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系统与系统工程概述第1页，本讲稿共46页引言:系统科学的产生与发展近现代科学的前身是古希腊的自然哲学。古代人们抽象出各种“元素”来解释其外部世界。自古以来，不少人坚信世界是由简单规律支配的。由于知识水平或条件的限制，人类只能从生活中抽象出各种“元素”，然后再用这些元素来解释我们的生活。这是一种朴素的自然哲学观念。前苏格拉底以来，自然哲学的一个基本问题是探询有序是如何从复杂的无序和混沌的物质状态中出现的。他们将自然现象的复杂性根据经验还原为“原初”、“原素”，进而发展为后来的水、气、火、土等基本元素。第2页，本讲稿共46页古代对事物运动的认识也体现了这一基本思想，他们认为事物变化的背后具有永恒的不变的运动形式，直线运动和圆周运动就是最理想的基本运动形式，世界万物的运动最终都可以归结为这两种运动。（本轮-均轮技巧就是用来解释这种认识的。）“简单性不仅仅理解为方法上简单省力所需，而哥白尼却把它作为真理的一个特征。因此，从柏拉图到哥白尼的天文学学说都声称：要将天上系统的表面的复杂性归结为某种简单的真实运动的框架中！”近代科学逐渐从自然哲学中分化出来。恩格斯指出：“真正的自然科学只是从15世纪下半叶才开始，从这时起它获得了日益迅速的进展”。第3页，本讲稿共46页世界简单性信念也是近现代科学研究的重要传统和发展动力之一。因此，寻求万物之源也就成为近现代科学研究的根本目的之一。伽利略将自然看作是一个简单有序的系统，它的每一个过程都是有序的、必然的。他相信，天上和地下的自然动力学受相同数学规律的支配。笛卡尔将物质和意识完全孤立起来，他认为thebodyasabiologicalmachineandthemindassomethingapartfromthebody.人只不过是比动物更复杂的机器。并且认为amachineisbuiltupfromdistinctpartsandcanbereducedtothosepartswithoutlosingitsmachine-likecharacter.这被叫做CartesianReductionism.笛卡尔为近现代科学研究定了一个基调，那就是machinemetaphor“机械论隐喻”。第4页，本讲稿共46页牛顿为近代科学研究建立了一个相对完整的机械论范式。牛顿范式（Newtonianparadigm）建立在笛卡尔二元论基础上，其中心议题是运动（dynamics），使用微分方程等来表示事物运动及其轨迹。根据这种范式，事物的运动可以用精确的动力方程来描述，如果知道各粒子在某时刻的位置、速度、质量，那么其所有时刻的位置速度都是确定的。在这里，世界是一个确定性的运动过程，自然也成了一个缺乏生命力的可逆的物质世界。从某种意义上说，爱因斯坦的相对论和量子理论对牛顿范式提出了挑战。但是，爱因斯坦假设光速不变，并将牛顿运动定律限制在特定的惯性系中，这也只是将时间纳入了时空方程，形成了一种包括时间维在内的四维时空。与此相似，量子理论也将时间看作是可逆的，虽然它引入了概率概念第5页，本讲稿共46页牛顿的绝对时空观对近现代科学研究产生了巨大影响，牛顿范式被认为是科学建模的基础，寻找推动复杂事物运动变化的简单规律被认为是科学研究的目标。以牛顿范式为基础的近代科学研究取得了令人瞩目的成果。然而，它所使用的方法论是机械论，即把事物分解开来进行研究，以为低层次和局部问题分析清楚了，高层次和整体问题也就自然清楚了。在生物学研究中，这就意味着要将一切生物现象的研究还原到分子水平，只要分子水平的问题认识清楚了，一切生物问题也就自然清楚了。也就是说，“分子生物学就是生物学的一切”。第6页，本讲稿共46页然而分子生物学并没有解决生物问题，相反，它使人们对生物体的整体认识更加模糊了。另外，为了应和牛顿引力定律的需要，一些生物学家还盲目地使用了一种具有物质性和受不可见力作用的活力来解释生命活动。