系統工程的資料第1頁/共159頁2課程性質經濟與管理學科的必修課專業基礎課第2頁/共159頁3考核方式筆試閉卷平時成績30%（出勤，案例分析情況，課堂表現）期末考試70%希望大家都能得到好成績第3頁/共159頁4教材系統工程理論、方法與應用（第二版）（原）汪應洛主編高等教育出版社系統工程簡明教程（第三版）（新）汪應洛主編高等教育出版社第4頁/共159頁5主要參考書錢學森.論系統工程:

新世紀版.上海:

上海交通大學出版社,

2007陳宏民.系統工程導論.北京：高等教育出版社.2006.4汪應洛.系統工程(第4版).

北京:機械工業出版社.2006

喻湘存.系統工程教程.北京：清華大學出版社，2006塞奇.系統工程導論.陜西：西安交通大學出版社，2006趙杰.管理系統工程.北京：科學出版社，2006梁迪,董海.系統工程.北京：機械工業出版社.2005.6第5頁/共159頁6引例：華羅庚先生泡茶“想泡壺茶喝。當時的情況是：開水沒有，開水壺要洗，茶壺茶杯要洗，火已生了，茶葉也有了，怎么辦?”第6頁/共159頁7一、問題描述目的-解渴條件其他要求-一個茶壺、一包好茶葉、一個燃著的火爐和可用的涼水水源-以最節約資源的方式實現目標研究任務-為解決喝茶問題設計一個行動計劃系統(設計一個解決泡茶問題的行動計劃)目標-喝到一碗清新的熱茶第7頁/共159頁8二、問題分析1資源需求2目標要求3

