1系统工程

1欢迎同学们选修《系统工程》主讲教师：罗强武汉大学水利水电学院2罗强：E-mail：[e-mail]:68775936地址：武汉大学水利水电学院农水楼305室3一、教学计划1.课程性质：全校公共选修课2.学分：2学分3.学时：36学时4.上课时间：2-13周，周二12-14节5.上课地点：5213教室6.授课方式：讲课为主、自学为辅7.考查形式与时间：报告、开卷考试，11月29日4二、授课内容1、系统科学与系统工程引论6学时2、系统预测3学时3、系统分析（环境、目标与结构分析）6学时4、系统模型6学时7、系统最优化9学时8、可行性研究3学时9、系统决策3学时考查3学时5三、教学参考书1.《运筹学》（第二版），清华大学出版社2.许国志，《系统科学》，上海科教出版社，20003.谭跃进，陈英武、易进先，《系统工程原理》，国防科技大学出版社，19994.冯尚友，《水资源系统工程》，湖北科技出版社5.袁宏源、邵东国等：《水资源系统分析理论与应用》，武汉水利电力大学出版社，20006第一章系统科学与系统工程引论主要内容第一节系统科学的形成与发展第二节系统科学基本概念与方法第三节系统工程原理与应用前景7第一节系统科学的形成与发展本节内容一、古今系统思想二、系统科学的产生与发展三、系统科学的体系结构和地位8一、古今系统思想•系统思想是关于事物整体性观念、相互联系的观念、演化发展的观念•系统概念源于人类社会实践：《黄帝内经》：强调人体各器官的有机联系、生理现象和心理现象的联系、身体健康和自然环境的联系都江堰工程：鱼嘴岷江分水工程、飞沙堰分洪排沙工程、宝瓶口引水工程和120个附属渠堰工程之间的联系处理恰到好处古希腊：德谟克利特《宇宙大系统》9都江堰水利工程•都江堰水利工程在四川都江堰市城西，是全世界至今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。２２００多年来，至今仍然连续使用，仍发挥巨大效益，不愧为文明世界的伟大杰作，造福人民的伟大水利工程。都江堰渠首的三大主体工程鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道、宝瓶口进水口三大部分构成，科学地解决了江水自动分流、自动排沙、控制进水流量等问题，消除了水患，使川西平原成为“水旱”的“天府之国”。目前灌溉面积已达40余县，１９９８年超过一千万亩。都江堰水利工程的三个子工程融为一个整体，巧妙配合实现了彻底排沙、最佳水量的自动调节的作用。10鱼嘴分水堤11飞沙堰溢洪道1213•现代科学技术使系统思想定量化，成为有数学理论、能够定量处理系统各组成部分相互联系的科学方法•计算机技术的发展为定量化系统思想的应用提供了强有力工具•社会实践活动的大型化和复杂化要求系统思想方法定性与定量相结合•第二次世界大战是定量化系统方法的“催生婆”•强调全局观念、从全局出发合理使用局部、最终求得全局效果最佳，从而找到精确计算后的获胜对策14•综合起来，系统思想是进行分析与综合的辩证思维工具，它在辩证唯物主义那里取得了哲学的表达形式，在运筹学等学科那里找到了定量的表达形式，在系统工程这里获得了丰富的实践内容•系统思想是从经验到哲学、从思辩到定性再到定量的发展过程15二、系统科学的形成和发展科学背景•20世纪初，微观层次建立了统一的量子力学和原子结构理论•宇宙层次建立了科学的宇宙结构学说•特别是综合了粒子物理成就的宇宙演化模型的建立，从根本上为科学的系统演化理论的形成和发展打下了坚实的基础•在这样的背景下，人们开始重点集中于以人为尺度的宏观层次，寻求这个层次的事物的产生、发展和演化的共性规律•反映这一趋势的代表：薛定谔（1943）在爱尔兰的报告“生命是什么：活细胞的物理学观”•20世纪出现了许多大型、复杂的工程技术和社会经济问题，要求从整体上加以优化解决16•发展过程17发展过程•直接把系统作为研究对象：贝塔朗菲（1910-1971）的一般系统论（1937、1945）•他认为：现实是一个有组织的由实体构