系统工程(第一章).ppt

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1、1,系统工程,经济与管理学院 卢子芳、刘钰碧 （密码：abcd1234）,2,教学安排,上课 28 学时 案例讨论 4 学时 答疑：圆楼-409 Email： ,3,课程性质,经济与管理学科的必修课 专业基础课,4,考核方式,笔试闭卷 平时成绩 30% （出勤，案例分析情况，课堂表现） 期末考试 70%,希望大家都能得到好成绩,5,教材,系统工程理论、方法与应用（第二版）（原） 汪应洛 主编 高等教育出版社 系统工程简明教程（第三版）（新） 汪应洛 主编 高等教育出版社,6,主要参考书,钱学森.论系统工程: 新世纪版.上海: 上海交通大学出版社, 2007 陈宏民.系统工程导论.北京：高等

2、教育出版社. 2006.4 汪应洛.系统工程(第4版). 北京: 机械工业出版社. 2006 喻湘存.系统工程教程.北京：清华大学出版社，2006 塞奇.系统工程导论.陕西：西安交通大学出版社，2006 赵杰.管理系统工程.北京：科学出版社，2006 梁迪, 董海. 系统工程. 北京：机械工业出版社. 2005.6,7,引例：华罗庚先生泡茶,“想泡壶茶喝。当时的情况是：开水没有，开水壶要洗，茶壶茶杯要洗，火已生了，茶叶也有了，怎么办?”,8,一、问题描述,目的,- 解渴,条件,其他要求,- 一个茶壶、一包好茶叶、一个燃着的火炉和可用的凉水水源,- 以最节约资源的方式实现目标,研究任务,-为解决

3、喝茶问题设计一个行动计划系统(设计一个解决泡茶问题的行动计划),目标,-喝到一碗清新的热茶,9,二、问题分析,1 资源需求,2 目标要求,3 系统工程研究任务界定,设计一个解决泡茶问题的行动计划，要求合理安排各道工序，最大限度节约时间。,10,三、定性策划几个备选方案,根据日常经验，对以上泡茶问题可以有以下三种解法： 甲：洗净水壶；灌上凉水；壶放在火上；等水开；水开后，以最快的速度洗茶杯，找茶叶；泡茶，待茶泡好；喝茶。 乙：洗净水壶；洗茶杯；找好茶叶；灌凉水；壶放火上；等水开；水开后，用准备好的茶杯、茶叶泡茶；等待茶泡好；喝茶。 丙：洗净水壶；灌凉水；壶放火上；洗茶杯；拿茶叶；水开之前，可干一

4、些其它事；水开，泡茶；喝茶。,11,四、方案分析与比较 (系统分析),1.列出泡茶所需的全部工序 2.确定每道工序所需的时间 3.确定各道工序之间的时间连接关系 4.分析计算每种方案所需的总时间 5.做出比较结论,12,工序列表,13,泡茶系统工程备选方案工序图,图1 泡茶系统工程备选方案工序图,14,方案分析,甲方案总时间=1+0.5+0.3+15+2+2.2=21 乙方案总时间=1+1+1+0.5+0.3+15+2.2=21 丙方案总时间=1+0.5+(0.3+15)+2.2=19,分析结果：丙方案最节约时间。,方案建议：丙,15,泡茶工程经验总结,几大步骤： 确定问题 目标分析 需求分析

5、 方案策划 系统分析（统计、计算、比较） 决策建议 方案实施 系统原理：最优化、并行统筹、工序图法,16,系统工程的应用举例,三峡水利工程 是我国建国以来最大的工程项目，它的论证、组织、实施与管理可以说就是一个庞大的系统工程问题，这项工程涉及到了国家及地方的众多部门，如水利、电力、能源、文物、生态、移民等等，涉及到几个省的上百个县市，同时实施过程要由众多单位共同努力，时间横跨将近20年，如此的工程必然需要一种统观全局的系统方法来对待，系统工程可以说是最为有效的一种组织方法。,17,系统工程的应用举例,对于我们今天生活中所关心的各种社会经济问题，如经济改革、价格问题、体制改革及各种政策的出台都是

6、要经过充分的系统的论证，这些都与系统工程有关。例如： 粮食价格的调整：影响肉、菜、生活用品等等，从而影响整个社会的物价。 燃料能源价格：影响原材料、产品及整个物价 银行利率：影响消费与积累，反应了国家的经济政策 外汇牌价：主要用于调节进出口政策，同时反应了一个国家的经济实力,18,系统工程的应用举例,将来在我们的实际工作中，我们会遇到许许多多的系统工程问题，比如： 企业的长远规划：综合考虑企业发展、实力、原材料、能源、技术、市场、国家政策等。 新产品开发：考虑市场、企业开发技术与实力、销售网络、经济条件等 区域规划：考虑区域特征、交通、历史、地理等 大项目管理：经过立项、论证、实施、,19,课

