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1、第一章 系統(tǒng)工程概述第一節(jié):系統(tǒng)工程的產(chǎn)生、 發(fā)展及應(yīng)用第二節(jié):系統(tǒng)工程的研究對(duì)象第三節(jié):系統(tǒng)工程的概念與特點(diǎn)第一章 系統(tǒng)工程概述一、系統(tǒng)思想及系統(tǒng)理論的產(chǎn)生與發(fā)展 系統(tǒng)思想的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段,即:“只見(jiàn)森林”(樸素的系統(tǒng)思想)階段“只見(jiàn)樹(shù)木”階段“先見(jiàn)森林,后見(jiàn)樹(shù)木”(科學(xué)的系統(tǒng)思想)階段。 古代中國(guó)和古希臘在系統(tǒng)思想的產(chǎn)生與早期發(fā)展中具有突出地位和貢獻(xiàn)。 第一節(jié) 系統(tǒng)工程的產(chǎn)生、 發(fā)展及應(yīng)用系統(tǒng)思想的回顧 整體思想和聯(lián)系思想是科學(xué)系統(tǒng)思想的核心與實(shí)質(zhì)。二、系統(tǒng)工程的理論的形成與發(fā)展系統(tǒng)理論包括:1、老三論(形成于二十世紀(jì)四十年代):一般系統(tǒng)論、控制論和信息論。2、新三論(形成于二十世紀(jì)七

2、十年代):耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同論和突變論。 一)控制論(Cybernatics)控制論是用數(shù)學(xué)工具研究控制機(jī)構(gòu)或控制系統(tǒng)運(yùn)行一般規(guī)律的科學(xué) 1、控制論的產(chǎn)生與發(fā)展 1947年由美國(guó)人維納(Norbert Wiener)創(chuàng)立的控制論(Cybernetics)是一門研究系統(tǒng)的控制的學(xué)科。維納于1948年出版了控制論一書(shū),他對(duì)控制論的定義是:“關(guān)于動(dòng)物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué)?!?控制論的發(fā)展已大致經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)期。從20世紀(jì)40年代末到50年代是第一個(gè)時(shí)期,即經(jīng)典控制理論時(shí)期。在這一時(shí)期,主要的研究對(duì)象是單因素控制系統(tǒng),即單輸入單輸出的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng),重點(diǎn)是反饋控制,借以實(shí)現(xiàn)的工具是各種各樣的自動(dòng)調(diào)節(jié)器

3、、伺服機(jī)構(gòu)及其有關(guān)的電子設(shè)備,著重解決單機(jī)自動(dòng)化和局部自動(dòng)化問(wèn)題。 控制論發(fā)展的第二個(gè)時(shí)期為60年代,即現(xiàn)代控制理論時(shí)期。這一時(shí)期,控制論的主要研究對(duì)象就成了多因素控制系統(tǒng),研究重點(diǎn)是“最優(yōu)控制”,研究借助的工具是電子計(jì)算機(jī)。 以火箭運(yùn)載的衛(wèi)星、飛船、導(dǎo)彈等的飛行為例: 火箭的質(zhì)量特性要用變質(zhì)量力學(xué)來(lái)描述;控制是在遠(yuǎn)距離上實(shí)現(xiàn)的;火箭的距離、速度、加速度、飛行姿態(tài)、多級(jí)工作程序等參數(shù)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(tǒng)復(fù)雜而龐大, 控制問(wèn)題復(fù)雜。 一般認(rèn)為, 現(xiàn)代控制理論的奠基者是匈牙利出生的美國(guó)人卡爾曼。 進(jìn)入70年代以后,是大系統(tǒng)控制理論時(shí)期。在這一時(shí)

4、期,主要研究對(duì)象是因素眾多的大系統(tǒng),重點(diǎn)是大系統(tǒng)多級(jí)遞階控制,借助的工具是電子計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)和智能機(jī)器,應(yīng)用領(lǐng)域主要為社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)等。 2 、控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)由施控器、受控器和控制作用的傳遞者三者組成,形成一個(gè)整體的控制功能和行為,但這又是相對(duì)于某種環(huán)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(gè)部分所組成的、相對(duì)于某種環(huán)境而具有控制功能與行為的系統(tǒng),稱為控制系統(tǒng)。3 、控制論對(duì)系統(tǒng)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(jī)) 形式化、數(shù)量化、最優(yōu)化方法 舉例:恒溫箱下圖是恒溫箱的人工控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。要求恒溫箱中的溫度保持恒定。為

5、了測(cè)量恒溫箱中的溫度,安裝一個(gè)溫度計(jì)來(lái)指示恒溫箱中的溫度,這個(gè)溫度就是系統(tǒng)的輸出量,或稱被控制量。操作者始終觀察溫度計(jì)的溫度,當(dāng)小于恒溫箱給定時(shí),就增大加熱裝置的電流;相反當(dāng)大于恒溫箱給定時(shí),就減小電流。這樣恒溫箱就能保持給定的溫度。人在這個(gè)系統(tǒng)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(diào)節(jié)加熱電流的大小。人工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖了解了人工控制系統(tǒng)的原理,我們只要用一些設(shè)備模仿和代替人的智能,就可以把它變成自動(dòng)控制系統(tǒng)。首先用熱電偶來(lái)代替溫度計(jì)來(lái)測(cè)量溫度的值,然后用比較放大電路代替人對(duì)溫度的比較,用電機(jī)代替人手來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)恒溫箱的電流調(diào)節(jié)裝置。只要放大電路的極性和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)

