系统工程的一般原理课件

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1、系统工程的一般原理,系统的概念来源于人类活动的长期实践。 18世纪以前，人们习惯于把世界看成事包罗万象的整体，强调自然界的统一性并采用综合的观点来探索大自然的奥秘。 19世纪以来，随着工业化专门生产的出现，科学技术也呈现了专门化的发展趋向。各类学科被划细划小，新的专门学科不断地涌现。 时间进入了20世纪40年代，由于战争和建设的需要，各门类的科学技术互相渗透，互相交错，在各学科的交界之处产生了很多跨学科的“边缘科学”。 近代工程的规模不断地加剧和复杂化，提出了在更高层次上将现有科学技术成果综合化、系列化的要求。新兴的系统工程学就是在这样的历史背景下应运而生。 系统工程以系统作为研究对象，它是系

2、统科学的一个分支，属于系统方法论的范畴。其特点是侧重研究事物的组织、管理、联系与发展，是使创造过程合理化的技术，是高度综合化的一门科学。,第一节 系统概述 第二节 系统工程 第三节 系统工程方法论 第四节 系统工程的步骤,第一节 系统概述,一、系统及其形态 “系统”一词的含义，由于人们使用的范围不同而具有多种不同的解释。 在系统工程学中，一般可对系统作出如下的定义： 系统乃是由若干相互作用、相互依赖的组成部分有机结合而成的、具有特定功能的整体。 系统是以不同的形态存在的。根据系统的生成原因，可以将其分为人造系统和自然系统两大类；根据系统的组成性质，又可将系统分为实体系统与概念系统；而根据其它一

3、些特定的标志，又可分为因果系统、目的系统等。,系统分类,系统分类,系统分类,系统的分类使我们能够了解各种不同形态的系统特点及其相互关系。作为系统概念的实际应用，在大多数场合下是使用实体系统与概念系统相结合的人造复合系统。例如一个企业，它不仅拥有若干机械系统、设备系统、人机系统，而且拥有计划系统、程序系统、方法系统等等，从而有机地构成一个人造的复合系统。我们在研究或设计系统的时候，常常是首先假定其状态不随时间而改变，建立其静态系统，然后再辅以相应的计划、指令、程序等，使之转化为实际的动态系统。 系统的概念符合辩证唯物主义的认识论，因而能够清晰地描述客观事物的本质特性，成为我们把握客观事物内在规律

4、的有力工具。,二、系统的属性我们以一个预制构件厂为例，介绍人造系统的五大属性。,构 件 厂,钢筋车间,搅拌车间,预制车间,养护场,各管理科室,一工段,二工段, ,n工段,图131 预制构件厂机构设置简图,1. 集合性 系统的组成须有两个以上的元素或组合单元。图131中每一个方框即是系统的组成元素。如用数学的语言来描述这一属性，则可记为 X=xiX|i=1，2，n，n2 其中： X集合； xi集合的组成要素或组合单元。2. 相关性 系统的各组成元素之间相互联系，相互制约，存在着信息和物质的交换关系。如钢筋车间与搅拌车间及预制车间存在着供求关系，钢筋车间与生产调度科存在着信息交换关系等等。若以记号

5、R来表示这种联系，则有 xi =R(xj)， xi X ， xjX ， xi xj 而以S来表示系统，则有 S =X|R 3. 目的性 人造系统均有其目的性。系统的目的往往不止一个，它们一起构成了系统的整体目的。例如对于预制构件厂来说，其运行的目的不但要实现产品的规格、质量、数量指标以满足社会的需要，而且也有利润、成本等考核指标。这些指标从各个不同的侧面描述了企业的社会经济效益。如果以记号G表示系统的总目标，g(xi)表示分系统或元素xi的子目标，则 G=g(xi) |xi= R(xj) ， xi X ， xj X ，xi xj ,4. 环境适应性 一个系统是它所从属的一个更大系统的组成部分，

6、这个更大的系统就称为所论及系统的环境。系统只有适应环境的要求才具有生命力，这就是所谓的环境适应性。如果将预制构件厂视为一个生产系统，则它必须适应社会系统的要求。如果这个生产系统的产品不对路，生产成本过高，则它一定不能长久维持下去。我们以S表示系统，以A表示环境，则A是S的补集。记为 A Sc或以图132的直方图表示：,A,S,A Sc,图132 系统与环境,5. 阶层性 系统作为若干要素合成的总体，其内部具有一定的层次结构，并可在不同层次上将其分解为一系列的分系统。而各分系统仍可在下一层次上进行再分解。分解的标准是分系统必须具有功能目的，分系统的功能目的是系统功能目的的一部分。例如前述的预制构

