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1、管理系统工程基础,石油大学（华东）经济管理学院,第一章 系统与系统工程,1-1 系统的概念 一、系统的定义 系统这一概念来源于人类长期的社会实践 ，存在于自然界人类社会及人类思维描述的各个领域，早已为人们所熟悉，究竟什么是系统呢？,往往不同的人或同一人在不同的场合会对它赋予不同的含义。,在日本工业标准（JIS）中，对系统的定义是：多数构成要素保持有机的秩序，向同一目标行动的集合体。,按照韦氏大辞典（Webster大辞典），对系统的解释是：系统是有组织的或被组织化了的总体；是构成总体的各种概念、各种原理的综合；是以有规则的相互作用或相互依赖的结合起来的对象的集合。,一般系统论的创始人L.V.贝塔
2、朗菲(L.VBertalanffy)把“系统”定义为“相互作用的诸要素的综合体”。 美国著名学者阿柯夫(Ackoff，R.L.)认为：系统是由两个或两个以上相互联系的任何种类的要素所构成的集合。,国内外关于系统的定义有十几种，系统的确切定义依学科不同、使用方法不同和解决问题不同而有所区别。 人们对系统科学的认识经历一个漫长的过程，开始人们对很多事物只能看到一些轮廓及表面现象，往往是只见森林、不见树木。,只有当认识不断深化，在对个体、对局部有了更多、更深的了解以后，再把这些分散的认识联系起来，才看到了事物的整体，以及构成整体的各个部分之间的相互联系，从而形成了科学的系统观。现代科学的发展比过去更
3、要求在各种学科门类之间进行更多的相互联系和相互渗透。,综上所述，系统一般定义如下：,系统是两个或两个以上相互区别、相互依赖 和相互制约的单元（或要素、组成部分）有机结合起来的具有特定功能的有机整体。,一个形成系统的诸要素的集合永远具有一定的特性，或者表现一定的行为，而这些特性或行为是它的任何一个部分都不具备的。一个系统是一个由许多要素所构成的整体，但从系统功能来看，它又是一个不可分割的整体，如果硬把一个系统分割开来。那么它将失去其原来的性质。,二、系统的特性,般系统都具有下述特性：,1集合性,系统的集合性表明，系统是由两个或两个以上的可以互相区别的要素所组成的。,2相关性,3阶层性,4整体性,
4、5目的性,6环境适应性,组成系统的要素是相互联系、相互作用的，相关性说明这些联系之间的特定关系。,在系统层次结构中表述了在不同层次子系统之间的从属关系或相互作用关系。在不同的层次结构中存在着动态的信息流和物质流，构成了系统的运动特性，为深入研究系统层次之间的控制与调节功能提供了条件。,系统整体性说明，具有独立功能的系统要素以及要素间的相互关系(相关性、阶层性)是根据逻辑统一性的要求，协调存在于系统整体之中。,系统的目的一般用更具体的目标来体现，一般说来，比较复杂的系统都具有不止一个的目标，因此需要一个指标体系来描述系统的目标。,任何一个系统必然要与外界环境产生物质的、能量的和信息的交换，外界环
5、境的变化必然会引内部各要素之间的变化.系统必须适应外部环境的变化.不能适应外部环境变化的系统是没有生命力的，而能够经常与外部环境保持最优适应状态的系统,才是理想的系统,三、系统的分类：,1.自然系统与人造系统,2.实体系统与概念系统,3.动态系统与静态系统,4.控制系统与行为系统,5.开放系统与封闭系统,自然系统是由自然过程产生的系统；人造系统则是将有关元素按其属性和相互关系组合而成的系统。 大多数系统是自然系统和人造系统的复合系统。近年来，系统工程越来越注意从自然系统的属性和关系中，探讨研究人造系统。,凡是以矿物、生物、机械和人群等实体为构成要素的系统称之为实体系统。凡是由概念、原理、原则、
