系统工程原理课件.ppt

国防科技大学信息系统与管理学院,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,S5.NUDT,系统工程原理,1,课程学习目的、要求,通过课程学习，掌握系统工程方法论，能用系统的观点分析问题，并掌握系统工程分析解决问题的基本概念、基本原理和基本方法，初步具有运用系统建模、系统分析、系统预测、系统评价、系统决策与系统网络计划等系统工程方法分析解决实际问题的能力。,2,8,第十章 系统网络技术,6,第四章 系统结构模型,4,第六章 投入产出分析,2,考试,4,第二章 系统工程方法论,2,第一章 绪论,8,第九章 系统决策,6,第八章 系统评价,10,第七章 系统预测,6,第五章 层次分析法,4,第三章 系统建模与系统分析,学时数,内容,课 程 计 划,3,参考书：,汪应洛等，系统工程，机械工业出版社，,2003,王众托等，系统工程引论，电子工业出版社，,2006,白思俊等，系统工程，电子工业出版社，,2006,陈宏民等，系统工程导论，高等教育出版社，,2006,孙东川等，系统工程导论，清华大学出版社，,2004,教材：,谭跃进等，系统工程原理，国防科大出版社，,1999,教材和参考书,4,第一章 绪 论,系统工程原理,5,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=,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,6,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,7,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,8,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,9,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 。,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。,10,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。,11,树状结构示意图,关于系统的层次性,1.1,系统的概念,12,网状结构示意图,关于系统的层次性,1.1,系统的概念,13,扁平化的网状结构示意图,关于系统的层次性,1.1,系统的概念,14,网络系统及层次性,1.1,系统的概念,15,系统的分类,1.1,系统的概念,自然系统与人造系统,实体系统与概念系统,动态系统和静态系统,控制系统与行为系统,开放系统与封闭系统,16,1.1,系统的概念,开放系统指系统与环境之间进行物质、能量或信息交换。封闭系统则相反，即系统与环境互相隔绝，它们之间没有任何物质、能量或信息交换。,这里定义的物质、能量和信息全面开放的系统，物理学尚无专门定义。,系统与环境之间具有边界，系统边界如何划分？,系统的分类：,开放系统与封闭系统,17,1.1,系统的概念,1,、现代化与复杂性,构成客观世界的三个基本要素,物质、能量和信息不断丰富，其结果使得事物之间的相互联系加强，整个世界朝着复杂性不断增加的方向发展，这是不依人的主观意志为转移的客观规律。,社会的演变方向 复杂性增加,空间狭窄,时间缩短,普遍联系加强,系统的分类：,简单系统与复杂系统,18,1.1,系统的概念,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,系统的分类：,简单系统与复杂系统,19,1.1,系统的概念,系统的分类：,简单系统与复杂系统,2,、复杂系统的外部表现,系统规模大,复杂系统 系统行为复杂,系统规模大同时行为复杂,20,1.1,系统的概念,系统的分类：,简单系统与复杂系统,3,、复杂系统的内在表现,开放性,：考虑系统与其环境之间的物质、能量或信息交换，更能反映客观世界的真实性；,非线性,：具有多解、多稳态，能够描述稳定性交换，更能追踪客观世界的多样性；,随机性,：微涨落放大，更能体现系统从无序到有序或从有序到混沌的自发性；,涌现性,(,突现性,),：通过整体与局部的关系，研究系统整体的涌现行为，更能体现系统结构与行为演化的目的性。,21,1.1,系统的概念,系统的分类：,简单系统与复杂系统,4,、钱学森关于系统的分类,小系统,简单系统,系 大系统,统 简单巨系统,巨 系 统 一般复杂巨系统,复杂巨系统,特殊复杂巨系统,22,1.1,系统的概念,系统的分类：,简单系统与复杂系统,4,、钱学森关于系统的分类,小系统,：大体上说，由几个、十几个元素或子系统组成的系统；,大系统,：由上百个、上千个元素或子系统组成的系统；,巨系统,：元素或子系统数量极大，成万上亿，上百亿，万亿。