系统工程
聂彤
系统和系统工程
系统工程
用系统的原理解决工程问题的各种方法的总称。
根据研究对象的不同，系统工程可以分为：
农业系统工程，军事系统工程、能源系统工程、交通系统工程等等。
系统工程是一门综合性的科学，涉及的理论基础主要有：
① 运筹学：线性规划、非线性规划、动态规划、排队论、决策论、图论、库存论等。
② 概率论与数理统计学；③ 控制论；④ 信息论；⑤大系统理论；⑥ 计量经济学
参考文献：
[1] 孙东川,林福永. 系统工程引论.清华大学出版社.
[2] 汪应洛.系统工程理论、方法与应用(第二版).高等教育出版社.
[3] 汪应洛.系统工程(第三版).机械工业出版社.
[4] 迈克尔.杰克逊.系统思考.高飞,李萌译.中国人民大学出版社.
[6] 乔治.哈泽里格.系统工程.代振宇,王松译.清华大学出版社.
[7] 陈衍泰等.综合评价方法分类及研究进展.管理科学学报.2004,,:69-79
[8] 丁一中, Jennifer S. Shang.管理科学.清华大学出版社
系统的概念
系统工程的概念
第一章 绪论
系统观念的发展
系统的定义
系统的基本特征
系统的分类
系统工程的概念
系统工程的特征
SE产生的基础
系统的结构与功能
系统工程的发展概况
系统工程在中国的发展及应用
系统工程的研究对象
SE的内容与特点
一、系统观念的发展
系统思想的一个例子：
烧水（7）
烧饭（12）
炒菜（7）
淘米（3）
洗菜（6）
切菜（5）
原时间： 7+12+7 +3+6+5=40分钟
经过系统思考的时间：7+12+7=26分钟
思考：你曾经在哪些方面作过系统的思考？
第一节 系统的概念
案例
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，
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。
案例
在中国战国时期，曾经有过一次流传后世的赛马比赛-田忌赛马。
岷江，是长江所有支流中流量最大的一条江。大流量从数百公里崇山峻岭之中奔腾而下，简直就是一头巨兽，从海拔数千米的山地，在今都江堰地区进入海拔只有几百米的成都平原，后果不堪设想，——却被都江堰轻轻收拾，切割成两条江，其中一条通过宝瓶口乖乖的进入成都。
灌县
玉
垒
山
都江堰修建前灌县一带
岷
江
灌溉工程－都江堰（李冰父子所建）
功能－１防止岷江水患
２灌溉農田
設計－利用西北向東南
傾斜地勢開挖河渠
都江堰水利樞紐灌溉區
都江堰水系图谱
都江堰水利工程在四川省岷江中游，它是由渠首和渠道两大部分组成，渠首工程包括都江鱼嘴、飞沙堰和宝瓶口三部分，都江鱼嘴是建在岷江中流的分水建筑工程，它把岷江一分为二，东边的叫内江，供灌溉渠用水；两边的的叫外江，是岷江正流，内江水通过宝瓶中流入密如蛛网的渠道系统。都江堰水利工程是一个以灌溉为主兼有防洪、运输功效的综合水利工程。它的建成既解除了岷江泛滥之灾，又便利了航运，并灌溉农田300万亩，使成都平原成为“水旱从人，不知饥馑”、旱涝保收的“天府之国”。它可谓是中国水利史上的颗明珠。李冰也由此得到了人民的尊敬，有诗称赞李冰的功绩胜过大禹：“始知李太守，伯禹亦不如”。
岷 江
岷 江
都江堰示意图
内江
外江
宝瓶口
离堆
飞沙堰
分
水
堤
都江堰由分水堤、宝瓶口和飞沙堰三部分组成。外江是正流，可排洪通航；内江供灌溉，江水通过宝瓶口流入成都平原。当内江水流过大时，江水漫过飞沙堰，流入外江。都江堰能灌溉农田300万亩。
堰：
挡水堤坝
“我以为，中国历史上最激动人心的工程不是长城，而是 都江堰。 ”
水利工程－
水利工程－
都江堰
灌溉成都平原
將岷江分為內外的 －都江魚嘴
活動調節水堤
近代系统工程实例
阿波罗登月计划
参加人员约42万，120所大学实验室，耗资240亿美元，1969年实现登月。在这个高科技系统下面，有众多的分系统，如：飞船系统、通讯系统和测试系统等等。这些分系统下面又包含无数小系统。实现总体最优。
三峡工程
1993年开始施工准备，历经10年，涉及防洪、发电、航运、移民安置、生态环境、国防安全、区域经济发展等各个方面。
案例
航天系统工程（神5，神六）
两弹一星
但系统思想的产生决非偶然一时的时髦，而是有着深远的历史思想渊源和现代科学技术基础。
正如恩格思所说：人们远在知道什么是系统思想和系统工程之前，就已辩证地系统思维了，知道什么是辩证法之前，就已辩证地思考了。
系统思想经历了从经验到哲学又到科学；从思辩到定性又到定量的发展过程。
