系统工程概论

12020/3/261系统工程22020/3/262课程主要内容：第一章：系统工程概论第二章：系统模型化的理论方法第三章：系统最优化的理论方法第四章：系统模拟的理论方法第五章：系统预测的理论与方法第六章：系统综合评价的理论与方法32020/3/263参考书目：系统科学系统工程运筹学水资源系统工程农业系统工程环境系统工程42020/3/264第一节系统概述第二节系统工程概述第三节系统科学的学科体系第四节水资源系统工程第五节农业系统工程第一章系统工程概论52020/3/265第一节系统概述系统概念来源于古代人类社会实践。人类自有生产活动以来，无不在同自然系统打交道。我国古代就有许多运用系统思想解决实际问题的例子，如：1.都江堰水利工程2.丁渭主持皇宫修复3.其它实例实例62020/3/266案例1：都江堰水利工程战国时期秦国李冰父子设计修建的都江堰水利工程，它包括“鱼嘴”岷江分水工程，“飞沙堰”分洪排沙工程，“宝瓶口”引水工程三大主体工程和120个附属渠堰工程，工程之间的联系处理得恰到好处，形成一个有机整体，兼有防洪、排沙、灌溉、漂木、行舟等多种功能，渠道上设置了水尺，根据测得的水位，多级分水，合理控制分水流量，使汹涌急流的岷江化害为利，灌溉了成都平原上14个县的几百万亩粮田。工程完工后，又建立了一套岁修养护制度，每年按规定淘沙修堤，因此，虽然该工程经历二千多年，至今仍发挥着效益，该工程堪称我国古代运用系统思想解决实际问题的典范。72020/3/267案例2：丁渭主持皇宫修复北宋年间，汴都（今河南开封）的宫室在遭到火灾以后，大臣丁渭奉命修建，修建工程的泥土、石料、木材等建筑材料都需从郊外由旱道运到建筑现场，另外，完工后的建筑废弃物又要从旱道运出城外。这在当时是需要花费大量的人力、物力和材力的，丁渭根据工程实际，设计出了一套方案，就是在工地前面的大街上挖取泥土使用，几天以后，大街被挖成了巨沟，并通过护城河与汴河相通，河水流入沟中，船只可直接由汴河驶入工地，于是便可从四面八方运来建筑材料，再也不需经过郊区码头起卸，然后用陆运搬到工地的繁重手续了，在工程将要结束时，再把废弃的瓦砾、灰土等投入巨河，平土以后，重新成为大街。这一设计方案由于系统解决了取土、运输、清除废料和修复街道等多项任务，因此节省了大量的人力、物力和财力，并使工程提前完工。82020/3/2681.1系统思想的形成过程系统思想是进行分析与综合的辩证思维工具。系统思想形成过程，即人类认识客观世界的一个否定之否定的发展过程这个过程可以大致地概括为：→古代朴素的唯物主义自然观→近代形而上学自然观→19世纪的辩证唯物主义自然观→二十世纪中期形成的系统观→现代系统理论92020/3/269系统思想从经验到哲学到科学，从思维到定性到定量的发过程，大致可分为四个阶段，即：第一阶段:古代农事、工程、医药、天文方面的实践成就，以及建立在这些成就之上的古代中国和古希腊朴素的唯物主义自然观（以抽象的思辨原则来代替自然现象的客观联系）；第二阶段:近代自然科学的兴起，以及由此产生的形而上学自然观（把自然界看作彼此不相依赖的各个事物或各个现象的偶然堆积）；102020/3/2610第三阶段:19世纪自然科学的伟大成就（能量转化、细胞和进化论的发现），以及建立在这些成就基础之上的辩证唯物主义自然观（以实验材料来说明自然界是有内部联系的统一整体，其中各个事物、现象是有机地相互联系、相互依赖、相互制约着的）；第四阶段:20世纪中期现代科学技术的成就，为系统思想提供了定量方法和计算工具；112020/3/2611现代科学技术对系统思想方法的贡献（1）在于使系统思想定量化，成为一套具有数学理论、能够定量处理系统各组成部分相互联系的科学方法；（2）在于为定量化系统思想的实际应用提供了强有力的计算工具——电子计算机。这两大贡献都是在20世纪中期实现的。数学表达计算工具哲学=》科学122020/3/26121.2系统的概念、环境、结构与功能1.系统的概念“系统”一词由来已久，目前到处都在使用。但是，在系统理论的形成和发展初期，其定义不尽相同。