOperationsResearch）,也即軍事系統工程本世紀40年代美國研制原子彈的“曼哈頓計劃”運用SE，并推動了其發展1945美國空軍建立蘭德（RAND）公司曾經提出系統分析（Systemsanalysis）概念，強調了其重要性III40年代后期到50年代初期運籌學的廣泛運用與發展、控制論的創立與應用、電子計算機的出現，為SE奠定了重要的學科基礎IV1957H.Good和R.E.Machol發表第一部名為《系統工程》的著作系統工程學科形成的標志1958美國研制北極星導彈潛艇提出PERT（網絡優化技術），這是最早的系統工程技術之一。1965R.E.Machol編著《系統工程手冊》表明系統工程的實用化和規范化美國自動控制學家L.A.Zedeh提出“模糊集合”概念為現代SE奠定了重要的數學基礎1961-1972美國實施“阿波羅”登月計劃使用了多種SE方法，其成功極大地提高了SE的地位IV1957H.Good和R.E.Machol發表第一部名為《系統工程》的著作系統工程學科形成的標志1958美國研制北極星導彈潛艇提出PERT（網絡優化技術），這是最早的系統工程技術之一。1965R.E.Machol編著《系統工程手冊》表明系統工程的實用化和規范化美國自動控制學家L.A.Zedeh提出“模糊集合”概念為現代SE奠定了重要的數學基礎1961-1972美國實施“阿波羅”登月計劃使用了多種SE方法，其成功極大地提高了SE的地位V1972國際應用系統分析研究所（IIASA）在維也納成立SE的應用開始從工程領域進入到社會經濟領域，并發展到了一個重要的新階段。70年代SE的廣泛應用在國際上達到高潮VI80年代SE在國際上穩定發展、在中國的研究與應用達到高潮四、系統工程在中國的發展及應用

上世紀50至60年代，我國的一些研究機構和著名學者為SE的研究與應用作了理論上的探討、應用上的償試和技術方法上的準備。其主要標志和集中代表是錢學森的《工程控制論》、華羅庚的《統籌法》和許國志的《運籌學》。我國大規模地研究與應用SE是從70年代末、80年代初開始的。

1978年9月27日，錢學森、許國志、王壽云在《文匯報》發表題為“組織管理的技術——系統工程”的長篇文章；從1978年起，西安交大、天津大學、清華大學、華中理工大學、大連理工大學等國內著名大學開始招收了第一批SE專業碩士研究生；1980年11月，中國系統工程學會在北京成立；1980年10月至1981年1月，中國科協、中央電視臺會同中國系統工程學會、中國自動化學會聯合舉辦“系統工程電視普及講座（45講）”，取得了良好的社會效果。

70年代末以來，應用SE理論和方法來研究與解決我國的重大現實問題，在許多領域和方面取得了較好的效果，如：人口問題的定量研究及應用（始于1978年）、2000年中國的研究(1983至1985年）、全國和地區能源規劃（始于1980年）、全國人才和教育規劃（始于1983年）、農業系統工程（始于1980年）、區域發展戰略（始于1982年）、投入產出表的應用（始于60年代和1976年）、軍事系統工程（始于1978年）、水資源的開發利用（始于1978年）等。90年代以來，系統工程在與企業發展結合、與現代信息技術結合、與實施可持續發展戰略結合、與思維科學結合等方面已具有初步結果和強勁勢頭。第一章:系統工程概述第二節系統工程的研究對象一.系統的概念