7、程学习的目的和要求,理解和掌握系统工程理论与方法 应用系统工程思想、理论和方法解决实际问题,20,课程主要内容,第一章 系统与系统工程 第二章 系统工程方法论 第三章 结构化模型技术 第四章 分析模型 第五章 系统仿真 第六章 系统评价 第七章 综合案例分析,21,第一章 系统与系统工程,第一节 系统的基本概念 第二节 系统工程的基本概念 第三节 系统工程的发展历史与趋势 第四节 系统工程的理论基础,22,系统工程是以系统为研究对象的工程技术，它涉及到“系统”与“工程”两个侧面 所谓系统，即是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体。如计算机系统、企业管理系统等 系统

8、工程学中的“工程”概念，是指不仅包含“硬件”的设计与制造，而且还包含与设计和制造“硬件”紧密相关的“软件”，诸如预测、规划、决策、评价等社会经济活动过程，故称它为“软工程”，它扩充了传统“工程”概念的含义。 两方面有机地结合在一起，即为系统工程。,23,第一节 系统的基本概念,1、系统的定义 2、系统的特征 3、系统的结构 4、系统的形态 5、系统的分类依据和类型,24,1、系统的定义,“系统”一词最早出现在古希腊哲学家德谟克利特所著世界大系统。 系统(system): 系统是由相互联系、相互作用的要素（部分）组成的具有一定结构和功能的有机整体。,25,2.1 系统的特征,（1）系统的整体性

9、（2）相关性 （3）系统的目的性 （4）有序性 （5）环境适应性 （6）动态性,反映系统的功能，确定系统和环境的边界,确定系统的组成要素,反映要素之间的关系,明确了系统与环境之间的关系,反映了系统的变化趋势,反映了系统的结构形态,系统特性之间的关系？,26,（1）整体性 系统是由相互依赖的若干部分组成，各部分之间存在着有机的联系，构成一个综合的整体，以实现一定的功能。这表现为系统具有集合性，即构成系统的各个部分可以具有不同的功能，但要实现系统的整体功能。系统不是各部分的简单组合，而要有统一性和整体性，因此，要充分注意各组成部分或各层次的协调和连接，提高系统的有序性和整体的运行效果，保证112的

10、效果。,27,（2）相关性 系统中相互关联的部分或部件形成“部件集”，“集”中各部分的特性和行为相互联系、相互依赖、相互制约和相互作用，这种相关性确定了系统的性质和形态。,28,（3）目的性 大多数系统的活动或行为可以完成一定的功能，但不一定所有系统都有目的，例如太阳系或某些生物系统。人造系统或复合系统都是根据系统的目的来设定其功能的，这类系统也是系统工程研究的主要对象。,29,（4）环境适应性 一个系统和包围该系统的环境之间通常都有物质、能量和信息的交换，外界环境的变化会引起系统特性的改变，相应地引起系统内各部分相互关系和功能的变化。为了保持和恢复系统原有特性，系统必须具有对环境的适应能力，

11、例如反馈系统、自适应系统和自学习系统等。,30,（5）动态性 物质和运动是密不可分的，各种物质的特性、形态、结构、功能及其规律 性，都是通过运动表现出来的，要认识物质首先要研究物质的运动，系统的动态性使其具有生命周期。开放系统与外界环境有物质、能量和信息的交换，系统内部结构也可以随时间变化。一般来讲，系统的发展是一个有方向性的动态过程。,31,（6）有序性 由于系统的结构、功能和层次的动态演变有某种方向性，因而使系统具有有序性的特点。一般系统论的一个重要成果是把生物和生命现象的有序性和目的性同系统的结构稳定性联系起来，也就是说，有序能使系统趋于稳定，有目的才能使系统走向期望的稳定系统结构。,3

12、2,案例 客户管理系统的开发,分析途径： （1）系统目的性 （2）整体性 （3）相关性,33,（1） 系统的目的性 确定客户的类型,便于采取针对性的措施 确定客户流失的特点与特征 确定价格套餐的作用效果 明确企业广告促销的效果,34,（2）系统整体性 市场分析部分 系统开发与设计部分 设备与软件支持部分 人员部分等,35,（3）系统相关性,因素： 消费情况和特征指标 系统开发平台和开发语言 现有的设备水平 现有的理论和技术水平 开发团队的整体状况等,36,系统结构 数据准备 开发 分析结论,37,2.2 系统的划分和边界,（1）系统划分 划分：多个小系统 划分作用：为了研究问题 划分的形式：确

