系统工程

系统工程（SystemsEngineering）主讲：刘永红1•谁不想在竞争中取胜：）•谁不想旅游的地方多而花钱少：）•谁不想找一个好工作：）•……•不断提高科学素养，技术素养，工程素养•本课程的核心概念：系统、工程、系统工程……课程内容简介系统工程(Systemsengineering，SE)是20世纪中期兴起的一门新兴的交叉学科，它主要是应用定性分析和定量分析相结合的方法，通过建立实际对象的数学模型，应用合适的优化算法对模型进行求解，从而解决实际问题。运用系统工程的思想、方法和先进的工具（以计算机为核心的）去解决大型复杂问题，实现总体效果最优的目的。对系统进行科学预测和决策分析，为决策者提供科学、技术和工程都可行的有效的支持。3学习要求•教材：梁迪,主编，系统工程[M]，北京：机械工业出版社，2005•教材：第1—8章，第10，11章•重点章节：第5章掌握本课程的原理与方法，建立系统和系统工程的思想，熟悉若干常用的基本概念和计算方法。对系统工程方面的复杂问题应具有一定的分析问题和解决问题的能力。个人研究与小组讨论相结合方式对案例进行分析，提高实际应用的能力。对布置的思考题、习题和案例讨论题要认真准备，按时完成作业和书面报告（或小论文）。5参考资料1.梁迪,主编，系统工程[M]，北京：机械工业出版社，2005（本课程教材）2.汪应洛，主编，系统工程[M]，北京：机械工业出版社，20033.《运筹学》教材编写组编，运筹学[M]（修订版），北京：清华大学出版社，1996杨家本，主编，系统工程概论[M]，武汉：武汉理工大学出版社，2003AlexisJacguemin,IndustrialEngineering[M],OxfordUniversityPress,1986刘永红，系统工程课程建设与创新[J]，装备制造技术，2007（6）：152-15361.系统工程概述•1.1系统工程的一个典型实例•1.2系统工程的产生与发展•1.3系统及系统工程的定义•1.4系统工程的地位和作用•1.5系统工程的理论基础71.1系统工程的一个典型实例战国时期，齐王与一名大将田忌赛马，双方约定各出3匹马，分别为3个等级（上等马、中等马和下等马），问田忌战胜齐王的对策是什么？上等马用1表示，中等马用2表示，下等马用3表示。齐王与田忌各有6个策略（组合）：1，2，31，3，22，1，32，3，13，2，13，1，28•屠呦呦这个名字犹如平地惊雷，给无数国人带来巨大亢奋.周维善院士说：“青蒿素系列药物的研制是一个非常复杂的系统工程，有众多研究人员的参与，不是任何一个单位或个人可以包打天下的，别人做了许多工作，我只是做了其中一部分化学基础研究。”起因：越南战争•1961年5月，美国派遣军队进驻越南，越南战争爆发。交战中的美越两军深受疟疾之害，减员严重，是否拥有抗疟特效药，成为决定战争胜负的关键。美国投入巨额资金，筛选出20多万种化合物，但没有找到理想的药物。越南则求助于中国。机密：中国系统工程取得成功•1967年，在毛泽东主席和周恩来总理的指示下，来自全国各地的科研人员聚集北京就疟疾防治药物和抗药性研究工作召开了一个协作会议；一个旨在援外备战的紧急军事,一项具有国家机密性质、代号为“523项目”的计划就此启动了。因为启动日期是5月23日，这是一个集中全国科技力量联合研发抗疟新药的大项目，60多个单位的500名科研人员参与，屠呦呦是其中一位。项目短期的目标是要尽快研制出能在战场上有效控制疟疾的药物(到1969年已确立三种防治方案)，而它的长远目标是通过筛选合成化合物和中草药药方与民间疗法来研发出新的抗疟药物。••由于“523项目”具有军事机密的性质，项目的研究结果是不允许向外公布的。在“文革”时期，发表科学论文也是不可能的。这种种原因导致这项工作当时并不被523项目以外的人所知，但课题的研究信息与进展还是以报告的形式在研究人员的内部会议上进行了自由的交流。