7、件厂，按部门分解可分为搅拌车间、钢筋车间、预制车间及各科室部门。各车间（部门）又可进一步分解为若干工段（小组）。这样分解的依据是这些分系统的功能和目的确为系统功能和目的的一部分。 在我们实际考察的大多数系统当中，其规模之大，性质之复杂，迫使我们不得不采取系统分解的研究方法。而系统的阶层性则是我们进行大系统分解及优化的依据。,第二节 系统工程,一、系统工程的概念 顾名思义，系统工程是以系统作为研究对象的一门工程技术学。由于它是一门新兴的学科，迄今为止各国学者仍从不同的角度对其进行各异的解释，所以要为系统工程下一个确切的定义是十分困难的。尽管如此，我们还是可以对系统工程的概念作出如下的一般性描述：

8、 系统工程是组织管理系统的工程技术学。它从系统的整体角度出发，综合采用多种学科知识对系统的各个组成部分进行分析、评价、综合，从而得到系统整体的最优设计、最优控制、最优管理，用最少的人力、物力、财力和时间，达到系统的目标，完成系统的任务。,系统工程学虽然是一门工程技术学，但是它与一般的工程技术学有着明显的区别。 一般的工程技术是以数学、物理、化学等基础学科为工具，以开发、设计、制造及运用特定的工程物质对象为目的的应用科学。 而系统工程的研究对象则是系统，它可以是工程物质对象，也可以是自然的、生态的、社会的或经济的组织体，甚至可以把管理方法体系作为自己的研究对象。 其次，系统工程使用的工具有着高度

9、的综合性和广泛性。除一般的工程技术学及基础科学外，控制论、信息论、社会学、管理科学、经济型、心理学等多种学科都是系统工程的工具。特别是实现最优化计算的运筹学（定量分析技术）和电子计算机技术，它们更是成为系统工程不可或缺的研究手段。 此外，一般的工程技术学多以技术上的合理性作为考核效益的指标，例如结构、性能、效率等。而系统工程则从整体的角度出发，综合考虑系统的功能、规划、组织、协调、效果等经济技术和社会效益问题，追求系统整体的最优化。,另一方面，从应用科学的观点来看，系统工程仍然属于工程技术学的范畴。如果把系统工程应用于某一具体的物质对象，则可称为某一专业系统工程，例如工程系统工程、农业系统工程

10、、环境系统工程、社会系统工程、能源系统工程等。因此，系统工程又是在工程体系中占有极其重要地位的一个学科，它是开发、设计、制造、应用各种系统时必不可少的基本的工程技术。,二、系统工程的产生和发展 系统工程的产生和发展均有其历史背景。 首先，人类在同大自然的长期斗争中已逐步萌发了朴素的系统工程思想。我们看看两个典型的例子： 1. 早在2000多年前，秦太守李冰父子就主持修建了举世闻名的都江堰水利工程。都江堰的“鱼嘴”岷江分洪，“飞沙堰”分洪排沙，“宝瓶口”引水灌溉，三项子工程巧妙结合，浑然一体，一举解决了防洪灌溉与排沙问题，实现了整体的优化，这是早期系统工程的雏形。 2. 宋朝真宗年间，一场大火烧

11、毁了皇宫。作为一项大工程来看待，修复皇宫至少有三个大问题急待解决。一是需要大量的墙体材料，到哪儿去取土的问题；二是运输，大量的木竹砂石要运进现场；三是皇宫修好以后，大量的建筑垃圾需进行处理。当时一个叫丁渭的大臣负责修缮事宜。经过反复考虑，他提出了一套完整的施工方案：首先叫人在皇宫前面挖开一条大沟，解决了取土烧砖的问题；然后将附近的汴水河引入大沟，用船运来了工程所需的木竹砂石；皇宫修好以后，他又将弃土回填了大沟，解决了建筑垃圾的处置问题。这是个一举三得的方案，朴素地体现了整体最优的系统工程思想。,时间延续到十九世纪末期，美国人泰勒创立了科学管理法。他以工人的劳动过程作为研究对象并将其解剖分析。一