当然，后来有不少学者认为这样的活力是超越化学物理定律的。因此，到了20世纪二、三十年代生物学家几乎普遍地否定了活力论。贝塔朗菲用机体论代替了活力论和机械论。他通过开放系统来定义和描述生命体，即开发系统通过持续地与环境交换物质和能量来维持其动态存在，有机体并不是被动地对刺激做出反应，而是一个在本质上能自主活动的系统。整个生物界又是由不同形式的系统构成的有机整体。他还发现“生物有机体具有有序性、动态性、层次性、目的性、开放性和组织性等特征，而这些特征在其他不同的学科中也普遍存在着。不同学科间的同型性导致贝塔朗菲的一般系统论的提出”。第7页，本讲稿共46页实际上，系统观念自古有之。贝塔朗菲说，“从最古时代起，在欧洲哲学中就存在着系统的概念”。古代朴素的系统观，大多寓于古代朴素的唯物论和辨证法之中，尤其表现在对整体、组织、秩序、结构、等级等概念的认识之中。亚里士多德的思想是古代朴素系统观中最丰富、最有价值的遗产，特别是他的“整体大于部分和”的观点，至今还是系统论的一条基本原则。近代科学在使用简单线性思维方法进行研究的同时，在哲学层次上发展了简单的系统观。康德（Kant）将宇宙世界看作是以各个系统的等级层次结构组成的普遍联系的整体，黑格尔（Hegel）则把自然、历史和精神描述为一个系统和一个过程。第8页，本讲稿共46页进入20世纪，科学研究已经越来越不满足于简单的还原论的研究方法，从而引发了一次科学研究方法的革新，这就是一般系统论的诞生。一般系统论倡导使用用数学模型对一般系统及其性质进行定量描述，试图用一系列新的观点和方法去描述系统的各种性质，特别是系统的动态特性。一般系统论首先明确了系统的概念。目前国内外科学界普遍公认的系统概念是，系统是由一些相互关联、相互作用、相互制约的组成部分构成的具有某种功能的整体。一般系统论研究的就是那些从物质系统、生物系统或社会系统各自的特性中抽象出来的，适用于所有这些系统的特性。第9页，本讲稿共46页一般系统论提出了许多重要概念和原理，为现代科学研究提供了重要的理论基础和方法。60年代以后，一系列系统科学理论方法逐渐涌现出来，如控制论cybernetics、信息论informationtheory、自动机理论theoryofautomata、集合论set、图和网络理论graphandnetworktheory,、博弈和决策理论gameanddecisiontheory、计算机模拟computerizationandsimulation等。这些理论和方法的出现，一方面极大地推动了当代科学研究的发展，另一方面也促进了科学的融合，并直接导致了复杂性研究的兴起。第10页，本讲稿共46页80年代，美国科学家明确提出了复杂性科学的概念。Prigogine、哈肯、SFI等都针对各自的研究问题对复杂性问题进行了论述，并倡导复杂性科学研究；混沌学也从庞卡莱和洛仑兹的微分方程工作中找到了一些灵感，并进一步将它用于解释更加广泛的领域；分形学则更是以其对复杂现象的精确数学刻画被用来研究复杂性问题。近年来，各种复杂性名词也不断涌现，如p“耗散结构”（dissipativestructures）p“自组织临界性”（theoryofself-organizedcriticality）p“混沌”（chaos）p“灾变”（catastrophe）p“分形”（fractals）p“突现”。第11页，本讲稿共46页引言:Why管理科学的发展与管理人才培养管理科学的发展与管理人才培养管理科学研究离不开系统科学方法管理科学研究离不开系统科学方法管理科学发展的管理科学发展的“制高点制高点”系统化管理系统化管理 第12页，本讲稿共46页引言:What/WhenWhat/When?系统工程是以大规模复杂系统（特别是管理系系统工程是以大规模复杂系统（特别是管理系统）为研究对象，在系统理论、管理科学及其运筹统）为研究对象，在系统理论、管理科学及其运筹学等学科基础上形成的一门交叉学科。通过学习，学等学科基础上形成的一门交叉学科。