系統(tǒng)工程 第1講 系統(tǒng)工程發(fā)展史

第一章系統(tǒng)工程發(fā)展史§1.1系統(tǒng)工程產(chǎn)生的背景§1.2系統(tǒng)工程發(fā)展簡史§1.3我國系統(tǒng)工程的發(fā)展§1.4系統(tǒng)工程在我國社會經(jīng)濟發(fā)展中的作用

§1.1系統(tǒng)工程產(chǎn)生的背景社會角度：1)社會、技術(shù)、生產(chǎn)力水平提高、社會活動多樣化、系統(tǒng)（要素）之間相互依賴程度日夜強化、復(fù)雜化，呈現(xiàn)“規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標多樣、因素眾多”的格局，如“開發(fā)治理規(guī)劃，城市交通系統(tǒng)規(guī)劃，河流治理開發(fā)規(guī)劃，能源需求與供應(yīng)”等。2)需要有一種解決此類問題的方法。開發(fā)治理規(guī)劃江西省山江湖開發(fā)治理問題:1、治山還是治水2、治理資金與開發(fā)資金的比例3、治理不同狀態(tài)資金的比例4、開發(fā)重點的選擇（地下、地上資源開發(fā)，各種農(nóng)業(yè)資源開發(fā)，各種礦產(chǎn)資源的開發(fā)）贛江梯級開發(fā)方案選擇和開發(fā)順序的確定城市交通管理系統(tǒng)規(guī)劃上海市交通系統(tǒng)規(guī)劃目標（15、30、60）為了實現(xiàn)這一設(shè)想，在不同交通方式（地鐵、輕軌、高速路、主干道（三橫三縱）、大型立交）的安排，需要考慮城市形態(tài)和人口分布、工業(yè)布局、經(jīng)濟發(fā)展、與外省市的連接。河流治理開發(fā)規(guī)劃治理開發(fā)目標的確定（運輸、灌溉、游泳、飲用）河流邊污水處理站的確定不同河流段水質(zhì)標準確定治理時間的確定治理方法、手段能源需求與供應(yīng)國民經(jīng)濟發(fā)展目標的確定地區(qū)人口規(guī)模工業(yè)能源消耗結(jié)構(gòu)（能源產(chǎn)品）及總量能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)地區(qū)能源供給結(jié)構(gòu)及總量技術(shù)角度：1)現(xiàn)代科技發(fā)展日新月異，產(chǎn)品零件數(shù)量急劇增加、高功能化、小型化、復(fù)雜化；2)產(chǎn)品生命周期大大縮短、新產(chǎn)品研究開發(fā)、生產(chǎn)規(guī)劃、計劃的緊迫性提高、生產(chǎn)管理難度增加；3)社會學、經(jīng)濟學量化問題；信息量急劇增加的處理問題?！?.1系統(tǒng)工程產(chǎn)生的背景知識存量增長的管理問題雜志：17世紀2份；18世紀中葉10份19世紀初100份；1850年1000份；1963年50000份，目前較高水平的已超過10萬份。英國科學家推測：人類的科學知識19世紀50年翻一番；20世紀初30年翻一番；20世紀中葉10年翻一番；20世紀70年代每5年翻一番；80年代以后每3年翻一番。（海量數(shù)據(jù)管理問題）新技術(shù)出現(xiàn)的預(yù)測問題18—19世紀，紡織機、蒸汽機、發(fā)電機相隔數(shù)十年出現(xiàn)，但到了20世紀中葉以后，重大新技術(shù)的出現(xiàn)越來越短，如1946年計算機問世；1947年半導(dǎo)體；1951年集成電路；1955年原子能發(fā)電站；1957年人造衛(wèi)星上天；1960年激光技術(shù)；1969年“阿波羅”登月；1971年微型計算機；1972年“先驅(qū)者”飛出太陽系；1973年遺傳基因重組技術(shù)；1978年大規(guī)模集成電路；1981年航天飛機飛入太空；90年代以后新技術(shù)頻頻取得突破。