•1969年1月，屠呦呦以中医研究院科研组长的身份，参加了“五二三项目”1.2系统工程的产生与发展系统工程来源于千百年来人们的生产实践，是由点滴经验的总结形成的。在中国，早在2600多年前就有了《周易》，其后，孔子所作的《易传》，老子创始的道家，庄子的《天运》、《黄帝内经》、《易经》等。人类社会有了战争，就逐渐形成了战略。如孙武的《孙子兵法》。上述试图对自然的演化、社会的发展作出统一解释，他们把世界看成是一个由基本要素组成的，动态演化的，多层次的系统整体，主张从整体上把握系统世界。在西方，大体也同样的久远，古希腊泰勒斯（Thales）、赫拉克利特（Herakleitos）探索组成万物的要素，德谟克利特（Demokritos）提出构成宇宙系统要素的原子论，以及亚里士多德（Aristoteles）的“整体大于各部分的总和”更是现代系统论的最基本思想。10进入18世纪，工业革命有力地推动着社会化大生产，同时也极大地推动着社会的前进。在这种背景下，马克思主义的诞生，标志着人类认识史上的一次伟大飞跃，把系统观作为对世界的总的看法包括在唯物辩证法中。现代系统思想——以系统科学为标志，其诞生应该说是进入20世纪之后的事。系统科学的早期工作多出于电子科学家和自动控制理论专家之手。此外，一般系统理论是由理论生物学家贝塔朗菲提出的。系统工程的前身，即运行分析（OperationsAnalysis）与运筹学（OperationsResearch）到20世纪40年代才出现。20世纪40年代出现了“系统工程”一词，这是对当时一些工程实践中卓有成效的新观点新方法的命名。11国外系统工程发展大体可分为三个时期：•1.萌芽时期（1900—1956）•美国贝尔电话公司的EigiMolina和丹麦哥本哈根电话公司的AikiErlang在研究真自动交换机时运用了排队论的原理，提出了埃尔朗公式，到麻省理工学院的ViBush教授研制出机械式微分器和J.P.Eckert博士成功研制了电子数字计算机时才把系统工程作为分析工具。•其次，是在第二次世界大战期间出现了运筹学，开始应用大规模系统。首先是英国将系统工程应用于制订作战计划，如解决护航舰队的编制，防空雷达的配置，提高提高反潜艇的作战效果以及民防等问题，广泛应用了数学规划、排队论、博弈论等方法。•再其次，是1940年美国组织了25000名科技人员，120000名生产人员，由加州理工大学理论物理教授奥本海墨领导花了3年半时间，制造出世界第一颗原子弹。1945年美国空军建立了兰德（RAND）公司，创造了许多数学方法用来分析复杂系统，后来借助电子计算机取得了一些显著成果。•1950年麻省理工学院试验了系统工程学的教育，1954年开出了工程分析课程，直到1956年美国个别杂志出现了少数系统工程的文章。而军事上早就得到了广泛应用。12•二次世界大战时期，德国空军对英伦三岛狂轰滥炸，为对付敌人的空袭，英国人使用了雷达，但没有科学的布局，防空系统的效率并不很高，为解决这个问题，英国军方于1939年9月从全国各地调来一批科学家，共11人，他们中有将军1人、数学家2人、理论物理学家2人、应用物理学家1人、天体物理学家1人、测量学家1人、生物学家3人，来到英国皇家空军指挥部，组成了以著名的物理学家、诺贝尔奖金获得者P.M.S.Blacket为核心的世界上第一个运筹学小组，他们的任务就是应用系统论的观点，统筹规划的方法研究作战问题，这个运筹学小组在作战中发挥了卓越的作用，受到英国政府极大的重视。于是，英国政府逐渐在它的海陆空三军中都成立了运筹学小组，美国参战以后，也仿效英国在军队中成立了运筹学小组。13在生产管理方面的应用，最早是1939年前苏联的康特洛为奇提出了生产组织与计划中的线性规划问题，并给出解乘数法的求解方法，出版了第一部关于线性规划的著作《生产组织与计划中的数学方法》。但，当时并没有引起重视，直到1960年康特洛为奇再次出版了《最佳资源利用的经济计算》，才受到国内外的一致重视，为此康特洛为奇获得了诺贝尔经济学奖。