系統(tǒng)與系統(tǒng)工程概述

系統(tǒng)與系統(tǒng)工程概述第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六引言:系統(tǒng)科學的產(chǎn)生與發(fā)展近現(xiàn)代科學的前身是古希臘的自然哲學。古代人們抽象出各種“元素”來解釋其外部世界。自古以來，不少人堅信世界是由簡單規(guī)律支配的。由于知識水平或條件的限制，人類只能從生活中抽象出各種“元素”，然后再用這些元素來解釋我們的生活。這是一種樸素的自然哲學觀念。前蘇格拉底以來，自然哲學的一個基本問題是探詢有序是如何從復雜的無序和混沌的物質(zhì)狀態(tài)中出現(xiàn)的。他們將自然現(xiàn)象的復雜性根據(jù)經(jīng)驗還原為“原初”、“原素”，進而發(fā)展為后來的水、氣、火、土等基本元素。第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六古代對事物運動的認識也體現(xiàn)了這一基本思想，他們認為事物變化的背后具有永恒的不變的運動形式，直線運動和圓周運動就是最理想的基本運動形式，世界萬物的運動最終都可以歸結(jié)為這兩種運動。（本輪-均輪技巧就是用來解釋這種認識的。）“簡單性不僅僅理解為方法上簡單省力所需，而哥白尼卻把它作為真理的一個特征。因此，從柏拉圖到哥白尼的天文學學說都聲稱：要將天上系統(tǒng)的表面的復雜性歸結(jié)為某種簡單的真實運動的框架中！”近代科學逐漸從自然哲學中分化出來。恩格斯指出：“真正的自然科學只是從15世紀下半葉才開始，從這時起它獲得了日益迅速的進展”。第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六世界簡單性信念也是近現(xiàn)代科學研究的重要傳統(tǒng)和發(fā)展動力之一。因此，尋求萬物之源也就成為近現(xiàn)代科學研究的根本目的之一。伽利略將自然看作是一個簡單有序的系統(tǒng)，它的每一個過程都是有序的、必然的。他相信，天上和地下的自然動力學受相同數(shù)學規(guī)律的支配。笛卡爾將物質(zhì)和意識完全孤立起來，他認為thebodyasabiologicalmachineandthemindassomethingapartfromthebody.人只不過是比動物更復雜的機器。并且認為amachineisbuiltupfromdistinctpartsandcanbereducedtothosepartswithoutlosingitsmachine-likecharacter.這被叫做‘CartesianReductionism’.笛卡爾為近現(xiàn)代科學研究定了一個基調(diào)，那就是machinemetaphor“機械論隱喻”。第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六牛頓為近代科學研究建立了一個相對完整的機械論范式。牛頓范式（Newtonianparadigm）建立在笛卡爾二元論基礎(chǔ)上，其中心議題是運動（dynamics），使用微分方程等來表示事物運動及其軌跡。根據(jù)這種范式，事物的運動可以用精確的動力方程來描述，如果知道各粒子在某時刻的位置、速度、質(zhì)量，那么其所有時刻的位置速度都是確定的。在這里，世界是一個確定性的運動過程，自然也成了一個缺乏生命力的可逆的物質(zhì)世界。從某種意義上說，愛因斯坦的相對論和量子理論對牛頓范式提出了挑戰(zhàn)。但是，愛因斯坦假設(shè)光速不變，并將牛頓運動定律限制在特定的慣性系中，這也只是將時間納入了時空方程，形成了一種包括時間維在內(nèi)的四維時空。與此相似，量子理論也將時間看作是可逆的，雖然它引入了概率概念第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六牛頓的絕對時空觀對近現(xiàn)代科學研究產(chǎn)生了巨大影響，牛頓范式被認為是科學建模的基礎(chǔ)，尋找推動復雜事物運動變化的簡單規(guī)律被認為是科學研究的目標。以牛頓范式為基礎(chǔ)的近代科學研究取得了令人矚目的成果。然而，它所使用的方法論是機械論，即把事物分解開來進行研究，以為低層次和局部問題分析清楚了，高層次和整體問題也就自然清楚了。在生物學研究中，這就意味著要將一切生物現(xiàn)象的研究還原到分子水平，只要分子水平的問題認識清楚了，一切生物問題也就自然清楚了。也就是說，“分子生物學就是生物學的一切”。第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六然而分子生物學并沒有解決生物問題，相反，它使人們對生物體的整體認識更加模糊了。另外，為了應和牛頓引力定律的需要，一些生物學家還盲目地使用了一種具有物質(zhì)性和受不可見力作用的活力來解釋生命活動。當然，后來有不少學者認為這樣的活力是超越化學物理定律的。因此，到了20世紀二、三十年代生物學家?guī)缀跗毡榈胤穸嘶盍φ?。貝塔朗菲用機體論代替了活力論和機械論。他通過開放系統(tǒng)來定義和描述生命體，即開發(fā)系統(tǒng)通過持續(xù)地與環(huán)境交換物質(zhì)和能量來維持其動態(tài)存在，有機體并不是被動地對刺激做出反應，而是一個在本質(zhì)上能自主活動的系統(tǒng)。整個生物界又是由不同形式的系統(tǒng)構(gòu)成的有機整體。他還發(fā)現(xiàn)“生物有機體具有有序性、動態(tài)性、層次性、目的性、開放性和組織性等特征，而這些特征在其他不同的學科中也普遍存在著。不同學科間的同型性導致貝塔朗菲的一般系統(tǒng)論的提出”。第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六實際上，系統(tǒng)觀念自古有之。貝塔朗菲說，“從最古時代起，在歐洲哲學中就存在著系統(tǒng)的概念”。古代樸素的系統(tǒng)觀，大多寓于古代樸素的唯物論和辨證法之中，尤其表現(xiàn)在對整體、組織、秩序、結(jié)構(gòu)、等級等概念的認識之中。亞里士多德的思想是古代樸素系統(tǒng)觀中最豐富、最有價值的遺產(chǎn)，特別是他的“整體大于部分和”的觀點，至今還是系統(tǒng)論的一條基本原則。近代科學在使用簡單線性思維方法進行研究的同時，在哲學層次上發(fā)展了簡單的系統(tǒng)觀?？档拢↘ant）將宇宙世界看作是以各個系統(tǒng)的等級層次結(jié)構(gòu)組成的普遍聯(lián)系的整體，黑格爾（Hegel）則把自然、歷史和精神描述為一個系統(tǒng)和一個過程。第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六進入20世紀，科學研究已經(jīng)越來越不滿足于簡單的還原論的研究方法，從而引發(fā)了一次科學研究方法的革新，這就是一般系統(tǒng)論的誕生。一般系統(tǒng)論倡導使用用數(shù)學模型對一般系統(tǒng)及其性質(zhì)進行定量描述，試圖用一系列新的觀點和方法去描述系統(tǒng)的各種性質(zhì)，特別是系統(tǒng)的動態(tài)特性。一般系統(tǒng)論首先明確了系統(tǒng)的概念。目前國內(nèi)外科學界普遍公認的系統(tǒng)概念是，系統(tǒng)是由一些相互關(guān)聯(lián)、相互作用、相互制約的組成部分構(gòu)成的具有某種功能的整體