6、方向合理選擇,就可以完成自動(dòng)控制恒溫箱溫度的工作。自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖下圖所示。自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(guī)律的學(xué)科。信息論起源于通訊理論,是美國(guó)科學(xué)家申農(nóng)(Shannon)在1948年創(chuàng)立的。信息論的基本思想和方法完全撇開(kāi)了物質(zhì)、能量等各種具體客觀形態(tài),而把任何通訊和控制系統(tǒng)都看作是一個(gè)信息的傳輸和加工處理系統(tǒng),把系統(tǒng)有目的運(yùn)動(dòng)抽象為信息變換過(guò)程,通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的信息交流使系統(tǒng)維持正常的有目的的運(yùn)動(dòng)。所有系統(tǒng),在信息論的框架中,是一個(gè)進(jìn)行信息變換和信息處理的機(jī)構(gòu)。 人們根據(jù)不同的研究?jī)?nèi)容,把信息論分成三種不同

7、的類型。 狹義信息論:即申農(nóng)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(wèn)題。 一般信息論:主要研究通訊問(wèn)題,但還包括噪聲理論、信號(hào)濾波與預(yù)測(cè)、調(diào)制、信息處理等問(wèn)題。 廣義信息論:不僅包括前兩項(xiàng)的研究?jī)?nèi)容,而且包括所有與信息有關(guān)的領(lǐng)域。 2、什么是信息申農(nóng)對(duì)信息的定義:不確定性的減少即:信息量是把某種不確定性趨向于確定的一種度量,信息量的大小取決于消息的不確定減少程度,不確定減少程度越大,則信息量越大;不確定減少程度小則信息量越少。消息與信息:消息是信息的攜帶者,但并非每條消息都帶有信息,或帶有同等信息量的信息。例:到會(huì)場(chǎng)找人消息A:某人在會(huì)場(chǎng)里消息B:某人在會(huì)場(chǎng)的偶

8、數(shù)排顯然,對(duì)找到該人這一目的來(lái)說(shuō),消息B所含的信息量比消息A大,因?yàn)橄更容易減少不確定性。例:氣象預(yù)報(bào) 甲乙“甲地晴”比“乙地晴”的不確定性來(lái)的小 某一事物狀態(tài)出現(xiàn)的概率越小,其不確定性越大。某一事物狀態(tài)出現(xiàn)的概率接近于1,即預(yù)料中肯定會(huì)出現(xiàn)的事件,那它的不確定性就接近于零。3、信息的度量信息熵設(shè)描述某一事件的消息源可能發(fā)出的消息分為x=(x, x xn)而各可能消息是否會(huì)發(fā)出的概率為p, p, pn,并滿足歸一性條件: pppn1按以上概率從消息源中隨機(jī)地發(fā)送消息,形成一個(gè)消息序列。定義一:若某事件出現(xiàn)概率為p,則這一事件所具有的信息量為: 定義二:可能消息集合X的整體平均信息量稱為信息

9、熵,簡(jiǎn)稱為熵。 公式為:思考:一場(chǎng)球賽,雙方勢(shì)均力敵與雙方實(shí)力懸殊,哪一種更吸引觀眾(信息量大)? 信息論研究運(yùn)用了類比方法和統(tǒng)計(jì)方法 信息論運(yùn)用了科學(xué)抽象和類比方法,將消息、信號(hào)、情報(bào)等不同領(lǐng)域中的具體概念,進(jìn)行類比,抽象出了信息概念和信息論模型。 針對(duì)信息的隨機(jī)性特點(diǎn),運(yùn)用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)(概率論與隨機(jī)過(guò)程),解決了信息量問(wèn)題,并擴(kuò)展了信息概念,充實(shí)了語(yǔ)義信息、有效信息、主觀信息、相對(duì)信息、模糊信息等方面的內(nèi)容。三)一般系統(tǒng)論1 、一般系統(tǒng)論的產(chǎn)生 背景:本世紀(jì)初,物理學(xué)、力學(xué)、化學(xué)等已得到深入發(fā)展、學(xué)科體系已趨于完整。 生物學(xué)卻仍處于一種想象,試驗(yàn)的階段。例如,生命的起源、生命的本質(zhì)等問(wèn)題,就存