（國家、地區(qū)科技發(fā)展重點預(yù)測問題）新技術(shù)開發(fā)規(guī)劃、計劃問題19世紀，一項創(chuàng)新從基礎(chǔ)研究到商業(yè)化的過程一般需要幾十年20世紀上半葉需要10多年20世紀下半葉需要幾年如：電動機從發(fā)明到應(yīng)用花了65年，電話56年，無線電35年，電視機12年，集成電路僅用了2年，計算機幾乎1-2年更新一代）。國家、地區(qū)技術(shù)開發(fā)規(guī)劃、計劃問題技術(shù)先進性帶來可靠性問題阿波羅飛船多達300萬個。這些零部件的可靠性問題（挑戰(zhàn)者、哥倫比亞）集成化帶來可靠性問題（集成電路設(shè)計）核電站的安全問題理論角度：理論基礎(chǔ)如運籌學、控制論、一般系統(tǒng)理論的提出；70年代發(fā)展：普里高津提出了非平衡系統(tǒng)的耗散結(jié)構(gòu)理論，哈肯提出了協(xié)同論，托姆提出了突變論；計算機技術(shù)的發(fā)展，使得系統(tǒng)工程插上了翅膀?！?.1系統(tǒng)工程產(chǎn)生的背景運籌學運籌學是在第二次世界大戰(zhàn)期間形成的。英國、美國、加拿大在各主要兵種中相繼成立運籌學小組，成功解決了許多復(fù)雜的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)問題。一個武器系統(tǒng)的分析、評價和有效運行，不外乎分析制約因素(約束條件)以及要實現(xiàn)的目標(使其達到極大或極小)，推而廣之，完成一項任務(wù)，做好一件事情，也是如此。運籌學的貢獻：是把這個共性概括成了一種數(shù)學模式：聯(lián)立約束條件方程和目標函數(shù)方程并求解。運籌學英軍方：“和以往的歷次戰(zhàn)爭相比，這次戰(zhàn)爭更是新的技術(shù)策略和反策略的較量……我們在幾次關(guān)鍵戰(zhàn)役中加快了反應(yīng)速度，運籌學使我們贏得了勝利?！钡诙问澜绱髴?zhàn)以后，運籌學從單純軍事和戰(zhàn)爭中的應(yīng)用研究，轉(zhuǎn)移到經(jīng)濟和工業(yè)管理中的應(yīng)用，并形成了自己的理論和方法。到60年代末運籌學達到了成熟的高峰期，其標志是1969年出版的瓦格納(H．M．Wagner)的《運籌學原理和對管理決策的應(yīng)用》?？刂普撽P(guān)于在動物和機器中控制和通信的科學，創(chuàng)始人是美國的維納(N．Wiener）。他提煉出包括生物系統(tǒng)和人工系統(tǒng)極為廣泛的一大類系統(tǒng)的共性和規(guī)律。控制論提煉出的基本概念，諸如目的、行為、通信、信息、輸入、輸出、反饋、控制以及在這些概念基礎(chǔ)上的控制論系統(tǒng)模型，即輸入一輸出反饋控制模型，具有廣泛的普適意義，并且緊密聯(lián)系著基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)兩頭。一般系統(tǒng)理論貝塔朗菲（理論生物學家），1937年在芝加哥大學莫利斯(C．Morris)主持的哲學討論會上第一次提出了一般系統(tǒng)論的概念。1945年發(fā)表《關(guān)于一般系統(tǒng)論》。他明確提出一般系統(tǒng)論的任務(wù)“乃是確立適用于系統(tǒng)的一般原則”，并對系統(tǒng)的共性作了一定的概括，如系統(tǒng)的整體性、關(guān)聯(lián)性、動態(tài)性、有序性、終極性(目的性)等。