成的递阶秩序，在许多层次的叠加中从物理、化学系统引向生物、社会系统，不能把分割的部分行为拼加成整体，必须考虑各个子系统和整个系统之间的关系，才能了解各部分的行为和整体•20世纪30年代末，战争需要，研制雷达系统，产生运筹学•运筹学的贡献：把系统有效运行的制约因素和要实现的目标这一共性，概括成一种数学模式：联立约束方程和目标函数并求解•运筹学的成熟标志：瓦格纳（1969）《运筹学原理和对管理决策的应用》18发展过程•控制论（维纳，1894-1964）：关于动物和机器中控制和通信的科学，基础是自动控制技术和统计数学•它对系统科学的贡献：提炼出了包括生物系统和人工系统的共性和规律，提炼出的概念：目的、行为、通信、输入、输出、反馈、控制等，及在这些概念上的模型，联系着理论与应用•信息学（申农，1948）：对系统的信息传递和处理过程规律•计算机技术（1948）：不单是威力巨大的计算手段，标志着人类对信息处理本质的认识，即人的智能机理，实现了人的信息处理的智能可以部分由人造物代替19发展过程•运筹学、控制论和信息论的成就，把科学的定量的系统思想适用范围，从自然物扩展到人工物，从物理扩展到事理，为系统科学横断自然科学、社会科学和工程技术的基本特征的形成奠定了基础•系统工程概念提出：美国贝尔电话公司，20世纪40年代•1957年，古德和麦考尔出版了《系统工程》•泰勒（1856-1915）：由科学管理发展到管理科学•系统工程的成功范例：阿波罗飞船登月成功（1969）•1972年成立国际应用系统分析研究所•20世纪70-80年代：建立系统自组织理论20发展过程•耗散结构理论（普利高津，1969）：在开放且远离平衡情况下，系统通过和环境进行物质与能量交换，一旦某个参量变化达到一定的阈值，就可能从原来的无序状态自发转变到在时间、空间和功能上的有序状态•协同学理论（哈肯，1969）：一个系统从无序到有序的关键不在于系统是平衡或非平衡，也不在于离平衡有多远，而是通过系统内部各子系统之间的非线性相互作用，在一定条件下，能自发产生在时间、空间和功能上稳定的有序结构，这就是自组织•哈肯还指出：系统在临界点附近的行为仅由少数慢变量决策，系统的快变量由慢变量（序参量）支配，即役使原理•1979年，艾根吸取进化论和自组织理论的思想，提出了超循环原理21发展过程•20世纪80年代以来，非线性科学和复杂性理论得到发展•非线性是数学概念，是相互作用的数学表达，一个系统不仅是其部分的总和，就意味着叠加原理的失败，在数学上就是非线性的•非线性科学研究各门科学中有关非线性的共性问题：一个系统的性能如何随时间变化？有没有稳定的终态？在非线性动力学中，就是定常状态、分岔、不动点、振荡、混沌问题•复杂性研究开始的标志：圣菲研究所，美国新墨西哥州，1984•事物的复杂性是从简单发展来的，是在适应环境过程中产生的，反映的是科学技术的综合趋势和不同领域的共识22三、系统科学的体系结构和地位马克思主义哲学系统论（系统观）系统学运筹学控制论信息学哲学基础科学技术科学工程技术专业系统工程自动化技术通信技术23•系统科学的内容24系统概念即关于系统的一般思想和理论。一般系统理论即用数学的形式描述和确定系统的结构和行为的纯数学理论。系统理论分论指为了解决各种特点的系统结构和行为的一些专门学科，如图论、博弈论、排队论、控制论、信息论等。系统方法即为了对系统对象进行分析、计划、设计和运用时所采用的具体应用理论及技术的方法步骤，主要指系统分析和系统工程。系统方法的应用即将系统科学的思想和方法应用到各个具体领域中去。