第1章-系统与系统工程

系统工程SystemsEngineering2020/4/22北京物资学院信息学院1课程摘要2020/4/22北京物资学院信息学院2系统工程是20世纪中期开始兴起的一门综合性学科，内容涉及系统论、控制论、信息论、耗散结构、协同学、突变论、运筹学、决策理论、大系统理论、建模与仿真技术等诸多方面。系统工程是从总体出发，合理规划、开发、运行、管理及保障一个系统所需思想、理论、方法与技术的总称。哲学思想基础科学技术科学工程技术引子2020/4/22北京物资学院信息学院3Why？客观世界三要素：物质、能量和信息不断丰富，事物间联系加强。世界朝复杂性增加的方向发展，各项工作需抓总。案例：阿波罗登月计划。阿波罗计划：历时11年，涉及20000多家企业、420000工程技术人员、120所大学和科研机构、1000多万个零部件……涉及火箭工程、控制工程、通信工程、电子工程、计算机工程、医学、心理学等学科。但该计划的成功未采用一项新技术，完全是综合运用现有技术成果的结果，是大型系统工程成功的典范。引子2020/4/22北京物资学院信息学院4Why？要求：•具有从整体、全局驾驭工作的能力和习惯，能统筹策划；•在知识结构上，是“T”型人才；•善于和上下级、左右机构与同志联系工作，沟通思想，能够团结不同专业、不同观点的专家一道工作；•……引子2020/4/22北京物资学院信息学院5Why？•用系统观、整体观去认识问题；•用系统科学、系统工程方法论的观点来思考问题；•用系统工程技术来处理问题。无论如何，我们将被迫在知识的一切领域中运用“整体”或者“系统”来处理复杂性问题，这将是对科学思维的一个根本改造。——贝塔朗菲学一点系统工程！肯德基：1987年进入中国市场。目前在中国拥有1700多家分店。6引子不能单靠传统方法进行大型复杂系统的规划、设计、制造、试验和使用，易割断普遍联系，“头痛医头、脚痛医脚”。案例：阿斯旺高坝。1972年联合国环境大会称其为“一个完全失败的工程”。7引子阿斯旺高坝的得失：效益：良好的灌溉、廉价的电力、控制洪涝、旅游。苦果：•泥沙和有机物沉积到水库底部，使两岸绿洲失去肥源，土壤日益贫瘠；•下游入海口盛产沙丁鱼的渔场毁于一旦；•尼罗河河口供砂不足，河口三角洲平原从向海伸展变为向陆地退缩；•下游的活水成为相对静止的“湖泊”，为血吸虫、疟蚊提供了生存条件，水库一带居民的血吸虫发病率高达80%；•阿斯旺大坝成为敌方攻击的最好目标。OK8引子•直接登月登月方案筛选比较•地球轨道交会几十个•月球轨道交会论证计算月球轨道交会方案9引子月球轨道交会方案OK10课程学习要求2020/4/22北京物资学院信息学院11Ⅰ.了解系统工程的基本概念，学习系统工程的基本思想，会用系统工程的基本思想去看待问题、认识问题；Ⅱ.掌握系统工程一些常用的、重要的方法，如多级递阶结构分析法、模糊综合评价法、系统动力学方法、计算机仿真方法等；Ⅲ.应用所学系统工程的思想和方法解决社会、经济、工程等系统性问题。内容2020/4/22北京物资学院信息学院12•系统与系统工程重点•系统工程基本理论一般、难点•复杂系统理论一般、难点•系统工程方法论重点•系统模型与仿真重点、难点•系统分析重点•系统评价一般、难点•系统决策一般•系统预测一般主要参考资料2020/4/22北京物资学院信息学院13[1]孙东川，林福永，孙凯.系统工程引论（第2版）.[M]北京：清华大学出版社，2009.5[2]郁滨（等）.系统工程理论.[M]合肥：中国科学技术大学出版社.2009.2[3]谭跃进.系统工程原理[M].国防科学技术大学出版社,2003.[4]薛惠锋，张骏（等）.现代系统工程引论.[M]北京：国防工业出版社.2006.4[5]苗东升.系统科学大学讲稿.[M]北京：中国人民大学出版.2007.11[6]颜泽贤，范冬萍，张华夏.系统科学导论-复杂性探索.[M]北京：人民出版社.2006.9[7]涂序彦.大系统控制论.