系統工程研究任務界定設計一個解決泡茶問題的行動計劃，要求合理安排各道工序，最大限度節約時間。第8頁/共159頁9三、定性策劃幾個備選方案根據日常經驗，對以上泡茶問題可以有以下三種解法：甲：⑴洗凈水壺；⑵灌上涼水；⑶壺放在火上；⑷等水開；⑸水開后，以最快的速度洗茶杯，找茶葉；⑹泡茶，待茶泡好；⑺喝茶。乙：⑴洗凈水壺；⑵洗茶杯；⑶找好茶葉；⑷灌涼水；⑸壺放火上；⑹等水開；⑺水開后，用準備好的茶杯、茶葉泡茶；⑻等待茶泡好；⑼喝茶。丙：⑴洗凈水壺；⑵灌涼水；⑶壺放火上；⑷洗茶杯；⑸拿茶葉；⑹水開之前，可干一些其它事；⑺水開，泡茶；⑻喝茶。第9頁/共159頁10四、方案分析與比較(系統分析)1.列出泡茶所需的全部工序2.確定每道工序所需的時間3.確定各道工序之間的時間連接關系4.分析計算每種方案所需的總時間5.做出比較結論第10頁/共159頁11工序列表序號名稱緊前工序工序時間(分)1洗壺無12灌水10.53放壺20.34等水開3155洗杯無16找茶葉無17泡茶3，5，62.28喝茶7第11頁/共159頁12泡茶系統工程備選方案工序圖洗壺灌水放壺洗杯泡茶拿茶葉等水開115110.30.5喝茶2.20.3丙：洗壺洗杯找茶葉灌水等水開放壺泡茶1150.30.511喝茶2.2乙：洗壺灌水放壺等水開泡茶洗杯，找茶葉喝茶12.22150.30.5甲：圖1泡茶系統工程備選方案工序圖第12頁/共159頁13方案分析甲方案總時間=1+0.5+0.3+15+2+2.2=21乙方案總時間=1+1+1+0.5+0.3+15+2.2=21丙方案總時間=1+0.5+(0.3+15)+2.2=19分析結果：丙方案最節約時間。方案建議：丙第13頁/共159頁14泡茶工程經驗總結幾大步驟：確定問題目標分析需求分析方案策劃系統分析（統計、計算、比較）決策建議方案實施系統原理：最優化、并行統籌、工序圖法第14頁/共159頁15系統工程的應用舉例三峽水利工程是我國建國以來最大的工程項目，它的論證、組織、實施與管理可以說就是一個龐大的系統工程問題，這項工程涉及到了國家及地方的眾多部門，如水利、電力、能源、文物、生態、移民等等，涉及到幾個省的上百個縣市，同時實施過程要由眾多單位共同努力，時間橫跨將近20年，如此的工程必然需要一種統觀全局的系統方法來對待，系統工程可以說是最為有效的一種組織方法。第15頁/共159頁16系統工程的應用舉例對于我們今天生活中所關心的各種社會經濟問題，如經濟改革、價格問題、體制改革及各種政策的出臺都是要經過充分的系統的論證，這些都與系統工程有關。例如：糧食價格的調整：影響肉、菜、生活用品等等，從而影響整個社會的物價。燃料能源價格：影響原材料、產品及整個物價銀行利率：影響消費與積累，反應了國家的經濟政策外匯牌價：主要用于調節進出口政策，同時反應了一個國家的經濟實力第16頁/共159頁17系統工程的應用舉例將來在我們的實際工作中，我們會遇到許許多多的系統工程問題，比如：企業的長遠規劃：綜合考慮企業發展、實力、原材料、能源、技術、市場、國家政策等。新產品開發：考慮市場、企業開發技術與實力、銷售網絡、經濟條件等區域規劃：考慮區域特征、交通、歷史、地理等大項目管理：經過立項、論證、實施、…第17頁/共159頁18課程學習的目的和要求理解和掌握系統工程理論與方法應用系統工程思想、理論和方法解決實際問題第18頁/共159頁19課程主要內容第一章系統與系統工程第二章系統工程方法論第三章結構化模型技術第四章分析模型第五章系統仿真第六章系統評價第七章綜合案例分析第19頁/共159頁20第一章系統與系統工程第一節系統的基本概念第二節系統工程的基本概念第三節系統工程的發展歷史與趨勢第四節系統工程的理論基礎第20頁/共159頁21系統工程是以系統為研究對象的工程技術，它涉及到“系統”與“工程”兩個側面所謂系統，即是由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合而成的具有特定功能的有機整體。如計算機系統、企業管理系統等系統工程學中的“工程”概念，是指不僅包含“硬件”的設計與制造，而且還包含與設計和制造“硬件”緊密相關的“軟件”，諸如預測、規劃、決策、評價等社會經濟活動過程，故稱它為“軟工程”，它擴充了傳統“工程”概念的含義。兩方面有機地結合在一起，即為系統工程。第21頁/共159頁22第一節系統的基本概念1、系統的定義2、系統的特征3、系統的結構4、系統的形態5、系統的分類依據和類型第22頁/共159頁231、系統的定義“系統”一詞最早出現在古希臘哲學家德謨克利特所著《世界大系統》。系統(system):系統是由相互聯系、相互作用的要素（部分）組成的具有一定結構和功能的有機整體。第23頁/共159頁242.1系統的特征（1）系統的整體性（2）相關性（3）系統的目的性（4）有序性（5）環境適應性（6）動態性反映系統的功能，確定系統和環境的邊界確定系統的組成要素反映要素之間的關系明確了系統與環境之間的關系反映了系統的變化趨勢反映了系統的結構形態系統特性之間的關系？第24頁/共159頁25

（1）整體性系統是由相互依賴的若干部分組成，各部分之間存在著有機的聯系，構成一個綜合的整體，以實現一定的功能。這表現為系統具有集合性，即構成系統的各個部分可以具有不同的功能，但要實現系統的整體功能。系統不是各部分的簡單組合，而要有統一性和整體性，因此，要充分注意各組成部分或各層次的協調和連接，提高系統的有序性和整體的運行效果，保證1＋1>2的效果。第25頁/共159頁26（2）相關性

系統中相互關聯的部分或部件形成“部件集”，“集”中各部分的特性和行為相互聯系、相互依賴、相互制約和相互作用，這種相關性確定了系統的性質和形態。第26頁/共159頁27（3）目的性大多數系統的活動或行為可以完成一定的功能，但不一定所有系統都有目的，例如太陽系或某些生物系統。人造系統或復合系統都是根據系統的目的來設定其功能的，這類系統也是系統工程研究的主要對象。第27頁/共159頁28（4）環境適應性

