第2章环境系统思

系统工程概述一.系统工程产生的背景二.系统工程的产生、发展及应用三.系统工程的研究对象四.系统工程的概念与特点系统工程产生的背景必要性社会发展产生的问题经济发展产生的问题技术发展产生的问题可能性运筹学控制论一般系统理论信息论耗散结构理论协同论突变论我国系统工程的发展古代朴素系统观点的自发应用：孙子兵法（道、天、地、将、法）都江堰水利工程（鱼嘴”、“飞沙堰”、“宝瓶口”）皇宫修复工程（一举三得）优化冶炼方法（元素的合理配比）都江堰水利工程丁谓的皇宫修复工程丁谓的皇宫修复工程北宋年间，丁谓负责修复大火烧毁的开封皇宫。他的施工方案是：先将皇宫前的一条大街挖成一条大沟，将大沟与汴水相通。使用挖出的土就地制砖，令与汴水相连形成的河道承担繁重的运输任务；修复工程完成后，实施大沟排水，并将原废墟物回填，修复成原来的大街。丁谓将取材、生产、运输及废墟物的处理用“一沟三用”巧妙地解决了。系统工程的产生、发展及应用(一)系统思想及系统理论的产生与发展系统思想的发展经历了三个阶段，即：“只见森林”（朴素的系统思想）阶段—“只见树木”阶段—“先见森林，后见树木”（科学的系统思想）阶段。古代中国和古希腊在系统思想的产生与早期发展中具有突出地位和贡献。系统思想及系统理论的产生与发展整体思想和联系思想是科学系统思想的核心与实质。一般系统论、控制论、信息论、耗散结构理论、协同学及自组织理论等是系统理论的重要内容和SE的理论基础。系统工程发展简史不同年代重要事件（曼哈顿计划，北极星导弹、核潜艇计划和阿波罗登月计划）国际应用系统分析研究所圣塔菲研究所（复杂、非线性系统研究以及人机系统研究）复杂适应系统的提出（提出对于人们认识、理解、控制、管理复杂系统提供了新的思路）9系统工程的形成与发展:阿波罗登月计划阿波罗登月中的创建性工作:方案的开发和选择详尽而明确的研制规划制定总体性能指标的控制解决系统内部接口问题系统分析与管理的新方法10方案开发和选择登月方案几十个筛选比较•直接登月•地球轨道交会•月球轨道交会月球轨道交会方案论证计算11系统总目标详尽而明确的研制规划•功能分析•工作分解结构月球轨道交会方案技术目标技术活动1220次飞行试验详细规划四大系统运载火箭系统载人飞船系统跟踪和数据系统发射和飞行指挥系统六项辅助计划水星计划双子星座计划飞马座计划徘徊者计划勘察者计划月球轨道环行器水星号13阿波罗登月计划:系统工程发展的里程碑目标：在10年内将人送上月球，并使其安全地返回地球。经费：250亿美元1969年6月，阿波罗飞船登上月球，标志着系统工程及其在装备研制中应用的日趋成熟。(二)系统工程的发展概况(1)阶段年代（份）重大工程实践或事件重要理论与方法贡献I1930美国发展与研究广播电视正式提出系统方法（Systemsapproach）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（SystemsEngineering）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（MilitaryOperationsResearch）,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（Systemsanalysis）概念，强调了其重要性III40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IV1957H.Good和R.E.Machol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。1965R.E.Machol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L.A.Zedeh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(二)系统工程的发展概况(2)IV1957H.Good和R.E.Machol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。1965R.E.Machol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L.A.Zedeh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V1972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VI80年代SE在国际上稳定发展、在中国的研究与应用达到高潮(二)系统工程的发展概况(3)曼哈顿计划(ManhattanProject)美国陆军部于1942年6月开始实施的利用核裂变反应来研制原子弹的计划，亦称曼哈顿计划。为了先于纳粹德国制造出原子弹，该工程集中了当时西方国家(除纳粹德国外)最优秀的核科学家，动员了10万多人参加这一工程，历时3年，耗资20亿美元，于1945年7月16日成功地进行了世界上第一次核爆炸，并按计划制造出两颗实用的原子弹。