第0講 系統(tǒng)工程概述

1、第0講 系統(tǒng)工程概述電子科技大學(xué)空天院陳敏chm_0 引子 近四十年來，自然與工程科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、人文科學(xué)的諸多領(lǐng)域不約而同地、相繼地涌現(xiàn)了有關(guān)“系統(tǒng)”的新觀念、新方法和新技術(shù)。 世界正向復(fù)雜系統(tǒng)的認(rèn)知與控制邁進(jìn)！ 1 何為系統(tǒng)工程？例1：盲人摸象整體部分部分部分部分部分啟示 1）用全面、聯(lián)系的觀點(diǎn)看待和分析問題，才可能有符合實(shí)際的正確認(rèn)識(shí)； 2）用正確認(rèn)識(shí)指導(dǎo)實(shí)踐，才可能把事情辦好。例2：蜘蛛是用腿來聽聲音的？ 一天，一蜘蛛落在了阿為桌上，阿為發(fā)現(xiàn)蜘蛛沒長(zhǎng)耳朵倒長(zhǎng)了許多腿，于是突發(fā)奇想：蜘蛛是用腿來聽聲音的？當(dāng)日，他就此向生物老師請(qǐng)教。生物老師是個(gè)幽默的人，便說：“你設(shè)計(jì)個(gè)實(shí)驗(yàn)來證明你的結(jié)論

2、吧?！贝稳?，阿為交給生物老師一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，內(nèi)容如下：實(shí)驗(yàn)?zāi)康模鹤C明蜘蛛用腿聽聲音。實(shí)驗(yàn)材料：小刀一把，蜘蛛一只，桌子一張.實(shí)驗(yàn)過程： 步驟一：將蜘蛛放在桌子上，沖它大喊一聲“爬”。 現(xiàn)象：蜘蛛開始爬行。步驟二：用小刀將蜘蛛的腿全部去掉，再將蜘蛛放于桌上，沖它大吼一聲“爬”。現(xiàn)象：蜘蛛一動(dòng)不動(dòng)。 結(jié)論：蜘蛛用腿聽聲音！人類在用自己掌握的技能觀測(cè)世界問題：1）現(xiàn)代科學(xué)理論證實(shí)后真的那么可靠嗎？ 波粒二相性、燃素2）人類文明真的達(dá)到了很高水平？ 物質(zhì)精神文明、人類的感官發(fā)展、暗物質(zhì)、人類新的飛躍3）如何正確認(rèn)識(shí)世界？認(rèn)識(shí)事物的基本方法時(shí)間空間系統(tǒng)工程：形成科學(xué)認(rèn)識(shí)的學(xué)問！正確認(rèn)識(shí)合理控制例3：形勢(shì)判

3、斷魏:443萬蜀: 94萬吳:230萬謀略 “一切人實(shí)際出發(fā)，實(shí)事求是”！鄧小平系統(tǒng)工程：形成科學(xué)策略的學(xué)問！例4：泡茶問題泡茶問題華羅庚先生的泡茶想泡壺茶喝。當(dāng)時(shí)的情況是： 開水沒有 開水壺要洗 茶壺茶杯要洗 火已升了 茶葉也有了怎么辦?一、問題描述一、問題描述1.1.目標(biāo)：喝到一碗清新的熱茶。目標(biāo)：喝到一碗清新的熱茶。2.2.條件：已有一個(gè)茶壺、一包好茶葉、一個(gè)燃著條件：已有一個(gè)茶壺、一包好茶葉、一個(gè)燃著的火爐和可用的涼水水源。的火爐和可用的涼水水源。3.3.其它要求：以最節(jié)約資源的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。其它要求：以最節(jié)約資源的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。4.4.系統(tǒng)工程研究任務(wù)：為解決喝茶問題設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)工程

4、研究任務(wù)：為解決喝茶問題設(shè)計(jì)一個(gè)行動(dòng)計(jì)劃系統(tǒng)行動(dòng)計(jì)劃系統(tǒng)( (設(shè)計(jì)一個(gè)解決泡茶問題的行動(dòng)設(shè)計(jì)一個(gè)解決泡茶問題的行動(dòng)計(jì)劃計(jì)劃) )。 二、問題分析二、問題分析1 1 資源需求資源需求根據(jù)我們的日常經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)代人類的活動(dòng)通常根據(jù)我們的日常經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)代人類的活動(dòng)通常需要人、財(cái)、物等類資源。在這個(gè)泡茶問題需要人、財(cái)、物等類資源。在這個(gè)泡茶問題上，不涉及資金，所需的資源包括：涼水、上，不涉及資金，所需的資源包括：涼水、茶壺、茶葉、茶碗、火爐。這些資源目前都茶壺、茶葉、茶碗、火爐。這些資源目前都已齊備，且假設(shè)除人外沒有限制。已齊備，且假設(shè)除人外沒有限制。2 2 目標(biāo)要求目標(biāo)要求 以以最節(jié)約資源最節(jié)約資源的方式