13、定哪一些因素应划归那个子系统，可根据研究状况和现有条件进行,38,（2）系统的边界,系统具有有限的边界 边界划分的作用：有助于解决问题 边界划分：确定哪一些因素应划归系统，人为作用，根据研究状况进行。,39,（3）系统边界划分注意的几个问题,系统的目的性 现有的技术、理论水平 问题解决的时效性 系统的表现程度,40,边界划分例一,住宅建设问题,41,边界划分例二,狐狸吃葡萄的故事,1,3,狐狸 快跑！ 猎人 来了,满载 而归,2,葡萄长的 太高了！,42,3、系统结构概念,系统结构是指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。 系统结构的普遍形式决定了系统的基本特征。,目的性作

14、为构造系统结构的出发点,43,系统结构分析的目的： 系统结构分析就是寻求构筑系统合理结构的规律和途径。,是指在对应系统总目标和环境因素的约束条件下，系统的组成要素集、要素间的相互关系集以及它们在阶层分布上的最优结合，并使得系统有最优的或最满意的输出。,44,系统结构分析的作用： 通过明确一切和问题有关的要素同实现目标之间的关系，提供完整的资料，以便决策者选择最合理的决策方案。,45,3.1 系统结构分析的内容,构成系统的要素集 要素间的相互关系 要素在系统中的排列方式 系统的整体性,46,3.2 系统的结构,因果结构 反馈结构 S型结构 多重结构,47,(1) 因果关系,系统是由相互联系、相互

15、影响的元素组成。在系统动力学方法中，元素之间的联系或关系可以概括为因果关系（Causal Relationship）。 因果关系的相互作用，最终形成系统的功能和行为。 因果关系分析是系统建模的基础，也是对系统内部结构关系的一种定性描述。,48,因果关系的描述,通因果关系表示：AB，变量A表示原因，变量B表示结果。箭头线标为因果链，表示A到B的作用。 一般地，当A变化时将引起B变化，假定A0，B0，分别表示变量A、B的改变量。,49,正因果关系 若满足下列条件之一： （1）A加到B 中； （2）A是B的乘积因子； （3）A变到AA，有B变到BB，即A、B的变化方向相同 则，A到B具有正因果关系，

16、简称正关系，用“”号标在因果链上。,50,负因果关系 若满足下列条件之一： （1）A从B 中减去； （2）1/A是B的乘积因子； （3）A变到AA，有B变到B-+B，即A、B的变化方向相反 则，A到B具有负因果关系，简称负关系，用“”号标在因果链上。,51,(2) 反馈结构,系统中某个因素的变化，导致其他因素的变化，又引起自身的变化现象 分为正反馈与负反馈，一般原则是：若反馈回路包含偶数个负的因果链，则其极性为正，叫正反馈回路；若反馈回路包含奇数个负的因果链，则其极性为负，叫负反馈回路。,52,(3) S型结构,有正反馈和负反馈构成的系统 用途很多,53,(4) 多重结构,非常复杂的反馈耦合结

17、构,54,【例1】加拿大哈德逊湾野兔和山猫的生长情况分析,山猫和野兔是捕食者与被捕食者关系,55,【例2】中国消费问题分析 因果关系 结构,56,消费分析结构：消费方程,收入决定消费 消费水平不可逆转 方程：,57,消费分析结构：投资方程,经济发展越快，投资热情高 经济增长速度快，投资额高 存款利率越低,58,消费分析结构：利率方程,经济发展越快，可能提高利率 货币增加量大，可能降低利率 利率连续变化,59,消费分析结构：恒等式,收入方程 选择方法解决,60,4、系统形态的分类、依据,系统形态 分类依据,61,62,案例：自然和人造系统关系,埃及阿斯旺水坝,63,孤立系统、封闭系统与开放系统,

18、孤立系统指的是系统与外界环境既不可能进行物质交换，也不可能进行信息、能量交换。换句话说，系统内部的物质和信息能量不能传至外部，外界环境的物质和信息能量也不能传至系统内部。 封闭系统是指系统与外界环境之间可以进行信息、能量交换，但不能进行物质交换。环境仅仅为系统提供了一个边界，不管外部环境有什么变化，封闭系统仍表现为其内部稳定的均衡特性。 开放系统是指系统与外界环境有信息、物质和能量交互作用的系统。开放系统常是自调整或自适应的系统。,64,动态系统和静态系统,动态系统就是系统的状态变量是随时间不断变化的，即系统的状态变量是时间的函数。例如，学校就是一个动态系统，它不仅有建筑物，还有教师和学生。企