[M]北京：国防工业出版社，2003.10[8]陈森发.复杂系统建模理论与方法.[M]南京：东南大学出版社，2005.4[9]许国志.系统科学[M].上海科技教育出版社,2004.[10]许国志.系统科学与工程研究[M].上海科技教育出版社,2001.[11]汪应洛.系统工程钱学森的诸多著作本章主要内容2020/4/22北京物资学院信息学院141.1系统的概念1.2系统的分类1.3系统的结构与功能1.4系统思想的发展与系统科学1.5系统工程的概念1.6系统工程的形成与发展1.7系统工程的理论体系1.8系统工程的应用与展望第1章系统与系统工程2020/4/22北京物资学院信息学院151.1系统的概念1.2系统的分类1.3系统的结构与功能1.4系统思想的发展与系统科学1.5系统工程的概念1.6系统工程的形成与发展1.7系统工程的理论体系1.8系统工程的应用与展望1.1系统的概念概念2020/4/22北京物资学院信息学院16英文拉丁文SystemsSyn+histemiS“在一起”+“放置”•直观理解：把一些东西“放置”“在一起”就形成“S”。什么是系统？学术界的认识并不完全一致1.1系统的概念1.1.1系统的定义2020/4/22北京物资学院信息学院17美国的《韦氏（Webster）大辞典》：“有组织的或被组织化的整体；结合着的整体所形成的各种概念和原理的结合；由有规则的相互作用、相互依赖的形式组成的诸要素集合。”日本的JIS（日本工业标准）中：“许多组成要素保持有机的秩序向同一目的的行动的集合体。”1.1系统的概念1.1.1系统的定义2020/4/22北京物资学院信息学院18前苏联大百科全书中：“一些在相互关联与联系之下的要素组成的集合，形成了一定的整体性、统一性。”《中国大百科全书·自动控制与系统工程》：“由相互制约、相互作用的一些部分组成的具有某种功能的有机整体。”1.1系统的概念1.1.1系统的定义（钱学森）:2020/4/22北京物资学院信息学院19•S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。基本特征：•S由若干元素组成；•元素之间相互作用、相互依赖；•由于元素间的相互作用，使得S作为一个整体具有特定的功能。1.1系统的概念1.1.2系统的属性2020/4/22北京物资学院信息学院201.整体性2.集合性3.层次性4.相关性5.目的性6.环境适应性1.1系统的概念2020/4/22北京物资学院信息学院211.整体性S由两个或两个以上的能相互区别的要素组成，又是一个不可分割的有机整体。•部分在整体中才存在，如手、脚之于人，钢铁工业之于国民经济系统。拿破仑的著名论断：马木留克兵——法国兵23(马兵单个格斗能力强)100约等于10015001000(法兵纪律严明、相互协调)即使每个要素都良好，但作为整体却无某种良好功能，不能称为完善S；相反，一个S中即使每个要素并不都很完善，但它们也可协调、综合成为具有良好功能的S。221.1系统的概念2020/4/22北京物资学院信息学院232.集合性3.层次性任何一个S都可分解为一系列不同层次的子S，它本身又是所从属的一个更大S的子S。即任何S向上可合，向下可分。系统是由许多（至少2个）可以相互区别的要素组成1.1系统的概念2020/4/22北京物资学院信息学院243.层次性系统的层次结构：组分（子系统）及组分（子系统）间关联方式的总和。关联方式主要是因果关联（数学和逻辑关系），表现形式有树状结构和网状结构两种。1.1系统的概念2020/4/22北京物资学院信息学院253.层次性1.1系统的概念2020/4/22北京物资学院信息学院264.相关性S各要素间有密切关系，相互影响、相互制约、相互作用，牵一发而动全身。故要求S内各要素应根据整体目标，尽量避免“内耗”，设法提高S整体运行效果。5.目的性通常S都具有某种目的。为达到既定目的，S都具有一定功能，这是区别各种S的标志。S目的一般用更具体的目标来体现。