12、是分析工序组成的合理性，二是分析工人操作动作的合理性，三是分析工序时间，包括手动时间、机动时间等。通过对上述三个要素的定量分析和评价综合，使工人的劳动过程达到了科学合理的要求。按照系统工程的概念，泰勒当时的作法已经具备了系统工程的基本特点。 二次世界大战期间，由于战争所迫，英国成立了世界上第一个跨学科的专家研究组织作战分析小组。这个小组综合运用各类学科知识，使用数学手段合理地确定了雷达、高炮、歼击机的技术性能指标和工作方法，成功地提高了英国的空防能力。在此之后，各国军方争起效尤，纷纷成立了类似的跨学科研究小组，集中解决了运输船队的护航问题，飞机搜索潜艇的问题，港口泊位紧张问题等。在这些研究工作

13、中，逐步产生了运筹学的一些重要分支，例如搜索论、排队论及对策论。而这些跨学科小组的工作方法体系，则形成了系统工程方法论的基础。所以人们常把第二次世界大战看出是系统工程的形成和生长阶段。 战后，跨学科研究小组的工作方式及运筹学被转而运用于经济建设和国防建设之中。伴随着电子计算机技术的发展，系统工程的研究逐步变得成熟起来。1957年，美国学者歌德（H.Good）和麦克霍尔（R.Z.Machol）合著的系统工程学公开出版，这是关于系统工程的第一本正式著作。历时11年的Apollo登月计划的实现，使系统工程的名声陡然大增。从此，系统工程进入了广泛应用和深入发展的阶段。,第三节 系统工程方法论,系统工程

14、解决问题须遵循自己独特的思想方法体系，即所谓的系统工程方法论。自六十年代以来，许多学者曾致力于探索用系统工程解决问题的统一模式。由于世界的多元性，这种企图寻找统一模式的努力未获成功。尽管如此，他们的研究工作却使系统工程的思想方法体系变得比较清晰。下面是具有较大影响的，由美国学者霍尔（A.D.Hall）提出的三维结构体系，见图133所示,知识维,时间维,逻辑维, 规划阶段, 拟定方案, 系统研制, 生产阶段, 安装阶段, 运行阶段, 更新阶段, 摆明问题, 系统指标设计, 系统方案综合, 系统分析,系统选择(优化), 系统决策, 实施计划, 运筹学, 控制论, 管理科学, 工程技术, 社会科学,

15、图133,三维结构体系中的时间维表示系统工程活动中的一般时间步骤，共分七个阶段： 1. 规划阶段：制定活动的规划和战略。 2. 拟定方案：提出具体的计划方案。 3. 系统研制：研制系统的实施方案，提出生产计划。 4. 生产阶段：生产出系统的所有零部件，并提出安装计划。 5. 安装阶段：将系统组装完毕，提出系统运行计划。 6. 运行阶段：将系统投入运行。 7. 更新阶段：系统完成预定任务以后，改造旧系统或以新系统取代旧系统，使之更有效地进行工作。,三维结构体系中的逻辑维给出了系统工程方法中的逻辑思维程序。一般来说，在前述的七个时间步骤中，每一阶段都应尽可能按照这个逻辑思维程序进行。 1. 摆明问

16、题：通过调查尽量全面地收集所论及问题的有关资料数据，划定问题的边界。 2. 系统指标设计：明确系统目标，制定评价系统功能优劣的指标体系。 3. 系统方案综合：经过讨论，根据系统总的目标及问题的边界，形成一组可供选择的系统方案。 4. 系统分析：通过简单分析，首先淘汰明显的不合理方案，然后对余下的备选方案进一步说明其性能特点及系统目标间的关系。这一步骤往往需构成数学或物理模型。 5. 系统选择（优化）：运用定量分析技术对各备选方案进行最优化，根据最优化结果评判各方案的优劣。 6. 系统决策：由决策者根据总体要求和系统环境选择最优方案或几个较好方案来试行。 7. 实施计划：根据最后确定的系统方案组织实施。在实施过程中，如果进展顺利或问题不大，则维持原方案或略加修改。如果问题太多，则需回到前面某个逻辑步骤重新做起。,三维结构中的知识维指出了为完成上述各阶段、各步骤所需要的知识结构。 霍尔的三维结构描述了系统工程的思想