19、业也是动态系统的一个典型例子 静态系统则是表征系统运行规律的数学模型中不含有时间因素，即模型中的变量不随时间而变化，它是动态系统的一种极限状态，即处于稳定的系统。例如大桥、公路、房屋等。,65,实体系统与概念（抽象）系统,所谓实体系统，是指以物理状态的存在物作为组成要素的系统，这些实体占有一定空间，如自然界的矿物、生物，生产部门的机械设备、原始材料等。由于自然物都为实实在在的存在物，因此，实体系统亦称为硬件系统 与实体系统相对应的是概念系统，它是由概念、原理、假说、方法、计划、制度、程序等非物质实体构成的系统，如管理系统、科学技术体系、教育系统、文化系统等。由于概念系统，对应着的多是人们对自然

20、界的认识和假设，因此概念系统亦称为软件系统。,66,示例,在实践中，实体系统和概念系统往往是结合在一起的。实体系统是概念系统的基础和服务对象，概念系统是为实体系统提供指导和服务，两者是不可分的。,67,普通系统、大系统、巨系统、简单系统与复杂系统,从系统的规模进行分类，系统有大小之分，可分为普通系统、大系统及巨系统； 从系统的复杂程度来分，系统又可分为简单系统与复杂系统。,68,面向对象区分的各种系统形态,物质系统、人类系统及方法步骤系统 作业系统和管理系统 社会经济系统 经营系统 根据具体对象划分的各种系统 : 工业系统、运输系统、交通系统、通信系统、物资流通系统、金融系统、能源系统等以产业

21、区分系统的形态，或按消费生活系统、医疗系统、军事系统和教育系统等,69,企业的系统模型与管理,几个要素： 环境与界限 投入性质 流量与流向 转化过程 产出的形式,70,(1)企业发展角度：企业已经从单纯的“生产型企业”转变为“经营开发型企业”。企业管理的范围已日益扩大，企业管理不仅要重视生产组织活动，而且要重视产品的销售和市场动态研究，更要重视技术和企业人才的开发，把满足市场和用户需要、适应市场变化作为搞好企业管理的基本出发点。因此，“经营开发型企业”不仅要搞好企业的微观控制和管理，还要对诸如企业今后的改造和发展等重大战略问题进行宏观的规划和战略决策。,71,（2）从系统观点角度：现代工业企业

22、是一个组织化的复杂大系统，它由技术、生产、计划、销售、财务、会计、人事等子系统所组成，这些子系统存在着相互支持又相互制约的关系。 （3）从行为科学角度：新的组织理论等的形成及其在企业管理中的应用，促进企业管理重视人的因素，重视各级管理组织的职、责、权、利的合理划分和相互关系的协调。,72,第二节 系统工程的基本概念,1、系统工程的定义 2、系统工程的特征 3、系统工程的任务 4、系统工程与工程技术等的区别与联系 5、系统工程的作用,73,1、系统工程的定义,1977年日本学者三浦武雄指:“系统工程与其他工程学不同之点在于它是跨越许 多学科的科学，而且是填补这些学科边界空白的一种边缘学科。因为系

23、统工程的目的是研 制一个系统，而系统不仅涉及到工程学的领域，还涉及社会、经济和政治等领域，所以为了 适当地解决这些领域的问题，除了需要某些纵向技术以外，还要有一种技术从横的方向把 它们组织起来，这种横向技术就是系统工程”。 “系统工程是为了合理开发、设计和运用系统而采用的思想、程序、组织和方法的总称。”（1971年日本寺野寿朗“系统工程学”）,74,系统工程的定义,1975年美国科学技术辞典的论述为:“系统工程是研究复杂系统设计的科学，该系统 由许多密切联系的元素所组成。设计该复杂系统时，应有明确的预定功能及目标，并协调 各个元素之间及元素和整体之间的有机联系，以使系统能从总体上达到最优目标。

24、在设计 系统时，要同时考虑到参与系统活动的人的因素及其作用。” “系统工程是为了研究由多数子系统构成的整体系统所具有的多种不同目标的相互协调，使系统的功能达到最优化，最大限度地发挥系统组成部分的能力而发展起来的一门科学。”（1977年美国恰斯诺特“系统工程方法”）,75,“系统工程是一门研究复杂系统的设计、建立、试验和运行的科学技术。”（1976年苏联大百科全书） 1978年我国著名学者钱学森指出:“系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制 造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的方法”。,76,2、系统工程的特征,（1）系统工程的应用和研究跨越多个学科领域，不以某一专门

