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1、第一章第一章 系统基本原理系统基本原理第一节第一节 系统的基本概念系统的基本概念系统概念来源于人类长期的社会实践。本节介绍系统思想的一些基本概念,系统的基本概念用于描述系统所表现出来的现象以及特征,即系统的共同特性。虽然对这样一些概念在文字表达上目前尚未有完全统一的认识,但对系统的最基本的理解还是有共识的。一、系统的基本定义一、系统的基本定义“系统”在本质上是一个描述客观对象存在方式的概念。从系统思想的本质及引入系统概念的目的来分析,引入系统概念,本质上是为了从联系、整体的视角来认识事物,因而系统概念的实质就是要揭示出联系与整体特征的最本质内涵。(一)对(一)对“联系联系”与与“整体整体”的思
2、维描的思维描述述(1)边界边界是指人们在认识事物时对要认识的问题划出的一个范围。(2)串联串联是指人们在同一时间只能考虑一个方面的问题。(3)整合也称集成或综合,是指将在不同时间思考的问题联系起来进行考虑。(二)系统的定义及本质(二)系统的定义及本质系统是相互关联的若干要素的集合体。系统具有一定的边界,边界将系统从无限的存在中划分出来,系统作为一个整个与外部环境发生联系和作用;另外,系统是由相互联系和相互影响的要素组成的。对系统定义的这种理解可以用图1-1示意描述。图中,e1、e2、e3、e4、e5表示要素;要素间的箭头线表示要素间的联系。系统是由相互作用而又相互依赖的若干组成部分结合的具有特
3、定功能的有机整体。图1-1系统的图形描述系统的三个基本属性第一,系统是由两个以上的要素组成的整体。要素是构成系统的最基本的部分,没有要素就无法构成系统,单个要素也无法构成系统。第二,系统的诸要素之间、要素与整体之间、以及整体与环境之间存在着一定的有机联系。要素之间若没有任何联系和作用,则也不能称其为系统。第三,由于系统要素之间的联系与相互作用,使系统作为一个整体具有特定的功能或效能,这是各要素个体所不具备的功能。二、系统结构与系统功能二、系统结构与系统功能(一)系统结构(一)系统结构1要素要素要素是系统内的具有一定独立性的要素是系统内的具有一定独立性的“单元单元”,它,它是系统内部在一定意义下
4、的最小基本单元。是系统内部在一定意义下的最小基本单元。2关联关联关联是指要素之间的联系方式。如领导与被领导关联是指要素之间的联系方式。如领导与被领导关系是一种关联,企业与企业之间的竞争、合作关系是一种关联,企业与企业之间的竞争、合作或供需也是关联。或供需也是关联。“系统的结构系统的结构”就是指系统构成要素及其关联方就是指系统构成要素及其关联方式的总和。式的总和。(二)系统功能(二)系统功能系统功能则是对系统与外部环境关系的描述。系统的功能就是指系统与环境相互联系和作用过程的能力。(三)系统结构与功能的关系(三)系统结构与功能的关系1系统结构是实现系统功能的基础2系统结构决定系统功能3系统功能对
5、系统结构具有反作用功能是系统外在的表现,结构是系统内在的规律,系统结构决定着系统的功能,而系统功能又对系统结构有反作用力,它们互相作用而又互相影响。一种功能可由多种结构来实现,同一结构的系统也可以发挥多种功能。三、系统层次三、系统层次(一)系统层次的含义(一)系统层次的含义第一,是指各种各样的系统在不同时空中第一,是指各种各样的系统在不同时空中的存在。的存在。第二,指从不同角度、不同层面观察系统第二,指从不同角度、不同层面观察系统时的存在。时的存在。系统不同时空的存在反映了系统层次之间系统不同时空的存在反映了系统层次之间的纵向关系,而系统不同视角的存在反映的纵向关系,而系统不同视角的存在反映了
6、系统层次的横向联系。了系统层次的横向联系。(二)系统层次结构的类型(二)系统层次结构的类型1空间层次结构指系统组成要素之间的相互作用及行为与要素在系统内所处的空间位置密切相关。2时间层次结构指系统的变化与时间尺度的变化有十分密切的关系。3功能层次结构指系统的不同层次具有不同的作用。第二节第二节 系统的特性及分类系统的特性及分类一、系统的特性一、系统的特性(一)集合性(二)整体性(三)相关性(四)层次性(五)目的性(六)环境适应性二、系统的分类二、系统的分类(一)自然系统与人造系统如海洋系统、生态系统、太阳系等,各种工程系统、运输系统等。(二)实体系统与概念系统凡是以矿物、生物、机械等物理意义下