,23,1.1,系统的概念,系统的分类：,简单系统与复杂系统,4,、钱学森关于系统的分类,巨系统,60,年代末提出了大系统概念和大系统理论。随着社会经济、生态环境等系统成为研究对象，人们发现还存在比大系统的规模大得多的系统。,70,年代末，钱学森在论述社会系统工程时第一次提出巨系统概念。巨系统的行为特性不同于小系统和大系统。,24,1.1,系统的概念,系统的分类：,简单系统与复杂系统,4,、钱学森关于系统的分类,简单巨系统,(,线性的巨系统,),复杂巨系统,人的大脑作为一个巨系统，空间占有虽十分有限，但所包含的神经元约,10,11,数量级。在巨系统中，如果不仅系统单元数量巨大,而且组分之间的关联方式复杂（如非线性、不确定性、模糊性、动态性、适应性等），这就是复杂巨系统。从人脑系统行为特性看，是一个典型的复杂巨系统。,25,1.1,系统的概念,系统的分类：,简单系统与复杂系统,4,、钱学森关于系统的分类,开放的复杂巨系统,人类社会,系统是一个巨系统（如中国人口的微观组分（人）接近,13,亿，即,1.3,10,9,），这个系统与环境进行物质、能量、信息的交换，接受环境的输入和干扰、向环境提供输出，而且还不断适应和不断进化，是一个典型的开放的（特殊）复杂巨系统。,26,1.1,系统的概念,系统的分类：,简单系统与复杂系统,4,、钱学森关于系统的分类,从小系统 大系统 巨系统 复杂巨系统 开放的复杂巨系统是事物发展的必然结果，也是系统认识发展的必然结果。因此，关于系统的思想源于系统，并随着系统的发展而发展。有了不断发展的系统思想，才有了不断发展的系统理论、方法和工程实践。,27,钱学森对系统工程的定义：,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。简言之,“,系统工程是一门组织管理的技术,”,。,1.2,系统工程的概念,28,(,装备,),系统工程定义,美国军用标准,MIL-STD-499A,定义：,“,系统工程是将科学和工程技术的成就应用于：,通过运用定义、综合、分析、设计、试验和评价的反复迭代过程，将作战需求转变为一组系统性能参数和系统技术状态的描述；,综合有关的技术参数，确保所有物理、功能和程序接口的兼容性，以便优化整个系统的定义和设计；,将可靠性、维修性、安全性、生存性、人素工程和其它有关因素综合到整个工程工作之中，以满足费用、进度、保障性和技术性能指标。,”,29,装备系统工程,需求,约束条件,武器装备,系统,系统工程过程,综合,权衡,效,能,进,度,费,用,保,障,及时地部署、使用和保障一个有效的系统，并在可承受的费用条件下满足用户的需求。,装备系统工程既是一个复杂的管理过程，又是一个复杂的技术过程,30,技术与管理两个过程,系统工程既是一个技术过程，又是一个管理过程。为了成功地完成系统的研制，在整个系统寿命周期内，技术和管理两方面都很重要。因此，美国防务系统管理学院把系统工程定义为,“,是为了达到所有系统要素的优化平衡，控制整个系统研制工作的管理功能，把作战需求转变为一组系统参数的描述，并综合这些参数以优化整个系统效能的过程。,”,军方强调管理过程,1.2,系统工程的概念,31,系统工程的特点,整体性,(,系统性,),关联性,(,协调性,),综合性,(,交叉性,),满意性,(,最优化,),1.2,系统工程的概念,32,管子,农事管理,李冰父子,工程管理,孙子,军事管理,1.2,系统工程的概念,系统工程的形成与发展,古代朴素的系统思想,33,1.2,系统工程的概念,都江堰水利工程示意图,战国时期川西太守李冰父子主持修建。目标：利用岷江水资源灌溉川西平原、防洪与航运。包括三大工程及,120,多项配套工程。其总体构思是系统思想的杰出运用。两千多年来，都江堰一直发挥着巨大的效益，是我国最成功的水利工程。,34,1.2,系统工程的概念,古代朴素的系统思想,孔 子,“,不见树木，只见森林”,35,1.2,系统工程的概念,十五世纪下半叶，近代科学开始兴起，力学、天文学、物理学、化学、生物学等逐渐从哲学中分离出来。近代自然科学发展了研究自然界的独特的分析方法，包括实验、解剖和观察，把自然界的细节从总的自然联系中抽出来，分门别类地加以研究。这种考察自然界的方法移植到哲学中，就成为形而上学的思维方式。形而上学的出现是有历史根据的，是时代的需要，对科学、技术、文化的蓬勃发展起了不可磨灭的重要作用。但是，形而上学撇开总体的联系来考察事物和过程，蕴含着极大的局限性。,“,只见树木，不见森林”,36,1.2,系统工程的概念,十九世纪上半叶，自然科学取得了一系列伟大成就。