25、的技术领域为研究对象。 （2）系统工程的研究与应用需要把自然科学与社会科学结合起来。 （3）系统工程的目标是实现系统的整体最优。 （4）在系统工程的观点和方法中，观点、概念、原则是本质的，是第一位的，一些数学方法是手段，是从属于观点和原则的。,77,小结,系统工程是以大型复杂系统为研究对象，按一定目的进行 设计、开发、管理与控制，以期达到总体效果最优的理论与方法。 系统工程是一门立足整体，统筹全局，使整体与部分辩证地统一，将分析和综合有机地结合，运用数学方法和电子计算机工具，使系统达到整体最优的方法性学科。,78,3、系统工程的任务,（1）在开发新的系统（如太空飞船系统、地铁系统、新型工程系统

26、）过程中，解决系统的最优设计、最优管理、最优控制、最优制造等一系列问题，这些问题多属于工程技术系统。 （2）用系统的思想和方法重新评价、预测、分析和规划现有的系统，使其充分挖掘潜力，具有新的功能，或找出改进完善的方向，一般称之为“系统化”。,79,4、系统工程与工程技术的联系,系统工程也是一工程技术，用以改造客观世界并取得实际成果。,80,系统工程与工程技术的区别,研究的对象广泛，包括人类社会、生态环境、自然现象和组织管理等。 系统工程是一门跨学科的边缘学科。不仅要用到数、理、化、生物等自然科学，还要用到社会学、心理学、经济学、医学等与人的思想、行为、能力等有关的学科，是自然科学 和社会科学的

27、交叉。 在处理复杂的大系统时，常采用定性分析和定量计算相结合的方法。 系统工程所研究的大系统比一般工程系统复杂得多，处理系统工程问题不仅要有科学性，而且要有艺术性和哲理性。,81,系统工程与传统工程,传统工程 解决问题的方法一清二楚，称“内容明确的问题” 大目标具体化 评价方法具体化 目标分解层次化 系统工程 解决问题的方法不明确，称“内容不明确的问题” 系统工程大目标是抽象的 评价方法是抽象的 系统目标多方面、多层次的 评价方法多方面、多层次的,82,5、系统工程的作用,系统的价值与技术价值 作用在于最大地开发工程价值 案例分析,83,案例分析：美国石油输送问题,背景介绍 阿拉斯加北海岸的P

28、rudhoe Bay发现石油 Prudhoe湾到阿拉斯加南海岸的瓦尔迪兹 140万桶原油/天 北极圈内，常年处于冰冻状态；最低温度-50,84,太平洋,白令海峡,85,方案1 超级油轮海上运输,仅需56艘油轮 投资小 须有破冰船 在终点建立大型油库,86,方案2 管道运输,管道技术成熟 输油管道的加热和高架 经加拿大国土,87,方案选择与优化,海水加入原油中 天然气加入到原油中,88,四川都江堰工程,战国时期，秦国太守李冰父子主持修建了四川都江堰工程。 这一伟大水利工程巧妙地将分洪、排水和排沙结合起来，使各部分组成一个整体，实现了防洪、灌 溉、行舟、漂木等多种功能。 至今，该工程仍在发挥着重大

29、的经济效益。,89,90,91,92,93,94,地震后的都江堰,95,5、系统工程的总体思想,从系统总体出发，充分考虑“输入”和“输出”的各种因素开发内部系统 （1）最优思想 （2）组合思想 （3）分解协调思想,96,（1）最优思想,系统工程要追求系统的总体最优，不是局部最优。 系统工程的主要任务是开发整体（综合）最优系统。 为达到系统整体最优建立目标体系和评价体系。,97,（2）组合思想,组合思想：合理选择要素，既能满足系统目标、又没有不必要的要素。 选择要素的原则 尽可能选已有要素、尽可能选标准化、规格化、通用化的要素。,98,（3）分解和协调思想,复杂系统可以分解为结构相对简单的若干子

30、系统，简化处理 同一级的子系统相互关联，要求相互之间密切配合，协调完成大系统的任务,目标分解，功能协调,99,第三节 系统工程的发展历史与趋势,1、系统思想阶段 2、系统工程发展阶段 3、系统工程发展展望,100,系统思想产生,系统工程作为一门科学技术虽然形成于上世纪中叶，但系统工程的思想方法和实际应用可追溯到远古时代。 公元前500年的春秋时期，就有著名的军事家孙武写出了“孙子兵 法”十三篇，指出战争中的战略和策略问题，如进攻与防御、速决和持久、分散和集中等之 间的相互依存和相互制约的关系，并依此筹划战争的对策，以取得战争的胜利。其著名论 点，“知已知彼，百战不殆”，“以我之长，攻敌之短”等