通过学习，使学生掌握分析与解决各种管理系统问题的思想、使学生掌握分析与解决各种管理系统问题的思想、程序和方法。程序和方法。第13页，本讲稿共46页引言:What/When系统建模方法系统建模方法系统预测方法系统预测方法系统分析方法系统分析方法 系统评价方法系统评价方法系统仿真方法系统仿真方法 其他方法其他方法第14页，本讲稿共46页引言:Who/WhereWho/Where?Who Who 学生为主体，教师为主导。学生为主体，教师为主导。WhereWhere 将课堂内外的学习结合起来！将课堂内外的学习结合起来！第15页，本讲稿共46页引言:HowHow?建议建议 注重系统思考注重系统思考 坚持问题导向坚持问题导向 采用系统化方法采用系统化方法 教学要求教学要求 第16页，本讲稿共46页引言:How教学参考书教学参考书：汪应洛主编，系统工程（第汪应洛主编，系统工程（第3版），机械工业出版版），机械工业出版社，社，2003.8 谭跃进，系统工程原理，国防科技大学出版社，谭跃进，系统工程原理，国防科技大学出版社，2002第17页，本讲稿共46页第一章系统与系统工程概述1.1系统1.2系统工程第18页，本讲稿共46页1.1系统1.1.1系统的定义1.1.2系统的属性1.1.3系统的分类1.1.4系统的结构与功能第19页，本讲稿共46页人们对系统的认识有一个发展过程。系统一词最早出现在古希腊语中，意味着事物的共性部分和每一事物在总体中给以它应占据的位置。随着科学枝木的发展，系统被赋予了进一步的含义？如系统是“有组织的和被组织化的全体”，“结合着的全体所赖以形成的诸概念和诸原理的复合体”。“以规则的相互作用又相互依存的形式结合着的对象的集合”。就是说，系统是一个全体，它的组成部分是有组织的，相互间有依存与作用的关系。第20页，本讲稿共46页同时，系统不仅有实体部分?还必须有赖以形成的概念部分，事实上，任问一台机器、仪表、一个工厂和学校都是在一定的指导思想和方针下形成的。强调实体部分而忽视概念部分或强调概念部分而忽视实体部分，都会导致对系统概念的曲解，从而造成处理问题不当所带来的损失。系统概念的进一步发展，使人们认识到，系统整体的行或是有确定目的的。第21页，本讲稿共46页1.1.1系统的定义系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合的具有特定功能的有机整体，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。第22页，本讲稿共46页系统的定义系统的基本概念示意图例如：我们生存的城市系统。它是由资源系统、市例如：我们生存的城市系统。它是由资源系统、市政系统、工业系统、商业系统、文化教育、医疗卫政系统、工业系统、商业系统、文化教育、医疗卫生、交通运输、邮电通讯等等子系统组成的。生、交通运输、邮电通讯等等子系统组成的。第23页，本讲稿共46页系统的描述及系统的功能1、框图法框图法较直观。它侧重于外部的描述。2、集合法集合法侧重于系统的内部，着重分析系统的元素及元素之间各种关系。第24页，本讲稿共46页1.1.2系统的属性整体性层次性相关性目的性环境适应性动态性第25页，本讲稿共46页1.1.3系统的分类自然系统与人造系统实体系统与概念系统动态系统与静态系统封闭系统与开放系统黑色系统、白色系统和灰色系统简单系统和复杂系统第26页，本讲稿共46页1.1.4系统的结构与功能系统的结构SE,RE要素elementsR建立在集合E上的关系集合系统的功能第27页，本讲稿共46页1.2系统工程（SystemsEngineering,SE）1.2.1系统工程的定义1.2.2系统工程的理论基础1.2.3系统工程的产生与发展第28页，本讲稿共46页1.2.1系统工程的定义1.美国防务系统的定义：系统工程是为了达到所有系统要素的优化平衡，控制整个系统研制工作的管理功能，把目标需求转变为一组系统参数的描述，并综合这些参数以优化整个系统效能的过程。