10、在兩種激烈爭(zhēng)論的觀點(diǎn):機(jī)械論與活力論。 機(jī)械論:認(rèn)為生物體應(yīng)像機(jī)械體一樣服從物理學(xué)、化學(xué)所闡明的各種規(guī)律,也就是說(shuō),把生命問(wèn)題簡(jiǎn)化為物理和化學(xué)問(wèn)題,純粹用物理原因和化學(xué)原因來(lái)說(shuō)明一切生命的生理現(xiàn)象和心理過(guò)程。 所以無(wú)法說(shuō)明生命體的統(tǒng)一性。 活力論:認(rèn)為不能把生命現(xiàn)象簡(jiǎn)單地歸結(jié)為物理與化學(xué)過(guò)程,但卻用“超自然的活力”來(lái)解釋生命現(xiàn)象,認(rèn)為有機(jī)界和無(wú)機(jī)界之間有一道不可逾越的鴻溝,支配生物體的是一種超物質(zhì)力量。 美藉奧地利生物理論專家貝塔朗菲等人不滿于機(jī)械論和活力論的解釋,提出有有機(jī)體概念,強(qiáng)調(diào)要從整體關(guān)聯(lián)角度看問(wèn)題。 后來(lái),“有機(jī)體”概念被進(jìn)一步發(fā)展為“一般系統(tǒng)論”。 現(xiàn)代系統(tǒng)論的發(fā)展有兩個(gè)主要線索

11、:一個(gè)是從研究生物有機(jī)體角度產(chǎn)生的一般系統(tǒng)論,另一個(gè)是從研究技術(shù)工程及勞動(dòng)管理角度產(chǎn)生的系統(tǒng)工程學(xué)。2 、一般系統(tǒng)論的基本觀點(diǎn)系統(tǒng)的整體性系統(tǒng)的開(kāi)放性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)相關(guān)性系統(tǒng)的多級(jí)遞階性系統(tǒng)的有序性3 、對(duì)系統(tǒng)方法論及系統(tǒng)方法的啟示四)耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)、突變論原理等新 的系統(tǒng)理論及其啟示耗散結(jié)構(gòu)理論(dissipative structure theory)1969;比利時(shí)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)家I.普利高津 研究遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開(kāi)放系統(tǒng)從無(wú)序到有序的演化規(guī)律的一種理論協(xié)同學(xué)(synergetics)70年代初,聯(lián)邦德國(guó)理論物理學(xué)家 H.哈肯 研究協(xié)同系統(tǒng)從無(wú)序到有序的演化規(guī)律的新興綜合性學(xué)科突變論(cata

12、strophe theory)60年代末,法國(guó)數(shù)學(xué)家 R.托姆 研究不連續(xù)現(xiàn)象的一個(gè)新興數(shù)學(xué)分支,也是一般形態(tài)學(xué)的一種理論,能為自然界中形態(tài)的發(fā)生和演化提供數(shù)學(xué)模型五)運(yùn)籌學(xué) 運(yùn)籌學(xué)是用數(shù)學(xué)方法研究系統(tǒng)最優(yōu)化問(wèn)題的學(xué)科,運(yùn)籌學(xué)著重于發(fā)揮現(xiàn)有系統(tǒng)的效能,通過(guò)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,求出合理運(yùn)用人力、物力和財(cái)力的最優(yōu)方案。 應(yīng)用運(yùn)籌學(xué)處理問(wèn)題的一般步驟: 運(yùn)籌學(xué)與系統(tǒng)工程運(yùn)籌學(xué)和系統(tǒng)工程可以看作是屬于一個(gè)領(lǐng)域中的兩個(gè)姐妹學(xué)科,都是系統(tǒng)思想方法定量化的實(shí)際應(yīng)用研究。運(yùn)籌學(xué)發(fā)展成為一個(gè)專門的數(shù)學(xué)分支,由數(shù)學(xué)家進(jìn)行專門研究,并為系統(tǒng)工程提供最重要的方法和理論基礎(chǔ)。運(yùn)籌學(xué)的目的:增加現(xiàn)有系統(tǒng)效率的分析工作,通

13、常涉及現(xiàn)已存在系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)情況,如工廠、市場(chǎng)等系統(tǒng);以專業(yè)技術(shù)為導(dǎo)向,分析程序由下而上(戰(zhàn)術(shù))系統(tǒng)工程:對(duì)若干可供選擇的執(zhí)行特定任務(wù)的系統(tǒng)方案進(jìn)行選擇比較;以問(wèn)題狀況為導(dǎo)向,分析程序由上而下(戰(zhàn)略)三、系統(tǒng)工程的發(fā)展概況階段年代(份)重大工程實(shí)踐或事件重要理論與方法貢獻(xiàn)I1930美國(guó)發(fā)展與研究廣播電視正式提出系統(tǒng)方法(Systems approach)的概念1940美國(guó)實(shí)施彩電開(kāi)發(fā)計(jì)劃采用系統(tǒng)方法,并取得巨大成功美國(guó)Bell電話公司開(kāi)發(fā)微波通訊系統(tǒng)正式使用系統(tǒng)工程(Systems Engineering)一詞II第二次世界大戰(zhàn)期間英、美等國(guó)的反空襲等軍事行動(dòng)產(chǎn)生軍事運(yùn)籌學(xué)(Military Op