1.系統的定義：系統是由兩個以上相互聯系的要素所構成，且具有特定功能、結構、環境的整體。

S1

S2

S4

S3

系統輸入

系統輸出

S1，S2，S3，S4——系統部件

系統結構

系統周界

系統環境

系統的基本概念圖

原材料

生產車間

辦公室

成品庫

商品銷售系統

社會供應系統

物質流

信息流

指令流

工廠生產系統

成品輸出

原材料等輸入

外界社會系統環境

2.系統的屬性：整體性–如：拿破侖的系統思想–三個和尚沒水吃(1+1＜2)–三個臭皮匠，勝過諸葛亮(1+1＞2)–

田忌賽馬關聯性–要素之間存在復雜的相互關系，要素之間的聯系不是簡單的疊加，而是以一定的組織形式結合。–系統結構決定系統工程環境適應性–系統不能脫離環境而存在；–系統要適應環境，并可以對環境產生影響。集合性–系統是由若干可以相互區別的要素組成，這些要素可以是實體也可以是非實體。–制造系統={工作機，操作者，工具，圖紙...};–工廠={設備，原材料，經營，人員...}.目的性–目的性是系統設計的出發點，它決定了系統的基本功能；–系統的目的是通過實現一系列的目標來實現的。這些目標有時可能是矛盾的，但要在整體上達到協調；–系統的目標是通過一系列功能來實現的，而功能是通過同時或順次完成一系列任務來達到的。–如：建造房屋層次性–系統要素作為一個整體有一定的層次結構；–人類社會系統：階級，管理的層次等。–如：教育系統下面，我們來看一個實例：城市交通綜合系統

城市交通綜合系統是一個龐大的動態系統，它本身的狀態是隨時間變化而變化的。其結構如下圖所示：

城市交通綜合系統

交通環境條件

道路交通條件路段交通系統路口交通系統交通設施系統行人交通系統公共交通系統交通管理系統公共場所分布居民住宅分布公交站點分布停車場分布企事業單位分布第三產業網點分布二.SE的研究對象是大規模復雜系統

該類系統的主要特點有：規模龐大、結構復雜、屬性及目標多樣、一般為人-機系統、經濟性突出等。

三.系統的類型自然系統與人造系統實體系統與概念系統動態系統與靜態系統封閉系統與開放系統主要明確SE研究什么樣的系統問題管理系統問題舉例國家政策市場研究技術經濟預測競爭狀況企業能力資金來源資源條件社會需求生產可能生產組織與控制物、財、人、信息生產控制庫存控制質量控制成本控制資金回收產品銷售服務調查經營目標產品開發經營計劃生產技術準備技術文件勞動力勞動手段勞動對象環境分析經營決策與計劃投入轉換產出圖1—1工業企業生產經營活動過程示意圖

人、財、物、信息構成的整體系統投入—產出系統開放系統具有自適應能力的動態系統1978年我國著名學者錢學森指出：“系統工程是組織管理系統的規劃、研究、設計、制造、試驗和使用的科學方法，是一種對所有系統都具有普遍意義的方法”。系統工程是一門組織管理的技術。錢學森第三節系統工程的概念與特點一.系統工程的概念1977年日本學者三浦武雄指出:"系統工程與其他工程學不同之點在于它是跨越許多學科的科學，而且是填補這些學科邊界空白的一種邊緣學科。因為系統工程的目的是研制一個系統，而系統不僅涉及到工程學的領域，還涉及社會、經濟和政治等領域，所以為了適當地解決這些領域的問題，除了需要某些縱向技術以外，還要有一種技術從橫的方向把它們組織起來，這種橫向技術就是系統工程"。三浦武雄一.系統工程的概念

1975年美國科學技術辭典的論述為:"系統工程是研究復雜系統設計的科學，該系統由許多密切聯系的元素所組成。設計該復雜系統時，應有明確的預定功能及目標，并協調各個元素之間及元素和整體之間的有機聯系，以使系統能從總體上達到最優目標。在設計系統時，要同時考慮到參與系統活動的人的因素及其作用。"美國科學技術詞典一.系統工程的概念第三節系統工程的概念與特點一.系統工程的概念

□系統工程是從總體出發，合理開發、運行和革新一個大規模復雜系統所需思想、理論、方法論、方法與技術的總稱，屬于一門綜合性的工程技術。□它是按照問題導向的原則，根據總體協調的需要，把自然科學、社會科學、數學、管理學、工程技術等領域的相關思想、理論和方法等有機綜合起來，應用定量分析和定性分析相結合的基本方法，采用現代信息技術等手段，對系統的功能配置、構成要素、組織結構、環境影響、信息交換、反饋控制、行為特點等進行系統分析，最終達到使系統合理開發、科學管理、持續改進、協調發展的目的。

(1)以大規模復雜系統為研究對象，研究對象廣泛。(2)系統工程常采用定性分析和定量計算相結合的方法。(3)系統工程是一門跨學科的邊緣學科，屬于工程技術。三特點第三節系統工程的概念與特點