5、泡一壺好茶。的方式泡一壺好茶。 這個(gè)問題中，前面提到的各項(xiàng)資源除了人力資源外，這個(gè)問題中，前面提到的各項(xiàng)資源除了人力資源外，都是沒有限制的。但實(shí)際上，茶壺的大小是確定的，都是沒有限制的。但實(shí)際上，茶壺的大小是確定的，因而所用水是確定的。再假定爐火的發(fā)熱量及熱效率因而所用水是確定的。再假定爐火的發(fā)熱量及熱效率是確定的，那么，一旦裝滿水的茶壺放到火上，其消是確定的，那么，一旦裝滿水的茶壺放到火上，其消耗的能源也是確定的。茶葉使用量是有定額的。耗的能源也是確定的。茶葉使用量是有定額的。 所以，在泡茶問題上，前述各項(xiàng)資源除隨所以，在泡茶問題上，前述各項(xiàng)資源除隨機(jī)干擾外，不存在節(jié)約問題。這個(gè)問題，唯機(jī)干

6、擾外，不存在節(jié)約問題。這個(gè)問題，唯一涉及的節(jié)約問題是關(guān)于一種既無限又有限一涉及的節(jié)約問題是關(guān)于一種既無限又有限的資源的資源時(shí)間的節(jié)約。時(shí)間的節(jié)約。3 3 系統(tǒng)工程系統(tǒng)工程研究研究任務(wù)界定任務(wù)界定 設(shè)計(jì)一個(gè)解決泡茶問題的行動(dòng)計(jì)劃，要求設(shè)計(jì)一個(gè)解決泡茶問題的行動(dòng)計(jì)劃，要求合理安排各道工序，最大限度節(jié)約時(shí)間。合理安排各道工序，最大限度節(jié)約時(shí)間。三、定性策劃幾個(gè)備選方案三、定性策劃幾個(gè)備選方案根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)，對(duì)以上泡茶問題可以有以下三種解法：根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)，對(duì)以上泡茶問題可以有以下三種解法：甲：甲：洗凈水壺；洗凈水壺；灌上涼水；灌上涼水；壺放在火上；壺放在火上；等水開；等水開；水開后，以最快的速度洗茶杯，

7、找茶葉；水開后，以最快的速度洗茶杯，找茶葉；泡茶，待茶泡茶，待茶泡好；泡好；喝茶。喝茶。乙：乙：洗凈水壺；洗凈水壺；洗茶杯；洗茶杯；找好茶葉；找好茶葉；灌涼水；灌涼水；壺壺放火上；放火上；等水開；等水開；水開后，用準(zhǔn)備好的茶杯、茶葉泡水開后，用準(zhǔn)備好的茶杯、茶葉泡茶；茶；等待茶泡好；等待茶泡好；喝茶。喝茶。丙：丙：洗凈水壺；洗凈水壺；灌涼水；灌涼水；壺放火上；壺放火上；洗茶杯；洗茶杯；拿拿茶葉；茶葉；水開之前，可干一些其它事；水開之前，可干一些其它事；水開，泡茶；水開，泡茶；喝茶。喝茶。四、方案分析與比較四、方案分析與比較 ( (系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析) )1.1.列出泡茶所需的全部工序列出泡茶所需

8、的全部工序 2.2.確定每道工序所需的時(shí)間確定每道工序所需的時(shí)間3.3.確定各道工序之間的時(shí)間連接關(guān)系確定各道工序之間的時(shí)間連接關(guān)系4.4.分析計(jì)算每種方案所需的總時(shí)間分析計(jì)算每種方案所需的總時(shí)間5.5.做出比較結(jié)論做出比較結(jié)論工序列表工序列表序號(hào)名稱緊前工序工序時(shí)間(分)1洗壺?zé)o12灌水10.53放壺20.34等水開3155洗杯無16找茶葉無17泡茶4，5，62.28喝茶7洗壺灌水放壺洗杯泡茶拿茶葉等水開115 1 10.30.5喝茶2.20.3丙：洗壺洗杯找茶葉灌水等水開放壺泡茶1150.30.5 11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：方案分