系统概念的产生过程：
认识处于总体思维阶段
强调自然界整体性统一性
细节的认识靠臆造和猜测
古代朴素的系统观
古 代
近 代
现 代
从总体到局部细节的研究
实验、解剖和观察的方法
孤立的研究与科学发展相抵触
形而上学的思维方式
更深入的了解局部细节，建立了事物整体与构成整体的各部门间的桥梁
科学的系统观
系统定义
系统—由相互联系，相互作用的许多要素结合而成的具有特定功能的统一体。
三个基本点：
1 系统是由若干元素组成的；
2 元素间相互作用、相互依赖；
3 元素间的相互作用，使系统作为一个整体具有特定功能。
钱学森：“系统是指依一定秩序相互联系着的一组事物。”
——（中国“系统论”和“控制论”的奠基人之一）
这里的每一组“事物”或每一个“组成部分”称为系统的“要素”。系统是由许多“要素”组成的。系统具有不同于组成它的若干要素的新的属性，即“系统性”。
系统内部，还可以按其组成部分划分为若干“子系统”。这说明，子系统和系统的关系是相对的，可以相互转化。
三、系统的基本特征
1.集合性
表明系统是由多个可相互区别的要素组成。
2 相关性
相关性包括：系统内部各要素间；要素与系统整体间；系统与环境间的有机联系。
如不存在相关性，众多的要素如同一盘散沙，只是一个集合，而不是一个系统。
3阶层性
一个大的系统，包含很多层次，上下层之间是包含与被包含的关系，或领导和被领导的关系。
如：行政系统，军队，企业。
在组织管理工作中，系统的层次与管理的跨度是一对矛盾。
4 整体性
系统是作为一整体存在与特定环境中，与特定环境发生相互作用的。
系统整体的涌现性：系统各个部分组成一个整体后，系统整体功能大于其组成要素功能的总和。
系统层次间的涌现性：当低层次上的几个部分组成上一层次时，一些新的功能也会涌现出来。
这就是我们常说的：“三个臭皮匠，赛过一个诸葛亮”。
5 涌现性
是否多个要素凑在一起，其功能都一定大于部分功能之和呢？答案是否定的！最典型的就是人们所说的“一个和尚挑水吃，两个和尚抬水吃，三个和尚没水吃”。
这是因为，这三个和尚没有形成一个“系统”，这些“和尚要素”相互不协调、不统一，才使得集体运水的效果急减。这就说明，要使得整体的功能大于部分功能之和，组成该整体的各要素必须协调统一。
也就是说，系统的功能，也与要素间的关系，即系统的结构有关。
6目的性
目的性是系统存在的条件。开发系统工程项目的首要工作是确定系统的目的性。
任何一个系统都有它的目的，否则，也就失去了这个系统存在的价值和意义。例如，生物系统的目的性就是增殖个体、繁衍物种、保存生命；
同样，人造系统也有它的目的性，如企业的经营目的，就是以最少的资源消耗去取得最大的经济效益。运输系统的目的，就是为国民经济的发展提供运输服务。运输系统中各运输子系统的目的，就是为运输大系统的总目的服务。
7 环境适应性
任何一个系统都存在于一定的物质环境中，环境的变化对系统的变化有很大的影响，同时，系统的作用也会引起环境的变化。两者相互影响作用的结果，就有可能使系统改变或失去原有的功能。一个好的系统，必须不断地与外部环境产生物质的、能量的和信息的交换，才能适应外部环境的变化，这就是环境适应性。
下面，我们来看一个实例：
例1—1 ： 城市交通综合系统
城市交通综合系统是一个庞大的动态系统，它本身的状态是随时间变化而变化的。其结构如图1—1 所示：
图 1 —1 城市交通综合系统结构图
城市交通综合系统
交通环境条件
道路交通条件
路
段
交
通
系
统
路
口
交
通
系
统
交
通
设
施
系
统
行
人
交
通
系
统
公
共
交
通
系
统
交
通
管
理
系
统
公
共
场
所
分
布
居
民
住
宅
分
布
公
交
站
点
分
布
停
车
场
分
布
企
事
业
单
位
分
布
第
三
产
业
网
点
分
布
从结构图可以看出，城市交通系统具有以下四个特性：
⑴ 整体性
城市交通系统是由人、车、道路、设施、管理、环境等许多子系统组成的综合性整体，各子系统从属于这个整体，而整个城市交通系统又是更庞大的城市系统中的子系统。
⑵ 相关性
城市交通系统内部各子系统、各子系统要素之间是有机联系、相互依存又相互作用的。
⑶ 目的性
城市交通系统具有特定的目的。这就是：为人们从事各种活动提供必要的物质条件和空间活动条件，并达到安全、快速、高效、舒适的目的。
⑷ 环境适应性
城市交通系统处于社会环境之中，受周围环境的影响和制约，并与周围环境相协调。
四、系统的分类
