第0讲系统工程概述

第0讲系统工程概述电子科技大学空天院陈敏[e-mail]0引子近四十年來，自然与工程科学、社会科学、人文科学的诸多领域不约而同地、相继地涌现了有关“系統”的新观念、新方法和新技术。——世界正向复杂系统的认知与控制迈进！1何为系统工程？例1：盲人摸象整体部分部分部分部分部分启示1）用全面、联系的观点看待和分析问题，才可能有符合实际的正确认识；2）用正确认识指导实践，才可能把事情办好。例2：蜘蛛是用腿来听声音的？一天，一蜘蛛落在了阿为桌上，阿为发现蜘蛛没长耳朵倒长了许多腿，于是突发奇想：蜘蛛是用腿来听声音的？当日，他就此向生物老师请教。生物老师是个幽默的人，便说：“你设计个实验来证明你的结论吧。”次日，阿为交给生物老师一份实验报告，内容如下：实验目的：证明蜘蛛用腿听声音。实验材料：小刀一把，蜘蛛一只，桌子一张.实验过程：步骤一：将蜘蛛放在桌子上，冲它大喊一声“爬”。现象：蜘蛛开始爬行。步骤二：用小刀将蜘蛛的腿全部去掉，再将蜘蛛放于桌上，冲它大吼一声“爬”。现象：蜘蛛一动不动。结论：蜘蛛用腿听声音！——人类在用自己掌握的技能观测世界问题：1）现代科学理论证实后真的那么可靠吗？波粒二相性、燃素……2）人类文明真的达到了很高水平？物质精神文明、人类的感官发展、暗物质、人类新的飞跃3）如何正确认识世界？认识事物的基本方法时间空间系统工程：①形成科学认识的学问！正确认识合理控制例3：形势判断魏:443万蜀:94万吴:230万谋略“一切人实际出发，实事求是”！——邓小平系统工程：②形成科学策略的学问！例4：泡茶问题华罗庚先生的泡茶想泡壶茶喝。当时的情况是：开水没有开水壶要洗茶壶茶杯要洗火已升了茶叶也有了怎么办?一、问题描述1.目标：喝到一碗清新的热茶。2.条件：已有一个茶壶、一包好茶叶、一个燃着的火炉和可用的凉水水源。3.其它要求：以最节约资源的方式实现目标。4.系统工程研究任务：为解决喝茶问题设计一个行动计划系统(设计一个解决泡茶问题的行动计划)。二、问题分析1资源需求根据我们的日常经验，现代人类的活动通常需要人、财、物等类资源。在这个泡茶问题上，不涉及资金，所需的资源包括：凉水、茶壶、茶叶、茶碗、火炉。这些资源目前都已齐备，且假设除人外没有限制。2目标要求以最节约资源的方式泡一壶好茶。这个问题中，前面提到的各项资源除了人力资源外，都是没有限制的。但实际上，茶壶的大小是确定的，因而所用水是确定的。再假定炉火的发热量及热效率是确定的，那么，一旦装满水的茶壶放到火上，其消耗的能源也是确定的。茶叶使用量是有定额的。所以，在泡茶问题上，前述各项资源除随机干扰外，不存在节约问题。这个问题，唯一涉及的节约问题是关于一种既无限又有限的资源——时间的节约。3系统工程研究任务界定设计一个解决泡茶问题的行动计划，要求合理安排各道工序，最大限度节约时间。三、定性策划几个备选方案根据日常经验，对以上泡茶问题可以有以下三种解法：甲：⑴洗净水壶；⑵灌上凉水；⑶壶放在火上；⑷等水开；⑸水开后，以最快的速度洗茶杯，找茶叶；⑹泡茶，待茶泡好；⑺喝茶。乙：⑴洗净水壶；⑵洗茶杯；⑶找好茶叶；⑷灌凉水；⑸壶放火上；⑹等水开；⑺水开后，用准备好的茶杯、茶叶泡茶；⑻等待茶泡好；⑼喝茶。丙：⑴洗净水壶；⑵灌凉水；⑶壶放火上；⑷洗茶杯；⑸拿茶叶；⑹水开之前，可干一些其它事；⑺水开，泡茶；⑻喝茶。四、方案分析与比较(系统分析)1.列出泡茶所需的全部工序2.确定每道工序所需的时间3.确定各道工序之间的时间连接关系4.分析计算每种方案所需的总时间5.做出比较结论工序列表序号名称紧前工序工序时间(分)1洗壶无12灌水10.53放壶20.34等水开3155洗杯无16找茶叶无17泡茶4，5，62.28喝茶7洗壶灌水放壶洗杯泡茶拿茶叶等水开115110.30.5喝茶2.20.3丙：洗壶洗杯找茶叶灌水等水开放壶泡茶1150.30.511喝茶2.2乙：洗壶灌水放壶等水开泡茶洗杯，找茶叶喝茶12.22150.30.5甲：方案分析甲方案总时间=1+0.5+0.3+15+2+2.2=21乙方案总时间=1+1+1+0.5+0.3+15+2.2=21丙方案总时间=1+0.5+(0.3+15)+2.2=19分析结果：丙方案最节约时间。