一個系統和包圍該系統的環境之間通常都有物質、能量和信息的交換，外界環境的變化會引起系統特性的改變，相應地引起系統內各部分相互關系和功能的變化。為了保持和恢復系統原有特性，系統必須具有對環境的適應能力，例如反饋系統、自適應系統和自學習系統等。第28頁/共159頁29（5）動態性物質和運動是密不可分的，各種物質的特性、形態、結構、功能及其規律性，都是通過運動表現出來的，要認識物質首先要研究物質的運動，系統的動態性使其具有生命周期。開放系統與外界環境有物質、能量和信息的交換，系統內部結構也可以隨時間變化。一般來講，系統的發展是一個有方向性的動態過程。第29頁/共159頁30（6）有序性由于系統的結構、功能和層次的動態演變有某種方向性，因而使系統具有有序性的特點。一般系統論的一個重要成果是把生物和生命現象的有序性和目的性同系統的結構穩定性聯系起來，也就是說，有序能使系統趨于穩定，有目的才能使系統走向期望的穩定系統結構。第30頁/共159頁31案例客戶管理系統的開發分析途徑：（1）系統目的性（2）整體性（3）相關性第31頁/共159頁32（1）系統的目的性確定客戶的類型,便于采取針對性的措施確定客戶流失的特點與特征確定價格套餐的作用效果明確企業廣告促銷的效果第32頁/共159頁33（2）系統整體性市場分析部分系統開發與設計部分設備與軟件支持部分人員部分等第33頁/共159頁34（3）系統相關性因素：消費情況和特征指標系統開發平臺和開發語言現有的設備水平現有的理論和技術水平開發團隊的整體狀況等第34頁/共159頁35系統結構數據準備開發分析結論第35頁/共159頁362.2系統的劃分和邊界（1）系統劃分劃分：多個小系統劃分作用：為了研究問題劃分的形式：確定哪一些因素應劃歸那個子系統，可根據研究狀況和現有條件進行第36頁/共159頁37（2）系統的邊界系統具有有限的邊界邊界劃分的作用：有助于解決問題邊界劃分：確定哪一些因素應劃歸系統，人為作用，根據研究狀況進行。第37頁/共159頁38（3）系統邊界劃分注意的幾個問題系統的目的性現有的技術、理論水平問題解決的時效性系統的表現程度第38頁/共159頁39邊界劃分例一住宅建設問題第39頁/共159頁40邊界劃分例二狐貍吃葡萄的故事13狐貍快跑！獵人來了滿載而歸2葡萄長的太高了！第40頁/共159頁413、系統結構概念系統結構是指系統的構成要素在時空連續區上的排列組合方式和相互作用方式。系統結構的普遍形式決定了系統的基本特征。目的性——作為構造系統結構的出發點集合性相關性階層性作為系統結構的主要內涵特性整體性環境適應性分別作為系統內、外部綜合協調的表征第41頁/共159頁42系統結構分析的目的：系統結構分析就是尋求構筑系統合理結構的規律和途徑。是指在對應系統總目標和環境因素的約束條件下，系統的組成要素集、要素間的相互關系集以及它們在階層分布上的最優結合，并使得系統有最優的或最滿意的輸出。第42頁/共159頁43系統結構分析的作用：通過明確一切和問題有關的要素同實現目標之間的關系，提供完整的資料，以便決策者選擇最合理的決策方案。第43頁/共159頁443.1系統結構分析的內容構成系統的要素集要素間的相互關系要素在系統中的排列方式系統的整體性第44頁/共159頁453.2系統的結構因果結構反饋結構S型結構多重結構第45頁/共159頁46(1)因果關系系統是由相互聯系、相互影響的元素組成。在系統動力學方法中，元素之間的聯系或關系可以概括為因果關系（CausalRelationship）。因果關系的相互作用，最終形成系統的功能和行為。因果關系分析是系統建模的基礎，也是對系統內部結構關系的一種定性描述。第46頁/共159頁47因果關系的描述通因果關系表示：A→B，變量A表示原因，變量B表示結果。箭頭線標為因果鏈，表示A到B的作用。

一般地，當A變化時將引起B變化，假定ΔA>0，ΔB>0，分別表示變量A、B的改變量。第47頁/共159頁48正因果關系若滿足下列條件之一：

（1）A加到B中；

（2）A是B的乘積因子；

（3）A變到A±ΔA，有B變到B±ΔB，即A、B的變化方向相同則，A到B具有正因果關系，簡稱正關系，用“＋”號標在因果鏈上。

第48頁/共159頁49負因果關系若滿足下列條件之一：

（1）A從B中減去；

（2）1/A是B的乘積因子；

（3）A變到A±ΔA，有B變到B-+ΔB，即A、B的變化方向相反則，A到B具有負因果關系，簡稱負關系，用“－”號標在因果鏈上。第49頁/共159頁50(2)反饋結構系統中某個因素的變化，導致其他因素的變化，又引起自身的變化現象分為正反饋與負反饋，一般原則是：若反饋回路包含偶數個負的因果鏈，則其極性為正，叫正反饋回路；若反饋回路包含奇數個負的因果鏈，則其極性為負，叫負反饋回路。第50頁/共159頁51(3)S型結構