1 按自然属性分：自然系统和人造系统
由自然过程产生的系统谓之自然系统，它的组成部分是自然物。如海洋系统、生态系统等。
有人参与制造或改造的系统谓之人造系统。一般是按人们特定的希望有目的、有计划地组织建造而成的系统。如生产系统、交通系统等。
很多系统是自然系统和人造系统的复合系统。
2按物质属性分：实体系统和概念系统
以矿物、生物、机械、能量和人群等物质实体为构成要素的系统为实体系统。
由概念、原理、原则、方法、制度、程序等非物质实体为构成要素的系统为概念系统。
概念系统是由实体系统的需要而产生的，并为实体服务的系统。实体系统是概念系统的物质基础，概念系统为实体系统提供指导和服务。
提问：生产管理系统、交通管理系统是何系统？
3按运动属性分：动态系统和静态系统
动态系统是系统的状态变量随时间变化的系统，具有普遍性。
静态系统就是表征系统运行规律的数学模型中不含时间因素，它是动态系统的一种极限状态，即处于稳定的状态。有时为研究方便将其视为静态。
4按系统与环境关系分：开放系统和封闭系统
开放系统中按反馈属性分：
开环系统：没有反馈的系统
闭环系统：具有反馈的系统，一般指负反馈。
图1-5 开环系统的一般表示
图1-6 闭环系统的一般表示
钱学森院士的分类
图1-8 新的系统分类
5按复杂程度分：大系统和小系统
大系统和小系统之间无明显的界限之分。一般认为：大系统具有结构复杂、规模庞大、变量众多、功能综合多样等特征。如国民经济体系、生物学、经济、社会学领域中的系统。
系统工程主要研究动态的、闭环的、人造的大系统。
五、系统的结构与功能
1 系统的结构
系统的结构是系统的构成要素在时空连续区上的排列组合方式和相互作用方式。一般可抽象为：
E，R
S=
S：代表系统结构；
E：代表系统要素的集合；
R：代表要素之间各种关系的集合
一个系统必须同时包括Ω和R，两者缺一不可。
2 系统的功能
系统工程的任务在于提高系统的功能，特别是系统的处理或转换的效率，即在一定的输入条件下，输出越多越好；或在一定的输出条件下，输入越少越好。
图1-10 系统的功能
3 系统结构与功能关系
系统功能：{要素、结构、环境}
结构决定功能。结构作为内在依据，决定着系统行为，同时功能也受要素的制约。
要素性质的变化、结构类型、环境条件的变化都会影响系统的功能表现，甚至导致系统的质变。
一、系统工程的概念
1 系统工程有系统与工程两方面
从系统看工程：用系统的观点和方法解决工程问题。工程泛指系统的组织建立，系统的经营管理，系统的更新改造。
从工程看系统：用工程的方法建造系统。
这里SE理解为：用系统思想作指导，以系统方法和工程方法为工具，去建造人们需要的新系统或改造原有的旧系统，使之更加合理、更加完善、更加科学。
第2节 系统工程概念
2 系统工程的定义
钱学森：“系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、实验和使用的科学方法” ，“系统工程是一门组织管理技术”。
SE定义的基本点：
（1）SE既是一种方法论，又是一门工程技术，主要是组织管理技术；
（2）SE是一门边缘学科；
（3）SE组织协调系统内各要素的活动，实现系统整体目标最优化。
二、系统工程的基本特征
一个系统，两个最优。
综合性：组成综合；研究综合；学科综合；考核效益综合。
科学性：数学方法和计算机的应用。
三、SE产生及发展的客观基础
自然界、社会、政治、经济、管理及国家关系等多个方面组织上日趋复杂，出现了综合性很高的系统性事物，成为一类具有独特性质的问题，要求有一种适应这种新情况的新方法；
通讯技术和信息科学的发展，使社会生产和经济过程的各环节可迅速联系，同时计算机的发展，处理和传递信息的能力大大增加，并能迅速对综合性的系统问题作出判断和决策，刺激了SE的急剧发展；
现代数学，特别是运筹学、计算方法及技术的出现和发展，最优化技术体系的形成，使复杂问题的定量分析和运算、最优化决策和管理成为可能。
四、系统工程的发展概况
阶段
年代（份）
重大工程实践或事件
重要理论与方法贡献
I
1930
美国发展与研究广播电视
正式提出系统方法（Systems approach）的概念
1940
美国实施彩电开发计划
采用系统方法，并取得巨大成功
美国Bell电话公司开发微波通讯系统
正式使用系统工程（Systems Engineering）一词
II
第二次世界大战期间
英、美等国的反空袭等军事行动