方案建议：丙泡茶工程经验总结几大步骤：确定问题目标分析需求分析方案策划系统分析（统计、计算、比较）决策建议方案实施系统原理：最优化、并行统筹、工序图法系统工程：③统筹规划与决策优化的学问！何为系统工程？①形成科学认识的学问！②形成科学策略的学问！③统筹规划与决策优化的学问！2系统工程有何作用？个人拥有系统工程思想，掌握系统工程方法，可奠定成为杰出人物的基础！孔子“半部《论语》治天下”老子道家鼻祖，《道德经》《易经》《周易》与《诗》、《书》、《礼》、《乐》、《春秋》等奉为经典，并称“六经”。《史记·孔子世家》：“读《易》，韦编三绝。”孙子兵法影响后世至深，除儒学外，就属它了。影响中外！拿破仑活用《孙了兵法》，成为法兰西皇帝；在波斯弯战争中，美国海军陆战队是人手一冊《孙子》英译本。小结1）掌握国家层面系统知识——国家级人才2）掌握省市层面系统知识——省市级人才3）掌握企业层面系统知识——企业级人才4）掌握专业层面系统知识——专业级人才问题你如何规划你的人生？国家1964年，第一颗原子弹爆炸成功1967年，氢弹爆炸1960年中国仿制近程导弹成功。1964年独立研制的中近程导弹发射成功，揭开导弹、火箭发展史新一页。钱学森一家中国二炮部队地地导弹中国导弹部队中国新型的中远程地空导弹中国各种导弹中国发射地空导弹中国发射洲际导弹卫星技术“东方红一号”重量173公斤，比苏联(83.6公斤)、美国(8.2公斤)、法国(38公斤)、日本(9.4公斤)等国的第一颗人造卫星重量总和还要重。卫星的跟踪手段、信号传递方式、星上温控系统也都超过了其它国家第一颗卫星的水平。中国第一颗人造卫星“东方红一号”“两弹一星”的重大意义打破了美苏两国对中国的核垄断与核威胁展示了我国的实力,尤其是增强了国防力量,提高了中国的国际地位为我国现代化建设创造了安定的环境,也有利于世界和平促进了其他领域(如航天技术)的发展载人航天中国已经成为世界上第三个掌握载人航天技术的国家，成为世界航天大国。太空探测2007年10月24日18时05分，搭载着我国首颗探月卫星嫦娥一号的长征三号甲运载火箭在西昌卫星发射中心三号塔架点火发射。都江堰水利工程1940年，美国贝尔实验室研制电话通信网络时，将研制工作分为规划、研究、开发、应用和通用工程等五个阶段，提出了排队论原理。1940年，美国曼哈顿计划，负责人L.R.格罗夫斯和R.奥本海默应用了系统工程的思路和方法，大大缩短了工程所耗时间。自觉应用系统工程方法而取得重大成果的两个例子是美国的登月火箭阿波罗计划和北欧跨国电网协调方案。小结1）系统工程是使个人走向杰出人物的一把钥匙！2）它是国家、集团取得重大成功的重要工具！(1)社会系统工程：组织管理社会主义建设的技术，研究对象是社会；多层次、多区域、多阶段的特点。(2)宏观经济系统工程运用系统工程的方法研究宏观经济系统的问题，如国家的经济发展战略、综合发展规划、经济指标体系、投入产出分析、积累与消费比例分析、产业结构分析、消费结构分析、价格系统分析、投资决策分析、资源合理配置、经济政策分析、综合国力分析、世界经济模型等。3系统工程典型应用领域(3)区域规划系统工程运用系统工程的原理和方法研究区域发展战略、区域综合发展规划、区域投入产出分析、区域城镇布局和工农业合理布局、区域资源合理配置、区域投资规划、城市规划。城市水资源规划、城市公共交通规划与管理等。(4)环境生态系统工程研究大气生态系统、大地生态系统、流域生态系统、森林与生物生态系统、城市生态系统等系统分析、规划、建设、防治等方面的问题，以及环境检测系统、环境计量预测模型等问题。