有正反饋和負反饋構成的系統用途很多第51頁/共159頁52(4)多重結構非常復雜的反饋耦合結構第52頁/共159頁53【例1】加拿大哈德遜灣野兔和山貓的生長情況分析山貓和野兔是捕食者與被捕食者關系第53頁/共159頁54【例2】中國消費問題分析因果關系結構第54頁/共159頁55消費分析結構：消費方程收入決定消費消費水平不可逆轉方程：第55頁/共159頁56消費分析結構：投資方程經濟發展越快，投資熱情高經濟增長速度快，投資額高存款利率越低第56頁/共159頁57消費分析結構：利率方程經濟發展越快，可能提高利率貨幣增加量大，可能降低利率利率連續變化第57頁/共159頁58消費分析結構：恒等式收入方程選擇方法解決第58頁/共159頁594、系統形態的分類、依據系統形態分類依據第59頁/共159頁60第60頁/共159頁61案例：自然和人造系統關系埃及阿斯旺水壩第61頁/共159頁62孤立系統、封閉系統與開放系統

孤立系統指的是系統與外界環境既不可能進行物質交換，也不可能進行信息、能量交換。換句話說，系統內部的物質和信息能量不能傳至外部，外界環境的物質和信息能量也不能傳至系統內部。封閉系統是指系統與外界環境之間可以進行信息、能量交換，但不能進行物質交換。環境僅僅為系統提供了一個邊界，不管外部環境有什么變化，封閉系統仍表現為其內部穩定的均衡特性。開放系統是指系統與外界環境有信息、物質和能量交互作用的系統。開放系統常是自調整或自適應的系統。第62頁/共159頁63

動態系統和靜態系統動態系統就是系統的狀態變量是隨時間不斷變化的，即系統的狀態變量是時間的函數。例如，學校就是一個動態系統，它不僅有建筑物，還有教師和學生。企業也是動態系統的一個典型例子靜態系統則是表征系統運行規律的數學模型中不含有時間因素，即模型中的變量不隨時間而變化，它是動態系統的一種極限狀態，即處于穩定的系統。例如大橋、公路、房屋等。第63頁/共159頁64實體系統與概念（抽象）系統所謂實體系統，是指以物理狀態的存在物作為組成要素的系統，這些實體占有一定空間，如自然界的礦物、生物，生產部門的機械設備、原始材料等。由于自然物都為實實在在的存在物，因此，實體系統亦稱為硬件系統與實體系統相對應的是概念系統，它是由概念、原理、假說、方法、計劃、制度、程序等非物質實體構成的系統，如管理系統、科學技術體系、教育系統、文化系統等。由于概念系統，對應著的多是人們對自然界的認識和假設，因此概念系統亦稱為軟件系統。第64頁/共159頁65示例

SSS物資流信息流

在實踐中，實體系統和概念系統往往是結合在一起的。實體系統是概念系統的基礎和服務對象，概念系統是為實體系統提供指導和服務，兩者是不可分的。第65頁/共159頁66普通系統、大系統、巨系統、簡單系統與復雜系統從系統的規模進行分類，系統有大小之分，可分為普通系統、大系統及巨系統；從系統的復雜程度來分，系統又可分為簡單系統與復雜系統。第66頁/共159頁67面向對象區分的各種系統形態物質系統、人類系統及方法步驟系統作業系統和管理系統社會經濟系統經營系統根據具體對象劃分的各種系統:工業系統、運輸系統、交通系統、通信系統、物資流通系統、金融系統、能源系統等以產業區分系統的形態，或按消費生活系統、醫療系統、軍事系統和教育系統等第67頁/共159頁68