31、。 在水利建设方面，战国时期，秦国太守李冰父子主持修建了四川都江堰工程。,系统思想阶段,101,系统工程发展阶段,系统工程的萌芽时期 系统工程概念产生时期 系统工程应用时期 系统工程发展时期,102,103,104,105,中国系统工程的发展,我国近代的系统工程研究可追溯到50年代。1956年，中国科学院在钱学森、许国志 教授的创导下，建立了第一个运筹学小组; 60年代，著名数学家华罗庚大力推广了统筹 法、优选法;与此同时，在著名科学家钱学森领导下，在导弹等现代化武器的总体设计组织 方面，取得了丰富经验，国防尖端科研的总体设计部“取得显著成效。 1977年以来，系统 工程的推广和应用出现了新局

32、面，1980年成立了中国系统工程学会，与国际系统工程界进行交流。 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。,106,系统工程发展趋势,数学工具大量应用； 各式各样的方法及综 合的方法形成普遍适用的理论； 在主导思想上已从原来整体考 虑、总体分析发展到控制系统使之达到总体的优化。,107,案例分析,投入产出模型 阿波罗登月计划 北欧跨国电网的供电问题,108,小结,战争是发展的动力 运筹学、控制论是理论基础 计算机是必不可少的工具,109,钱学森的系统科学体系（P6）,110,哲学,（社会实践）,111,

33、第四节 系统工程的理论基础,一般系统论 大系统理论（即，控制论） 信息论 运筹学 耗散结构论 协同论 其他（如，突变论）,112,1、一般系统论,美藉奥地利生物理论专家贝塔朗菲 背景：20世纪初，物理学、力学、化学等已得到深入发展、学科体系已趋于完整。生物学却仍处于一种想象，试验的阶段。,113,（1）一般系统论的原则,系统观点，即有机整体性原则 认为一切有机体都是一个开放的系统，都是一个有机整体。 动态观点，即自组织性原则 认为一切生命现象本身都处于积极的活动状态，是自组织开放系统。 组织等级观点 认为事物存在着不同组织等级和层次，各自的组织能力不同，并具有自身目的的性和自身调节性。 有序性

34、观点 构成系统的诸要素通过相互作用，在时间和空间上按一定秩序组合和排列，由此而形成一定的结构，决定系统的特定功能。,114,（2）一般系统论的适用范围,不仅适合于有机体，而且也适合于经济、社会和科学技术等一切系统。,115,2、大系统理论,大系统的特征 大系统理论研究内容 大系统的结构方案 大系统模型的简化 大系统的优化,116,（1）大系统的特征,规模庞大，构成大系统的要素本身就是一个完整系统。 结构复杂，各要素（子系统）之间存在多级递阶的复杂结构。 影响因素众多,117,大系统一般都是多目标、多输入、多输出、多变量、多干扰的复杂系统，因此大系统往往具有不确定性（如模糊性、随机性等），并且由

35、于信息不足，从而造成不确知性。同时，正因为对大系统的影响因素众多，所以大系统的数学模型往往是高维的、高阶的、系统分析和设计的工作量随维数增大即迅速增长，导致“维数灾”。,118,（2）大系统理论研究内容, 大系统结构方案的研究 大系统稳定性研究 大系统的最优化问题研究 大系统模型简化的研究,119,（3） 大系统的结构方案,递阶控制方案 分散控制方案,120,递阶控制,目标，各决策单元和谐地工作以实现总目标。 “递阶”是“等级”的含义 递阶控制的特点：下级决策单元只接受上级决策单元的命令，上级决策单元不逾越下级决策单元而直接控制被控大系统。 整个递阶系统有一个总优化,121,多层控制,多层控制

36、按照总任务和各层的任务目标进行分解、分层，各层运行的周期不同，愈到上层，运行周期愈长，解决总是愈复杂。 多层控制常用于工业企业的生产安排和管理上。,122,多层控制,123,第一层是直接控制层，根据上层的决策（设定）直接控制大系统的运行过程或状态，处理经常发生的、变化快的外部扰动。 第二层是优化层，根据上层给定的各项技术经济指标和约束条件，以及提供的资源等，建立优化模型以实现大系统的最优控制，并及时调节因条件变化而引起的扰动。 第三层是决策层，例如根据市场供销情况来调节生产计划、修正营销策略。,124,多级控制,将总目标分解成局部目标，并利用各级局部决策单元进行控制和协调。 多级控制常用于经济