第29页，本讲稿共46页2.日本工业标准定义：系统工程是为了更好地达到系统目标，而对系统的构成要素、组织结构、信息流动、控制机构等进行分析与设计分析与设计的技术技术。第30页，本讲稿共46页3.1975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。在设计时，应有明确的预定功能和目标，并使得各个组成元素之间以及各元素与系统整体之间有机联系，配合协调，从而使系统整体能够达到最佳的目标。同时，还要考虑到参与系统中人的因素和作用。第31页，本讲稿共46页4.1977年日本学者三浦武雄指出：系统工程与其他工程学的不同之处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。因为系统工程的目的是研制一个系统，而系统不仅设计到工程学的领域，还涉及社会、经济和政治领域。所以为了适当的解决这些领域的问题，除了需要某些纵向技术外，还要有一种技术从横的方向把它们组织起来，这种横向的技术就是系统工程。第32页，本讲稿共46页5.中国科学家钱学森定义：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，是一种对所有的系统都具有普遍意义的方法。系统工程也是一门组织管理的技术。第33页，本讲稿共46页系统工程在解决这些系统问题方面起着重要的作用。因此，系统工程是与控制论、运筹学、信息工程等平行、横向分类的学科领域。它不仅适用于某个专业领域，也适用于专业领域的综合及学科交叉的研究。第34页，本讲稿共46页1.2.2系统工程的理论基础运筹学老三论系统论、信息论、控制论新三论耗散结构理论、协同学（synergetics）、突变论（catastrophetheory）新发展混沌学、CAS理论、复杂性科学第35页，本讲稿共46页SE理论q一般系统论一般系统论（generalsystemtheory)19241928;奥地利理论生物学家L.VON贝塔朗菲；1945年发表关于一般系统论研究复杂系统一般规律的学科基本观点：基本观点：整体性 开放性及目的性（有效性、适应性、寻的性）动态相关性（动态性取决于相关性）等级层次性 有序性（结构或空间；发展或时间）第36页，本讲稿共46页SE理论q控制论（控制论（Cybernatics）维纳于1948年出版了控制论一书经典控制论现代控制论大系统控制理论研究大系统的结构方案、稳定性、最优化、建模及模型简化等。对系统方法的启示：黑箱-灰箱-白箱法 功能模拟法 形式化、数量化、最优化方法第37页，本讲稿共46页SE理论q信息论信息论 美国数学家申农（美国数学家申农（C.E.Shannon）和维纳）和维纳 （信息科学）（信息科学）以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机、光导纤维等为主要研究工具，以扩展人类的主要研究内容，以计算机、光导纤维等为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要研究目标。信息功能为主要研究目标。类比方法类比方法 统计方法统计方法 信息方法信息方法（运用信息的观点，把（运用信息的观点，把系统系统看作看作是借助于信息的获取、传递、加工、是借助于信息的获取、传递、加工、处理而实现其有目的性的运动处理而实现其有目的性的运动的一种研究方法）的一种研究方法）第38页，本讲稿共46页1.2.3系统工程产生与发展系统思想及系统理论的产生与发展系统思想及系统理论的产生与发展 系统思想的发展经历了三个阶段，系统思想的发展经历了三个阶段，即：即：“只见森林只见森林”（朴素的系统思想）（朴素的系统思想）阶段阶段“只见树木只见树木”阶段阶段“先见森林，先见森林，后见树木后见树木”（科学的系统思想）阶段。（科学的系统思想）阶段。古代中国和古希腊在系统思想的产古代中国和古希腊在系统思想的产生与早期发展中具有突出地位和贡献。生与早期发展中具有突出地位和贡献。