第三節SE的內容與特點

SE，是用來開發、運行、革新一個大規模復雜系統所需思想、程序、方法的總和（或總稱）。

SE強調以下基本觀點：

(1)整體性和系統化觀點（前提）(2)總體最優或平衡協調觀點（目的）(3)多種方法綜合運用的觀點（手段）(4)問題導向及反饋控制觀點（保障）系統工程案例丁渭修宮都江堰水利工程阿斯旺(Aswan)大壩阿波羅登月計劃?北宋末年皇城失火，一夜之間皇城變成斷壁殘垣；?皇帝詔令大臣丁渭組織民工限期修復燒毀的宮殿。?背景資料：–北宋：公元960～1127年；–皇宮位于河南開封，近汴河。丁渭修宮當時，使丁渭頭痛的三個主要問題是：1.京城內燒磚無土，2.大量建筑材料很難運進城內，3.清墟時無處堆放大量的建筑垃圾。如何在規定時間內按圣旨完成皇宮修復任務，做到又快又好呢？丁渭經過反復思考，終于想出了一個巧妙的施工方案，不但提前完成了這項修筑工程，而且“省費以億萬計”——節省了大量金銀。

丁渭修宮丁渭修宮一舉三得背景：岷江是長江上游的一條較大的支流，發源于四川北部高山地區。每年春夏季節山洪暴發，江水奔騰而下，從灌縣進入成都平原，由于河道狹窄，古時常常引起洪災。洪水一退，又是沙石千里。灌縣岷江東岸的玉壘山又阻礙江水東流，造成東旱西澇，東部地區土地干裂，民不聊生。秦昭襄王五十一年(公元前256年)，李冰任蜀郡太守(太守相當于現在的專員或大于專員，小于省長)，他為民造福，主持修建了著名的都江堰水利工程，排除洪災之患。都江堰工程岷江內江外江都江堰市都江堰工程世界上的諸多水利工程水利工程作為一項重大的系統工程，并非只是簡簡單單的主體工程建設的問題，要考慮到周邊的生態環境、地形等眾多因素，因此，人們對此都抱著非常謹慎的態度。 興建一個良好的水利工程將是一項功在當代、利在千秋的大事情，以都江堰為例，兩千多年來，它促進了整個成都平原生態環境的協調發展和社會經濟效益的提高。與此相反，世界上不乏有很多工程完工之后卻帶來了很多意想不到的災難。20世紀30年代，美國人建造了巨大的胡佛水壩和米德湖水庫，然而水庫建成后三年間，這個歷史上從沒有地震記錄的地區發生了數百次小地震。20世紀60年代初，印度人為向孟買及其周邊地區提供充足的水源，修建了弋伊納水庫，但建成一年后，水庫儲水的重量導致下面的巖層內應力升高，地震便開始在這個歷史上無地震的區域頻繁發生，并于1967年12月10日，造成177人死亡、2300余人受傷的慘劇。20世紀70年代初，埃及的阿斯旺水壩竣工，雖然這座水壩給埃及人帶來了廉價的電力，控制了水旱災害，灌溉了農田，但是也帶來諸多環境和生態問題。1997年，美國緬因州的Edwards壩在工作了162年后被反對者說服當局拆除，原因是大壩破壞了大西洋鮭魚、條紋石酯和鱘魚的生存環境。阿斯旺(Aswan)大壩?背景:大壩興建于20世紀50年代，埃及人口增長很快，年增長率達到百分之三，可利用的自然資源卻非常有限。?埃及政府希望通過修建尼羅河高壩，開發新的資源以推動經濟發展。?當時的埃及政府和水利專家們認為，修建尼羅河高壩是一箭數雕的高明之舉：–即可控制河水泛濫，又能儲水、以便在枯水季節灌溉；–可以大幅度擴大可灌溉的耕地面積，以適應增長的人口；–產生巨大的發電能力，為工業化提供充裕而廉價的能源；–修造大壩所形成的巨大水庫及對下游水位的調節，可以發展淡水養殖及內河航運。大壩建設過程?1960年破土動工，五年后大壩合龍，1967年大壩工程正式完工。?