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1、系 统 工 程,1.课程简介： 系统科学是以系统思想为中心的一门课程。它包括系统论、信息论、控制论、耗散结构论、协同学以及运筹学、系统工程、管理技术等。该课程有三个特点:(1)研究对象广泛； (2)是一门跨学科的应用学科； (3)在处理复杂的大系统时，常采用定性分析和定量计算相结合的方法。,该课程的主要讲述内容包括：系统与系统工程的概念；系统的运动规律；系统工程方法论；系统分析原理；系统评价方法；结构模型解析方法；投入产出分析；系统可靠性技术等。,2.学习目的及要求： 该课程在系统论、控制论、信息论思想指导下，以大型复杂系统为研究对象，通过系统科学基本知识的介绍，了解系统管理的思想，能够运用系
2、统的思维方式分析问题，运用所学知识、观点、和方法去解决实际问题，从整体观念出发探求管理活动的最优计划、最优组织、最优控制和最优方案，使管理系统发挥出整体优化功能，以获得最佳经济效益。,针对课程的特点，在学习中应培养系统思维能力，强化系统分析原理，注重定性分析与定量分析相结合，树立优化思想，加强实际训练，为后续课程的学习、实践及今后的工作与发展打下良好基础。,第一章 系统科学的形成及体系结构,第一节 系统科学的产生和发展 系统科学（System Science）作为一门科学有它产生、发展、形成的过程，而且由于系统科学是一门横断科学，它涉及自然科学中包括数学、物理学、化学等多个学科领域，还涉及到工
3、程技术的多个部门，甚至与社会科学的不少学科也有联系，因此系统科学发展的历史与整个人类发展历史紧密相连。,古代人类认识自然界首先就是从对自然的整体认识开始的，也可以说系统科学思想是指导人们认识的第一个理论，而系统科学体系的完整建立又依赖于当代科学技术的最新成就，现代科学的每一个理论几乎都被系统科学吸收，并改造成为其自身理论体系中的一个部分。,从总体上看来，系统科学的发展大体上经历了三个阶段，即系统思想产生和形成；定量的系统科学方法的建立；综合的系统科学体系构建三个阶段。,一、系统科学产生的历史背景（系统思想产生和形成）（一）客观世界是一个多层次、多因素、多过程的大系统 从结构上看-多层次 从内容
4、上看-多因素 从时间上看-多过程（二）现代大规模改造世界的斗争使人们逐渐认识到必须从系统的角度考虑和处理问题,1 中国古代朴素的系统思想及应用（1）阴阳八卦说 易有太极，是生两仪，两仪生四象，四象生八卦。太极：天地万物产生的本原两仪：阴：消极、退守、柔弱、地、秋、月、夜、女、黑、 冷、降阳：积极、进取、刚强、天、春、日、昼、男、白、 热、升四象：春夏秋冬、东西南北、阴阳刚柔、金木水火八卦：乾、坤、震、巽(xun)、坎、离、艮(gen)、兑 天、地、雷、风、 水、火、山、 泽,坎，水,震，雷,坤，地,艮，山,离，火,巽，风,乾，天,兑，泽,实质： a.强调观物取象，不是孤立地看待各种现象； b.