第39页，本讲稿共46页系统思想及系统理论的产生与发展 整体思想和联系思想是科学系统思整体思想和联系思想是科学系统思想的核心与实质。想的核心与实质。一般系统论、控制论、信息论、耗一般系统论、控制论、信息论、耗散结构理论、协同学及自组织理论等是散结构理论、协同学及自组织理论等是系统理论的重要内容和系统理论的重要内容和SESE的理论基础的理论基础。第40页，本讲稿共46页(二)系统工程的发展概况阶段阶段年代（份）年代（份）重大工程实践或重大工程实践或事件事件重要理论与方法贡献重要理论与方法贡献I I19301930美国发展与研究美国发展与研究广播电视广播电视正式提出系统方法（正式提出系统方法（Systems Systems approachapproach）的概念）的概念19401940美国实施彩电开美国实施彩电开发计划发计划采用系统方法，并取得巨大成采用系统方法，并取得巨大成功功美国美国BellBell电话公电话公司开发微波通讯司开发微波通讯系统系统正式使用系统工程（正式使用系统工程（Systems Systems EngineeringEngineering）一词）一词IIII第二次世界第二次世界大战期间大战期间英、美等国的反英、美等国的反空袭等军事行动空袭等军事行动产生军事运筹学（产生军事运筹学（Military Military Operations ResearchOperations Research）,也即也即军事系统工程军事系统工程本世纪本世纪4040年年代代美国研制原子弹美国研制原子弹的的“曼哈顿计划曼哈顿计划”运用运用SESE，并推动了其发展，并推动了其发展19451945美国空军建立兰美国空军建立兰德（德（RANDRAND）公司）公司曾经提出系统分析（曾经提出系统分析（Systems Systems analysisanalysis）概念，强调了其重）概念，强调了其重要性要性第41页，本讲稿共46页IIIIII4040年代后期到年代后期到5050年代初期年代初期运筹学的广泛运用与发展、控制论的创立与运筹学的广泛运用与发展、控制论的创立与应用、电子计算机的出现，为应用、电子计算机的出现，为SESE奠定了重要奠定了重要的学科基础的学科基础IVIV19571957H.GoodH.Good和和 R.E.MacholR.E.Machol发表第一发表第一部名为部名为系统工程系统工程的著作的著作系统工程学科形成的标志系统工程学科形成的标志19581958美国研制北极星导弹美国研制北极星导弹潜艇潜艇提出提出PERTPERT（网络优化技术），（网络优化技术），这是最早的系统工程技术之这是最早的系统工程技术之一。一。19651965R.E.MacholR.E.Machol编著编著系系统工程手册统工程手册表明系统工程的实用化和规表明系统工程的实用化和规范化范化美国自动控制学家美国自动控制学家L.A.ZedehL.A.Zedeh提出提出“模模糊集合糊集合”概念概念为现代为现代SESE奠定了重要的数学奠定了重要的数学基础基础1961-1961-19721972美国实施美国实施“阿波罗阿波罗”登月计划登月计划使用了多种使用了多种SESE方法，其成功方法，其成功极大地提高了极大地提高了SESE的地位的地位第42页，本讲稿共46页IVIV19571957H.GoodH.Good和和 R.E.MacholR.E.Machol发表第发表第一部名为一部名为系统工程系统工程的著的著作作系统工程学科形成的标志系统工程学科形成的标志19581958美国研制北极星导弹潜艇美国研制北极星导弹潜艇提出提出PERTPERT（网络优化技术），这（网络优化技术），这是最早的系统工程技术之一。是最早的系统工程技术之一。