7、的实体为构成要素的系统称之为实体系统。凡是由概念、原理、方法、制度、程序等不具备物理属性的非实体物质所构成的系统称为概念系统。(三)动态系统和静态系统绝对的实体系统是静态系统,而概念系统一般是动态的系统。(四)封闭系统和开放系统第二章第二章 系统工程基础概述系统工程基础概述第一节第一节 系统工程及其发展历程系统工程及其发展历程一、系统工程的概念一、系统工程的概念(一)典型定义(一)典型定义中国著名科学家钱学森教授给出的定义:中国著名科学家钱学森教授给出的定义:“系统工程是组织管理系统的规划、研究、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,是设计、制造、试验和使用的科
8、学方法,是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。法。”“系统工程是一门组织管理的技术。系统工程是一门组织管理的技术。”(一)典型定义(一)典型定义美国著名学者H切斯纳(HChestnut)的定义:“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,而这些功能部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,每一个系统都要求有一个或若干个目标。系统工程就是按照各个目标进行权衡,全面求得最优解(或满意解)的方法,并使各组成部分能够最大限度地互相适应。”(一)典型定义(一)典型定义日本工业标准JIS的定义:“系统工程是为了更好地达到系统目标,而对
9、系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机制等进行分析与设计的技术。”(一)典型定义(一)典型定义系统分析是研究相互影响的因素的组成和运用情况。综上所述,系统工程是以研究大型复杂的人造系统和复合系统为对象的一门交叉科学,它既是一个技术过程又是一个管理过程。(二)系统工程与其他工程的区别(二)系统工程与其他工程的区别工程的类型多种多样,有以硬件为主的工程,例如机械工程、电子工程、水利工程等,也有以流程重组、以软件为主的工程,例如软件工程、物流工程等。但是系统工程与机械工程、电子工程、水利工程等工程有很大差异。上述各门工程学都有其特定的工程物质对象,而系统工程则不然,任何一种物质系统都能成为它的研
10、究对象,而且还不只限于物质系统,还可以包括自然系统、社会经济系统、经营管理系统、军事指挥系统等等。系统工程处理的对象主要是信息。二、系统工程发展历程及趋势二、系统工程发展历程及趋势(一)发展简史(一)发展简史在第二次世界大战前夕,经济、生产等领域的系在第二次世界大战前夕,经济、生产等领域的系统问题已促使人们努力揭示系统的一般运行规律统问题已促使人们努力揭示系统的一般运行规律和创造组织管理系统的技术。和创造组织管理系统的技术。在第二次世界大战期间,系统分析的方法和技术得到突飞猛进的发展。二次世界大战期间还培养了一批系统工程人才,促进了系统工程学科的形成与发展。第二次世界大战结束,各种社会经济系统
11、和工程管理系统的规模日益扩大和复杂化,导致一些新的问题的出现,人们又一次寻求通过科学的系统方法作为解决复杂经济社会系统问题的技术。解决系统问题的思路(1)确定一个或多个目标;(2)确定实现目标所需的资源与条件;(3)确定可实现目标的(可行)方案;(4)对各方案能实现的目标与所需的资源、条件等进行综合分析与评估;(5)根据一定的标准,判别各方案优劣的次序;(6)选择最终实施的方案。霍尔三维结构的系统工程方法图2-1霍尔三维结构(二)发展趋势(二)发展趋势1系统工程作为一门交叉学科,日益向多种学科渗透和交叉发展。2系统工程作为一门软科学,日益受到人们的重视。3系统工程的应用领域日益广泛,推动了系统
12、工程理论和方法不断深化发展。第二节第二节 系统工程的基础理论系统工程的基础理论一、一般系统论一、一般系统论一般系统论一般系统论(general systems theory)是通是通过对各种不同系统进行科学理论研究而形过对各种不同系统进行科学理论研究而形成的关于适用于一切种类系统的学说。成的关于适用于一切种类系统的学说。其主要创始人是生物学家其主要创始人是生物学家L.V贝塔朗菲。贝塔朗菲。一、一般系统论一、一般系统论1969年,比利时著名学者I.普利高津提出了“耗散结构(DissipativeStructure)理论”,认为一个开放的系统在远离平衡态的情况下,通过不断地与外界交换能量、物质和信