企業的系統模型與管理

處理

反饋擾動輸入輸出幾個要素：環境與界限投入性質流量與流向轉化過程產出的形式第68頁/共159頁69

(1)企業發展角度：企業已經從單純的“生產型企業”轉變為“經營開發型企業”。企業管理的范圍已日益擴大，企業管理不僅要重視生產組織活動，而且要重視產品的銷售和市場動態研究，更要重視技術和企業人才的開發，把滿足市場和用戶需要、適應市場變化作為搞好企業管理的基本出發點。因此，“經營開發型企業”不僅要搞好企業的微觀控制和管理，還要對諸如企業今后的改造和發展等重大戰略問題進行宏觀的規劃和戰略決策。第69頁/共159頁70（2）從系統觀點角度：現代工業企業是一個組織化的復雜大系統，它由技術、生產、計劃、銷售、財務、會計、人事等子系統所組成，這些子系統存在著相互支持又相互制約的關系。（3）從行為科學角度：新的組織理論等的形成及其在企業管理中的應用，促進企業管理重視人的因素，重視各級管理組織的職、責、權、利的合理劃分和相互關系的協調。

第70頁/共159頁71第二節系統工程的基本概念1、系統工程的定義2、系統工程的特征3、系統工程的任務4、系統工程與工程技術等的區別與聯系5、系統工程的作用

第71頁/共159頁721、系統工程的定義1977年日本學者三浦武雄指:“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”。“系統工程是為了合理開發、設計和運用系統而采用的思想、程序、組織和方法的總稱。”（1971年日本寺野壽朗“系統工程學”）第72頁/共159頁73系統工程的定義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。”

“系統工程是為了研究由多數子系統構成的整體系統所具有的多種不同目標的相互協調，使系統的功能達到最優化，最大限度地發揮系統組成部分的能力而發展起來的一門科學。”（1977年美國恰斯諾特“系統工程方法”）第73頁/共159頁74“系統工程是一門研究復雜系統的設計、建立、試驗和運行的科學技術。”（1976年蘇聯大百科全書）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”。

第74頁/共159頁752、系統工程的特征（1）系統工程的應用和研究跨越多個學科領域，不以某一專門的技術領域為研究對象。（2）系統工程的研究與應用需要把自然科學與社會科學結合起來。（3）系統工程的目標是實現系統的整體最優。（4）在系統工程的觀點和方法中，觀點、概念、原則是本質的，是第一位的，一些數學方法是手段，是從屬于觀點和原則的。第75頁/共159頁76小結系統工程是以大型復雜系統為研究對象，按一定目的進行

設計、開發、管理與控制，以期達到總體效果最優的理論與方法。系統工程是一門立足整體，統籌全局，使整體與部分辯證地統一，將分析和綜合有機地結合，運用數學方法和電子計算機工具，使系統達到整體最優的方法性學科。第76頁/共159頁773、系統工程的任務（1）在開發新的系統（如太空飛船系統、地鐵系統、新型工程系統……）過程中，解決系統的最優設計、最優管理、最優控制、最優制造等一系列問題，這些問題多屬于工程技術系統。（2）用系統的思想和方法重新評價、預測、分析和規劃現有的系統，使其充分挖掘潛力，具有新的功能，或找出改進完善的方向，一般稱之為“系統化”。

第77頁/共159頁784、系統工程與工程技術的聯系系統工程也是一工程技術，用以改造客觀世界并取得實際成果。第78頁/共159頁79系統工程與工程技術的區別研究的對象廣泛，包括人類社會、生態環境、自然現象和組織管理等。

系統工程是一門跨學科的邊緣學科。不僅要用到數、理、化、生物等自然科學，還要用到社會學、心理學、經濟學、醫學等與人的思想、行為、能力等有關的學科，是自然科學

和社會科學的交叉。在處理復雜的大系統時，常采用定性分析和定量計算相結合的方法。系統工程所研究的大系統比一般工程系統復雜得多，處理系統工程問題不僅要有科學性，而且要有藝術性和哲理性。

第79頁/共159頁80系統工程與傳統工程傳統工程解決問題的方法一清二楚，稱“內容明確的問題”大目標具體化評價方法具體化目標分解層次化系統工程解決問題的方法不明確，稱“內容不明確的問題”系統工程大目標是抽象的評價方法是抽象的系統目標多方面、多層次的評價方法多方面、多層次的

