1 系统工程(C类) -系统工程概述 上海交通大学 宋元斌 课程主要内容 n导入案例：丁谓造宫 n系统工程的定义 n系统工程的研究对象 n系统工程的发展历史 n工程案例：普拉德霍湾油田原油运输 2 * 3 * 我国古代系统工程案例 n北宋真宗祥符年间，皇城开封失火，连片宫阙被大火吞噬 n宋真宗下令宰相丁渭立即修缮宫室，希望工期越短越好 丁渭造宫 4 * 丁渭造宫 n工程施工有三个问题： ¨砖：京城内无土烧砖，且外面的砖也难以运进城内； ¨大宗建材：除了砖，其他的大宗建材也难以运进城内 ； ¨建筑垃圾：清墟时大量建筑垃圾在城内无处堆放 n另外，当时的运输手段也非常落后 n丁谓怎么办？ 5 * 丁谓造宫 史书记载 “一举而三役济”，并且“省费以亿万计” 汴 水 宫殿 砖 窑 殿前街道 土 砖瓦 木 石 挖渠、引水、进船 木 石 废墟 6 * 包含至少两个 组成部分----要素 具有一定的功能，且 功能是系统中任何一个 要素所都不具备的 要素之间存在着 相互联系（作用）----结构 系统 2.系统的概念 系统----由两个以上相互联系、相互作用的要素所组成的具有 特定结构、功能和环境的整体。
7 * 为了更好地达到系统目标，而对系统的 构成要素、组织结构、信息流动和控制 机制等进行分析与设计的技术 按照多个目标进行权衡，综合考虑寻求 最优解（或满意解）的方法 美国学者 切斯纳 1967年日本工 业标准（JIS） 规定 1 系统工程的定义 8 * 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总之，系 统工程是一门组织管理的技术 系统是一门跨学科的科学为了圆满解决多个 交叉领域问题，除了需要某些纵向的专门技术 之外，还要有一种技术从横向把它们组织起来 ，这种横向技术就是系统工程 三浦雄武 钱学森 系统工程的定义 系统工程是一门交叉学科 n建立在运筹学、系统理论和现代管理学等 学科的基础上----思想来源； n提供跨学科的程序性技术； n提供跨学科的方法性技术 9 * 10 * 系统工程的定义 n 系统工程是用来开发、运行、更新一个 大规模复杂系统所需思想、程序、方法的 总和（或总称） 11 * 系统工程的研究对象 n系统工程研究对象 ¨大规模复杂系统 n怎么理解“大规模、复杂”？ ¨¨多个目标多个目标 ¨要素众多 ¨关联众多 ¨结构复杂、功能复杂、环境复杂 12 * 系统工程的发展概况 阶段时间重大事件重要贡献 I 1930 美国发展与研究广播 电视 正式提出系统方法（Systems approach）的概念。
1940美国实施彩电开发计 划 采用系统方法，并取得巨大成功 美国Bell公司开 发微波通讯系统 正式使用系统工程（Systems Engineering）一词 II 第二次世界 大战期间 英、美等国的反空袭 等军事行动 产生军事运筹学（Military Operations Research）,也即军事 系统工程 本世纪40年 代 美国研制原子弹的“曼 哈顿计划” 运用系统工程，并推动了其发展 1945 美国空军建立兰德（ RAND）公司 提出系统分析（Systems Analysis ）概念，强调其在系统工程中核心 地位 13 * III 40年代后 期到50年 代初期 运筹学的广泛运用与发展、控制论的创立与应用、电子 计算机的出现，为SE奠定了重要的学科基础 IV1957H.Good和 R.E.Machol 发表第一部《系统工程 》的专著 系统工程学科形成的标志 1958美国研制北极星导弹潜 艇 提出PERT（网络优化技术）， 早期典型的系统工程技术之一 1965R.E.Machol编著《系统 工程手册》 表明系统工程的实用化和规范 化 1961-1972美国实施“阿波罗”登月 计划 使用了多种SE方法，其成功极 大地提高了SE的地位 V 1972国际应用系统分析研究 所（IIASA）在维也纳 成立 SE的应用开始从工程领域进入 到社会经济领域，并发展到了 一个重要的新阶段。
70年代SE的广泛应用在国际上达到高潮 VI80年代SE在国际上稳定发展、在中国的研究与应用达到高潮 案例: 普拉德霍湾油田原油运输 n问题： ¨美国阿拉斯加产油，但北面的普拉德霍湾油田 位于北极圈内最低气温达零下50摄氏度，海湾 常年冰封，陆地常年冰冻 ¨如何将油田开采的原油向美国本土运输？