系统工程(1)

系统工程系统工程学（SystemEngineering,SE）系统工程是一门交叉学科三大学科的交叉：运筹学（OR）现代管理科学系统科学交叉：自然科学/社会科学在思想、理论、方法上按总体协调的需要，有机结合。系统工程兴起于二十世纪中叶，由于大系统（规模庞大，结构复杂，影响因素众多）频繁出现而产生。例如：大型水利工程系统（三峡电站）；跨地区电网系统；综合交通运输系统；军事指挥系统；社会经济系统；这些系统的的特点：多输入，多输出，人机系统。对这些系统运行机制与发展规律的研究，形成了系统工程。第一章系统工程概论第一节引言第二节系统第三节系统工程第一节引言五个问题：为什么学习系统工程学习内容及安排如何学好系统工程课程结构（骨架）教材一、为什么学习系统工程1.认识和解决各种重大、复杂现实问题的需要；2.管理科学的要求3.西安交大的系统工程1.系统工程I（控制、大系统）2系统工程II（管理系统工程）3系统工程III（人口系统工程）系统工程是管理学院唯一的一类课程本科、硕士、博士论文中所用的方法多出于系统工程二、学习内容的安排系统工程概论系统工程方法论结构模型和解释结构模型状态空间模型仿真模型及系统动力学方法系统评价管理决策及冲突分析三、如何学好系统工程注意培养系统思想（尤其独特的思想）；注意综合应用所学的知识，综合就是创造，发明创造很有限；实践性较强，注意主动联系实际；计算机与系统工程；SE与OR被公认为管理学院最硬的两门课（杀手），需给予足够的重视；四、课程骨架及特点三大块：–基本概念与思想–基本方法与模型（典型方法与模型）–评价与决策；系统工程不系统；系统工程之我见；五、教材的特点教材体系与大纲不同，阅读比较困难，内容顺序比较杂乱；相关的教材差异性很大，参考时需注意（如有些以运筹学为主）；参考书目：系统工程理论与实践（32开），高等教育出版社，1992，汪应洛主编；国外系统工程教育目标有强烈的系统观念，在任何时候、对任何问题都能显示出系统观点的思考能力，能充分理解问题的社会价值，有关因素和可能的后果；善于察觉和阐明问题，及时提出见解和方案；有想象力和创造力，有坚定的意志，不为他人和环境所左右；熟悉有关社会各界的意愿与动向；善于沟通主管人员、设计人员、使用人员和社会各界之间的信息交流；第二节系统一、系统的定义二、系统的特性整体性；相关性；层次性；目的性；环境适应性三、系统分类1.实体系统（物理系统）与概念系统（法律、方针、政策、经济）2.自然系统与人造系统3.开放系统与封闭系统4.静态系统与动态系统第三节系统工程一、系统工程研究对象二、系统工程定义三、系统工程基本思想–全局观点–总体最优观点–实践性观点–综合性观点–定量定性相结合观点–问题导向与反馈控制四、系统工程与传统工程的区别–系统工程采用先决定整体框架，后进入详细内部设计的程序；–系统工程试图通过将构成事物的要素的秩序加以适当的配置来提高整体的功能，主张可采用不太可靠的元素构成高可靠性的系统。其核心思想是综合就是创造。传统工程则坚持发明创造。–系统工程是软科学。软科学特征：人（决策者，分析者）的重要作用多次反馈，反复协商信息的作用五、系统工程发展史（教材P11）六、系统工程的应用（教材P14）七、系统工程理论基础（教材P6）第二章系统工程方法论第一节系统工程的基本过程一、霍尔方法论二、切克兰德方法论案例1柔性制造系统的规划柔性制造系统是自动化制造的背景下的一种制造模式，其特点是自动化程度很高（无人工厂）；设备昂贵。所谓规化是指根据需求选择合适的设备型号和数量，并做相应的布置。案例1图示刀库车削加工中心铣削加工中心钻削加工中心Load/UnloadAGVBufferBufferBuffer设计环境零件不确定零件工艺不同在不同机床上进行不同加工依照不同次序，零件到达分布规律是随机的，但符合某种分布，零件加工的过程相当于排队网如何设计制造系统？