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39-1第一章矿业系统工程简介•第一节系统概述•第二节系统工程概述•第三节应用系统工程的几个基本观点•第四节系统工程方法论•第五节采矿系统工程39-2第一节系统概述•1.1企业生产中的流•任何一个企业，全部活动可以概括为物质、能量与信息的流动过程。以煤矿为例，输入的物质和能量为材料、设备、电能、新鲜风流等，输出的物质和能量为煤、矸石、排出的水、排出的风流等。资金是物化劳动，它的周转也属于物质的流动过程。控制企业信息反馈决策控制输入流输出流物质、能量、信息物质、能量、信息39-31.2系统的概念•把自然界和人类社会的这样一些由相互关联、相互制约、相互作用的一些部分组成的、具有某些功能的有机整体，叫做“系统”。•生物、城市、汽车、电子计算机、家庭、采煤机、输送机可以是一个系统。—个工作面，一个现代化矿井也可以是—个系统，工业、农业甚至一个国家、整个世界、银河系部可以认为是一个个系统。39-4•系统具有输出某种产物的目的，但它不能无中生有。也就是说，系统输出必需有输入并经过处理才能得到。输出是输入处理的结果，代表系统的目的；处理是使输入变为输出的一种活动，一般由人与设备分别或联合担任。输入、处理、输出是组成系统的三个基本要素，加上反馈就构成—个完备的系统，其框图如图所示。39-51.3系统的特征•(1)目的性•(2)集合性•(3)相关性•(4)阶层性(或层次性)•(5)整体性•(6)环境适应性•(7)动态性39-61.4系统的分类•1．无机系统、生物系统和社会系统•2．自然系统与人造系统•3．实体系统和概念系统•4．静态系统和动态系统•5．封闭系统与开放系统39-71.5系统模型及其建立•1．模型的概念•为了对某个系统进行研究，需要构筑一定的信息体系，即模型(model)。•2．模型的分类•模型可以划分为物理(physical)模型和数学(mathematical)模型，其中物理模型是建筑在系统之间某些相似性能上，利用有关的物理定律来控制模型，例如利用机械系统与电力系统的相似性，或电学与流体力学的相似性来构筑模型；数学模型则用数学符号和等式来表达该系统的特征。模型又可划分为静态的(static)与动态的(dynamic)，静态模型仅反映系统处于平衡状态时的指标，动态模则则可反映由于系统行为随时间进展而引起的系统变更。•对于数学模型而言，按其求解方法，可采用解析方法(analyticalmethod)或数值方法(numericalmethod)。前者是用数学理论的演绎推理方法去求得模型的解；后者则应用一系列的计算程序去一步步求解。•按照系统中行为发生的特点，模型还可划分为确定型的(deterministic)与随机型的(stochastic)。后者因有随机性变量参与，所得结果带有随机变动性。•另外，按照某一系统随周围环境做连续式渐变成间断式突变，系统又可划分为连续系统(continuoussystem)及离散系统(discretesystem)，在构筑模型及其解法上亦各具特点。•模型可做如图1-3所示的分类[6]。39-839-9•3．系统模型建立步骤•系统模型建立的步骤，因时因地而异，并无一定之规。图1-4所示模型建立过程可供参考。39-10•4．对于建立模型应有如下基本要求•1）客观性•水远不要忘记，模型是用来反映某一系统的本质并对其分析研究的工具，因此，从模型的建立、资料的收集到运算结果的检验，都要从该系统的客观实际出发，使模型做到出于母体，服务母体。•2）准确性•设立正确的参数及表达式，以求尽可能确切反映系统内诸要素的特征及其相互联系，确切反映其随时间、地点、条件而发生的变化。•3）简明性•客观系统往往是庞大复杂，必须通过尽可能的简化与抽象，抓住系统中那些本质的、重要的因京，舍弃那些次要的、纫枝末节的因素，以便建立起反映系统实质的模型。当然，这种简化是相对的，是针对具体课题的需要；过分简化将不能反映系统的实质。