25•系统科学是把事物看作系统，从系统结构和功能，系统的演化，研究各学科的共同规律•当今科学技术不断向微观深入，又直接走向宏观系统，更趋复杂和综合•宏观、交叉和复杂的整体化的趋势发展已成为主流•可持续发展、经济全球化、现代化、信息化等需要系统科学•人才市场要求懂得并会运用系统工程26可持续发展可持续发展是既满足当代人的需要，又不损害子孙后代的发展一个国家或地区的可持续发展能力，由下述5个支持系统组成：生存支持系统、发展支持系统、环境支持系统、社会支持系统、智力支持系统由此在发展数量、规模上（发展度），资源配置、质量效率上（协调度），长期、代际合理性上（持续度）的三维空间构建可持续发展战略27第二节基本概念与方法本节内容一、系统、结构、层次二、环境、行为、功能三、状态、演化、过程四、系统方法与模型方法28一、系统、结构、层次（一）系统•系统是相互作用的多元素的复合体（贝塔朗菲）S=A,R式中：A为系统S的元素集，R为元素间的关系集系统把极其复杂的研究对象称为系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成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。•系统：由若干要素以一定结构形式联结构成的具有某种功能的有机整体。•包括了系统、要素、结构、功能四个概念•表明了要素与要素、要素与系统、系统与环境三方面的关系。2930（二）结构与子系统•结构：组分及组分之间的关联方式（系统把其元素整合为统一整体的模式）的总和•当系统规模太大时，必须对元素进行“分片”管理，因而把系统分成若干子系统，但不同子系统具有相同的结构•子系统的特点：–局域性–系统性–可分性–相对独立性31元素与子系统的差别•元素的本质特征是具有基元性，对给定元素，它是不能再分的，不具有系统性，不讨论其结构问题•子系统有可分性、系统性，要讨论其结构问题•元素和子系统都是系统的组成部分，称为组分32组织与结构的区别•只要组分间存在相互作用，就有系统结构，但有结构并不等于有序•结构分为无序和有序•组织仅指有序结构，有组织的系统都具有有序结构的系统33系统的结构分析•内容：划分子系统，分析各子系统的结构，阐明不同子系统之间的关联方式同一系统可按不同标准划分子系统按同一标准划分的子系统具有可比性•系统结构的分类方式很多，一般从框架结构与运行结构、空间结构与时间结构两方面进行分类•框架结构:当系统处于尚未运行或停止运行状态时，各组分之间的直接联接方式•运行结构:系统处于运行过程中所体现出来的组分之间相互依存、相互支持、相互制约的方式34（三）整体与涌现性•整体和部分是系统科学的一对重要范畴，系统科学重点考察系统的整体性•若干部分按照某种方式整合为一个系统，就会产生出整体具有而部分或部分总和所没有的东西，如整体的形态、特性、行为、状态、功能、困难、机遇、途径等。•系统科学把这种整体才有、孤立的部分及其总和不具有的特性，称为整体的涌现性（wholeemergence)•整体涌现性是一种规模效应，不同的系统规模，描述和处理的方法是不同的•产生整体涌现性的原因，是由系统组分按结构方式相互作用、补充、制约而激发出来的，是结构效应、组织效应35•整体思想是系统论最核心的观点，系统科学是关于整体性的科学•涌现性的另一种解释是高层次具有低层次没有的特性•层次是系统由元素整合为整体过程中涌现等级，不同性质的涌现形成不同的层次，不同层次表现不同性质的涌现性•层次提供一个参照系，出现新的涌现性不一定产生新的层次36（四）系统的分类•规模：小系统、大系统、巨系统•结构：简单系统、复杂系统•状态：静态系统、动态系统•性质：自然系统、人工系统、复合系统•环境：封闭系统、开放系统•形态：实体系统、概念系统37二、环境、行为、功能•系统的环境•一个系统之外的一切与它相关联的事物构成的集合•系统与环境之间的关系是系统的外部规定性•环境也是决定系统整体涌现性的重要因素•环境意识是系统思想的另一个基本点38•系统的边界•把系统与环境分开来的东西•边界的存在是客观的•边界存在的相对性•开放性与封闭性•开放性：系统能够同环境进行交换的属性•封闭性：系统阻止自身同环境进行交换的属性•开放越充分有效，越利于系统的生存发展39•系统的行为•系统相对于环境所表现出来的任何变化•行为属于系统自身的变化，是系统特性的表现，但又同环境有关，反映了环境对系统的作用或影响•不同的系统有不同的行为，同一系统在不同情况下也有不同行为•系统行为包括：