整个工程取得圆满成功。在工程执行过程中，负责人L.R.格罗夫斯和R.奥本海默应用了系统工程的思路和方法，大大缩短了工程所耗时间。这一工程的成功促进了第二次世界大战后系统工程的发展。曼哈顿计划有关视频=1=1我国系统工程的发展钱学森对我国系统工程发展的贡献把运筹学的“种子”从它的发源地美国带回了中国创建了我国第一个军事运筹研究机构——“作战研究处”积极建议我国军事部门将系统工程原理和方法，作为我军不断向现代化迈进的重要手段倡导开展复杂系统的研究倡导建立国民经济总体设计部我国系统工程的发展我国系统工程发展的几个阶段50年代中期，中科院成立了“运筹”、“优选”、“统筹”研究小组70－80年代，人口研究领域、能源与经济协调发展和社会经济发展规划研究90年代初期和中期，企业活力研究和可持续发展研究90年代后期和21世纪初，系统工程研究主要是复杂巨系统研究，如复杂系统理论，系统论、定性到定量综合集成系统、大成智慧系统的研究。系统工程在我国社会经济发展中的作用存在着很多急待解决的宏观、中观、微观层次的问题：发展现状与和谐发展、可持续发展、循环利用、清洁生产之间的矛盾城市人口出生率低与人口老化问题，城市经济结构提升与城市普通居民就业难的问题，农业生产效率提高与农村富有劳动力增加的问题，人与自然和谐等问题系统工程在我国社会经济发展中的作用系统工程在宏观研究和微观研究中的作用定量分析是社会经济发展研究的需要现代仿真可代替部分社会试验提升管理机构执行公务的能力系统工程在我国的发展及应用(1)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。系统工程在我国的发展及应用(2)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。系统工程在我国的发展及应用(3)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。系统工程在我国的发展及应用(4)90年代以来，系统工程在与以下七个方面的结合上已具有初步结果和强劲势头：企业发展转型时期我国改革发展的重大现实问题（综合配套改革、和谐社会建设、自主创新、资源能源问题、新农村建设、城镇化、社会保障、应急管理等）管理科学、经济科学、工程科学各种前沿问题落实科学发展观社会信息化变革重大投资和大型项目管理思维科学和生命科学该类系统的主要特点有：规模庞大、结构复杂、属性及目标多样、一般为人-机系统、经济性突出等。二.系统工程的研究对象(一)SE的研究对象是大规模复杂系统第一节系统的基本概念1.1.1系统的概念(SystemDefinitionandConcepts)《中国大百科全书》解释：系统是由相互制约、相互作用的一些部分组成的具有某种功能的有机整体Asystemisasetofinterrelatedcomponentsworkingtogethertowardsomecommonobjectives.Asystemisacombinationofelementsorpartsformingacomplexorunitarywholesuchasariversystemoratransportationsystem.29钱学森对系统的描述性定义：系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分（元素）结合成的具有特定功能的有机整体，记为S=E，R其中（Elements）为系统（Systems）中所有元素构成的集合，（Relationship）为系统中所有关系的集合。1.1系统的概念ESR30系统定义的三个基本特征:(1)系统是由若干元素组成的；(2)这些元素相互作用、相互依赖；(3)由于元素间的相互作用，使系统作为一个整体具有特定的功能1.1系统的概念31系统的五个基本特性:□整体性□层次性□相关性□目的性□适应性1.1系统的概念（1）目的性(Purposefulness)1.1.2系统的特性(CharactersofSystem)（2）整体性(Entirety,Wholeness)（3）集合性(Assembly,Aggregate)（4）层次性(Hierarchy)（5）相关性(Relativity,corelation)（6）环境适应性(Circumstanceadaptability)33关于系统的整体性系统的整体性就是强调“整体功能大于各部分功能之和”，即“1＋12”系统具有整体的结构、整体的特性、整体的状态、整体的行为、整体的功能等。1.1系统的概念34关于系统的层次性1.1系统的概念任何一个系统都可以分解为一系列的不同层次的子系统，而它本身又是它所从属的一个更大系统的子系统。iSSSiS子系统：如果系统的元素集合满足以下条件，则称为系统的一个子系统：（1）是的子集合，即（2）本身是一个系统。SSiSiSiSiSiSSS35关于系统的层次性1.1系统的概念系统的层次结构：组分（子系统）及组分（子系统）之间的关联方式的