Supplier需求分析规格确定最终设计机床数量零件流刀具流夹具操作工实施初步设计与成本User设计过程总体思路——优化由于设备昂贵，优化目标为系统生产率；需要决策的变量很多，如机床类型、数量、小车轨道设计，机器人速度和缓冲站数目和类型等。案例2某合资企业组织结构与人力资源问题行政D财务E供销F管理部长B装配G加工HNC技术J信息K计划L质量M制造部长C总经理A问题：诊断并设计新的组织结构“人人有事干，事事有人干”方法论研究：–从哪里开始着手解决问题？–如何设计解决问题的过程？–如何最终完成企业提出的问题？一、霍尔方法论基本思想：任何复杂问题都可以归结为工程问题来研究，它强调明确目标，其核心思想是优化，应用定量的手段求得最优解。二、切克兰德方法论基本思想：社会经济问题属于软问题，很难用工程方法得到解决，其核心是“比较”与学习。目标是“改善”。第二节系统分析原理阐明问题谋划备选方案预测未来环境建模预测后果评比备选方案决策原始情况约束条件评价指标目标备选方案后果提供分析结果阐明问题阶段分析研究阶段评价比较阶段一、阐明问题1几个概念–提出问题与解决问题–硬问题与软问题–决策者，提出问题者，委托人与SA人员2阐明阶段的工作内容–问题的性质–问题的条件阐明阶段的工作内容问题的性质：–问题提出者？–决策者？–他们的目的？–相关问题？–环境？问题的条件（约束）–大体资源？–人力？–物力？–财力？–技术？–时间？–其他约束？二、谋划被选方案1案例：美国阿拉斯加原油运输方案2谋划方案技术–头脑风暴法–Delphi法–635法–类比法–矩阵法案例：汽车驱动装置方式参数1234主动轮数2468发动机数124动力形式内燃电动能源氢气电池汽油太阳能三、建模与预计后果模型分类：–分析模型–仿真模型–博奕模型–判断模型四、预测未来环境“情景分析法”案例：上海港新港选址（教材P33）五、评比被选方案评价方法：–关联矩阵法–逐对比较法–古林法–AHP法–模糊评价法六、系统工程报告简略报告（给决策人）主体报告（给委托人）技术报告（给专家，学位论文）第三章解释结构模型建模步骤：–意识模型–可达矩阵（二元关系）–骨架矩阵（缩减矩阵）–多级递阶有向图–解释结构模型例人口模型（教材P95）递阶结构模型意识模型要素及其关系集合可达矩阵骨架矩阵递阶结构模型解释结构模型人机SiRSj分析报告意识模型系统分析思路：–SA小组–阐明问题（界定问题，系统与环境界定）–要素间二元关系判断可达矩阵S1S2S3S4S5S6S7S1S2S3S4S5S6S71000000110000000111100001110000010000011101100001有向图7216435多级递阶有向图S1S2S7S5S4S6S3案例：人口系统递阶结构模型二元关系（教材P95）可达矩阵多级递阶有向图解释结构模型讨论模型系统分析方法论意义模型缺陷定量关系模型修改（层次性要求，二元关系在确定）第四章状态空间模型（数学模型）（数学）模型建模概论–机理法建模（人口预测模型）–拟合法建模两类系统及其相应状态空间系统方程–离散系统–连续系统状态空间方程实例–连续系统：宏观经济模型–离散系统：1人才系统；2宏观经济模型，教材P114；3人口迁移模型第一节数学模型建模方法概述1数学模型定义–数学模型是案照某种数学语言（数学关系式、拓扑结构、计算机语言等）对研究对象系统的某些属性抽象描述和定量表达的结果。2利用数学模型建模程序–例1全球人口总数预测–例2城镇人口迁移数学模型建模程序界定问题（要素及关系）变量类型模型结构数据建模计算分析检验变量类型领域类型1类型2经济外生变量内生变量控制输入变量决策变量（可控）干扰变量（不可控）输出变量数学自变量/参数因变量3建模方法–图解法：定性为主，变量不超过2~3个。–机理法：定性+定量–拟合法：定量为主，以历史数据为依据建模及量化，建模根据某种假设，选择一种理论模型和模式，用以解释所观察行为。