貝塔朗菲提出一般系統(tǒng)論是從有關(guān)生物和人的問題出發(fā)的。一般系統(tǒng)理論不能沿用討論無機界問題常用的機械論的分析方法。認為現(xiàn)實是一個有組織的由實體構(gòu)成的遞階秩序，在許多層次的疊加中從物理、化學系統(tǒng)引向生物、社會系統(tǒng)。不能把分割的部分的行為拼加成整體，必須考慮各個子系統(tǒng)和整個系統(tǒng)之間的關(guān)系才能了解各部分的行為和整體。認為分析和人為隔離的方法是有用的，但要看到，即使對物理學的實驗和理論也都還不是充分的。耗散結(jié)構(gòu)理論1969年比利時物理化學家普利高津(Prigogine）提出。他認為熱力學第二定律以及統(tǒng)計力學所揭示的是孤立系統(tǒng)(和環(huán)境沒有物質(zhì)和能量的交換)在平衡態(tài)和近平衡態(tài)條件下的規(guī)律，但在開放并且遠離平衡的情況下，系統(tǒng)通過和環(huán)境進行物質(zhì)和能量交換，一旦某個參量變化達到一定的閾值，系統(tǒng)就有可能從原來的無序狀態(tài)自發(fā)轉(zhuǎn)變到在時間、空間和功能上的有序狀態(tài)。耗散結(jié)構(gòu)理論耗散結(jié)構(gòu)是相對平衡結(jié)構(gòu)說的平衡結(jié)構(gòu)不進行能量或物質(zhì)的交換能維持（晶體），而耗散結(jié)構(gòu)只有通過與外界交換能量（物質(zhì)）才能維持其有序狀態(tài)。耗散結(jié)構(gòu)的形成至少四個條件：開放系統(tǒng)；遠離平衡態(tài)；內(nèi)部要素之間存在非線性的相互作用；從無序到有序演化是通過隨機漲落實現(xiàn)的。協(xié)同論1969年德國物理學家哈肯(H．Haken）提出，他發(fā)現(xiàn)激光是一種典型的遠離平衡態(tài)時由無序轉(zhuǎn)化為有序的現(xiàn)象，但他發(fā)現(xiàn)即使在平衡態(tài)時也有類似現(xiàn)象，如超導(dǎo)和鐵磁現(xiàn)象。這就表明，一個系統(tǒng)從無序轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻年P(guān)鍵并不在于系統(tǒng)是平衡或非平衡，也不在于離平衡態(tài)有多遠，而是通過系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間的非線性相互作用，在一定條件下，能自發(fā)產(chǎn)生在時間、空間和功能上穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)，這就是自組織(serf-organization)。哈肯還指出，系統(tǒng)在臨界點附近的行為僅由少數(shù)慢變量決定，系統(tǒng)的快變量由慢變量(序參量)支配，就是所謂的役使原理。突變論1972年法國數(shù)學家托姆（Thom）提出。是關(guān)于非連續(xù)性變化的數(shù)學理論，一般所指的突變理論實際上是初等變換，其主要數(shù)學淵源是勢函數(shù)把臨界點分離，進而研究各臨界點附近非連續(xù)性態(tài)的特征，即為有限個數(shù)的若干個初等變換。建立突變現(xiàn)象的定性定量模型，以研究和認識不連續(xù)現(xiàn)象的機理并作預(yù)測，是突變論的主要任務(wù)。突變論世界上充滿突變想象：胚胎的發(fā)育、橋梁的扭曲導(dǎo)致斷裂、地殼的劇烈運動引起地震，以及水沸、冰融等。