37、管理组织机构，下级机关将劳动力组织到生产岗位上，上级机关指挥与协调各下级机关的工作。每一级都力求有效地管理其下一级，同时又紧跟其上一级的指挥，以保证整个组织机构高效率工作，并完成总任务。,125,协调级,局部决策单元,局部决策单元,局部决策单元,子系统 1,子系统 2,子系统 n,输入,输出,总任务,多级控制,126,分散控制,分散控制实际上是一种两级递阶控制的特例 分散控制可以减少集中控制或递阶控制时在信息传输方面的技术困难和设备费用，但只能得到一个次优解。,127,分散控制,128,（4）大系统的稳定性,多级递阶控制系统的稳定性，研究如果各子系统稳定，则其相互关联满足什么条件时，大系统也是

38、稳定的。 分散控制系统的稳定性，研究利用各子系统的输出，加以反馈至各局部控制器，并寻找相应的控制规律，来保证整个大系统的稳定。,129,（5）大系统模型的简化,简化大系统模型 方法： 集结法：通过一个常量的集结矩阵，以低维状态空间描述来简化原是高维的系统，但却保留原系统的主要模式。 线性化法,130,（6）大系统优化,分解与协调的方法是大系统优化的基本方法 大系统优化分为静态优化和动态优化 大系统优化的主要任务是：按大系统的最优化目标和总体系统和各子系统之间的关系，以及各子系统之间的关系，最优地分配各子系统的子目标，并以此来控制子系统，从而使总体系统达到最优化。,131,大系统分解与协调的基本

39、思路,把可分的大系统分解成许多互不相关的子系统 这些互不相关的子系统都是与大系统有关的 各子系统将性能反馈给大系统，用总目标衡量后，再将指示下达给各子系统,132,黑箱-灰箱-白箱法 功能模拟法 形式化、数量化、最优化方法,对系统方法的启示,133,3、信息论,信息论是一门研究信息传输和信息处理一般规律的学科。 信息论起源于通讯理论，是美国科学家香农（Shannon）在1948年创立的。,134,信息论的基本思想和方法完全撇开了物质、能量等各种具体客观形态，而把任何通讯和控制系统都看作是一个信息的传输和加工处理系统，把系统有目的运动抽象为信息变换过程，通过系统内部的信息交流使系统维持正常的有目

40、的的运动。 所以系统，在信息论的框架中，是一个进行信息变换和信息处理的机构。,135,信息的度量信息熵,设描述某一事件的消息源可能发出的消息分为 x=(x, x xn) 而各可能消息是否会发出的概率为p, p, pn，并满足归一性条件： pppn1 按以上概率从消息源中随机地发送消息，形成一个消息序列。,136,设该消息列中包含的消息总数为N，N非常大。 在统计意义上，该序列N中包含消息xi的数目为piN个。,137,信息与系统的关系,信息是系统的一种重要特征； 不存在与系统无关的信息，也不存在没有信息的系统； 有系统内部、系统与环境之间的相互作用，就有信息的产生和交换； 系统的形成，发展，运

41、行都离不开信息的活动。,138,4、运筹学,运筹学是用数学方法研究系统最优化问题的学科，运筹学着重于发挥现有系统的效能，通过建立系统的数学模型，求出合理运用人力、物力和财力的最优方案。,139,5、耗散结构理论,(I.Prigogine)开放系统在远离平衡态时，由于同外界进行物质、能量、信息的交换，可以形成某种有序结构。在自然界的物理、化学系统中可以发现存在着与生物学一样的进 化现象，并可以利用耗散结构来统一进行讨论。 远离系统平衡态所形成的稳定、有序的结构,140,自组织系统,组织：一个系统的要素按照特定的指令，形成特定结构或功能的过程叫组织。 自组织：一个系统的要素按彼此的协同性、相干性或

42、某种默契形成特定结构与功能的过程称为自组织。 形成自组织系统的条件： 1系统是开放系统； 2系统必须远离平衡态； 3系统内存在着非线性反馈的动力学机制； 4系统存在随机涨落。,141,6、协同学,H.Haken提出协同学，认为复杂系统的相变是否于子系统之间的关联、协调作用的结果，协同学中的序参量概念和役使原则理论是解决系统向有产 方向演化的有效方法。 1976年发表协同学导论,142,其他,讨论自然系统向有序方向演化的问题时，人们还运用数学上的突变论、微 分方程的稳定性理论，生物学中的超循环理论等，在研究非线性系统演化时，人们又提出混沌、分岔 分形等新概念并发展了相应的理论。,143,小结,所