。一般系統(tǒng)論研究的就是那些從物質(zhì)系統(tǒng)、生物系統(tǒng)或社會系統(tǒng)各自的特性中抽象出來的，適用于所有這些系統(tǒng)的特性。第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六一般系統(tǒng)論提出了許多重要概念和原理，為現(xiàn)代科學研究提供了重要的理論基礎(chǔ)和方法。60年代以后，一系列系統(tǒng)科學理論方法逐漸涌現(xiàn)出來，如控制論cybernetics、信息論informationtheory、自動機理論theoryofautomata、集合論set、圖和網(wǎng)絡(luò)理論graphandnetworktheory,、博弈和決策理論gameanddecisiontheory、計算機模擬computerizationandsimulation等。這些理論和方法的出現(xiàn)，一方面極大地推動了當代科學研究的發(fā)展，另一方面也促進了科學的融合，并直接導致了復雜性研究的興起。第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六80年代，美國科學家明確提出了復雜性科學的概念。Prigogine、哈肯、SFI等都針對各自的研究問題對復雜性問題進行了論述，并倡導復雜性科學研究；混沌學也從龐卡萊和洛侖茲的微分方程工作中找到了一些靈感，并進一步將它用于解釋更加廣泛的領(lǐng)域；分形學則更是以其對復雜現(xiàn)象的精確數(shù)學刻畫被用來研究復雜性問題。近年來，各種復雜性名詞也不斷涌現(xiàn)，如“耗散結(jié)構(gòu)”（dissipativestructures）“自組織臨界性”（theoryofself-organizedcriticality）“混沌”（chaos）“災變”（catastrophe）“分形”（fractals）“突現(xiàn)”。第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六引言:Why管理科學的發(fā)展與管理人才培養(yǎng)管理科學研究離不開系統(tǒng)科學方法 管理科學發(fā)展的“制高點”