14、erations Research),也即軍事系統(tǒng)工程本世紀(jì)40年代美國(guó)研制原子彈的“曼哈頓計(jì)劃”運(yùn)用SE,并推動(dòng)了其發(fā)展1945美國(guó)空軍建立蘭德(RAND)公司曾經(jīng)提出系統(tǒng)分析(Systems analysis)概念,強(qiáng)調(diào)了其重要性III40年代后期到50年代初期運(yùn)籌學(xué)的廣泛運(yùn)用與發(fā)展、控制論的創(chuàng)立與應(yīng)用、電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),為SE奠定了重要的學(xué)科基礎(chǔ)IV1957H.Good和 R.E.Machol發(fā)表第一部名為系統(tǒng)工程的著作系統(tǒng)工程學(xué)科形成的標(biāo)志1958美國(guó)研制北極星導(dǎo)彈潛艇提出PERT(網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)),這是最早的系統(tǒng)工程技術(shù)之一。1965R.E.Machol編著系統(tǒng)工程手冊(cè)表明系統(tǒng)工程的實(shí)

15、用化和規(guī)范化美國(guó)自動(dòng)控制學(xué)家L.A.Zedeh提出“模糊集合”概念為現(xiàn)代SE奠定了重要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)1961-1972美國(guó)實(shí)施“阿波羅”登月計(jì)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(fā)表第一部名為系統(tǒng)工程的著作系統(tǒng)工程學(xué)科形成的標(biāo)志1958美國(guó)研制北極星導(dǎo)彈潛艇提出PERT(網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)),這是最早的系統(tǒng)工程技術(shù)之一。1965R.E.Machol編著系統(tǒng)工程手冊(cè)表明系統(tǒng)工程的實(shí)用化和規(guī)范化美國(guó)自動(dòng)控制學(xué)家L.A.Zedeh提出“模糊集合”概念為現(xiàn)代SE奠定了重要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)1961-1972美國(guó)實(shí)施“阿波羅”登月計(jì)劃使用了多種SE方法,其成功

16、極大地提高了SE的地位V1972國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IIASA)在維也納成立SE的應(yīng)用開(kāi)始從工程領(lǐng)域進(jìn)入到社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域,并發(fā)展到了一個(gè)重要的新階段。70年代SE的廣泛應(yīng)用在國(guó)際上達(dá)到高潮VI80年代SE在國(guó)際上穩(wěn)定發(fā)展、在中國(guó)的研究與應(yīng)用達(dá)到高潮四、系統(tǒng)工程在中國(guó)的發(fā)展及應(yīng)用 上世紀(jì)50至60年代,我國(guó)的一些研究機(jī)構(gòu)和著名學(xué)者為SE的研究與應(yīng)用作了理論上的探討、應(yīng)用上的償試和技術(shù)方法上的準(zhǔn)備。其主要標(biāo)志和集中代表是錢學(xué)森的工程控制論、華羅庚的統(tǒng)籌法和許國(guó)志的運(yùn)籌學(xué)。 我國(guó)大規(guī)模地研究與應(yīng)用SE是從70年代末、80年代初開(kāi)始的。 1978年9月27日,錢學(xué)森、許國(guó)志、王壽云在文匯報(bào)發(fā)表題為“

17、組織管理的技術(shù)系統(tǒng)工程”的長(zhǎng)篇文章; 從1978年起,西安交大、天津大學(xué)、清華大學(xué)、華中理工大學(xué)、大連理工大學(xué)等國(guó)內(nèi)著名大學(xué)開(kāi)始招收了第一批SE專業(yè)碩士研究生; 1980年11月,中國(guó)系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)在北京成立; 1980年10月至1981年1月,中國(guó)科協(xié)、中央電視臺(tái)會(huì)同中國(guó)系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)、中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)聯(lián)合舉辦“系統(tǒng)工程電視普及講座(45講)”,取得了良好的社會(huì)效果。 70年代末以來(lái),應(yīng)用SE理論和方法來(lái)研究與解決我國(guó)的重大現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,在許多領(lǐng)域和方面取得了較好的效果,如:人口問(wèn)題的定量研究及應(yīng)用(始于1978年)、2000年中國(guó)的研究(1983至1985年)、全國(guó)和地區(qū)能源規(guī)劃(始于1980年)、

18、全國(guó)人才和教育規(guī)劃(始于1983年)、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程(始于1980年)、區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略(始于1982年)、投入產(chǎn)出表的應(yīng)用(始于60年代和1976年)、軍事系統(tǒng)工程(始于1978年)、水資源的開(kāi)發(fā)利用(始于1978年)等。 90年代以來(lái),系統(tǒng)工程在與企業(yè)發(fā)展結(jié)合、與現(xiàn)代信息技術(shù)結(jié)合、與實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略結(jié)合、與思維科學(xué)結(jié)合等方面已具有初步結(jié)果和強(qiáng)勁勢(shì)頭。第一章:系統(tǒng)工程概述第二節(jié) 系統(tǒng)工程的研究對(duì)象一.系統(tǒng)的概念 1.系統(tǒng)的定義:系統(tǒng)是由兩個(gè)以上相互聯(lián)系的要素所構(gòu)成,且具有特定功能、結(jié)構(gòu)、環(huán)境的整體。 S1 S2 S4 S3 系統(tǒng)輸入 系統(tǒng)輸出 S1,S2,S3,S4系統(tǒng)部件 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)周界