13、息,当发生某些特殊事物耦合,达到一定的阈值时,就会突然出现以新的方式组织起来,产生新的质变,从原来混沌无序的混乱状态,转变为在时空上或功能上的稳定的有序状态。一、一般系统论一、一般系统论1973年,联邦德国的赫尔曼哈肯提出了协同学理论(synergetics),认为不同系统之间存在着各要素的协同行为,这种协同作用超越各要素自身的单独作用,从而形成整个系统的统一作用和联合作用。协同作用是形成系统有序结构的内部作用力,通过这种作用,系统能够自动产生时间上、空间上或功能上的有序结构。二、大系统理论二、大系统理论大系统一般是规模庞大、结构复杂、环节多或层次较多、目标多样、影响因素众多、关系错综复杂、并
14、常带有随机性质的系统。大系统理论(Large Scale Systems Theory)就是研究大系统的结构方案、稳定性、大系统优化、以及大系统的模型简化等问题的理论或方法,主要包括四个方面的理论和方法:(1)大系统结构方案;(2)大系统的稳定性;(3)大系统的优化;(4)大系统的模型简化。三、经济控制论三、经济控制论经济控制论是应用现代控制论的科学方法分析经济过程的学科。1966年美国哈佛大学经济系的L泰勒(L.Taylor)和D肯德里克(DKendrick)教授应用控制理论中的共轭梯度法制订了当时的韩国经济最优计划模型。由于经济系统是相互依存的一个整体,投入-产出模型是一种简单而有用的经济
15、分析工具,是包含许多经济部门、高度解集、确定供给的综合模型。四、运筹学四、运筹学运筹学主要是运用模型化的方法,将一个已确定研究范围的现实问题,按提出的预期目标,将现实问题中的主要因素及各种限制条件之间的因果关系、逻辑关系建立数学模型,通过模型求解来寻求最优方案。运筹学的分支主要有:线性规划、非线性规划、动态规划、排队论、对策论、库存论等。第三节第三节 系统研究方法系统研究方法一、系统功能分析一、系统功能分析(一)功能分类(一)功能分类1、基本功能、基本功能基本功能是指能实现人们预期目的的功能。基本功能是指能实现人们预期目的的功能。我们可从两个层次来理解基本功能:一是从能力的角度来理解,主要是系
16、统“能干什么”之类的问题,如果用系统论的语言来描述,就是系统的输出特征。二是从功效的层面来理解,也就是考虑系统输入、输出的综合特征,衡量系统具有的效益或性能。关于系统功效,可应用系统评价常用的指标来衡量,例如:系统的效益、系统的可靠性与稳定性、系统的环境适应性等。2、剩余功能、剩余功能剩余功能是相对于系统的基本功能而言的。系统功能中,除去基本功能的其他功能都可以称为剩余功能。因为一个系统总有一些功能是尚未被人认识到的,所以可以认为剩余功能总是存在的。我们有时会用副产品或副作用来描述系统的剩余功能。(二)功能的层次性(二)功能的层次性系统总功能可理解成各项子功能的集成,也就是说,系统总功能可分解
17、成不同层次的子功能。(三)功能分析的思路(三)功能分析的思路1、系统功能的制约因素、系统功能的制约因素(1)外界输入与环境因素的制约)外界输入与环境因素的制约(2)系统结构的制约)系统结构的制约2、功能分析的步骤、功能分析的步骤(1)对系统的输入输出关系进行准确描述;)对系统的输入输出关系进行准确描述;(2)进行输入输出关系的整体评价和分析;)进行输入输出关系的整体评价和分析;(3)对某一特定功能进行流程分析及流程再设计。)对某一特定功能进行流程分析及流程再设计。图2-2客户询问流程图二、系统结构分析二、系统结构分析对系统结构进行分析首先就需要确定系统中的要素集,然后再对要素之间的关联进行分析
18、,以此达到认识系统的目的。(一)系统要素的描述(一)系统要素的描述系统中的要素具有一定的功能,能将来自系统中的要素具有一定的功能,能将来自其他要素的输入转换成输出。其他要素的输入转换成输出。图2-3用“黑箱”描述的要素(二)要素之间的关联及描述(二)要素之间的关联及描述要素之间的关联是指要素之间的相互联系或作用,按照不同的分类标准可划分出不同的关联类型。例如,按照要素之间关系明确与否可划分为下面三种:(1)确定性关联,即要素之间的关联是受确定的规律支配的。(2)不确定性关联,即要素之间是随机的关联,如统计学中所揭示的关联大多属于这一类。(3)确定性与随机性关联的混合。(二)要素之间的关联及描述
19、(二)要素之间的关联及描述对要素之间关联的描述,本质上就是建立模型。而每一种描述关联的方法,都多少存在着局限性。一般,我们按照因果关系、过程顺序或职能结构的方式对关联进行简单描述。因果描述就是根据人们对因果的思考结果画出要素之间的关联。过程描述是从时间的整体性上描述各要素之间的关联,人类行为过程具有明显的时间顺序特征,因此,过程描述法被经常使用,如图2-4是用过程描述的新产品规划网络的例子。职能描述方式在组织系统中经常采用,实际上是一种以功能为基础的结构描述方法,如图2-5所示就是一个例子。图2-4按过程描述的新产品规划网络图2-5按职能划分组织(制造型企业)(三)系统结构矩阵(三)系统结构矩