(5)能源系统工程研究能源合理结构、能源图、能源需求预测、能源供应预测、能源开发规模预测、能源生产优化模型、能源合理利用模型、电力系统规划、节能规划、能源数据库等问题。例如，热电厂提高效率问题。(6)水资源系统工程研究河流综合利用规划，流域发展战略和规划，农田灌溉系统规划与设计，城市供水系统优化模型，水能利用规划，水运规划，防洪规划，水污染控制等问题。(7)交通运输系统工程研究铁路、公路、航运、航空综合运输规划及其发展战略，铁路运输规划，铁路调度系统，公路运输规划，公路运输调度系统，航运规划，航运调度系统，空运规划，空运调度系统，综合运输规划，综合运输优化模型，综合运输效益分析。(8)农业系统工程研究农业发展战略，大农业及立体农业的战略规划，农业结构分析，农业综合规划，农业区域规划，农业政策分析，农业投资规划，农产品需求预测，农业产品发展速度预测，农业投入——产出分析，农作物合理布局，农作物栽培技术规划化，农业系统多层次开发模型等。(9)工业及企业系统工程研究工业动态模型，市场预测，新产品开发，组织均衡生产，生产管理系统，计划管理系统，库存存贮模型，全面质量管理，成本核算系统，成本——效益分析，财务分析，人——机工程，提高生产率方法的系统化，组织理论，激励机制等。例如，国有企业的改革(10)工程项目管理系统工程研究工程项目的总体设计，可行性研究，国民经济评价，工程进度管理，工程质量管理。风险投资分析，可靠性分析。工程成本——效益分析等。(11)科技管理系统工程研究科学技术发展战略，科学技术预测，优先发展领域分析，科学技术长远发展战略，科学技术评价，科技人才规划，科技管理系统等。(12)智力开发系统工程研究人才需求预测，人才拥有量模型，人才规划模型，教育规划模型，智力投资规划模型，人才结构分析，教育政策分析等。(13)人口系统工程研究人口总目标，人口指数，人口指标体系，人口系统数学模型，人口系统动态特性分析，人口参数辨识，人口系统仿真，人口普查系统设计，人口政策分析，人口区城规划，人口系统稳定性，人口模型生命表等。(14)军事系统工程研究国防战略，作战模拟，情报，通讯与指挥系统，参谋系统，武器装备发展规划，后勤保障系统，国防经济学，军事运筹学等。4课程目标本课程强调系统科学的多领域(multi-disciplines)、跨领域(inter-disciplines)、透领域(trans-disciplines)、的知识特性。我们将通过原理与电脑模拟来引入介绍系统的观念，同时延伸至科技与社会活动中，目的在于训练同学独立的感知、理解、分析和解释复杂系统的能力；训练同学解决复杂的系统问题能力，进而使学生在面对未来越趋复杂、变动与高度不可预测性的科技、社会经济环境时，拥有更坚实、更自主、更具适应力的思考和解决问题的能力。5学习目的树立“做事要讲方法”的观念建立起系统思考问题、解决问题的思想掌握系统分析问题、解决问题的方法训练解决复杂科学、社会问题的能力了解本学科的最新发展和动态6学习方法注重系统思考坚持问题导向，理论联系实际采用系统化方法7学习内容1）系统工程的发展史和渊源；2）系统学的重要思想与理论；3）系统工程方法论；4）重要系统工程技术方法；5）典型系统工程案例。8教材与参考书系统工程，汪应洛，机械工业出版社，2008汪应洛：系统工程、系统工程导论——系统工程理论方法应用汪应洛：系统工程（第三版，2003）谭跃进：系统工程原理许国志：系统科学钱学森：论系统工程9考核方式小论文以学习到的系统工程方法对现实生活中的问题进行分析、谋划、决策与规划。10课堂练习试对以下问题进行分析1）对自己的人生进行规划？2）《孙子兵法》的系统架构是怎样的？3）如何找到一个好工作？4）如何进行创新？5）以传感发展为基础，分析科学的发展新方向。6）如何创业？试拟一个创业规划。