如果所收集到的数据说明建模者的假设基本合理，则进一步按照某种法则去选择模型参数。（拟合法建模是实例：人口预测）第二节状态空间系统方程两类系统–连续系统：工程系统。（微分方程描述）–离散系统：如银行存款本利和（差分方程描述）。社会经济系统大多为离散系统。例1宏观经济系统模型例2银行储蓄例1宏观经济模型变量说明:)Z(t)为总需；C(t)为总消费；I(t)为总投资；G(t)为政府支出；Y(t)为总供给；K(t)为总资本存量；vy(t)为期望资本存量。例2某人存入银行一定数量的钱，假定在t=KT时有u(k)元，T为计息周期（例如月），利率为B，求第K个周期的本利和y(k)。系统方程1连续系统系统方程(t)=f(X(t),u(t),t)状态方程Y(t)=g(X(t),u(t),t)输出方程2离散系统系统方程X(k+1)=FX(k)+GU(k)状态方程Y(k)=CX(k)+DU(k)输出方程系统的阶数X离散系统建模实例例1某企业人才系统例2城市人口迁移例3宏观经济系统建模例1考虑企业人才系统。某企业基年有技术员600人，助工800人，工程师200人，高工20人。各类人员每年平均脱离率（包括退休、调离、自然死亡等）分别为0.05,0.06,0.1,和0.09。晋升率分别为技术员每年晋升助工30%，助工晋升工程师20%，工程师晋升高工5%，请建立该系统动态人力资源模型。假定每年新分配来的大学生直接转入技术员。例2预测城市人口流动，5个节点分别代表5个城市，节点I到节点j的权重为Pij（代表一年内I镇居民流向j镇的概率）。任何城镇居民不是继续留在本镇就是流向其他城镇。524311/41/81/41/41/41/31/63/81/161/161/21/81/22/101/104/103/43/10第五章系统动力学（SystemDynamics,SD）系统动力学概述系统动力学理论框架系统动力学建模系统动力学实例系统动力学概述MIT（麻省理工学院）–弗雷斯特，米都斯全球化问题–意大利菲亚特公司罗马俱乐部–增长的极限系统动力学理论框架研究对象：社会经济系统–社会经济系统特征：自律性，非线性，决策环节SD方法特征定性定量相结合：因果关系图/流图/DYNAMO方程多变量（可达上千个），可处理多重反馈，可用计算机仿真SD的理论基础：状态转移系统动力学建模SD的物理模型SD的信息模型因果关系图流图（流图表达）DYNAMO方程系统动力学要点四个基本要素：水准、信息、速率、流；两个基本要素：水准、速率一个中心思想：反馈控制系统动力学基本实例教材P129（流图模型）教材P133，人口模型（一阶正反馈）教材P134，库存模型（一阶负反馈）教材P134，人才培训模型（二阶负反馈）DYNAMO方程中的表函数用于描述某些变量之间的非线形关系。表函数的功能用两条语句表达：–AVAR.K=TABLE(表名,输入变量X.K,最小的X值Xm,最大的X值XM,X的增量⊿X),–T表名=Y0,Y1,…YN,表函数可以表达非线性问题IntroductoryStageGrowthStageMaturityStageDeclineStageTotalMarketSalesTime系统动力学复杂实例例1为研究新住宅对家具销售量的影响，考虑分房和家具销售两个子系统：–在分房子系统中，分房数量（FFL）的增加使新分到住房的户数（XFS）增加，进而使未分房户数（WFS）减少。其中，未分房数还受到需分房总户数（XQS）的影响。分房数量与未分房户数成比例，比较系数为FFX。–在家具销售子系统中，未买家具新房户数（WMS）的增加使家具销售量（XSL）成比例的增加，比例系数为XSX，销售量的增加又使得已买家具户数（YMS）增加。假定一定时期内（如若干年）内XQS、FFX和XSX保持不变。例2人口与企业用地–人口与经济增长：城市就业机