•4）通用性•所建模型应尽可能适用于类似条件的系统。当然，所谓通用也是相对的，在一定范畴内通用的模型，在更广大的范畴中则未必适用。这里也不排斥在特定条件下建立专用模型的可行性。39-11第二节系统工程概述•2.1系统工程的涵义•1．世界各地对系统工程的描述•系统工程(SystemsEngineering)是一门新兴的、综合性很强的边缘学科，尚处于发展阶段，所以至令尚未形成统一的定义。•(1)1967年日本工业标淮JIS规定；“系统工程是为了更好地达到系统目标，而对系统的构成至素、组织结构、信息流动和控制机构等进行分析与设计的技术”。•(2)1967年美国学者切斯纳指出：“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，而这些功能切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，每一系统都有—定数量的目标。系统工程则是按照各个目标进行权衡，全面求得最优解的方法，并使各组成部分能够最大限度地互相适应”。•(3)1971年日本学者寺野寿郎指出：“系统工程是为了合理地开发、设计和运用系统而采用的思想、程序、组织和方法的总称”。•(4)1977年日本学者三浦武雄指出：“系统工程的目的是研制系统，而系统不仅涉及到工程学领域，还涉及到社会、经济和政治等领域。为了适当解决这些领域的问题，除了需要某些纵向技术以外，还要有一种技术从横的方向把它们组织起来，这种横向技术就是系统工程，也就是所研制系统所需的思想、技术、方法和理论等体系化的总称”。39-12•2．我国著名科学家钱学森对系统工程的建立和发展•他用马克思主义哲学作指导，提比了清晰的现代科学技术的体系结构，其中包括系统科学结构。他认为：系统工程是一大类工程技术的总称，“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”。他说，“用定量化的系统方法处理大型复杂系统的问题，无论是系统的组织建立，还是系统的经营管理，都可以统一地看成是工程实践。把服务于特定目的的各项工作的总体称为工程，加水力工程、机械工程、土淫工程、电力工程、电于工程、冶金工程、化学工程，等等。如果这个特定目的是系统的组织建立或者是系统的经营管理，就可以统统看成是系统工程。国外称运筹学、管理科学、系统分析、系统研究以及费用效果分析的工程实践内容，均可以用系统的概念统一归入系统工程；国外所称运筹学、管理科学、系统分析、系统研究以及费用效果分析的数学理论和算法，可以统一看成是运筹学”。在钱学森提出的科学技术的体系结构中(见图l-5)，系统工程属于工程技术。工程技术的理论基础是技术科学。运筹学属于技术科学层次，是系统工程的理论基础。这样，钱学森同志便将“人各一切，莫衷一是”的情况澄清为“分门别类，共居一体”。他给了系统工程一个确切的描绘，并进而论述了系统工程在整个系统科学体系中所处的地位。39-1339-14•3．系统工程的定义•系统工程是系统科学的重要组成部分。它以系统论的思想、观点为指导，以控制论、信息论和运筹学等为方法论，以行为科学和各类工程科学为背景，综合运用应用数学、运筹学等优化技术和计算机等为手段，把研究对象作为系统对其进行分析、设计、评价、建造、控制和组织管理，使其各组成部分互相协调、互互配合以达到系统的整体功能和效益最佳的一门工程技术。39-152.2系统工程的形成和发展•1．形成•系统工程的产生不是偶然的。正如列宁所说，管理的艺术并不是人们生来就有，而是从经验中得来的。系统工程来源于千百年来人们的生产实践，是点滴经验的总结，是逐步形成的。如前所述，系统思想和系统工程方法的实践版用可以追溯到古代，如我国战国时期(公元前250年)李冰父子主持修建的都江堰水利工程，至今仍不愧为一项杰出的系统工程典范，当然还有其它历史实例。但是，系统工程作为一门学科还是形成于本世纪五十年代。二十世纪以来，出于社会生产力的高度发展，现代科学技术活动的规模有了很大扩展，工程技术复杂程度不断提高，使自然科学，技术科学以及社会科学之间的整体性联系日益突出。