1.1系统的概念2020/4/22北京物资学院信息学院276.环境适应性S都存在于一定环境，与外界存在物质、能量和信息交换，环境的变化必会引起S内部各要素的变化。不适应环境变化的S没有生命力，只有能经常与环境保持最优适应的S，才是具有不断发展势头的理想S。第1章系统与系统工程2020/4/22北京物资学院信息学院281.1系统的概念1.2系统的分类1.3系统的结构与功能1.4系统思想的发展与系统科学1.5系统工程的概念1.6系统工程的形成与发展1.7系统工程的理论体系1.8系统工程的应用与展望1.2系统的分类2020/4/22北京物资学院信息学院29可以从不同的角度将系统分为不同的类别:•按照系统属性分类•按照系统与环境的关系分类•按照系统的综合复杂程度分类•钱学森院士的分类1.2系统的分类2020/4/22北京物资学院信息学院301.2.1按照系统的属性进行分类按照不同的标准，系统有不同的分类。按照属性可以分为自然系统和社会系统；实体系统和概念系统等。自然系统：太阳系、地质构造、森林等；社会系统：工厂、学校，农业系统、工业系统等；实体系统：矿物、生物、工厂、学校等；概念系统：学科体系、规章制度、指挥系统等。1.2系统的分类1.2.2按照系统与环境的关系进行分类1.孤立系统外界没有任何物质、能量、信息的交流，即，与周围环境没有任何相互作用的系统。严格来说，自然界并不存在这样的系统，它是因研究需要而提出来的一种理想模型。当系统与外界的相互作用小到可以忽略时，可以被近似看成是孤立系统。2020/4/22北京物资学院信息学院311.2系统的分类2.开放系统与外界既有物质交换、又有能量交换的系统。现实的事物之间总会存在千丝万缕的联系，所以客观世界中的系统大多是这类系统。这里所研究的开放系统是，起码与两个源（两个热源或两个物质源）相接触，通过交换而形成的一种活的系统。2020/4/22北京物资学院信息学院321.2系统的分类3.封闭系统与外界没有物质交换但有能量交换的系统。封闭系统是统计物理学与热力学中的概念。如上所述，如果系统只与一个热源接触，最终必定实现平衡态，我们仍将其归入孤立系统；如果系统与外界多个热源交换热量，我们将其划归为开放系统。2020/4/22北京物资学院信息学院331.2系统的分类1.2.3按照组成系统的实际内容进行分类1.物质系统：组成物质系统的基本元素是原子、分子等无机物质。物理学、化学等自然科学的研究对象都属于此类系统，如地质系统。2.生物系统：组成系统的基本元素是“活”的生物组织。系统对环境有能动的适应性，使自身在自然界中得以生存和发展，如蛋白质系统。3.人类系统：组成系统的基本元素是人。人对于环境不仅有适应性，而且能够主动控制和改造环境，使系统更适应人类需要，如社会经济系统。2020/4/22北京物资学院信息学院341.2系统的分类1.2.4按照系统内各子系统之间的相互关系进行分类1.线性系统：系统中某部分的变化引起其余部分的变化是线性的，或者说系统的输入线性迭加时，系统的输出也线性迭加，就称该系统是线性系统。2.非线性系统：与线性系统相对，系统内部各组元之间的影响不是线性的，或者说系统的输入、输出不满足迭加原理。对大部分的非线性系统模型，当它的变量保持在一定范围之内时，往往被近似表达为线性系统。2020/4/22北京物资学院信息学院351.2系统的分类1.2.5按照系统状态与时间的关系进行分类1.静态系统：其状态不随时间改变的系统。这类系统没有记忆，即某时刻的输出仅与系统当前输入有关，而与其它时刻的输入无关。研究静态系统相当于分析系统某一定态的性质。2.动态系统：系统状态随时间变化的系统。动态系统在某时刻的输出与其它时刻的输入有关。研究动态系统，就要研究系统的时间行为，找出系统状态随时间变化的表达式或运行轨迹。2020/4/22北京物资学院信息学院361.2系统的分类1.2.6按照系统的演化特点进行分类1.确定性系统：外界影响确定、系统的演化规律及子系统之间的相互关系也确定不变的系统。