9、析方案分析甲方案總時(shí)間甲方案總時(shí)間=1+0.5+0.3+15+2+2.2=21=1+0.5+0.3+15+2+2.2=21乙方案總時(shí)間乙方案總時(shí)間=1+1+1+0.5+0.3+15+2.2=21=1+1+1+0.5+0.3+15+2.2=21丙方案總時(shí)間丙方案總時(shí)間=1+0.5+(0.3+15)+2.2=19=1+0.5+(0.3+15)+2.2=19分析結(jié)果：丙方案最節(jié)約時(shí)間。分析結(jié)果：丙方案最節(jié)約時(shí)間。方案建議：丙方案建議：丙泡茶工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)泡茶工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)幾大步驟：幾大步驟：確定問題確定問題目標(biāo)分析目標(biāo)分析需求分析需求分析方案策劃方案策劃系統(tǒng)分析（統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、比較）系統(tǒng)分析（統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、

10、比較）決策建議決策建議方案實(shí)施方案實(shí)施系統(tǒng)原理：系統(tǒng)原理：最優(yōu)化、并行統(tǒng)籌、工序圖法最優(yōu)化、并行統(tǒng)籌、工序圖法系統(tǒng)工程：系統(tǒng)工程：統(tǒng)籌規(guī)劃與決策優(yōu)化的學(xué)問！統(tǒng)籌規(guī)劃與決策優(yōu)化的學(xué)問！何為系統(tǒng)工程？形成科學(xué)認(rèn)識(shí)的學(xué)問！形成科學(xué)策略的學(xué)問！統(tǒng)籌規(guī)劃與統(tǒng)籌規(guī)劃與決策優(yōu)化的學(xué)問！2 系統(tǒng)工程有何作用？個(gè)人個(gè)人 擁有系統(tǒng)工程思想，掌握系統(tǒng)工程方法，可奠定成為杰出人物的基礎(chǔ)！孔子“半部論語治天下”老子道家鼻祖，道德經(jīng)易經(jīng)周易與詩、書、禮、樂、春秋等奉為經(jīng)典，并稱“六經(jīng)” 。史記孔子世家：“讀易，韋編三絕?！?孫子兵法影響后世至深，除儒學(xué)外，就屬它了。影響中外！拿破侖活用孫了兵法，成為法蘭西皇帝；在波斯彎戰(zhàn)

11、爭(zhēng)中，美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)是人手一冊(cè)孫子英譯本。小結(jié)1）掌握國家層面系統(tǒng)知識(shí)國家級(jí)人才2）掌握省市層面系統(tǒng)知識(shí)省市級(jí)人才3）掌握企業(yè)層面系統(tǒng)知識(shí)企業(yè)級(jí)人才4）掌握專業(yè)層面系統(tǒng)知識(shí)專業(yè)級(jí)人才問題你如何規(guī)劃你的人生？國家1964年，第一顆原子彈爆炸成功1967年，氫彈爆炸 。 錢學(xué)森一家錢學(xué)森一家中國二炮部隊(duì)地地導(dǎo)彈中國二炮部隊(duì)地地導(dǎo)彈 中國導(dǎo)彈部隊(duì)中國導(dǎo)彈部隊(duì)中國新型的中遠(yuǎn)程地空導(dǎo)彈中國新型的中遠(yuǎn)程地空導(dǎo)彈中國各種導(dǎo)彈中國各種導(dǎo)彈中國發(fā)射地空導(dǎo)彈中國發(fā)射地空導(dǎo)彈中國發(fā)射洲際導(dǎo)彈中國發(fā)射洲際導(dǎo)彈衛(wèi)星技術(shù)衛(wèi)星技術(shù) “ “東方紅一號(hào)東方紅一號(hào)”重量重量173173公斤，比蘇聯(lián)公斤，比蘇聯(lián)(83.6(83.6

12、公斤公斤) )、美國、美國(8.2(8.2公斤公斤) )、法國法國(38(38公斤公斤) )、日本、日本(9.4(9.4公斤公斤) )等國的第一顆等國的第一顆人造衛(wèi)星重量總和還要人造衛(wèi)星重量總和還要重。衛(wèi)星的跟蹤手段、重。衛(wèi)星的跟蹤手段、信號(hào)傳遞方式、星上溫信號(hào)傳遞方式、星上溫控系統(tǒng)也都超過了其它控系統(tǒng)也都超過了其它國家第一顆衛(wèi)星的水平。國家第一顆衛(wèi)星的水平。中國第一顆人造衛(wèi)星中國第一顆人造衛(wèi)星 “ “東方紅一號(hào)東方紅一號(hào)”“兩彈一星”的重大意義打破了美蘇兩國對(duì)中國的核壟斷與核威脅打破了美蘇兩國對(duì)中國的核壟斷與核威脅展示了我國的實(shí)力展示了我國的實(shí)力, ,尤其是增強(qiáng)了國防力量尤其是增強(qiáng)了國防力量