第80頁/共159頁815、系統工程的作用系統的價值與技術價值作用在于最大地開發工程價值案例分析第81頁/共159頁82案例分析：美國石油輸送問題背景介紹阿拉斯加北海岸的PrudhoeBay發現石油Prudhoe灣到阿拉斯加南海岸的瓦爾迪茲140萬桶原油/天北極圈內，常年處于冰凍狀態；最低溫度-50℃第82頁/共159頁83太平洋白令海峽第83頁/共159頁84方案1超級油輪海上運輸僅需5～6艘油輪投資小須有破冰船在終點建立大型油庫第84頁/共159頁85方案2管道運輸管道技術成熟輸油管道的加熱和高架經加拿大國土第85頁/共159頁86方案選擇與優化海水加入原油中天然氣加入到原油中第86頁/共159頁87四川都江堰工程戰國時期，秦國太守李冰父子主持修建了四川都江堰工程。這一偉大水利工程巧妙地將分洪、排水和排沙結合起來，使各部分組成一個整體，實現了防洪、灌溉、行舟、漂木等多種功能。至今，該工程仍在發揮著重大的經濟效益。

第87頁/共159頁88第88頁/共159頁89第89頁/共159頁90第90頁/共159頁91第91頁/共159頁92第92頁/共159頁93地震后的都江堰第93頁/共159頁945、系統工程的總體思想

從系統總體出發，充分考慮“輸入”和“輸出”的各種因素開發內部系統（1）最優思想（2）組合思想（3）分解協調思想第94頁/共159頁95

（1）最優思想

系統工程要追求系統的總體最優，不是局部最優。系統工程的主要任務是開發整體（綜合）最優系統。為達到系統整體最優建立目標體系和評價體系。第95頁/共159頁96（2）組合思想組合思想：合理選擇要素，既能滿足系統目標、又沒有不必要的要素。選擇要素的原則盡可能選已有要素、盡可能選標準化、規格化、通用化的要素。

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（3）分解和協調思想復雜系統可以分解為結構相對簡單的若干子系統，簡化處理同一級的子系統相互關聯，要求相互之間密切配合，協調完成大系統的任務目標分解，功能協調第97頁/共159頁98第三節系統工程的發展歷史與趨勢

1、系統思想階段2、系統工程發展階段3、系統工程發展展望第98頁/共159頁99系統思想產生系統工程作為一門科學技術雖然形成于上世紀中葉，但系統工程的思想方法和實際應用可追溯到遠古時代。公元前500年的春秋時期，就有著名的軍事家孫武寫出了“孫子兵法”十三篇，指出戰爭中的戰略和策略問題，如進攻與防御、速決和持久、分散和集中等之間的相互依存和相互制約的關系，并依此籌劃戰爭的對策，以取得戰爭的勝利。其著名論點，“知已知彼，百戰不殆”，“以我之長，攻敵之短”等。在水利建設方面，戰國時期，秦國太守李冰父子主持修建了四川都江堰工程。系統思想階段第99頁/共159頁100系統工程發展階段系統工程的萌芽時期系統工程概念產生時期系統工程應用時期系統工程發展時期第100頁/共159頁101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，強調了其重要性第101頁/共159頁102III40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的地位第102頁/共159頁103V1972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第103頁/共159頁104中國系統工程的發展我國近代的系統工程研究可追溯到50年代。1956年，中國科學院在錢學森、許國志教授的創導下，建立了第一個運籌學小組;60年代，著名數學家華羅庚大力推廣了統籌法、優選法;與此同時，在著名科學家錢學森領導下，在導彈等現代化武器的總體設計組織方面，取得了豐富經驗，國防尖端科研的《總體設計部“取得顯著成效。1977年以來，系統工程的推廣和應用出現了新局面，1980年成立了中國系統工程學會，與國際系統工程界進行交流。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104頁/共159頁105系統工程發展趨勢數學工具大量應用；各式各樣的方法及綜合的方法形成普遍適用的理論；在主導思想上已從原來整體考慮、總體分析發展到控制系統使之達到總體的優化。第105頁/共159頁106案例分析投入產出模型阿波羅登月計劃北歐跨國電網的供電問題第106頁/共159頁107小結戰爭是發展的動力運籌學、控制論是理論基礎計算機是必不可少的工具第107頁/共159頁108錢學森的系統科學體系（P6）（現象）哲學基礎科學技術科學工程技術(社會實踐)自然辯證法物理學、化學、生物學等建筑學、水力學水利工程、土木工程(社會實踐)（現象）第108頁/共159頁109系統科學（橋梁）系統論（觀）系統科學辯證法系統科學方法論系統科學認識論系統科學史……基礎科學數學，物理，化學，生物……技術科學信息學控制學，運籌學，事理學工程技術系統工程，控制工程，信息工程哲學（社會實踐）第109頁/共159頁110第四節系統工程的理論基礎一般系統論大系統理論（即，控制論）信息論運籌學耗散結構論協同論其他（如，突變論）第110頁/共159頁1111、一般系統論美藉奧地利生物理論專家貝塔朗菲背景：20世紀初，物理學、力學、化學等已得到深入發展、學科體系已趨于完整。生物學卻仍處于一種想象，試驗的階段。第111頁/共159頁112（1）一般系統論的原則系統觀點，即有機整體性原則認為一切有機體都是一個開放的系統，都是一個有機整體。動態觀點，即自組織性原則認為一切生命現象本身都處于積極的活動狀態，是自組織開放系統。組織等級觀點認為事物存在著不同組織等級和層次，各自的組織能力不同，并具有自身目的的性和自身調節性。有序性觀點構成系統的諸要素通過相互作用，在時間和空間上按一定秩序組合和排列，由此而形成一定的結構，決定系統的特定功能。