五十年代中期，系统工程正是适应这种整体性联系而创立的—门新兴的边缘学科。•系统工程的思想并不是现在才有的，历史上就有不自觉地运用了系统工程方法的例子。39-16•2.工程实例一•宋真宗时，皇宫烧毁，丁渭主持修复工程。修复时他先将皇宫前的一条大街挖开，形成一条大沟，用挖出的土就地烧砖；然后将河水引入大沟运送建筑材料；在皇宫竣工后再将废墟上的瓦砾填进沟内，修复原来大街。这是一举三得的最优施工方案。39-17•3．世界上的发展•①最早引入系统概念的是美国的泰勒(F．W．Talor)。他在1912年发表的《科学管理原理》一书中提出了现代系统的概念。一般认为，泰勒的理论和实践标志着传统管理时代的结束，科学管理时代的开始，因此，欧美企业史家们称他为“现代管理学之父”。•②二战期间，英国为了研究武器（雷达）的有效运用而产生了运筹学，战后迅速推广到一般经营管理方面，发展相当迅速。1945年，美国军事部门设立了兰德公司，开发了许多系统数学分析方法，解决了不少实际问题，奠定了今天系统工程的基础。•③1957年，H.古德(Goode,H.)和R.马乔尔(Machol,R.)出版了名为《系统工程》的著作。•④电子计算机的出现(1946年)和普及(60年代末)，为系统工程提供了强有力的运算工具和信息处理手段，同时，它也促进了运筹学和大系统理论的发展及广泛应用，成为实施系统工程的重要物质基础。39-18•4.工程实例二：美国50年代的“北极星”导弹的研制和60年代“阿波罗”登月计划的制定，就是两个成功地运用系统工程方法的例子。美国在1956年着手制定北极星导弹计划，有1100家企业参加研制工作。实施计划过程中，创造了计划评审技术。由于采用了这种方法加上其它措施，使北极星导弹的研制计划提前2年完成。美围的阿波罗登月计划是运用系统工程处理复杂大系统的一个成功例子。该计划历时11年(1961~1972年)，参加研制的工程技术人员42万人，2万多家公司和工厂，大学和研究机构120所，使用了600多台电子计算机，耗资300多亿美元。由于采用了系统工程的方法，使计划按时完成。该计划的成功，引起了人们对系统工程的广泛注意和重视。39-19•5．综述•系统工程的形成，从20年代泰勒的科学管理，40年代运筹学的产生和发展，使管理科学与最优化技术结合了起来，到50年代初形成了系统工程这一学科的体系，60年代电子计算机的发展和现代控制理论的创立，为系统工程的发展提供了强有力的手段和重要的理论、方法。70年代以后，行为科学、思维科学以及知识工程、模糊集和灰色理论等新学科渗入到系统工程，使它的功能和作用更加强化，应用范围更加扩大。系统工程作为一大门类的新兴的边缘学科，它还在发展中。39-20•6．我国的发展•①1956年，在中国科学院力学研究所建立了我国第一个运筹学研究小组。•②华罗庚教授从60年代初期起在我国大力推广“统筹方法”(计划评审技术)，并取得显著成就；在这同时，随着国防尖端技术科研工作的发展，我国在系统工程的总体设计组织方面也取得了丰富的实践经验。•③1979年10月，在北京举行了首次全国性的系统工程学术讨论会，国务院领导、军委领导和有关部门领导出席了会议的开幕式，体现了党和政府对系统工程在四化建设中作用的重视。•④1980年初，中国科学院系统科学研究所正式成立。此后，系统工程在工业、农业、军事、以及科研、教育”计量等部门的各有关领域得到了广泛的研究和应用。39-21•2.3系统工程与一般工程技术的区别•系统工程与其他各门工程技术一样，都是以改造客观世界使其符合人类需要为目的，都要从实际的条件出发运用基础科学和技术科学的基本原理，都要考虑经济因素和经济效益。但是系统工程的对象、任务、方法以及从事系统活功所需要的知识结构与一般工程技术相比又有明显的区别：•1．工程概念不同。一般工程技术的“工程”概念是指把自然科学的原理和方法应用于实践，设计和生产出诸如机床、电机、仪表、厂房等有形产品的技术过程。系统工程的“工程”概念是指不仅包含“硬件”的设