19、系統(tǒng)環(huán)境 系統(tǒng)的基本概念圖 原材料 生產(chǎn)車間 辦公室 成品庫(kù) 商品銷售系統(tǒng) 社會(huì)供應(yīng)系統(tǒng) 物質(zhì)流 信息流 指令流 工廠生產(chǎn)系統(tǒng) 成品輸出 原材料等輸入 外界社會(huì)系統(tǒng)環(huán)境 2.系統(tǒng)的屬性:整體性 如:拿破侖的系統(tǒng)思想 三個(gè)和尚沒(méi)水吃1+12 三個(gè)臭皮匠,勝過(guò)諸葛亮1+12 田忌賽馬關(guān)聯(lián)性 要素之間存在復(fù)雜的相互關(guān)系,要素之間的聯(lián)系不是簡(jiǎn)單的疊加,而是以一定的組織形式結(jié)合。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定系統(tǒng)工程環(huán)境適應(yīng)性 系統(tǒng)不能脫離環(huán)境而存在; 系統(tǒng)要適應(yīng)環(huán)境,并可以對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。集合性 系統(tǒng)是由若干可以相互區(qū)別的要素組成,這些要素可以是實(shí)體也可以是非實(shí)體。 制造系統(tǒng)=工作機(jī),操作者,工具,圖紙.; 工廠=設(shè)

20、備,原材料,經(jīng)營(yíng),人員.目的性 目的性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn),它決定了系統(tǒng)的基本功能; 系統(tǒng)的目的是通過(guò)實(shí)現(xiàn)一系列的目標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些目標(biāo)有時(shí)可能是矛盾的,但要在整體上達(dá)到協(xié)調(diào); 系統(tǒng)的目標(biāo)是通過(guò)一系列功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的,而功能是通過(guò)同時(shí)或順次完成一系列任務(wù)來(lái)達(dá)到的。 如:建造房屋層次性 系統(tǒng)要素作為一個(gè)整體有一定的層次結(jié)構(gòu); 人類社會(huì)系統(tǒng):階級(jí),管理的層次等。 如:教育系統(tǒng)下面,我們來(lái)看一個(gè)實(shí)例: 城市交通綜合系統(tǒng) 城市交通綜合系統(tǒng)是一個(gè)龐大的動(dòng)態(tài)系統(tǒng),它本身的狀態(tài)是隨時(shí)間變化而變化的。其結(jié)構(gòu)如下圖所示: 城市交通綜合系統(tǒng) 交通環(huán)境條件 道路交通條件路段交通系統(tǒng)路口交通系統(tǒng)交通設(shè)施系統(tǒng)行人交通系統(tǒng)公共

21、交通系統(tǒng)交通管理系統(tǒng)公共場(chǎng)所分布居民住宅分布公交站點(diǎn)分布停車場(chǎng)分布企事業(yè)單位分布第三產(chǎn)業(yè)網(wǎng)點(diǎn)分布二.SE的研究對(duì)象是大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng) 該類系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有:規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、屬性及目標(biāo)多樣、一般為人-機(jī)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)性突出等。 三.系統(tǒng)的類型 自然系統(tǒng)與人造系統(tǒng) 實(shí)體系統(tǒng)與概念系統(tǒng) 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)與靜態(tài)系統(tǒng) 封閉系統(tǒng)與開(kāi)放系統(tǒng) 主要明確SE研究什么樣的系統(tǒng)問(wèn)題管理系統(tǒng)問(wèn)題舉例國(guó)家政策市場(chǎng)研究技術(shù)經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)競(jìng)爭(zhēng)狀況企業(yè)能力資金來(lái)源資源條件社會(huì)需求生產(chǎn)可能生產(chǎn)組織與控制物、財(cái)、人、信息生產(chǎn)控制庫(kù)存控制質(zhì)量控制成本控制資金回收產(chǎn)品銷售服務(wù)調(diào)查經(jīng) 營(yíng) 目 標(biāo)產(chǎn) 品 開(kāi) 發(fā)經(jīng) 營(yíng) 計(jì) 劃生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備技術(shù)文件勞動(dòng)力勞

22、動(dòng)手段勞動(dòng)對(duì)象環(huán)境分析經(jīng)營(yíng)決策與計(jì)劃投入轉(zhuǎn)換產(chǎn)出圖11工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)過(guò)程示意圖 第三節(jié) SE的內(nèi)容與特點(diǎn) 所謂SE,是用來(lái)開(kāi)發(fā)、運(yùn)行、革新一個(gè)大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)所需思想、程序、方法的總和(或總稱)。 SE強(qiáng)調(diào)以下基本觀點(diǎn): (1) 整體性和系統(tǒng)化觀點(diǎn)(前提) (2) 總體最優(yōu)或平衡協(xié)調(diào)觀點(diǎn)(目的) (3) 多種方法綜合運(yùn)用的觀點(diǎn)(手段) (4) 問(wèn)題導(dǎo)向及反饋控制觀點(diǎn)(保障)系統(tǒng)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(jì)劃 北宋末年皇城失火,一夜之間皇城變成斷壁殘?jiān)?皇帝詔令大臣丁渭組織民工限期修復(fù)燒毀的宮殿。 背景資料: 北宋:公元9601127 年; 皇宮位于河