6、方法、制度等概念性的非物质实体所构成的系统称概念系统。 实体系统和概念系统多数情况下是结合的，实体系统是概念系统的物质基础，而概念系统往往是实体系统的中枢神经，指导实体系统的行为。,动态系统是系统的状态变量随时间变化的系统。而静态系统则是表征系统运行规律的属性模型中不含有时间因素，即模型中的变量不随时间变化，它是动态系统的一种极限状态。 大多数系统是动态系统，但有时为了简化而假设系统是静态的或使系统中的参数随时间变化的幅度很小而视为静态系统。,控制系统是为了达到某个目的给对象系统所加的必要动作，为了实行控制而构成的系统叫做控制系统。当控制系统由控制装置自动进行时，称之为自动控制系统。 行为系统
7、是以完成目的的行为作为构成要素而形成的系统。,开放系统是指与其环境之间有物质、能量或信息交换的系统。 封闭系统则相反，即系统与环境相互隔绝，它们之间没有任何物质、能量或信息交换。,四、处理系统问题的几个观点,1、从总目标出发，着眼于整体优化的观点,2、从系统内在联系综合分析问题的观点,3、考虑时间及空间差异的动态观点,4、考虑系统结构阶梯性、层次性的有序观点,5、考虑外界条件的变化使系统适应环境的观点,l-2 系统工程是一门新兴的交叉学科,一、何谓系统工程？,由于系统工程是一门新兴的交叉学科，尚处于发展阶段，还不够成熟，至今还没有统一的定义。现例举国内外知名学者对系统工程所作的解释。,1中国著
8、名科学家钱学森教授指出：“系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。“系统工程是一门组织管理的技术。”,2美国著名学者H切斯纳(HChestnut)指出：“系统工程认为虽然每个系统都是由许多不同的特殊功能部分所组成，而这些功能部分之间又存在着相互关系，但是每一个系统都是完整的整体，每一个系统都要求有一个或若干个目标，系统工程则是按照各个目标进行权衡，全面求得最优解(或满意解)的方法，并使各组成部分能够最大限度地互相适应。”,3日本工业标准JIS规定：“系统工程是为了更好地达到系统目标，而对系统的构成要素、组织结构、信息流动和
9、控制机制等进行分析与设计的技术。”,4日本学者三浦武雄指出：“系统工程与其它工程学不同之处在于它是跨越许多学科的科学，而且是填补这些学科边界空白的边缘科学。因为系统工程的目的是研究系统，而系统不仅涉及到工程学的领域，还涉及到社会、经济和政治等领域。为了圆满解决这些交叉领域的问题，除了需要某些纵向的专门技术以外，还要有一种技术从横向上把它们组织起来，这种横向技术就是系统工程。换句话说，系统工程就是研究系统所需的思想、技术、方法和理论等体系化的总称。”,由于学术界往往把系统分析作为系统工程的同义词来解释，我们例举几个国家的大百科全书对系统分析的解释,美国大百科全书指出：系统分析是研究相互影响的因素
10、的组成和运用情况。这些因素及其相互的影响完全可能是抽象的，如使用数学方法；也可能是具体的，如运输系统、工业生产系统等。,美国麦氏科技大百科全书指出：系统分析是运用数学方法研究系统的一种方法。系统分析的概念是对研究对象(系统)建立一种数学模型，按照这种模型进行数学分析，然后将分析的结果运用于原来的系统 。,综上所述，系统工程是以研究大规模复杂系统为对象的一门交叉学科。它是把自然科学和社会科学的某些思想、理论、方法、策略和手段等根据总体协调的需要，有机地联系起来，应用定量分析和定性分析相结合的方法，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，实现系统的综合最优化
11、。,日本世界大百科年鉴指出：系统通常是指作用于一个共同目的的两个或两个以上要素的集合体，但它并不是单纯几个要素的集合，而是从输入到输出的整个过程。系统分析是人们从系统的概念上认识社会现象，解决复杂问题而提出的从确定目标到设计手段的一整套方法 。,最通俗的系统工程定义,系统工程可以这样最通俗的去概括：,所谓“系统”就是对所研究的问题，从“总体”上去考察、分析和研究，所谓“工程”就是“最优”地去处理所研究的系统问题，因此所谓系统工程就是寻求“总体最优”的理论与方法。,二、系统工程的理论基础,社会劳动的规模日趋扩大，社会经济活动日趋复杂，使人们对统筹兼顾、全面规划、战略观念等原则从朴素的、自发的应用