产生军事运筹学（Military Operations Research）,也即军事系统工程
本世纪40年代
美国研制原子弹的“曼哈顿计划”
运用SE，并推动了其发展
1945
美国空军建立兰德（RAND）公司
曾经提出系统分析（Systems analysis）概念，强调了其重要性
III
40年代后期到50年代初期
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SE奠定了重要的学科基础
IV
1957
和 发表第一部名为《系统工程》的著作
系统工程学科形成的标志
1958
美国研制北极星导弹潜艇
提出PERT（网络优化技术），这是最早的系统工程技术之一。
1965
编著《系统工程手册》
表明系统工程的实用化和规范化
美国自动控制学家提出“模糊集合”概念
为现代SE奠定了重要的数学基础
1961-1972
美国实施“阿波罗”登月计划
使用了多种SE方法，其成功极大地提高了SE的地位
V
1972
国际应用系统分析研究所（IIASA）在维也纳成立
SE的应用开始从工程领域进入到社会经济领域，并发展到了一个重要的新阶段。
70年代
SE的广泛应用在国际上达到高潮
VI
80年代
SE在国际上稳定发展、在中国的研究与应用达到高潮
五、系统工程在中国的发展及应用
上世纪50至60年代，我国的一些研究机构和著名学者为SE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森的《工程控制论》、华罗庚的《统筹法》和许国志的《运筹学》。
我国大规模地研究与应用SE是从70年代末、80年代初开始的。
1978年9月27日，钱学森、许国志、王寿云在《文汇报》发表题为“组织管理的技术——系统工程”的长篇文章；
从1978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招收了第一批SE专业硕士研究生；
1980年11月，中国系统工程学会在北京成立；
1980年10月至1981年1月，中国科协、中央电视台会同中国系统工程学会、中国自动化学会联合举办“系统工程电视普及讲座（45讲）”，取得了良好的社会效果。
70年代末以来，应用SE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了较好的效果，如：人口问题的定量研究及应用（始于1978年）、2000年中国的研究(1983至1985年）、全国和地区能源规划（始于1980年）、全国人才和教育规划（始于1983年）、农业系统工程（始于1980年）、区域发展战略（始于1982年）、投入产出表的应用（始于60年代和1976年）、军事系统工程（始于1978年）、水资源的开发利用（始于1978年）等。
90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、与思维科学结合等方面已具有初步结果和强劲势头。
六、系统工程与其他相近学科的关系
1 系统科学与系统工程
系统科学是一门从总体上研究复杂系统共同运动规律的科学
系统工程是一门系统科学、工程技术学、经济学和管理学等相结合的组织管理技术，是一种改造客观世界的工程技术，同时也是一种运筹与决策的艺术。
奥地利理论生物学家贝塔朗菲将系统论分为：
一般系统论- 关于“系统”的科学，对各种不同的具体科学（物理学、生物学、经济学等）的系统进行科学的理论研究，要求用精确的数学语言 描述各种系统；
系统技术 － 涉及系统工程的内容，着重研究系统思想与系统方法在 现代科学技术和社会的各种系统中的实际应用；
系统哲学 － 包括系统本体论、系统认识论、以及人与世界关系的价值观、 人本主义等等。
2 系统分析与系统工程
(1)系统工程＝系统分析;
(2)系统工程包括在系统方法之中，与系统分析并列;
(3)系统工程包括系统分析、系统设计和决策分析.
本课程体系：系统工程＝系统分析＋决策分析
3 运筹学与系统工程
运筹学和系统工程可以看作是属于一个领域中的两个姐妹学科，都是系统思想方法定量化的实际应用研究。
运筹学发展成为一个专门的数学分支，由数学家进行专门研究，并为系统工程提供最重要的方法和理论基础。
运筹学的目的：增加现有系统效率的分析工作，通常涉及现已存在系统的运营情况，如工厂、市场等系统；以专业技术为导向，分析程序由下而上（战术）
系统工程：对若干可供选择的执行特定任务的系统方案进行选择比较；以问题状况为导向，分析程序由上而下（战略）