第112頁/共159頁113（2）一般系統論的適用范圍不僅適合于有機體，而且也適合于經濟、社會和科學技術等一切系統。第113頁/共159頁1142、大系統理論大系統的特征大系統理論研究內容大系統的結構方案大系統模型的簡化大系統的優化第114頁/共159頁115（1）大系統的特征規模龐大，構成大系統的要素本身就是一個完整系統。結構復雜，各要素（子系統）之間存在多級遞階的復雜結構。影響因素眾多第115頁/共159頁116

大系統一般都是多目標、多輸入、多輸出、多變量、多干擾的復雜系統，因此大系統往往具有不確定性（如模糊性、隨機性等），并且由于信息不足，從而造成不確知性。同時，正因為對大系統的影響因素眾多，所以大系統的數學模型往往是高維的、高階的、系統分析和設計的工作量隨維數增大即迅速增長，導致“維數災”。第116頁/共159頁117（2）大系統理論研究內容

·

大系統結構方案的研究

·

大系統穩定性研究

·

大系統的最優化問題研究

·

大系統模型簡化的研究

第117頁/共159頁118（3）大系統的結構方案遞階控制方案分散控制方案第118頁/共159頁119遞階控制目標，各決策單元和諧地工作以實現總目標。“遞階”是“等級”的含義遞階控制的特點：下級決策單元只接受上級決策單元的命令，上級決策單元不逾越下級決策單元而直接控制被控大系統。整個遞階系統有一個總優化第119頁/共159頁120

多層控制多層控制按照總任務和各層的任務目標進行分解、分層，各層運行的周期不同，愈到上層，運行周期愈長，解決總是愈復雜。多層控制常用于工業企業的生產安排和管理上。

第120頁/共159頁121決

策

層

優

化

層直接控制層被控大系統第三層第二層第一層控制總任務設定校正

擾動

多層控制第121頁/共159頁122第一層是直接控制層，根據上層的決策（設定）直接控制大系統的運行過程或狀態，處理經常發生的、變化快的外部擾動。第二層是優化層，根據上層給定的各項技術經濟指標和約束條件，以及提供的資源等，建立優化模型以實現大系統的最優控制，并及時調節因條件變化而引起的擾動。第三層是決策層，例如根據市場供銷情況來調節生產計劃、修正營銷策略。第122頁/共159頁123多級控制

將總目標分解成局部目標，并利用各級局部決策單元進行控制和協調。多級控制常用于經濟管理組織機構，下級機關將勞動力組織到生產崗位上，上級機關指揮與協調各下級機關的工作。每一級都力求有效地管理其下一級，同時又緊跟其上一級的指揮，以保證整個組織機構高效率工作，并完成總任務。第123頁/共159頁124

協調級局部決策單元局部決策單元局部決策單元子系統

1子系統

2子系統

n

…………輸入輸出總任務

多級控制第124頁/共159頁125分散控制分散控制實際上是一種兩級遞階控制的特例分散控制可以減少集中控制或遞階控制時在信息傳輸方面的技術困難和設備費用，但只能得到一個次優解。