突變論為定量描述突變過程提供了非常實用的數(shù)學工具?！?.2系統(tǒng)工程發(fā)展簡史四十年代初，在美國等國家的電訊工業(yè)部門中，為完成巨大規(guī)模的復(fù)雜工程和科學研究任務(wù)，開始運用系統(tǒng)觀點和方法處理問題。貝爾電話公司在發(fā)展微波通迅網(wǎng)絡(luò)時首先應(yīng)用一套系統(tǒng)的方法，并首先提出了“系統(tǒng)工程”這個名稱。二次世界大戰(zhàn)中，英國運用運籌學建立了雷達警報系統(tǒng)、美國設(shè)施曼哈頓計劃、申農(nóng)的信息論、維納的控制論，都為系統(tǒng)工程發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)?！?.2系統(tǒng)工程發(fā)展簡史例如：1）英國面臨著如何抵御德國飛機轟炸的問題，在發(fā)明雷達的基礎(chǔ)上建立了世界上第一個有組織地、自覺地按照系統(tǒng)的觀點、用系統(tǒng)工程方法分析和研究作戰(zhàn)使用問題的小組。2）其次，英、美兩國在反潛、反空襲、商船護航、布置水雷等項軍事行動中使用了系統(tǒng)工程的方法，并取得了良好的效果。3）又如美國研制原子彈的“曼哈頓計劃”，參加者有一萬五千人，其工程技術(shù)裝置極為復(fù)雜，他們運用了系統(tǒng)工程方法，因而推動了系統(tǒng)工程方法進一步的發(fā)展?！?.2系統(tǒng)工程發(fā)展簡史五十年代開始，核武器和洲際導(dǎo)彈的出現(xiàn)標志系統(tǒng)工程方法的應(yīng)用達到更高的水平。六十年代初，美國國防部長麥克納馬拉運用系統(tǒng)分析方法提出了美國國防新戰(zhàn)略，取得了成效改變了空間技術(shù)落后蘇聯(lián)的局面，北極星導(dǎo)彈、核潛艇計劃和阿波羅登月計劃都是系統(tǒng)工程在國防科研中取得成功的著名范例。創(chuàng)造的‘計劃評審技術(shù)’(PERT)和“隨機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(GERT)，以及把電子計算機用于計劃工作，促進了整個系統(tǒng)研制工作的進展。50年代許多領(lǐng)域出現(xiàn)了“系統(tǒng)方法”“系統(tǒng)工程”字樣；1957年，H.Gode撰寫第一部以“系統(tǒng)工程”命名的著作；含義擴大（創(chuàng)新系統(tǒng)）。六十年代以后，對于復(fù)雜的大系統(tǒng)問題，采用分解與協(xié)調(diào)兩個過程而形成多級遞階控制結(jié)構(gòu)，它的基本方法是將整體體控制問題分解成若干子系統(tǒng)，然后按照整體控制目標，協(xié)調(diào)各個子系統(tǒng)的運行，以達到整個系統(tǒng)的最優(yōu)運行。

§1.2系統(tǒng)工程發(fā)展簡史向大系統(tǒng)擴展階段：大系統(tǒng)理論的產(chǎn)生；根據(jù)通訊、交通、都市、生態(tài)、能源等系統(tǒng)具有的特點，發(fā)展分層管理、多級分層控制、分散控制；MRP,MIS,FMS的研究；“國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所IIASA”研究南北債務(wù)、環(huán)境問題。向復(fù)雜、非線性系統(tǒng)發(fā)展：圣塔菲研究所的非線性問題研究：人機系統(tǒng)研究。