43、有这些自然科学的新概念、新方法、新理论它们有一个共同 特点:就是讨论复杂的自然系统当其内部各子系统之间相互作用为非线性互作用时呈现出来的演 化的新现象，通过分析可以看到，它们既适用于讨论自然现象(它们本身是从对自然现象的研究申 发现并总结的);又适合讨论某些社会现象，它们可以作为讨论自然与社会两类完全不同的客观现 象的统一理论。 虽然这些内容并不是系统工程本身的理论，但是它们可以作为构建系统工程基本理 论的主要内容之一。,144,各个领域的系统工程,补充材料,145,系统工程的应用分支,社会系统工程 组织管理社会建设的技术，它的研究对象是整个社会，是一个巨系统。社会系统具有多层次、多区域、多阶

44、段的特点。近年来，正在探讨一种从定性到定量，综合运用多种学科处理复杂巨系统的方法论。,146,宏观经济系统工程,运用系统工程的方法研究宏观经济系统的问题，如国家的经济发展战略、综合发展规划、经济指标体系、投入产出分析、积累与消费比例分析、产业结构分析、消费结构分析、价格系统分析、投资决策分析、资源合理配置、经济政策分析、综合国力分析、世界经济模型等。,147,区域规划系统工程,运用系统工程的原理和方法研究区域发展战略、区域综合发展规划、区域投入产出分析、区域城镇布局和工农业合理布局、区域资源合理配置、区域投资规划、城市规划、城市水资源规划、城市公共交通规划与管理等。,148,环境生态系统工程,

45、研究大气生态系统、大地生态系统、流域生态系统、森林与生物生态系统、城市生态系统等系统分析、规划、建设、防治等方面的问题，以及环境检测系统、环境计量预测模型等问题。,149,能源系统工程,研究能源合理结构、能源图、能源需求预测、能源供应预测、能源开发规模预测、能源生产优化模型、能源合理利用模型、电力系统规划、节能规划、能源数据库等问题。,150,水资源系统工程,研究河流综合利用规划、流域发展战略和规划、农田灌溉系统规划与设计、城市供水系统优化模型、水能利用规划、水运规划、防洪规划、水污染控制等问题。,151,交通运输系统工程,研究铁路、公路、航运、航空综合运输规划及其发展战略，铁路运输规划及其调

46、度系统，公路运输规划及其调度系统，航运规划及其调度系统，空运规划及其调度系统，综合运输规划、优化模型及其效益分析。,152,农业系统工程,研究农业发展战略，大农业及立体农业的战略规划，农业结构分析，农业综合规划，农业区域规划，农业政策分析，农业投资规划，农产品需求预测，农业产品发展速度预测，农业投入产出分析，农作物合理布局，农作物栽培技术规划化，农业系统多层次开发模型等。,153,工业及企业系统工程,研究工业动态模型，市场预测，新产品开发，组织均衡生产，生产管理系统，计划管理系统，库存存贮模型，全面质量管理，成本核算系统，成本效益分析，财务分析，人机工程，组织理论，激励机制等。,154,工程项

47、目管理系统工程,研究工程项目的总体设计，可行性研究，国民经济评价，工程进度管理，工程质量管理，风险投资分析，可靠性分析，工程成本效益分析等。,155,科技管理系统工程,研究科学技术发展战略，科学技术预测，优先发展领域分析，科学技术长远发展战略，科学技术评价，科技人才规划，科技管理系统等。,156,智力开发系统工程,研究人才需求预测，人才拥有量模型，人才规划模型，教育规划模型，智力投资规划模型，人才结构分析，教育政策分析等。,157,人口系统工程,研究人口总目标，人口指数，人口指标致体系，人口系统数学模型，人口系统动态特性分析，人口参数辨识，人口系统仿真，人口普查系统设计，人口政策分析，人口区域规划，人口系统稳定性，人口模型生命表等。,158,军事系统工程,研究国防战略，作战模拟，情报，通讯与指挥系统，参谋系统，武器装备发展规划，后勤保障系统，国防经济学，军事运筹学等。,159,作业,系统都有哪些基本特性，予以举例解释说明。 人口和经济增长的关系可以描述如下：人口流入城市的原因之一是城市就业机会多，但随着迁入人口的增加，城市的居住用地增加而工业（或商业用地）减少。请绘制出系统结构图。,