5、强调万物交感； c.将阴阳作为事物变化根据的基本范畴，是对自然界变化中不同系统力量或功能的概括。,（2）阴阳五行说五行：金、木、水、火、土五音、五谷、五色、五脏、五畜木生火、火生土、土生金、金生水、水生木。 （顺次相生）水克火、火克金、金克木、木克土、土克水。 (隔一相克）,（3）老子 “天下万物生于有，有生于无”，“无，名天地之始，有，名万物之母”。 “道生一，一生二，二生三，三生万物。,（4）中医理论 我国中医理论也充分体现了系统科学的思想。 古代中医理论强调了人体各器官之间的联系、生理现象与心理现象的联系、身体状况与自然环境的联系，把人的身体结构看作是自然界的一个组成部分，认为人体的各个
6、器官是一个有机的整体。,中医还用阴阳五行学说来说明五脏之间的相互依存、相互制约的关系，将自然现象、生理现象、精神活动三者结合起来分析疾病根源。 在治疗上将人的养生规律与自然界的规律联系在一起，提出了“天人感应”的治疗原则。这实际上是强调了系统内各子系统之间的关系作用，系统与环境之间的关系作用。 从上述论述中，可以看到无论是诊断还是治疗，中医都是把人作为一个整体，认为人体各部分之间存在着紧密的联系，将治病看作一个系统的、动态的控制过程。,（5）丁谓盖皇宫 北宋真宗年间，皇城失火，宫殿烧毁，大臣丁谓主持了皇宫修复工程。他采用了一套综合施工方案，先在需要重建的大道上就近取土烧砖，在取土后的深沟中引入
7、汴水，形成人工河，再由此水路运入建筑材料，从而加快了工程进度。皇宫修复后，又将碎砖废土填入沟中，重修大道。使烧砖、运输建筑材料和处理废墟三项繁重工程任务协调起来，从而在总体上得到了最佳解决，一举三得，节省了大量劳力、费用和时间。,（6）田忌赛马 战国时期，齐威王与田忌赛马，规定双方各出上中下三个等级的马各一匹。如果按同等级的马比赛，齐王可获全胜。田忌的谋士孙膑提出的以下、上、中对齐王的上、中、下对策，使处于劣势的田忌战胜齐王，这是从总体出发制定对抗策略的一个著名事例。齐王: 上 中下田忌: 下 上中,关于博弈论，流传最广的是一个叫做“囚徒困境”的故事。 说的是有两个人，纵火之后逃跑被警察抓住了
8、。因为证据不够充分，很难给他们定罪。聪明的法官分别找他们谈话，告诉他们说，如果你招了，他不招，那么你会作为证人而被无罪释放，他将被判10年徒刑；如果你招了，他也招了，你们都被判8年徒刑；如果他招了，你不招，他被无罪释放，你被判10年；如果你们都不招，各判1年。结果,（7）都江堰水利工程 都江堰水利工程在四川都江堰市城西，是全世界至今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。多年来，至今仍然连续使用，发挥着巨大效益。,都江堰由 “鱼嘴”分水堤、“飞沙堰”溢洪道、“宝瓶口”引水口三大部分构成，科学地解决了江水自动分流、自动排沙、控制进水流量等问题，消除了水患，使川西平原成为“天府之
9、国”。目前灌溉面积已达40余县，超过一千万亩。 都江堰水利工程的三个子工程融为一个整体，巧妙配合，实现了彻底排沙、最佳水量的自动调节的作用。,“鱼嘴”分水工程 “鱼嘴”是都江堰的分水工程，因其形如鱼嘴而得名，它把岷江分成内外二江。西边叫外江，是岷江正流，主要用于排洪；东边沿山脚的叫内江，是人工引水渠道，主要用于灌溉。鱼嘴的设置极为巧妙，它利用地形、地势，巧妙地完成分流引水的任务。春天，岷江水流量小，灌区正值春耕，需要灌溉，这时岷江主流直入内江，水量约占六成，外江约占四成，以保证灌溉用水；洪水季节，二者比例又自动颠倒过来，内江四成，外江六成，使灌区不受水涝灾害。,“飞沙堰”溢洪道 在鱼嘴以下划分
10、内、外二江的堤叫金刚堤。堤下段有一低平的地段，洪水季节这里浪花飞溅，是内江的泄洪道。它具有泄洪排沙的显著功能，故又叫它“飞沙堰”。 飞沙堰可将上游带来的泥沙和卵石，甚至重达千斤的巨石，从这里抛入外江（主要是巧妙地利用离心力作用），确保内江通畅。,“宝 瓶 口”引水口 宝瓶口，是玉垒山伸向岷江的长脊上凿开的一个口子，它是人工凿成控制内江进水的咽喉，因形似瓶口而功能奇持，故名宝瓶口。 宝瓶口宽度和底高都有极严格的控制，古人在岩壁上刻了几十条分划，取名“水则”，那是我国最早的水位标尺。 内江水流进宝瓶口后，通过干渠把江水一分为二。再二分为四，一分再分，形成自流灌溉渠系，灌溉近一万平方公里，一千余万亩