§1.2系統(tǒng)工程發(fā)展簡史圣塔菲研究所在1984年在美國新墨西哥州，由3位諾貝爾獎獲得者蓋爾曼(M．Gell-Mann)、阿羅(K．J．Arrow)、安德森(P．W．Anderson)為首的一批不同學科領(lǐng)域的著名科學家組織和建立的。其宗旨是開展跨學科、跨領(lǐng)域的研究，他們稱作復(fù)雜性研究。他們認為事物的復(fù)雜性是從簡單性發(fā)展來的，是在適應(yīng)環(huán)境的過程中產(chǎn)生的。他們把經(jīng)濟、生態(tài)、免疫系統(tǒng)、胚胎、神經(jīng)系統(tǒng)及計算機網(wǎng)絡(luò)等稱為復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)，認為存在某些一般性的規(guī)律控制著這些復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的行為。(SantaFelnstitute，簡稱SFl)§1.3我國系統(tǒng)工程的發(fā)展一、樸素系統(tǒng)觀念在我國古代的自發(fā)應(yīng)用。二、錢學森對系統(tǒng)工程的貢獻三、我國系統(tǒng)工程發(fā)展的幾個階段四、系統(tǒng)工程領(lǐng)域?qū)W術(shù)組織和刊物一、樸素系統(tǒng)觀念在我國古代的自發(fā)應(yīng)用1、都江堰水利工程：

1）戰(zhàn)國時代(公元前250年)秦國太守李冰父子主持修建。

2）工程包括三個主要部份，“魚嘴”是岷江分洪工程，“飛沙堰”屬分洪排砂工程，‘寶瓶口”是引水工程。

3）三個部份巧妙結(jié)合形成一個工程整體，根據(jù)今天的試驗，工程在排砂、引水、防洪等方面都作了精確的數(shù)量分析，使工程兼有防洪、灌溉、漂木、行舟等多種功能。由于在渠道上設(shè)置了水尺測量水位，合理控制分水流量，使工程不僅分導(dǎo)了洶涌急流的岷江，而且化害為利，利用分洪工程，有節(jié)制地灌溉了十四個縣的幾百萬畝農(nóng)田。一、樸素系統(tǒng)觀念在我國古代的自發(fā)應(yīng)用2、在宋真宗時，皇城失火，宮殿燒毀，派大臣丁謂主持皇宮修復(fù)工程，丁謂經(jīng)過統(tǒng)盤籌劃；提出了一個施工方案：首先將皇宮前的大街挖成大溝，就地取土燒磚，省去遠處運土；然后把汴水引入大溝，用水路運輸建筑器材，使工程能順利進行；等到皇宮修復(fù)后，再把碎磚廢土填入溝中。修復(fù)大街，使燒磚、運輸建筑材料與處理廢物等三項繁重的工程任務(wù)都最佳地得到解決，是“一舉三得利”的最優(yōu)方案。

一、樸素系統(tǒng)觀念在我國古代的自發(fā)應(yīng)用3、在我國的冶煉史上，古代的勞動人民一直在探索銅的優(yōu)化冶煉方法，早在春秋時代，就已懂得銅、錫、鉛按不同比例混合熔煉，可以得到不同功能的合金。在春秋時代的《考工記》中，就記述了在銅錫合金中，六種不同的錫含量，得到六種不同性能的合金，這是對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同則功能不同的深刻認識和運用。例如含錫17％左右的青銅、呈橙黃色，美觀，音質(zhì)也好，適于鑄鐘鼎。到明永樂年間(公元1404年左右)，我國鑄造了重達40多噸的聞名世界的大鐘，音質(zhì)特好，被認為是古代大鐘含金的最佳比例一、樸素系統(tǒng)觀念在我國古代的自發(fā)應(yīng)用4、春秋時代的《孫子兵法》從道、天、地、將、法五個方面來分析戰(zhàn)爭的全局，指出“凡此五者，將莫不聞，知之者勝，不知者不勝”。“道”，就是要內(nèi)修德政，注重戰(zhàn)爭是否有理，有道之國，有道之兵，得到人民的支持，這是勝利之本。除此因素外，還有天時、地利的客觀條件。而將領(lǐng)的才智、威信狀況，士兵是否訓(xùn)練有素，紀律、嘗罰是否嚴明，糧道是否暢通等則是主觀條件。它從系統(tǒng)整體出發(fā)，對不同層次及系統(tǒng)與環(huán)境進行全面分析