（1）在韦氏大辞典中，系统被解释为：有组织的和被组织化了的整体；结合着的整体所形成的各种概念和原理的综合；由有规则、相互作用、相互依赖的诸要素形成的集合等。132020/3/2613（2）奥地利生物学家，一般系统论的创始人贝塔朗菲把系统定义为：相互作用的诸要素的综合体。（3）日本工业标准“运筹学术语”中对系统的定义是：许多组成要素保持有机的秩序向同一目标行动的体系。（4）我国著名科学家、系统工程的倡导者钱学森认为：系统是由相互作用、相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机体，而且这个系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。142020/3/2614综合各种定义，我们认为：系统是由若干个（两个或两个以上）相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的元素组成的具有某种特定功能的有机整体。系统概念中包含以下要点：单个元素构不成系统彼此独立的元素不为系统系统是一个有机整体系统具有特定的功能152020/3/2615系统的数学模型表示如下：式中：S——代表系统；E——代表系统中各元素的集合；R——代表系统中各元素之间的关系集。)(E,RS（1-1）162020/3/26162.系统的环境及其相互关系系统的环境就是系统外部整体，或者说包围系统的整个空间。系统环境系统的边界MIEMIE172020/3/2617系统环境适应性发展受到制约系统与环境的关系两个途径实现适应性发展：1、调节系统内部结构，使其适应变化了的环境；2、创造条件改变环境，使其满足系统发展的要求。182020/3/26183.系统的结构系统的结构：构成系统的元素及元素间关联方式的总和。在系统元素不变的情况下，往往把元素间的关联方式就称为结构。系统的结构方式无穷无尽，目前尚无完备的结构分类方法。一般情况下，应注意从以下两方面对系统作结构分类。192020/3/2619（1）框架结构与运行结构（2）空间结构与时间结构当系统处于尚未运行或停止运行的状态时各元素之间的基本联接方式，称为系统的框架结构。系统处于运行过程中相互依存、相互支持、相互制约的方式，称为系统的运行结构。元素在空间的排列或配置方式，称为系统的空间结构。元素在时间流程中的关联方式，称为系统的时间结构。202020/3/26204.系统功能与结构的关系系统的功能实际就是指系统的功用和效能。系统的功能与结构的关系：系统的功能与结构关系密切，结构决定功能，但功能对结构也有重要影响，只有系统的结构合理，系统才有可能发挥出最佳功能。系统的功能不仅取决于结构，它还取决于系统所处的环境及其组织管理水平。系统结构相同，由于所处的环境和组织管理水平的不同，可能表现出不同的功能，同时结构不同的系统，也可能表现出相同的功能。“系统的功能是由系统的结构、所处的环境和组织管理与生产水平等共同作用决定的。”212020/3/26211.3系统的分类和特征1.系统的分类（1）按系统的生成：自然系统与人工系统。（2）组成系统的要素：实体系统与概念系统。（3）按与环境的关系：开放系统与封闭系统。（4）按状态与时间关系：静态系统与动态系统。（5）按照系统的掌握程度：白色系统、黑色系统与灰色系统。222020/3/26222.系统特征目的性（或目的指向性）整体性关联性内部关联外部关联层次性可控性动态性环境的适应性层次结构图不确定性232020/3/2623全球大洲国家地区经济企业单位生态系统群落种群有机体组织细胞内含物政治学社会学经济学生物学全球生态系统层次结构242020/3/26242.1的发展过程1.1930年前后，一般系统论的创始人贝塔朗菲指出了自然界和社会的各种表面上极不相同的领域中存在着某种共性，提出了一般系统论，为系统工程的产生作好了准备。2.40年代，美国贝尔电话公司在发展微波通讯网络时首先应用系统方法，并提出了“系统工程”这个名词。3.70年代后，电子计算机的迅速发展和普及，系统工程得到了广泛地应用。