——系統(tǒng)化管理

第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六引言:What/WhenWhat/When?

系統(tǒng)工程是以大規(guī)模復雜系統(tǒng)（特別是管理系統(tǒng)）為研究對象，在系統(tǒng)理論、管理科學及其運籌學等學科基礎(chǔ)上形成的一門交叉學科。通過學習，使學生掌握分析與解決各種管理系統(tǒng)問題的思想、程序和方法。第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六引言:What/When系統(tǒng)建模方法系統(tǒng)預測方法系統(tǒng)分析方法系統(tǒng)評價方法系統(tǒng)仿真方法其他方法第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六引言:Who/WhereWho/Where?

Who

——

學生為主體，教師為主導。

Where

——

將課堂內(nèi)外的學習結(jié)合起來！第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六引言:HowHow?

建議

注重系統(tǒng)思考 堅持問題導向 采用系統(tǒng)化方法教學要求

第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六引言:How教學參考書：

汪應洛主編，系統(tǒng)工程（第3版），機械工業(yè)出版社，2003.8

譚躍進，系統(tǒng)工程原理，國防科技大學出版社，2002第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六第一章系統(tǒng)與系統(tǒng)工程概述1.1系統(tǒng)1.2系統(tǒng)工程第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六1.1系統(tǒng)1.1.1系統(tǒng)的定義1.1.2系統(tǒng)的屬性1.1.3系統(tǒng)的分類1.1.4系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六人們對系統(tǒng)的認識有一個發(fā)展過程。系統(tǒng)一詞最早出現(xiàn)在古希臘語中，意味著事物的共性部分和每一事物在總體中給以它應占據(jù)的位置。隨著科學枝木的發(fā)展，系統(tǒng)被賦予了進一步的含義？如系統(tǒng)是“有組織的和被組織化的全體”，“結(jié)合著的全體所賴以形成的諸概念和諸原理的復合體”?！耙砸?guī)則的相互作用又相互依存的形式結(jié)合著的對象的集合”。就是說，系統(tǒng)是一個全體，它的組成部分是有組織的，相互間有依存與作用的關(guān)系。第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六同時，系統(tǒng)不僅有實體部分?還必須有賴以形成的概念部分，事實上，任問一臺機器、儀表、一個工廠和學校都是在一定的指導思想和方針下形成的。強調(diào)實體部分而忽視概念部分或強調(diào)概念部分而忽視實體部分，都會導致對系統(tǒng)概念的曲解，從而造成處理問題不當所帶來的損失。系統(tǒng)概念的進一步發(fā)展，使人們認識到，系統(tǒng)整體的行或是有確定目的的。第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六1.1.1系統(tǒng)的定義系統(tǒng)是由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合的具有特定功能的有機整體，而且這個系統(tǒng)本身又是它所從屬的一個更大系統(tǒng)的組成部分。第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)的定義系統(tǒng)的基本概念示意圖例如：我們生存的城市系統(tǒng)。它是由資源系統(tǒng)、市政系統(tǒng)、工業(yè)系統(tǒng)、商業(yè)系統(tǒng)、文化教育、醫(yī)療衛(wèi)生、交通運輸、郵電通訊等等子系統(tǒng)組成的。

