系统工程-系统科学方法论及系统

系统科学方法论及系统•按照马克思的时间和认识论的观点，人类的认识总是从实践中总结出来的，也就是说人类在改造自然界的同时，也在改造自己，人类总是在与自然界作斗争的过程中，靠自己的聪明才智取得需要衣、食物。他们在失败的挫折中吸取教训，在成功的喜悦中总结经验，长期的积累。逐步形成了某一方面一整套的认识，研究自然界的一般性方法，即科学论。•系统工程是二十世纪六十年代以后才开始兴起的一门科学，它是以一种思想——系统思想，为指导解决社会实践问题的方法，在我国古代就有很多的系统思想的例实，他们有意或无意地在利用方这种思想，但当时科学技术并不发达，因此还不叫系统工程。谓修复皇宫的故事•宋朝《梦溪笔谈》中记载了这样一个故事，说得是北宋真宗年间，皇宫失火，皇帝召各大臣商议如何在很短的时间内修复好皇宫，而修复皇宫包括清理废墟，取土烧砖，运输建筑材料三大工程，但在当时的条件下，这边是相当繁重的工程，大家都无以言答，当时有个叫丁谓的大臣领了此人，他提出了一个一举三得的方案；在皇宫前的大道上在皇宫前的大道上挖沟取土烧砖，解决了取土烧砖的问题，引汴河水入沟，由汴河从水路运入材料、石材等•建筑材料，解决运输建筑材料的问题，修复好皇宫后将碎砖废瓦再填回原来的沟内以修好大道，解决清理废墟问题，该方案三环节环环紧扣，缺一不可，真可谓一举三济，消费以万计，这正是我国古代劳动人员自发引用这种思想的典型例子，从这个例子可以看出，丁谓在解决问题时，并没有把三个工程孤立地分割开来，而是把他们有机地放在一个整体中，从中找到他们之间的有机联系，从而解决了问题。田忌赛马的故事•战国时期齐王和田忌赛马各从自己上等马、中等马、下等马中选送一匹进行比赛，每输一局，输银千两，齐王的马都比田忌的好，但田忌的下等马与齐王的上等马赛，用上等马对中等马，用中等马对下等马，这样田忌非但没有输，反而嬴了一千两银子，这便是系统中从整体出发，选最优方案，到最后实施的对策策略都江堰水利工程•举世闻名的四川都江堰水利工程是战国时期秦国的太守李冰父子二人主持修建的，都江堰水利工程由渔江分水工程；飞沙堰分洪排沙工程和宝并口引水工程三大主体工程巧妙地结合而成，这三个大主体工程和一百个附属堰形成了相互联系的有机整体，缺一不可，没有渔嘴分水工程就不能把岷江分为内江和外江；没有宝并口的束水作用，就不会形涡流，泥沙就过不了飞沙堰；如果没有飞沙堰，宝并口的束水口就要淤塞，内江之水就无法流入川西平原，正因为这个整体发挥了三个孤立部分所发挥不了的作用，才能导岷江之急流，化害为利，灌溉良田500多万亩。•都江堰的规划和设计及其科学水平就是用今天的系统方法衡量也毫不逊色。系统思想的应用——曼哈顿计划•曼哈顿计划是美国研制第一颗原子弹的计划•第二次世界大战期间，美国总统罗斯福下令向日本广岛投放了第一颗原子弹，对盟国在二战中彻底击败法西斯，对中国的抗日战争最终取得胜利都有不可估量的影响，也为日本人留下了永久的灾难，美国第一颗原子弹计划就是曼哈顿计划。•1940年，爱因斯坦等著名科学家向•美国政府建议研制原子弹，美国总统罗斯福采纳了，组织这种史无前例的工作是很这个建议，请理论生物学家奥本海默来组织领导这项工作。他动员了二万五千名各种专业的科学家和工程师困难的，人员众多，课题繁多，相互交错，他在执行计划的过程中，从整体出发把研究课题分解成大量的小课题，组织很多小课题，负责整个课题的研究工作，同时他又非常注重各课题之间的联系和层次，使全部课题组合•起来，能达到整个计划的最结构。在生产原子弹燃料这一中心项目上，大家论证提出了六种方案，各不相让，他确定一个原则，首先要保证按时完成任务，其他皆是次要的，因此他根据可靠性理论中可靠性低的原件组成可靠性高的系统的原理，决定六种方案同时实验，结果按时•得到了生产原子弹的所需的铀，1994年5月成功地爆炸第一颗原子弹。•在大规模的组织起来完成一项军事科研生产任务的大型系统工程中，时刻从系统的总目标出发，在系统的约束条件下最终完成了目标，但当时还没有系统工程这一词，但国外都认为这是系统工程方法成功的起点。