13、, ,提提高了中國的國際地位高了中國的國際地位為我國現(xiàn)代化建設(shè)創(chuàng)造了安定的環(huán)境為我國現(xiàn)代化建設(shè)創(chuàng)造了安定的環(huán)境, ,也有利也有利于世界和平于世界和平促進(jìn)了其他領(lǐng)域促進(jìn)了其他領(lǐng)域( (如航天技術(shù)如航天技術(shù)) )的發(fā)展的發(fā)展載人航天中國已經(jīng)成為世界上第三個(gè)掌握載人航天技術(shù)的國家，成為世界航天大國。太空探測(cè)太空探測(cè)20072007年年1010月月2424日日1818時(shí)時(shí)0505分，搭載分，搭載著我國首顆探月衛(wèi)星嫦娥一號(hào)的著我國首顆探月衛(wèi)星嫦娥一號(hào)的長(zhǎng)征三號(hào)甲運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星長(zhǎng)征三號(hào)甲運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心三號(hào)塔架點(diǎn)火發(fā)射。發(fā)射中心三號(hào)塔架點(diǎn)火發(fā)射。都江堰水利工程1940年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制電

14、話通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將研制工作分為規(guī)劃、研究、開發(fā)、應(yīng)用和通用工程等五個(gè)階段，提出了排隊(duì)論原理。 1940年，美國曼哈頓計(jì)劃，負(fù)責(zé)人L.R.格羅夫斯和R.奧本海默應(yīng)用了系統(tǒng)工程的思路和方法，大大縮短了工程所耗時(shí)間。 自覺應(yīng)用系統(tǒng)工程方法而取得重大成果的兩個(gè)例子是美國的登月火箭阿波羅計(jì)劃和北歐跨國電網(wǎng)協(xié)調(diào)方案。 小結(jié)1）系統(tǒng)工程是使個(gè)人走向杰出人物的一把鑰匙！2）它是國家、集團(tuán)取得重大成功的重要工具！(1)社會(huì)系統(tǒng)工程：組織管理社會(huì)主義建設(shè)的技術(shù)，研究對(duì)象是社會(huì)；多層次、多區(qū)域、多階段的特點(diǎn)。(2)宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)工程 運(yùn)用系統(tǒng)工程的方法研究宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的問題，如國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略、綜合發(fā)展規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

15、體系、投入產(chǎn)出分析、積累與消費(fèi)比例分析、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)分析、消費(fèi)結(jié)構(gòu)分析、價(jià)格系統(tǒng)分析、投資決策分析、資源合理配置、經(jīng)濟(jì)政策分析、綜合國力分析、世界經(jīng)濟(jì)模型等。 3 系統(tǒng)工程典型應(yīng)用領(lǐng)域(3)區(qū)域規(guī)劃系統(tǒng)工程 運(yùn)用系統(tǒng)工程的原理和方法研究區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略、區(qū)域綜合發(fā)展規(guī)劃、區(qū)域投入產(chǎn)出分析、區(qū)域城鎮(zhèn)布局和工農(nóng)業(yè)合理布局、區(qū)域資源合理配置、區(qū)域投資規(guī)劃、城市規(guī)劃。城市水資源規(guī)劃、城市公共交通規(guī)劃與管理等。(4)環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)工程 研究大氣生態(tài)系統(tǒng)、大地生態(tài)系統(tǒng)、流域生態(tài)系統(tǒng)、森林與生物生態(tài)系統(tǒng)、城市生態(tài)系統(tǒng)等系統(tǒng)分析、規(guī)劃、建設(shè)、防治等方面的問題，以及環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、環(huán)境計(jì)量預(yù)測(cè)模型等問題。(5)能源系統(tǒng)工程