第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)的描述及系統(tǒng)的功能1、框圖法框圖法較直觀。它側(cè)重于外部的描述。2、集合法集合法側(cè)重于系統(tǒng)的內(nèi)部，著重分析系統(tǒng)的元素及元素之間各種關(guān)系。第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六1.1.2系統(tǒng)的屬性整體性層次性相關(guān)性目的性環(huán)境適應性動態(tài)性…第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六1.1.3系統(tǒng)的分類自然系統(tǒng)與人造系統(tǒng)實體系統(tǒng)與概念系統(tǒng)動態(tài)系統(tǒng)與靜態(tài)系統(tǒng)封閉系統(tǒng)與開放系統(tǒng)黑色系統(tǒng)、白色系統(tǒng)和灰色系統(tǒng)簡單系統(tǒng)和復雜系統(tǒng)第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六1.1.4系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

S＝{E,R}E—要素elementsR—建立在集合E上的關(guān)系集合系統(tǒng)的功能第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六1.2系統(tǒng)工程（SystemsEngineering,SE）1.2.1系統(tǒng)工程的定義1.2.2系統(tǒng)工程的理論基礎(chǔ)1.2.3系統(tǒng)工程的產(chǎn)生與發(fā)展第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六1.2.1系統(tǒng)工程的定義1.

美國防務系統(tǒng)的定義：系統(tǒng)工程是為了達到所有系統(tǒng)要素的優(yōu)化平衡，控制整個系統(tǒng)研制工作的管理功能，把目標需求轉(zhuǎn)變?yōu)橐唤M系統(tǒng)參數(shù)的描述，并綜合這些參數(shù)以優(yōu)化整個系統(tǒng)效能的過程。第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六2.

日本工業(yè)標準定義：系統(tǒng)工程是為了更好地達到系統(tǒng)目標，而對系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息流動、控制機構(gòu)等進行分析與設(shè)計的技術(shù)。第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六3.

1975年美國科學技術(shù)辭典注釋：系統(tǒng)工程是研究許多密切聯(lián)系的元素所組成的復雜系統(tǒng)設(shè)計的科學。在設(shè)計時，應有明確的預定功能和目標，并使得各個組成元素之間以及各元素與系統(tǒng)整體之間有機聯(lián)系，配合協(xié)調(diào)，從而使系統(tǒng)整體能夠達到最佳的目標。同時，還要考慮到參與系統(tǒng)中人的因素和作用。第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六4.

1977年日本學者三浦武雄指出：系統(tǒng)工程與其他工程學的不同之處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(tǒng)工程的目的是研制一個系統(tǒng)，而系統(tǒng)不僅設(shè)計到工程學的領(lǐng)域，還涉及社會、經(jīng)濟和政治領(lǐng)域。所以為了適當?shù)慕鉀Q這些領(lǐng)域的問題，除了需要某些縱向技術(shù)外，還要有一種技術(shù)從橫的方向把它們組織起來，這種橫向的技術(shù)就是系統(tǒng)工程。第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.

中國科學家錢學森定義：系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計、制造、試驗和使用的科學方法，是一種對所有的系統(tǒng)都具有普遍意義的方法。系統(tǒng)工程也是一門組織管理的技術(shù)。第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)工程在解決這些系統(tǒng)問題方面起著重要的作用。因此，系統(tǒng)工程是與控制論、運籌學、信息工程等平行、橫向分類的學科領(lǐng)域。它不僅適用于某個專業(yè)領(lǐng)域，也適用于專業(yè)領(lǐng)域的綜合及學科交叉的研究。第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六1.2.2系統(tǒng)工程的理論基礎(chǔ)運籌學老三論系統(tǒng)論、信息論、控制論新三論耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學（synergetics）、突變論（catastrophetheory）新發(fā)展混沌學、CAS理論、復雜性科學第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六SE理論一般系統(tǒng)論（generalsystemtheory)