世界上许多国家，都程度不同的应用系统工程来解决本国的问题。这就进一步促进了系统工程的发展。第二节系统工程概述252020/3/26254.系统工程在我国的发展1）二十世纪50年代，力学所第一个运筹学研究组；2）60年代初，华罗庚推广统筹法，国防科研部门“总体设计部”；3）70年代，钱学森发表论文，会议倡议成立中国系统工程学会；4）80年代，系统工程学会成立，会刊《系统工程理论与实践》，始设专业，应用于军事、社会、农业、经济等领域。262020/3/26262.2系统工程的概念和特点1.系统工程定义系统工程这个词来源于英文“SystemEngineering”系统工程是在系统科学结构体系中，它是一门新兴的学科，是以系统为研究对象的工程技术，国内外有一些学者对系统工程的含义有过不少的阐述。现列举一些国内外学者对系统工程所作的解释。272020/3/2627（1）1975年美国科学技术辞典注释系统工程是研究许多密切联系的元素所组成的复杂系统设计的科学。（2）1977年日本学者三浦武雄指出系统工程与其它工程学的不同之点在于它是跨越许多学科的科学，而且是填补这些学科边界空白的一种边缘学科。（3）日本工业标准“运筹学术语”中的定义系统工程是为了最优地达到系统目标而对系统的构成要素、组织结构、信息流通和控制机构进行分析的技术。（4）我国学者钱学森认为系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验与使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的方法。282020/3/2628综合上述各种定义，系统工程是以系统思想为指导，定性、定量相结合，各种理论、方法与技术综合集成，以系统整体最优为目的来研究系统的规划、设计、开发、生产、组织、管理、调整、控制与评价等问题的一门交叉科学。292020/3/26292.系统工程的特点（1）系统工程研究问题一般采用先决定整体框架，后进入详细设计的程序，一般是先进行系统的逻辑思维过程总体设计，然后进行各子系统或具体问题的研究。逻辑思维过程总体设计是指在提出任务的前提下，综合构思研究的内容、方法、人员、进度等问题使系统能够更好地达到预期效果的一种创造性劳动过程。302020/3/2630（2）系统工程方法是以系统整体功能最佳为目标，通过对系统的综合、系统分析构造系统模型来调整改善系统的结构，使之达到整体最优化。（3）系统工程的研究强调系统与环境的融合，近期利益与长远利益相结合，社会效益、生态效益与经济效益相结合。（4）系统工程研究是以系统思想为指导，采取的理论和方法是综合集成各学科、各领域的理论和方法。312020/3/2631（5）系统工程研究强调多学科协作，根据研究问题涉及到的学科和专业范围，组成一个知识结构合理的专家体系。（6）各类系统问题均可以采用系统工程的方法来研究，系统工程方法具有广泛的适用性。（7）强调多方案设计与评价。322020/3/26322.3系统工程的理论和技术基础系统工程是一门交叉学科，有其宽广的理论和技术基础。它们主要是一般系统论、信息论、控制论、运筹学、耗散结构理论、协同学、突变论等一般系统论、信息论，控制论称为“老三论”；耗散结构理论、协同学、突变论称为“新三论”。332020/3/26331.一般系统论系统的整体性系统的开放性系统的动态相关性系统的层次等级性系统的有序性一般系统论是由奥地利理论生物学家贝塔朗菲（1901~1972）首先提出并发展的，主要内容和基本观点有：342020/3/26342.信息论信息论于20世纪40年代末产生，其主要创立者是美国的数学家申农和维纳。信息论是一门研究信息的获取、传送和处理等一般规律的科学。人们根据不同的研究内容，把信息论分成三种不同类型。狭义信息论一般信息论广义信息论352020/3/2635一般信息论：主要研究通信问题，但还包括噪声理论、信号滤波与预测、调制、信息处理等问题。广义信息论：不仅包括前两项的研究内容，而且包括所有与信息有关的领域。狭义信息论：即申