11、农田。,2 外国古代朴素的系统思想（1）赫拉克里特-世界是包括一切的整体（2）亚里士多德-一般来说，所有的方式显示，全体并不等于部分的总和。 （整体大于部分的总和。）,3. 人类改造世界过程中出现的问题 随着生产的不断发展，人类对自然界的认识越来越深刻，此时却产生了忽略系统整体特性研究的倾向。例：西医，解剖，学科，专业 （1）随着物质生产的进一步集约化、专业化、社会化、国际化，不同行业、不同部门、不同地区之间的联系越来越密切，相互影响和依赖越来越大。东南亚金融风暴重复建设，盲目投资（彩电、冰箱、汽车手机）；薄弱环节（武钢，山大，交通，小区基础设施）。,延安高架路东段工程是上海“九五”期间实施的
12、重要城市基础设施项目，年月日开工建设，年月日建成通车，全长.公里，投资.亿元人民币。其设计使用寿命是年；使用年多来，该匝道除了常规养护，没有经过大的整修。,“投资22.79亿元的国家重点建设项目某省煤气化工程，从立项 到2001年竣工投产历时16年，这期间燃气市场供求发生重大变化，但项目决策者和建设单位仍坚持按原定规划进行建设，致使项目建成后 只能按设计供气能力的一半运行，经营陷入严重困境，仅2002年度就 亏损两亿多元。” -摘自审计报告1.历时16年项目方建成（19852001）2.试运行即陷入亏损3.沉重的债务锁链4.项目定位影响市场发展 5.管理体制不顺 6.经营机制问题,山西万家寨耗
13、资百亿元引黄入晋工程被大量闲置 总投资103亿元、历时10年建成的山西省万家寨“引黄入晋”一期工程，由于建设规模偏大、供水区用水量增长缓慢，最终造成水价偏高、老百姓用不起高价黄河水，工程建成通水后2年多，实际引水量不到原设计引水量的二分之一，工程能力被大量闲置。 引水工程建设规模究竟需要多大，供水区需水量预测是关键。万家寨引黄一期工程，其供水区需水量预测，竟然不是在工程开工前，而是在工程开工已经将近两年后才进行的。,（2）随着人类改造自然的规模越来越大和程度的日益加深，人类和自然界之间的复杂关系也进一步暴露出来。资源开发；（过度开采，资源耗竭，水，黄土）滥砍滥伐；（厄尔尼诺现象，水土流失，沙漠
14、化，沙尘暴，泥石流）环境污染；（废液、废气、废渣，水污染，核污染，）,不要过分陶醉于我们对自然界的胜利，对于每一次这样的胜利，自然界都报复了我们，每一次的这种胜利，第一步我们确实达到预期的结果，但第二步和第三步却有了完全不同的意想不到的结果，常常正好把那第一个结果的意义又取消了。 恩格斯自然辩证法,为什么： 有时事与愿顺，有时事与愿违； 有时事半功倍，有时事倍功半； 有时局部和当前效果与整体和长远效果一致，有时相反； 有时优良的甚至一般的局部可组成优良的整体，有时却相反。,严峻的现实使人们认识到：只是在哲学的层次上研究事物相互联系、相互影响的规律是不行的。还必须以辩证唯物主义为指导在一般科学的
15、层次内对事物相互联系的方式、相互影响的途径，特别是以一定的关系联系在一起后所产生的共同作用以及这种共同作用和外界环境之间的关系进行精确的定量研究。 也就是说，从系统的角度，用系统的观点去考察和研究整个客观世界。有了这样的理论和方法，人们才能在改造世界的过程中正确地处理整体与局部之间、局部与局部之间、整体与环境之间以及当前与长远之间的关系。,（三）现代数学、计算技术和信息科学的发展为系统科学的产生和发展创造了条件（定量的系统科学方法的建立）现代科学技术的发展以及计算机技术和信息技术的高度发展，对系统思想的产生与系统方法的应用产生了极为重大的影响，主要体现在两个方面：一是使系统思想、系统方法定量化
16、、科学化，使之成为具有坚实的数学理论基础的，能够定量地处理系统各组成部分联系关系的科学方法；二是计算机与信息技术的应用，为系统思想、系统方法的实际运用提供了强有力的工具。正是由于上述两个特征，才使得系统思想方法从一种哲学思维逐步形成了独特的系统理论，并在此基础上形成了一门专门的科学系统科学。,二、系统科学在我国的发展概况 上世纪50至60年代，我国的一些研究机构和著名学者为系统科学的研究与应用作了理论上的探讨、应用上的尝试和技术方法上的准备。其主要标志和集中代表是钱学森的工程控制论、华罗庚的统筹法和许国志的运筹学。 我国大规模地研究与应用系统科学是从70年代末、80年代初开始的。,1978年9月27日，钱学森、许国志、王寿云在文汇报发表题为“组织管理的技术系统工程”的长篇文章； 从1978年起，西安交大、天津大学、清华大学、华中理工大学、大连理工大学等国内著名大学开始招收了第一批SE专业硕士研究生； 1980年11月，中国系统工程学会在北