投入产业模型在国民计划经济中的应用•我国计划经济的最基本原理是有计划按比例发展，综合平衡各部门之间按比例发展，系统工程把整个国民经济当作一个大系统。分析总结出投入产出综合模型，对系统中各因子进行分析，确定各部门的投入及生产规模，以求最终平衡，实现安比例发展的目标。•系统工程的应用是相当广泛的，大至我们的国家、社会、各行业、部门、各种服务系统、小至企业、企业的产品开发，经营预测，库存管理都涉及到系统工程管理问题，对于象国民经济各部门如何达到费用最省结构最合理。如何使资源利用最优、利润最大，人员配备问题、几名工人、几项工作，一人只能承担一项工作。当不同的人从事各种工作的效益不同时，如何分配人员才能使全工程组收益最大系统的概念•系统一词的概念和内涵是逐渐发展而来,随社会发展,其内涵还在不断发展和完善.40年代才开始趋于统一.•创始人冯—贝朗费认为:“系统是相互作用的要素的综合体”•Weberster大辞典中系统被修释为组织或被组织的整体；及组织的整体所形成的各种概念和原理的综合，也有规则地相互作用相互依赖的形式组成的诸多要素的综合。•钱学森教授：极其复杂的研究对象，即由相互作用和相互依赖的若干组成的具有特定功能的有机整体，而且这个系统本身有时他丛书的一个更大系统的组成部分。系统概念•我们本书定义：系统是由相互联系，相互依赖、相互制约、相互作用的若干组成部分，按照一定的方式，为了一定的目的组合而成存在于特定环境中具有一定功能的有机整体，这个整体本身又是它所从属的更大系统的组成部分。•在物质世界中，一个系统中的任何一部分可被看成一个系统，而每个系统又可看成一个大系统中的一部分，现代社会，人们穷巷语把事物看成系统整体的一部分。而不是把整体者开成许多相互不联系的属部，这是综合思想，即系统方法系统的特征•从系统的定义看，系统应具有以下六个属性•系统的整体性：首先体现在建立目标是要求系统整体最优化，其次还体现在系统功能和规律是整体的简单相加。•系统的有序性。反系统都有结构，凡结构都是有序的，各组成部分在系统中所处的地位不同，形成不同的层次，该层次关系决定了系统的一定功能。•系统的集合形，系统是有一个或两个以上的可识别的子系统组成，构成多层次的整体，使整体不可缺少的一部分。•系统的关联性，系统各组成部分之间相互联系，相互依赖，相互制约，相互作用的性质叫关联性。正是由于系统的嘎，系统才表现出整体性，才揭示出整体与部分的关系。•系统的目的性，系统的组成部分按一定的目的组合在一起的性质叫系统的目的性。•系统的环境适应性，任何系统总处在特定的环境之中，并与环境不断地进行物质、能量、信息的交换，系统离不开环境，而且必须适应环境的变化，负责系统将不复存在。这种系统随环境的变化而存在的性质叫环境适应性。系统与环境示意图系统环境环境输入输出反馈系统分类•（一）、按组成的自然属性分：1、自然系统。2、人造系统。复合系统。•（二）、按与环境的关系分：1、封闭系统。2、开放系统。•（三）按系统所处的状态分：1、静态系统。2、动态系统。•（四）按系统的规模分：1、大型系统。2、中型系统。3、小型系统。第二章、系统科学与系统工程•一、系统科学的分类1、从纵向分：①、哲学。②、基础科学。③、技术科学。④、工程技术。2、从横向分：①、自然科学。②、社会科学。③、系统科学。④、人体科学。⑤、思维科学系统工程的定义•现代科学技术为系统思想的定量化创造了条件，他为系统工程提供了数学理论和强有力的计算工具计算机。使系统思想发展成为既有指导思想又有时间内用的新的工程技术学科。•工程愿意专指作战兵器的制造和执行服务于军事目的的工作。后来，把服务于特定目地的各项工作的总体称为工程。•用定量化的系统方法处理大型复杂的系统为题，无论是系统的组织建立，还是系统的经营管理，都可以看成是工程实践。系统工程的定义与系统工程有关的又有区别的名称和成谓：•运筹学，之目的在于增加现有系统效率的分析工作。