16、 研究能源合理結(jié)構(gòu)、能源圖、能源需求預(yù)測(cè)、能源供應(yīng)預(yù)測(cè)、能源開發(fā)規(guī)模預(yù)測(cè)、能源生產(chǎn)優(yōu)化模型、能源合理利用模型、電力系統(tǒng)規(guī)劃、節(jié)能規(guī)劃、能源數(shù)據(jù)庫等問題。例如，熱電廠提高效率問題。(6)水資源系統(tǒng)工程 研究河流綜合利用規(guī)劃，流域發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃，農(nóng)田灌溉系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)，城市供水系統(tǒng)優(yōu)化模型，水能利用規(guī)劃，水運(yùn)規(guī)劃，防洪規(guī)劃，水污染控制等問題。 (7)交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程 研究鐵路、公路、航運(yùn)、航空綜合運(yùn)輸規(guī)劃及其發(fā)展戰(zhàn)略，鐵路運(yùn)輸規(guī)劃，鐵路調(diào)度系統(tǒng)，公路運(yùn)輸規(guī)劃，公路運(yùn)輸調(diào)度系統(tǒng)，航運(yùn)規(guī)劃，航運(yùn)調(diào)度系統(tǒng)，空運(yùn)規(guī)劃，空運(yùn)調(diào)度系統(tǒng)，綜合運(yùn)輸規(guī)劃，綜合運(yùn)輸優(yōu)化模型，綜合運(yùn)輸效益分析。(8)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程 研究

17、農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，大農(nóng)業(yè)及立體農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略規(guī)劃，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)分析，農(nóng)業(yè)綜合規(guī)劃，農(nóng)業(yè)區(qū)域規(guī)劃，農(nóng)業(yè)政策分析，農(nóng)業(yè)投資規(guī)劃，農(nóng)產(chǎn)品需求預(yù)測(cè)，農(nóng)業(yè)產(chǎn)品發(fā)展速度預(yù)測(cè)，農(nóng)業(yè)投入產(chǎn)出分析，農(nóng)作物合理布局，農(nóng)作物栽培技術(shù)規(guī)劃化，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)多層次開發(fā)模型等。(9)工業(yè)及企業(yè)系統(tǒng)工程 研究工業(yè)動(dòng)態(tài)模型，市場(chǎng)預(yù)測(cè)，新產(chǎn)品開發(fā)，組織均衡生產(chǎn)，生產(chǎn)管理系統(tǒng)，計(jì)劃管理系統(tǒng)，庫存存貯模型，全面質(zhì)量管理，成本核算系統(tǒng)，成本效益分析，財(cái)務(wù)分析，人機(jī)工程，提高生產(chǎn)率方法的系統(tǒng)化，組織理論，激勵(lì)機(jī)制等。例如，國有企業(yè)的改革(10)工程項(xiàng)目管理系統(tǒng)工程 研究工程項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)，可行性研究，國民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，工程進(jìn)度管理，工程質(zhì)量管理。風(fēng)險(xiǎn)投資分

18、析，可靠性分析。工程成本效益分析等。(11)科技管理系統(tǒng)工程 研究科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，科學(xué)技術(shù)預(yù)測(cè)，優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域分析，科學(xué)技術(shù)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略，科學(xué)技術(shù)評(píng)價(jià)，科技人才規(guī)劃，科技管理系統(tǒng)等。 (12)智力開發(fā)系統(tǒng)工程 研究人才需求預(yù)測(cè)，人才擁有量模型，人才規(guī)劃模型，教育規(guī)劃模型，智力投資規(guī)劃模型，人才結(jié)構(gòu)分析，教育政策分析等。(13)人口系統(tǒng)工程 研究人口總目標(biāo)，人口指數(shù)，人口指標(biāo)體系，人口系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，人口系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析，人口參數(shù)辨識(shí)，人口系統(tǒng)仿真，人口普查系統(tǒng)設(shè)計(jì)，人口政策分析，人口區(qū)城規(guī)劃，人口系統(tǒng)穩(wěn)定性，人口模型生命表等。(14)軍事系統(tǒng)工程 研究國防戰(zhàn)略，作戰(zhàn)模擬，情報(bào)，通訊與指揮系統(tǒng)，參謀系統(tǒng)，武器裝備發(fā)展規(guī)劃，后勤保障系統(tǒng)，國防經(jīng)濟(jì)學(xué)，軍事運(yùn)籌學(xué)等。 4 課程目標(biāo)本課程強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)科學(xué)的多領(lǐng)域(multi-disciplines)、跨領(lǐng)域(inter-disciplines) 、透領(lǐng)域(trans-disciplines)、 的知識(shí)特性。我們將通過原理與電腦模擬來引入介紹系統(tǒng)的觀念，同時(shí)延伸至科技與社會(huì)活動(dòng)中，目的在于 訓(xùn)練同學(xué)獨(dú)立的感知、理解、分