23、南開(kāi)封,近汴河。丁渭修宮當(dāng)時(shí),使丁渭頭痛的三個(gè)主要問(wèn)題是:1.京城內(nèi)燒磚無(wú)土,2.大量建筑材料很難運(yùn)進(jìn)城內(nèi),3.清墟時(shí)無(wú)處堆放大量的建筑垃圾。如何在規(guī)定時(shí)間內(nèi)按圣旨完成皇宮修復(fù)任務(wù),做到又快又好呢?丁渭經(jīng)過(guò)反復(fù)思考,終于想出了一個(gè)巧妙的施工方案,不但提前完成了這項(xiàng)修筑工程,而且“省費(fèi)以億萬(wàn)計(jì)”節(jié)省了大量金銀。 丁渭修宮丁渭修宮一舉三得背景:岷江是長(zhǎng)江上游的一條較大的支流,發(fā)源于四川北部高山地區(qū)。每年春夏季節(jié)山洪暴發(fā),江水奔騰而下,從灌縣進(jìn)入成都平原,由于河道狹窄,古時(shí)常常引起洪災(zāi)。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(qū)土地干裂,民不聊生。秦昭襄王五十

24、一年(公元前256年),李冰任蜀郡太守(太守相當(dāng)于現(xiàn)在的專員或大于專員,小于省長(zhǎng)),他為民造福,主持修建了著名的都江堰水利工程,排除洪災(zāi)之患。都江堰工程岷江內(nèi)江外江都江堰市都江堰工程思考1 作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程,魚(yú)嘴、飛沙堰和寶瓶口是都江堰渠首工程的三大主體工程,請(qǐng)你利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能相關(guān)規(guī)律來(lái)說(shuō)明這三者是如何協(xié)作,從而起到清除泥沙和防御洪水的作用的? 2 在當(dāng)代,很多水利工程都采用攔江修建大壩的方式來(lái)調(diào)配江水,可是都江堰卻沒(méi)有攔斷江水,只是在岷江中修建了一座像魚(yú)一樣的大堤,既起到了大壩和水閘所具有的作用,又沒(méi)有任何人為因素干涉,從而保持了這一方水土的自然天成。兩千多年來(lái),都江堰沒(méi)有對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一

25、絲負(fù)面影響,卻給予了蜀地萬(wàn)民長(zhǎng)久的安康富足。請(qǐng)你說(shuō)說(shuō)系統(tǒng)的開(kāi)放性原理在這項(xiàng)工程中得到的體現(xiàn)。 答案要點(diǎn)1、(1)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能相互聯(lián)系原理。 (2)都江堰的魚(yú)嘴、飛沙堰和寶瓶口具有不同的結(jié)構(gòu),因此表現(xiàn)出來(lái)的功能也不具相同,三者相輔相成,從首部、中后部、尾部對(duì)水量和沙石量進(jìn)行調(diào)節(jié),共同實(shí)現(xiàn)這個(gè)水利工程的最終目的。 2、(1)系統(tǒng)必須保持開(kāi)放,不斷與外界環(huán)境交換物質(zhì)、能量、信息,從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性并不斷地發(fā)展演化,封閉的系統(tǒng)是不存在的,也必將走向滅亡。 (2)魚(yú)嘴把岷江分為內(nèi)、外二江,根據(jù)季節(jié)變化來(lái)調(diào)整兩江的流量,使得兩江在不斷平衡中達(dá)到穩(wěn)定;當(dāng)江水通過(guò)魚(yú)嘴進(jìn)入內(nèi)江時(shí),如果內(nèi)江水量過(guò)大時(shí),洪水

26、就會(huì)翻越飛沙堰,通過(guò)外江排走,帶走多余沙石,實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外二江物質(zhì)、能量的交換,使得內(nèi)江系統(tǒng)的穩(wěn)定;當(dāng)江水到達(dá)寶瓶口時(shí),若內(nèi)江流量較大,洪水就通不過(guò)狹窄的寶瓶口,多余的岷江水被拒之門外,迅速回流入外江,再次與外江進(jìn)行能量的交換。由此可見(jiàn),整個(gè)都江堰工程是個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)工程,內(nèi)、外江之間不斷地進(jìn)行各自所需物質(zhì)、能量的交換和調(diào)整,從而保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展。 世界上的諸多水利工程 水利工程作為一項(xiàng)重大的系統(tǒng)工程,并非只是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的主體工程建設(shè)的問(wèn)題,要考慮到周邊的生態(tài)環(huán)境、地形等眾多因素,因此,人們對(duì)此都抱著非常謹(jǐn)慎的態(tài)度。興建一個(gè)良好的水利工程將是一項(xiàng)功在當(dāng)代、利在千秋的大事情,以都江堰為例,兩千多年