•系统分析，支队若干可供选择的执行特定任务的系统方案进行比较。•系统研究，指拟制系统的实现程序。系统工程的定义•系统工程：是一个新兴的跨学科的工程技术学科，是应用科学，它不仅定性，而且定量地位系统的规划设计，试验研究，制造使用和管理控制提供科学方法，只综合研究的理论和方法。他的最终目的是使系统运行在最优状态。系统工程研究内容不同所具有的特点•系统工程不同于一般的工程技术科学•一般对于技术科学、水利、电力、机械系统工程等事都与形成事物的实体有关，称之为方便科学，而系统工程除包括这类硬工程之外，尚包括一类这种的组织，管理国外称之为“软”科学的类容。•系统工程涉及到各种学科，各个领域的各种类容•在处理某个系统时，首先涉及该工程项目的专业技术，系统工程是跨越各学科专业的横向联系，如林业专业技术工程，它主要研究森林的培育和森林的开发利用技术，而林业系统工程则是综合林业社会，经济、生态及其他专业技术系统等处理森林培育和森林开发利用的问题以实现林业撒大效益的最优化。•在系统工程中，概念、原则、方法是主要的、本质的、而在这当中应用的具体教学方法和计算技术是处理和解决系统问题的手段和工具。•任何系统诗人、设备、过程的有机结合，其中人是最主要的因素，以人为中心。系统的系统工程包含的基本定律和基本观点•基本定律：系统性能、功效不守恒定律，即当系统发生变化时，质量、能量守恒，但性能和功效不守恒，。且不守恒形式普遍的和无限的。•系统的变化：由子系统合成两大系统；有大系统分成子系统；•系统内部结构的变化：•不守恒：产生新的性能和功效；原有性能，功效增强会减弱、消逝；•普遍性：指任何系统都具有这种性质•无限性：低级系统向高级系统发展是无限的，在变化时系统的性能，功效是复杂变化的。•该定律的主要依据是；（1）、由物质不灭定律和能量守恒定律可知，系统内部物质、能量和信息在信息流动过程中，物质是不灭的，能量是守恒的，（2）、由于系统内部结构的变化，系统内的物质在信息、能量、等发证叠加，从而改变了系统的功效和性能。（二）用系统工程处理问题的基本观点•1、整体性观点：全局性观点，以整体为出发点，以整体为归宿。•（1）处理问题要遵循从整体到部分分析，再从部分到整体进行综合处理的途径。•（2）组成系统的各部分处于最优状态，系统未必处于最优状态。•（3）整体要处于最优可能要牺牲某些局部利益。•（4）不完善的子系统经过合理组合可能形成性能•综合性观点：所谓综合性观点就是在处理系统是，把对象的各部分各因素联系起来加以考虑，从关联中找出事物的规律性的东西，系统工程就是指综合研究的理论和方法，阿波罗登月计划就没有一项新的发明，全都是对现成的科学成果和技术综合加工而成，因此，在处理系统工程师，必须由专业组的“T”字形人才组成委员会的形式。•4、关联性观点：只从系统各组成部分的关联中探索系统的规律性的观点，因为系统各因素是相互关联的，也正是由于这些关系型材决定整体性，所以要设法明确这些因素间的关系，钱伟长教授在介绍系统工程师曾风趣的说系统工程为“关系学”•解释系统各组成部分之间的关系，是靠分析和观察、试验的来得，而不是凭空臆造和估计的。•5、实践性观点：勇于实践、敢于探索在各种系统工程实践中，用好各种方法和理论。系统工程不是束之高阁的空头理论，也不是玄妙的数学游戏，是来自于实践又为实践服务的理论和方法。第二节系统工程的研究方法和步骤•在系统思想的指导下，综合的系统方法，反馈方法，信息方法就构成了处理系统问题的基本方法。•系统工程有它独特的工作程序和体系，英国学者（hall）霍尔最早提出了系统工程的三维结构体系，它是一个由时间维，逻辑维，知识维组成的一个立体的跨学科的体系。一、时间维•时间维是指系统从规划到使用、更新的全过程按时间序列分成七个阶段•①规划阶段②初步设计阶段•③系统开发阶段④生产阶段•⑤安装阶段⑥运行阶段•⑦更新阶段二思维过程的逻辑维•问题阐述：主要包括对系统的认识，了解系统环境目的，系统各组成部分及联系。把系统的一