12、，提高到科学的、自觉的应用，把它们从经验提高到科学理论。,系统工程的理论基础是由一般系统论、大系统理论、经济控制论、运筹学等学科相互渗透、交叉发展而形成的。,1一般系统论(general systems theory),一般系统论是通过对各种不同系统进行科学理论研究而形成的关于适用于一切种类系统的学说。其主要创始人是美国理论生物学家L.V贝塔朗菲。他把一般系统论的研究内容概括为关于系统的科学、数学系统论、系统技术、系统哲学等。,发展历程,20世纪20年代贝塔朗菲在研究生物学时，提出了机体系统论的概念，后来他把“机体”这个术语改为“有组织的实体”。,1945年后，贝塔朗菲发表文章介绍一般系统论基
13、本原理。,1954年美国成立了“一般系统学会”,1968年贝塔朗菲在一般系统论的基础、发展和应用一书中，把系统作为科学研究的对象，系统、全面地阐述了动态的开放系统的理论。,比利时著名学者I普利高津 1969年首次提出耗散 结构理论的论文结构、耗散和生命 ，为贝塔朗菲的 “一般系统论”的有序结构稳定性提供了严密的理论根据。,20世纪下半叶，一般系统论对管理科学的发展有深刻 的影响，现代管理科学愈来愈重视管理中的组织联系方面 的因素，并开始强调“系统管理”的观念。系统工程的发展 正是为组织管理“系统”的规划、研究、设计、制造、试验 和使用提供一种科学方法。,2大系统理论(1arge scale s
14、ystems theory),大规模复杂系统一般是规模庞大、结构复杂、环节数量大或层次较多，其间关系错综复杂，影响因素众多，并常带有随机性质的系统，如经济计划管理系统、信息分级处理系统、区域经济开发系统等。,研究大系统的结构方案、稳定性、最优化、建立模型的模型简化等问题称为大系统理论。,（1）大系统结构方案,大系统结构方案分为：,递阶控制方案和分散控制方案,递阶控制可由两种控制方式实现 ：,多层控制和多级控制,多级控制,多层控制,通过只具有局部信息的各子系统局部控制器进行局部控制，来完成大系统的优化任务,分散控制：,思考：几种控制形式与组织结构模式有何联系?,（2）大系统的稳定性,（3）大系统
15、优化,对于多级递阶控制系统的稳定性，主要研究如果各子系统稳定，则其相互关联满足什么条件时，大系统也是稳定的。,对于分散控制系统的稳定性，主要研究利用各子系统的输出，加以反馈至各局部控制器，并寻找相应的控制规律，来保证整个大系统的稳定。,大规模复杂系统要达到最好的目标，就是所谓大系统优化。,由于大系统的规模庞大、结构复杂，影响优化目标的因素众多，因此在优化方法中往往计算工作量过大，甚至使用大容量、高速计算机也难于胜任。,（4）大系统的模型简化,简化模型主要方法是集结(aggregation)法，这种方法通过一个常量的集结矩阵，以低维的状态空间描述来简化原属高维的系统，并仍保留原系统的主要模式。,
16、3经济控制论,经济控制论是应用现代控制论的科学方法分析经济过程的学科。它为合理地控制经济过程提供了新的见解，并提供了一种有效地计划和管理国民经济及其各部门的新工具。,从20世纪60年代初期，控制理论开始被经济学家大量引进经济领域。 到70年代控制理论在微观经济和宏观经济方面都得到广泛的应用，标志着经济控制论的成熟。,4运筹学(operation research),运筹学应用分析、试验、量化的方法，对经济管理系统中人、财、物等有限资源进行统筹安排，为决策者提供有依据的最优方案，以实现最有效地管理。,运筹学的分支主要有：线性规划、非线性规划、动态规划、排队论、对策论、储存论等。,（1）线性规划,在一组约束条件下寻求一个目标函数的极值问题。如果约束条件表示为线性方程式，目标函数表示为线性函数时，就叫线性规划。,一般线性规划的数学模型为：,由m种有限资源构成的一组约束条件：,各变量不能取负值，即：,要求目标函数实现最大化(或最小化),如果目标函数与约束条件是非线性的，就叫非线性规划问题。 如果决策变量中要求取值必须满足整数的线性规划问题，就称为 整数规划。 凡规定决策变量只能取值