19651965R.E.MacholR.E.Machol编著编著系统工程系统工程手册手册表明系统工程的实用化和规范化表明系统工程的实用化和规范化美国自动控制学家美国自动控制学家L.A.ZedehL.A.Zedeh提出提出“模糊集合模糊集合”概念概念为现代为现代SESE奠定了重要的数学基础奠定了重要的数学基础1961-1961-19721972美国实施美国实施“阿波罗阿波罗”登月计登月计划划使用了多种使用了多种SESE方法，其成功极大方法，其成功极大地提高了地提高了SESE的地位的地位V V19721972国际应用系统分析研究国际应用系统分析研究所（所（IIASAIIASA）在维也纳）在维也纳成立成立SESE的应用开始从工程领域的应用开始从工程领域进入到社会经济领域，并进入到社会经济领域，并发展到了一个重要的新阶发展到了一个重要的新阶段。段。7070年代年代SESE的广泛应用在国际上达到高潮的广泛应用在国际上达到高潮VIVI8080年代年代SESE在国际上稳定发展、在中国的研究与应用达到高在国际上稳定发展、在中国的研究与应用达到高潮潮第43页，本讲稿共46页(三)系统工程在我国的发展及应用 上世纪上世纪5050至至6060年代，我国的一些研究机构和著名学者年代，我国的一些研究机构和著名学者为为SESE的研究与应用作了理论上的探讨、应用上的偿试的研究与应用作了理论上的探讨、应用上的偿试和技术方法上的准备。其主要标志和集中代表是钱学和技术方法上的准备。其主要标志和集中代表是钱学森的工程控制论、华罗庚的统筹法和许国志森的工程控制论、华罗庚的统筹法和许国志的运筹学。的运筹学。我国大规模地研究与应用我国大规模地研究与应用SESE是从是从7070年代末、年代末、8080年年代初开始的。代初开始的。第44页，本讲稿共46页 19781978年年9 9月月2727日，钱学森、许国志、王寿云在日，钱学森、许国志、王寿云在文汇报文汇报发表题为发表题为“组织管理的技术组织管理的技术系统工系统工程程”的长篇文章；的长篇文章；从从19781978年起，西安交大、天津大学、清华大学、年起，西安交大、天津大学、清华大学、华中理工大学、大连理工大学等国内著名大学开始华中理工大学、大连理工大学等国内著名大学开始招收了第一批招收了第一批SESE专业硕士研究生；专业硕士研究生；19801980年年1111月，中国系统工程学会在北京成立；月，中国系统工程学会在北京成立；19801980年年1010月至月至19811981年年1 1月，中国科协、中央电月，中国科协、中央电视台会同中国系统工程学会、中国自动化学会联视台会同中国系统工程学会、中国自动化学会联合举办合举办“系统工程电视普及讲座（系统工程电视普及讲座（4545讲）讲）”，取，取得了良好的社会效果。得了良好的社会效果。第45页，本讲稿共46页 7070年代末以来，应用年代末以来，应用SESE理论和方法来研究与解理论和方法来研究与解决我国的重大现实问题，在许多领域和方面取得决我国的重大现实问题，在许多领域和方面取得了较好的效果，如：人口问题的定量研究及应用了较好的效果，如：人口问题的定量研究及应用（始于（始于19781978年）、年）、20002000年中国的研究年中国的研究(1983(1983至至19851985年）、全国和地区能源规划（始于年）、全国和地区能源规划（始于19801980年）、全国年）、全国人才和教育规划（始于人才和教育规划（始于19831983年）、农业系统工程（始年）、农业系统工程（始于于19801980年）、区域发展战略（始于年）、区域发展战略（始于19821982年）、投年）、投入产出表的应用（始于入产出表的应用（始于6060年代和年代和19761976年）、军事年）、军事系统工程（始于系统工程（始于19781978年）、水资源的开发利用年）、水资源的开发利用（始于（始于19781978年）等。年）等。9090年代以来，系统工程在与企业发展结合、与年代以来，系统工程在与企业发展结合、与现代信息技术结合、与实施可持续发展战略结合、现代信息技术结合、与实施可持续发展战略结合、与思维科学结合等方面已具有初步结果和强劲势与思维科学结合等方面已具有初步结果和强劲势头。头。第46页，本讲稿共46页