1924~1928;奧地利理論生物學家L.VON貝塔朗菲；1945年發(fā)表《關(guān)于一般系統(tǒng)論》

研究復雜系統(tǒng)一般規(guī)律的學科

基本觀點：整體性

開放性及目的性（有效性、適應性、尋的性）動態(tài)相關(guān)性（動態(tài)性取決于相關(guān)性）等級層次性有序性（結(jié)構(gòu)或空間；發(fā)展或時間）第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六SE理論控制論（Cybernatics）

維納于1948年出版了《控制論》一書經(jīng)典控制論——現(xiàn)代控制論——大系統(tǒng)控制理論

研究大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、穩(wěn)定性、最優(yōu)化、建模及模型簡化等。

對系統(tǒng)方法的啟示：

黑箱-灰箱-白箱法功能模擬法形式化、數(shù)量化、最優(yōu)化方法第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六SE理論信息論

美國數(shù)學家申農(nóng)（C.E.Shannon）和維納（信息科學）以信息為主要研究對象，以信息的運動規(guī)律和應用方法為主要研究內(nèi)容，以計算機、光導纖維等為主要研究工具，以擴展人類的信息功能為主要研究目標。

類比方法統(tǒng)計方法信息方法（運用信息的觀點，把系統(tǒng)看作是借助于信息的獲取、傳遞、加工、處理而實現(xiàn)其有目的性的運動的一種研究方法）第38頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六1.2.3系統(tǒng)工程產(chǎn)生與發(fā)展系統(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)歷了三個階段，即：“只見森林”（樸素的系統(tǒng)思想）階段—“只見樹木”階段—“先見森林，后見樹木”（科學的系統(tǒng)思想）階段。古代中國和古希臘在系統(tǒng)思想的產(chǎn)生與早期發(fā)展中具有突出地位和貢獻。

第39頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)思想及系統(tǒng)理論的產(chǎn)生與發(fā)展

整體思想和聯(lián)系思想是科學系統(tǒng)思想的核心與實質(zhì)。一般系統(tǒng)論、控制論、信息論、耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學及自組織理論等是系統(tǒng)理論的重要內(nèi)容和SE的理論基礎(chǔ)。

第40頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六(二)系統(tǒng)工程的發(fā)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(fā)展與研究廣播電視正式提出系統(tǒng)方法（Systemsapproach）的概念1940美國實施彩電開發(fā)計劃采用系統(tǒng)方法，并取得巨大成功美國Bell電話公司開發(fā)微波通訊系統(tǒng)正式使用系統(tǒng)工程（SystemsEngineering）一詞II第二次世界大戰(zhàn)期間英、美等國的反空襲等軍事行動產(chǎn)生軍事運籌學（MilitaryOperationsResearch）,也即軍事系統(tǒng)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(fā)展1945美國空軍建立蘭德（RAND）公司曾經(jīng)提出系統(tǒng)分析（Systemsanalysis）概念，強調(diào)了其重要性第41頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六III40年代后期到50年代初期運籌學的廣泛運用與發(fā)展、控制論的創(chuàng)立與應用、電子計算機的出現(xiàn)，為SE奠定了重要的學科基礎(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)工程學科形成的標志1958美國研制北極星導彈潛艇提出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》表明系統(tǒng)工程的實用化和規(guī)范化美國自動控制學家L.A.Zedeh提出“模糊集合”概念為現(xiàn)代SE奠定了重要的數(shù)學基礎(chǔ)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42頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六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)工程學科形成的標志1958美國研制北極星導彈潛艇提出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》表明系統(tǒng)工程的實用化和規(guī)范化美國自動控制學家L.A.Zedeh提出“模糊集合”概念為現(xiàn)代SE奠定了重要的數(shù)學基礎(chǔ)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(tǒng)分析研究所（IIASA）在維也納成立SE的應用開始從工程領(lǐng)域進入到社會經(jīng)濟領(lǐng)域，并發(fā)展到了一個重要的新階段。70年