20、阵(a)(b)(c)图2-6系统要素联结的类型系统诸要素之间的关联方式可分为串联、并联和反馈联结。图2-7系统要素的关联类型(三)系统结构矩阵(三)系统结构矩阵将系统中所有要素之间的联结系数组成一个矩阵,该矩阵可以反映出系统构成要素及其相互关联的情况,即反映系统结构状况,该矩阵就称为系统的结构矩阵。三、系统环境分析三、系统环境分析(一)系统与环境的关系(一)系统与环境的关系环境因素相对于系统是不可控的。1环境因素对系统的影响是通过系统结构起作用并在输入输出中得以表现的。系统的存在不能离开环境的支撑,一方面是环境对系统功能的支撑;另一方面,系统结构及其变化也离不开环境因素的支持。2以功能为目的而
21、建造的系统,往往在特定的环境中才显现出这种功能。3环境变化可能会使一个现有的结构解体或变成另一结构。4环境因素对系统的影响表现在两个层次:第一是不影响系统结构、但影响系统行为(输入输出过程)的环境因素,称之为行为层的环境因素。第二是影响系统结构的环境因素,称之为结构层的环境因素。(二)情景规划法(二)情景规划法情景规划方法是随着社会经济运行环境的频繁变化而开发出来的有效方法。1处理环境变化的方法基于对未来的预测,利用可信的预测结果,对未来情况进行规划与布局。风险分析也是考虑不确定性因素的控制方法。2情景规划情景规划是针对不确定性的新结构问题时经常采用的重要规划方法。情景规划方法首先关注现实的趋
22、势是否存在新的结构不确定性。其本质是针对所关注的焦点问题分析现实的变化趋势。其次,要抓住主要的不确定因素,并勾画出未来的几种情景。然后,设计出适合各种未来情景的有效方案。最后,随着时间的推移,事物变化的趋势不断明确,通过不断地调整方案,摒弃某些不可能出现的情景方案。第四节第四节 物流系统工程的基本方法及技术物流系统工程的基本方法及技术一、物流系统工程的理论和方法基础一、物流系统工程的理论和方法基础(一)运筹学为寻求物流系统的最优方案,必须要采用运筹学中的相关理论和方法,例如:规划论(线性/非线性/动态/整数规划等)解决物流系统中的物资运输、设施规划、计划优化等问题;库存论解决物流系统中的最优订
23、货量、订货间隔等问题;排队论解决物流系统中的流程概率性问题,按随机过程的到达率处理各种现象;决策论解决物流系统中多目标、多方案决策问题。一、物流系统工程的理论和方法基础一、物流系统工程的理论和方法基础(二)经济控制论用于解决物流系统中的资源(包括设施、设备)的最优利用与控制、预测技术以及物流系统合理化等问题。(三)大系统理论及协同论、耗散结构理论采用大系统基础理论,解决物流系统中的整体与部分、整体与环境之间的相互关系,使物流系统各个环节都处于最优状态。(四)系统动力学理论建立动态仿真模型,通过计算机模拟实验获得系统行为的描述,达到改进和完善系统的目的。二、常用的研究技术和手段二、常用的研究技术
24、和手段(一)模型化技术数学模型一般具有下列方程形式:v=f(xi,yi)式中:v目标函数;xi,可控变量:yi不可控变量;f(xi,yi)表示v与xi,和yi的函数关系。目前,在物流系统领域的实践和研究分析中经常使用的模型主要有:库存模型、运输模型、投入产出模型、选址模型等。二、常用的研究技术和手段二、常用的研究技术和手段(二)最优化技术所谓最优化,就是在一定的约束条件下,找出使目标函数为最大或最小的解。物流系统的最优化一般采用数学模型方法,如库存优化策略、最短路径问题、最大流量问题、最小费用问题等。(三)网络技术网络技术是现代管理方法的重要组成部分,包括以时间控制为主的计划评审法(PERT)
25、和以成本控制为主的关键路线法(CPM)。采用网络技术可以进行统筹安排、合理规划,使生产-流通-消费之间物流平衡。二、常用的研究技术和手段二、常用的研究技术和手段(四)分解协调技术物流系统是包含多个子系统的复杂大系统。复杂的物流系统一般可以按照目标关联或模型关联进行分解。(五)仿真技术亦称模拟技术,是指用系统模型结合实际的或模拟的环境和条件,进行研究、分析或试验的技术方法。三、物流系统工程的主要内容三、物流系统工程的主要内容(一)物流系统的要素分析(二)物流系统的分析与建模(三)物流系统的预测(四)物流系统的规划(五)运输与配送路线优化(六)物流系统仿真(七)物流系统的评价(八)物流系统决策第三
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