27、來(lái),它促進(jìn)了整個(gè)成都平原生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(lái)了很多意想不到的災(zāi)難。20世紀(jì)30年代,美國(guó)人建造了巨大的胡佛水壩和米德湖水庫(kù),然而水庫(kù)建成后三年間,這個(gè)歷史上從沒(méi)有地震記錄的地區(qū)發(fā)生了數(shù)百次小地震。20世紀(jì)60年代初,印度人為向孟買及其周邊地區(qū)提供充足的水源,修建了弋伊納水庫(kù),但建成一年后,水庫(kù)儲(chǔ)水的重量導(dǎo)致下面的巖層內(nèi)應(yīng)力升高,地震便開(kāi)始在這個(gè)歷史上無(wú)地震的區(qū)域頻繁發(fā)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(jì)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(lái)了廉價(jià)的電力,控制了水旱災(zāi)

28、害,灌溉了農(nóng)田,但是也帶來(lái)諸多環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題。2019年,美國(guó)緬因州的Edwards壩在工作了162年后被反對(duì)者說(shuō)服當(dāng)局拆除,原因是大壩破壞了大西洋鮭魚(yú)、條紋石酯和鱘魚(yú)的生存環(huán)境。阿斯旺(Aswan)大壩 背景:大壩興建于20世紀(jì)50年代,埃及人口增長(zhǎng)很快,年增長(zhǎng)率達(dá)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(guò)修建尼羅河高壩,開(kāi)發(fā)新的資源以推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。 當(dāng)時(shí)的埃及政府和水利專家們認(rèn)為,修建尼羅河高壩是一箭數(shù)雕的高明之舉: 即可控制河水泛濫,又能儲(chǔ)水、以便在枯水季節(jié)灌溉; 可以大幅度擴(kuò)大可灌溉的耕地面積,以適應(yīng)增長(zhǎng)的人口; 產(chǎn)生巨大的發(fā)電能力,為工業(yè)化提供充裕而廉價(jià)的能源; 修造

29、大壩所形成的巨大水庫(kù)及對(duì)下游水位的調(diào)節(jié),可以發(fā)展淡水養(yǎng)殖及內(nèi)河航運(yùn)。大壩建設(shè)過(guò)程 1960年破土動(dòng)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(dāng)時(shí)世界上最大的高壩工程。它高112米、長(zhǎng)5公里,將尼羅河攔腰切斷,在高壩內(nèi)形成了一個(gè)長(zhǎng)650公里、寬25公里的巨大水庫(kù)納賽爾湖。 1970年,大壩內(nèi)安裝的十二部水利發(fā)電機(jī)組全部投入運(yùn)轉(zhuǎn)。大壩建成后的效益 調(diào)節(jié)了下游流量,防止了洪水泛濫; 利用蓄積的水量擴(kuò)大了灌溉面積,近100萬(wàn)公頃的沙漠得以被開(kāi)墾成可耕地; 大壩電站每年發(fā)電80億千瓦時(shí),解決了埃及的能源短缺問(wèn)題; 可以說(shuō),當(dāng)時(shí)埃及政府修建阿斯旺大壩的預(yù)期目標(biāo),全部實(shí)現(xiàn)了。大壩對(duì)生態(tài)和

30、環(huán)境的破壞 大壩工程造成了沿河流域可耕地的土質(zhì)肥力持續(xù)下降,沿尼羅河兩岸出現(xiàn)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(nèi)的鹽分帶到地表,再加上灌溉水中的鹽分和各種化學(xué)殘留物的高含量,導(dǎo)致了土壤鹽堿化。 庫(kù)區(qū)水質(zhì)惡化,附近居民的健康受到危害。 庫(kù)區(qū)水的大量蒸發(fā)是水質(zhì)變化的一個(gè)重要原因; 土地肥力下降迫使農(nóng)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(duì)生態(tài)和環(huán)境的破壞(續(xù)) 河水性質(zhì)的改變使水生植物及藻類到處蔓延,不僅蒸發(fā)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(dá)到可灌溉用水的百分之四十

31、。 尼羅河下游的河床遭受嚴(yán)重侵蝕,尼羅河出??谔幒0毒€內(nèi)退。 大壩建成后的十二年中,從阿斯旺到開(kāi)羅,河床每年平均被侵蝕掉2厘米; 一位原埃及士兵說(shuō),他曾站過(guò)崗的燈塔現(xiàn)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(píng)估 阿斯旺大壩建成后陸續(xù)出現(xiàn)的生態(tài)和環(huán)境問(wèn)題 有些是設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)料到、但無(wú)法避免或無(wú)力解決的; 有些是有所預(yù)料、但對(duì)其后果的嚴(yán)重性估計(jì)不足的; 還有些問(wèn)題是完全沒(méi)有預(yù)料到的。 直到今天,人們?nèi)匀徽J(rèn)為,要精確地預(yù)測(cè)大壩對(duì)生態(tài)和環(huán)境的影響還是相當(dāng)困難的。 目前很多國(guó)家的公眾輿論和學(xué)者專家們往往對(duì)超大型水利設(shè)施的建設(shè)持反對(duì)或謹(jǐn)慎的態(tài)度。思考 阿斯旺水壩受到的爭(zhēng)議頗多,不過(guò)很多