线性规划提出后很快受到经济学家的重视，如二次世界大战中从事运输模型研究的美国经济学家库普曼斯（T.C.Koopmans），他很快看到了线性规划在经济中应用的意义，并呼吁年轻的经济学家要关注线性规划。其中阿罗、萨谬尔逊、西蒙、多夫曼和胡尔威茨等都获得了诺贝尔奖。人们认识到数学作为系统工程的“金钥匙”地位。14•2.发展时期（1957—1964）•美国密执安大学的H.Goode和R.E.Machol两位教授在1957年所著的SystemEngineering一书中正式定名。1958年美国在北极星导弹的研究中首先采用了计划评审技术（PERT），有效地进行了计划管理，从而将系统工程推向了新的领域。其后，1962年A.D.Hall写的《系统工程方法论》一书。•20世纪60年代初，美国、英国、日本和加拿大等国家将系统工程用于地下矿和露天矿的开采。这个时期开始出现大量有关的杂志和书籍。•3.初步成熟期（1965—1980）•20世纪60年代以后，对于复杂大系统，人们设想采用分析与积集两个过程而形成的多级递阶控制结构。1965年美国数学家Zadeh提出了“模糊集合”的概念。•美国组织了42万人，耗资几百亿美元，用了13年时间使宇航飞艇登陆月球的阿波罗计划成功了。•70年代以后，系统工程的应用渗透到社会系统，技术系统，经济系统的最优控制，最优管理。•80年代以后，在工农业、交通运输、能源、战略等部门对大型工程项目要求做系统分析、可行性报告，方案才能够评审。•系统工程在80年代是“遍地开花”的时期。154.成熟时期（1990—2000）上世纪90年代，由于计算机的飞速发展，系统工程有了更大的发展，一些以前看来不好解决的复杂问题得到了满意的解决。这个时期许多系统工程专业开始创建起来。系统工程学科的发展更加面向于解决复杂系统中的建模和优化问题，它与信息学科和控制论密不可分，互为补充，它更主要促进人们对自然界和人类社会错综复杂，相互交织的及其内在联系给以新的认识，从而把人类带进一个新的时代，也就是人类开始用系统的方法去思考问题和解决问题的时代。本世纪以来，现代科学技术活动的规模有了很大的扩展，工程技术装置的复杂程度不断提高，计算机的运算能力越来越强大，使得系统工程在世界范围内迅速发展起来，许多国家都有不少重大工程研究成果。如，今年我国就有两个举世瞩目的伟大成果，即一个是成功举办了两个奥运会，再一个是“神七”重大项目取得了圆满成功。我们国家的航母项目就把老外搞的晕头转向。“奥运举办之日,就是我中华腾飞之时!”一个世纪前,著名爱国教育家张伯苓曾这样预言。百年梦想今日成真。武汉还要申请下一次奥运会呢。现代科学技术对系统工程的贡献在于把系统概念具体化，就是说不能够空谈系统，要有具体分析一个系统的方法，要有一套数学理论（如，运筹学），要定量地处理系统内部的关系。16我国系统工程的发展•中国科学院于1956年在力学研究所成立“运用（Operation）组”，即后来“运筹组”的前身。到1980年成立“系统科学研究所”、成立“中国系统工程学会”，同年下半年，中央人民广播电台和中央电视台都主办系统工程讲座。•1986年钱学森发表“为什么创立和研究系统学”，把我国系统工程研究提高到基础理论上，从系统科学体系的高度进行研究。17在中国，最早的运筹学思想有战国时期的田忌赛马，它是对策论的一个典型例子，北宋时期的丁渭造皇宫，它是统筹规划的一个例子。•50年代中期，钱学森、许国志等教授在国内全面介绍和推广运筹学知识，1954年钱学森所著《工程控制论》一书英文版问世，1956年，中国科学院成立第一个运筹学研究室，1957年运筹学运用到建筑和纺织业中，1958年提出了图上作业法，山东大学的管梅谷教授提出了“中国邮递员问题”。60年代，在钱学森领导下，我国导弹等现代化武器总体设计取得了丰富经验，国防尖端科研的“总体设计部”成效显著。他在系统工程方法论方面有深刻的研究，提出了现代科学技术的