阿斯旺大壩是當時世界上最大的高壩工程。它高112米、長5公里，將尼羅河攔腰切斷，在高壩內形成了一個長650公里、寬25公里的巨大水庫—納賽爾湖。?1970年，大壩內安裝的十二部水利發電機組全部投入運轉。大壩建成后的效益?調節了下游流量，防止了洪水泛濫；?利用蓄積的水量擴大了灌溉面積，近100萬公頃的沙漠得以被開墾成可耕地；?大壩電站每年發電80億千瓦時，解決了埃及的能源短缺問題；?可以說，當時埃及政府修建阿斯旺大壩的預期目標，全部實現了。大壩對生態和環境的破壞?大壩工程造成了沿河流域可耕地的土質肥力持續下降,沿尼羅河兩岸出現了土壤鹽堿化。–由于河水不再泛濫，不再有雨季的大量河水帶走土壤中的鹽分，而不斷的灌溉又使地下水位上升，把深層土壤內的鹽分帶到地表，再加上灌溉水中的鹽分和各種化學殘留物的高含量，導致了土壤鹽堿化。?庫區水質惡化，附近居民的健康受到危害。–庫區水的大量蒸發是水質變化的一個重要原因；–土地肥力下降迫使農民不得不大量使用化肥，化肥的殘留部分隨灌溉水又回流尼羅河。大壩對生態和環境的破壞(續)?河水性質的改變使水生植物及藻類到處蔓延，不僅蒸發掉大量河水，還堵塞河道灌渠。–每年由于水生雜草的蒸騰損失的水量就達到可灌溉用水的百分之四十。?尼羅河下游的河床遭受嚴重侵蝕，尼羅河出海口處海岸線內退。–大壩建成后的十二年中，從阿斯旺到開羅，河床每年平均被侵蝕掉2厘米；–一位原埃及士兵說，他曾站過崗的燈塔現在已陷入海中，距離目前的海岸竟然有一到二公里之遙。大壩利弊的綜合評估?阿斯旺大壩建成后陸續出現的生態和環境問題–有些是設計時預料到、但無法避免或無力解決的；–有些是有所預料、但對其后果的嚴重性估計不足的；–還有些問題是完全沒有預料到的。?直到今天，人們仍然認為，要精確地預測大壩對生態和環境的影響還是相當困難的。?目前很多國家的公眾輿論和學者專家們往往對超大型水利設施的建設持反對或謹慎的態度。阿波羅登月計劃:系統工程發展的里程碑目標：在10年內將人送上月球，并使其安全地返回地球經費：250億美元1969年7月，阿波羅飛船登上月球，標志著系統工程及其在裝備研制中應用的日趨成熟。61“阿波羅”登月計劃阿波羅計劃順利實施，是現代系統科學研究的成功典范。此項工程組織了2萬多個公司、120多所大學，動用了42萬人參加，投入了300億美元的巨資，用了近10年的時間，終于實現了人類征服地球引力，遨游太空，登上月球探險的夢想。整體阿波羅登月計劃之所以能如期完成，關鍵在于運用系統方法進行有效的組織管理。阿波羅登月中的創建性工作:方案的開發和選擇詳盡而明確的研制規劃制定總體性能指標的控制解決系統內部接口問題系統分析與管理的新方法63方案開發和選擇64登月方案幾十個篩選比較直接登月地球軌道交會月球軌道交會月球軌道交會方案論證計算詳盡而明確的研制規劃65系統總目標

功能分析工作分解結構月球軌道交會方案具體化技術目標技術活動詳細規劃66

20次飛行試驗四大系統運載火箭系統載人飛船系統跟蹤和數據系統發射和飛行指揮系統六項輔助計劃水星計劃雙子星座計劃飛馬座計劃徘徊者計劃勘察者計劃月球軌道環行器水星號 阿波羅飛船的登月成功，還證實了系統科學一個重要的命題——“綜合即創造”。負責阿波羅計劃實施的總指揮韋伯先生說過：“阿波羅計劃中沒有一項新發明的自然科學理論和技術，全部工作都是現有技術的運用。關鍵在于綜合。” 系統工程的一個重要任務，就是綜合運用現代科學技術各個領域的學術成果，如