（需 要解决的问题） 案例: 普拉德霍湾油田原油运输 n目的与目标： ¨目的：将油田开采的原油输送到美国本土 ¨目标（行动方向）： n（1）技术上可行 n（2）投资费用省 n（3）运行安全 n（4）对恶劣环境的适应性好 案例: 普拉德霍湾油田原油运输 n模型： ¨设计模型 ¨管道系统受力分析模型 ¨成本估算模型 ¨风险分析模型 ¨运行仿真模型 ¨ 案例: 普拉德霍湾油田原油运输 ----方案评价 n方案1：油轮运输 ¨为了保证技术上可行，需要破冰船引航，费用高 ¨采用油轮运输，安全问题 n一旦出现沉船溢油事故，应急救援费用也很高 n海上运输受恶劣天气（风暴）影响 ¨起点和终点都需要建大型油库， n由于海上运输的不确定性，油库储量需要保持10日产量， n油库体积巨大，投资额也巨大 n方案2：管道运输（加热保持原油流动性） ¨为了保证技术上可行，需要沿途加热原油， ¨加热站建设费用高（特别在北极冻土地带） ¨加热站管理复杂，消耗燃料，运行费用高 ¨加热后，输油管里的热量影响周围环境 n将向周围土层传导，冻土受热后，对管道的支撑作 用改变，引起管道过度变形以致断裂 n为了避免断裂，有一半的管道需要用底部托架支撑 ，费用比普通地下埋管高出3倍 案例: 普拉德霍湾油田原油运输 ----方案评价 案例: 普拉德霍湾油田原油运输 ----方案评价 n方案3：管道运输（浓缩海水保持原油流动性） ¨优化方案2，抓住问题的关键：不是怎么加热和怎 么优化管道结构系统，这是创新的开端 ¨类比创新：汽车油箱怎么防冻的？防冻液 ¨将海水浓缩到含盐量10 -- 20%，掺入原油中，降 低其低温下粘性，避免加热及由于加热造成的管 道铺设费用增加 ¨“综合即创造” 案例: 普拉德霍湾油田原油运输 ----方案评价 n方案4：管道运输（天然气转化成液体后与原油混 合，保持原油流动性） ¨继续优化方案2，抓住问题的关键：在降低原油粘性的同时 ，还能做什么？ ¨石油的知识：埋藏在地下的石油原来是油气合一的，这时 油气混合物的熔点很低，在低温下也能保持较好的流动性 ¨将开采出的天然气转换为甲醇，代替方案3中的浓缩海水 ¨不需要另外铺设支架型天然气管道了，比方案3节省一半费 用 案例: 普拉德霍湾油田原油运输 n方案： ¨方案1：油轮运输 ¨方案2：管道运输（加热保持原油流动性） ¨方案3：管道运输（浓缩海水保持原油流动性） ¨方案4：管道运输（天然气转化成液体后与原油 混合，保持原油流动性） 试想如果在找到方案2后，就只是专注于优化管道运输 工程的规划与设计问题（管道的管径、加温设施设计、 燃料库选址、铺设路线等）情况会怎样？ 案例: 普拉德霍湾油田原油运输 n决策者 ¨收益主体和行为主体：获得开发权的石油公司 组成了阿拉斯加财团，负责设计、兴建和管理 输油管。
¨ 创新能够成功源于决策者的管理理念 案例: 普拉德霍湾油田原油运输 n要兴建这条全长1,286公里 （799英里）的管道面 对种种挑战除了要面对恶劣的环境外，管道还 要越过三座山脉、无数大小河流，以及永冻层 ¨只是测量和地质样本测试就花了五年之久，施工期间还 要不时找来考古学家研究未受挖掘的地点 ¨近半管道要架空兴建，而非埋于地下，以防止冻土融化 和因而产生的移动 ¨管道在地面是“之”字走向的由于管道在地面比在地 下更容易移动，这种的设计为管道横向和纵向移动保留 了空间（可以由地震，或者热涨冷缩引发移动） ¨在设计管道时已经把地震的因素考虑在内，使之抵御了 数次地震，其中一次发生在2002年的地震强度更高达里 氏地震规模 7.9级 案例: 普拉德霍湾油田原油运输 n面对人为破坏或者森林火灾时就变得无能为力 ¨自1995年泄漏次数大幅减少，而1997至2000年间总泄漏 量仅为 6.89 桶 （1.1 立方米） ¨以钢铁制成的管道可以抵挡枪击，但在2001年10月4日， 一位名为 Daniel Carson Lewis的醉酒枪手在利文古附 近把一处焊接部位射穿了一个洞，导致 约6,000 桶 （ 25 万加仑或950 立方米）原油泄漏，事后需要把两公顷 （约1英亩）冻原土挖出并清除。
25 * 都江堰 • 鱼嘴（岷江分流）、 • 飞沙堰（分洪排沙）、 • 宝瓶口（引水） 26 * 作业 1.通过分析丁谓造宫的案例，你认为应用系统 工程思想解决问题的最大困难是什么？ 2.完成悬索桥摇晃的案例分析 2.案例分析资料 n大峡谷中的悬索桥上有车驶过 n峡谷中的强风经常造成桥晃动 n桥上司机紧张 n事故率高发 n过桥车辆少 n影响路桥公司的收益 n怎么解决问题？ 27 * 到底要解决什么问题？ （1）桥梁加固 （2）驾驶行为心理 （3）企业管理 （4）交通安全 28 * 2.案例分析问题 n目标是什么？（到底要解决什么问题？） n系统（问题）的边界如何确定？ n画出系统的结构图（必须注明要素、要素 间联系、功能、环境）； n提出一个改进方案，并画出改进后的系统 结构图； n对比改进前后的系统结构图，说明结构、 功能、系统与环境的关系发生了哪些改变 小组作业 29 * 案例研究： 题目见本PPT右边的插 入文件提示：更多资料 上网查找） 。