第125頁/共159頁126局部控制器1局部控制器2局部控制器n子系統1子系統

2子系統

n……輸入輸出………

分散控制第126頁/共159頁127（4）大系統的穩定性多級遞階控制系統的穩定性，研究如果各子系統穩定，則其相互關聯滿足什么條件時，大系統也是穩定的。分散控制系統的穩定性，研究利用各子系統的輸出，加以反饋至各局部控制器，并尋找相應的控制規律，來保證整個大系統的穩定。第127頁/共159頁128（5）大系統模型的簡化簡化大系統模型方法：集結法：通過一個常量的集結矩陣，以低維狀態空間描述來簡化原是高維的系統，但卻保留原系統的主要模式。線性化法

第128頁/共159頁129（6）大系統優化分解與協調的方法是大系統優化的基本方法大系統優化分為靜態優化和動態優化大系統優化的主要任務是：按大系統的最優化目標和總體系統和各子系統之間的關系，以及各子系統之間的關系，最優地分配各子系統的子目標，并以此來控制子系統，從而使總體系統達到最優化。第129頁/共159頁130大系統分解與協調的基本思路把可分的大系統分解成許多互不相關的子系統這些互不相關的子系統都是與大系統有關的各子系統將性能反饋給大系統，用總目標衡量后，再將指示下達給各子系統第130頁/共159頁131

黑箱-灰箱-白箱法功能模擬法形式化、數量化、最優化方法對系統方法的啟示第131頁/共159頁1323、信息論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，是美國科學家香農（Shannon）在1948年創立的。第132頁/共159頁133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。所以系統，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。第133頁/共159頁134信息的度量――信息熵

設描述某一事件的消息源可能發出的消息分為

x=(x１,x２

…xn)

而各可能消息是否會發出的概率為p１,p２,…pn，并滿足歸一性條件：

p１＋p２＋…＋pn＝1

按以上概率從消息源中隨機地發送消息，形成一個消息序列。

第134頁/共159頁135設該消息列中包含的消息總數為N，N非常大。

在統計意義上，該序列N中包含消息xi的數目為piN個。

第135頁/共159頁136信息與系統的關系信息是系統的一種重要特征；不存在與系統無關的信息，也不存在沒有信息的系統；有系統內部、系統與環境之間的相互作用，就有信息的產生和交換；系統的形成，發展，運行都離不開信息的活動。

第136頁/共159頁1374、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。

第137頁/共159頁1385、耗散結構理論(I.Prigogine)開放系統在遠離平衡態時，由于同外界進行物質、能量、信息的交換，可以形成某種有序結構。在自然界的物理、化學系統中可以發現存在著與生物學一樣的進

化現象，并可以利用耗散結構來統一進行討論。遠離系統平衡態所形成的穩定、有序的結構第138頁/共159頁139自組織系統組織：一個系統的要素按照特定的指令，形成特定結構或功能的過程叫組織。自組織：一個系統的要素按彼此的協同性、相干性或某種默契形成特定結構與功能的過程稱為自組織。形成自組織系統的條件：

1系統是開放系統；

2系統必須遠離平衡態；

3系統內存在著非線性反饋的動力學機制；

4系統存在隨機漲落。第139頁/共159頁1406、協同學H.Haken提出協同學，認為復雜系統的相變是否于子系統之間的關聯、協調作用的結果，協同學中的序參量概念和役使原則理論是解決系統向有產

方向演化的有效方法。1976年發表《協同學》導論第140頁/共159頁141其他討論自然系統向有序方向演化的問題時，人們還運用數學上的突變論、微

分方程的穩定性理論，生物學中的超循環理論等，在研究非線性系統演化時，人們又提出混沌、分岔

分形等新概念并發展了相應的理論。

第141頁/共159頁142小結所有這些自然科學的新概念、新方法、新理論它們有一個共同

特點:就是討論復雜的自然系統當其內部各子系統之間相互作用為非線性互作用時呈現出來的演

化的新現象，通過分析可以看到，它們既適用于討論自然現象(它們本身是從對自然現象的研究申

發現并總結的);又適合討論某些社會現象，它們可以作為討論自然與社會兩類完全不同的客觀現

象的統一理論。雖然這些內容并不是系統工程本身的理論，但是它們可以作為構建系統工程基本理

論的主要內容之一。第142頁/共159頁143各個領域的系統工程