32、人認(rèn)為盡管這項(xiàng)工程導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的惡化,可是卻具有防止尼羅河泛濫成災(zāi),在大旱時(shí)期提供充足的水源,為埃及供應(yīng)廉價(jià)的電力資源等等益處,利大于弊,因而不失為一項(xiàng)成功的水利工程。請(qǐng)你利用系統(tǒng)的目的性原理來(lái)分析一下這項(xiàng)系統(tǒng)工程的成與??? 答案要點(diǎn)(1)系統(tǒng)的目的是多元化的有時(shí)還是沖突的。要對(duì)系統(tǒng)的不同目的進(jìn)行協(xié)調(diào)和權(quán)衡,對(duì)最初可能是自相矛盾的系統(tǒng)的目的必須歸為統(tǒng)一,讓系統(tǒng)的目標(biāo)一致起來(lái),同時(shí),還要對(duì)系統(tǒng)所包含的要素的目的進(jìn)行優(yōu)化。 (2)建成的埃及阿斯旺水壩具有多項(xiàng)功能,通過(guò)不同功能的實(shí)現(xiàn)從而會(huì)達(dá)到不同的目的。如果從提供充足的水源、廉價(jià)的電力資源來(lái)看,它的建造是成功的;如果從改善生態(tài)環(huán)境來(lái)看,它是失敗的。

33、這兩個(gè)目標(biāo)是有沖突的,因此有必要對(duì)系統(tǒng)的不同目的進(jìn)行協(xié)調(diào)和權(quán)衡,調(diào)整系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),對(duì)阿斯旺水壩所涉及的要素進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)目的性的統(tǒng)一,即在改善生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上提高埃及人的生活水平,促進(jìn)埃及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 阿波羅登月計(jì)劃:系統(tǒng)工程發(fā)展的里程碑目標(biāo):在10年內(nèi)將人送上月球,并使其安全地返回地球經(jīng)費(fèi):250億美元 1969年7月,阿波羅飛船登上月球,標(biāo)志著系統(tǒng)工程及其在裝備研制中應(yīng)用的日趨成熟 。70“阿波羅”登月計(jì)劃阿波羅計(jì)劃順利實(shí)施,是現(xiàn)代系統(tǒng)科學(xué)研究的成功典范。此項(xiàng)工程組織了2 萬(wàn)多個(gè)公司、120 多所大學(xué),動(dòng)用了42 萬(wàn)人參加,投入了300 億美元的巨資,用了近10 年的時(shí)間,終于實(shí)現(xiàn)了人類征服

34、地球引力,遨游太空,登上月球探險(xiǎn)的夢(mèng)想。整體阿波羅登月計(jì)劃之所以能如期完成,關(guān)鍵在于運(yùn)用系統(tǒng)方法進(jìn)行有效的組織管理。阿波羅登月中的創(chuàng)建性工作:方案的開(kāi)發(fā)和選擇 詳盡而明確的研制規(guī)劃制定 總體性能指標(biāo)的控制 解決系統(tǒng)內(nèi)部接口問(wèn)題系統(tǒng)分析與管理的新方法72 方案開(kāi)發(fā)和選擇登月方案幾十個(gè)篩選比較 直接登月 地球軌道交會(huì) 月球軌道交會(huì)月球軌道交會(huì)方案論證計(jì)算73系統(tǒng)總目標(biāo) 詳盡而明確的研制規(guī)劃 功能分析 工作分解結(jié)構(gòu)月球軌道交會(huì)方案具體化技術(shù)目標(biāo)技術(shù)活動(dòng)74 20次飛行試驗(yàn)詳細(xì)規(guī)劃四大系統(tǒng)運(yùn)載火箭系統(tǒng)載人飛船系統(tǒng)跟蹤和數(shù)據(jù)系統(tǒng)發(fā)射和飛行指揮系統(tǒng)六項(xiàng)輔助計(jì)劃水星計(jì)劃雙子星座計(jì)劃飛馬座計(jì)劃徘徊者計(jì)劃勘察者計(jì)劃月球軌道環(huán)行器水星號(hào)75阿波羅飛船的登月成功,還證實(shí)了系統(tǒng)科學(xué)一個(gè)重要的命題“綜合即創(chuàng)造”。負(fù)責(zé)阿波羅計(jì)劃實(shí)施的總指揮韋伯先生說(shuō)過(guò):“阿波羅計(jì)劃中沒(méi)有一項(xiàng)新發(fā)明的自然科學(xué)理論和技術(shù),全部工作都是現(xiàn)有技術(shù)的運(yùn)用。關(guān)鍵在于綜合?!?/p>

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