特别是能量转化、细胞和进化论的发现，使人类对自然过程的相互联系的认识有了很大提高。十九世纪的自然科学,“,本质上是整理材料的科学，关于过程、关于这些事物的发生和发展以及关于把这些自然过程结合为一个伟大整体的联系的科学,”,。马克思、恩格斯的辩证唯物主义认为，物质世界是无数相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的事物和过程所形成的统一整体。,“,既见树木，又见森林”,37,1940,年，英国研制出了一种对付德国飞机空袭的新型警戒雷达。为此，成立了一个研究小组，并通过理论计算和战场实际统计分析，找到了雷达和高射武器合理运用和配合的方法，使击毁敌机的效率大大提高。,1.2,系统工程的概念,系统工程的形成与发展,38,1942,年美国海军反潜部队成立了一个由莫尔斯领导的研究小组，为了发现德国潜艇，研究了搜索论。发现敌潜艇后，又研究了爆炸深度与杀伤范围的定量关系，提出了反潜深水炸弹的合理爆炸深度为,30,英尺，结果使德国潜艇被击沉的数量增加了,3,倍。,1.2,系统工程的概念,系统工程的形成与发展,39,1958,年，美国海军特种计划局在研制,“,北极星潜艇计划,”,的实践中，提出并采用了,“,计划评审技术,”,(PERT),。,A,3-4-5,开始,节点,T,2,节点,T,1,节点,T,7,节点,T,10,节点,T,5,节点,T,9,节点,T,4,结束,节点,T,8,节点,T,6,节点,T,11,B,2-3-4,C,3-4-5,H,2-3-4,E,1-2-4,L,30-36-45,D,1-2-3,F,2-3-5,G,1-2-3,J,7-8-12,K,1-2-3,O,2-3-5,P,1-2-4,N,1-2-4,I,2-4-8,M,1-3-5,T,2-3-4,S,10-12-16,Q,6-8-12,R,3-4-6,“,计划评审技术,”,(PERT),1.2,系统工程的概念,系统工程的形成与发展,40,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,41,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,42,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,具,体,化,技术目标,技术活动,43,20,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,44,系统分析与管理的新方法,计划协调技术（,PERT,）,图解协调技术（,GERT,）,风险评审技术（,VERT,）,技术预测关联树法（,PATTERN,）,工程管理,系统工程和分析,系统工程管理指南,等,45,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。,46,我国,两弹一星,与,载人航天,系统工程实践,我国比较系统地、有组织地研究和运用系统工程始于,1960,年代，在,两弹一星,和,载人飞船,有成功的探索。,47,我国,两弹一星,与,载人航天,系统工程实践,载人飞船工程（,7,个系统）：,航天员系统、飞船应用系统、载人飞船系统、运载火箭系统、发射场系统、测控通信系统、着陆场系统。如,载人飞船系统,（,13,个分系统）：,结构与机构分系统、制导导航与控制分系统、热控分系统、环境控制与生命保障分系统、推进分系统、测控与通信分系统、数据管理分系统、电源分系统、回收着陆分系统、仪表与照明分系统、应急救生分系统、乘员分系统、有效载荷分系统。,48,什么是系统科学方法？,1,.,3,系统科学体系,定义：,系统科学是一门从总体上研究（复杂）系统共同运动规律的学科。,系统科学属于基础科学层次，主要讨论系统的概念、特征、分类及演化规律，探讨系统分析的方法和系统逻辑的具体应用。重点是复杂系统演化规律的研究，难点是整体与局部关系的研究。,49,1,.,3,系统科学体系,物性,描述研究对象的物质特征；,系统性,描述研究对象的整体特征，即整体性。,系统往往与一修饰词组成复合词，如自然系统、物理系统、生物系统、军事系统、经济系统。,（物性,+,系统性）,传统科学研究物性：,数、理、化、天、地、生,.,系统科学研究系统性：,如,整体与局部的关系,结构与功能的关系,稳定与演化的关系,物性与系统性,(,个性与共性,),50,1,.,3,系统科学体系,涌现的定义,（斯文森，,1989,）：,涌现是一组元素（或广义粒子）在一个广义的,“,流场,”,作用下，从一种杂乱无章的状态向一种协调一致的状态的自发转变。从广义上讲，涌现包括了现实中所有新系统的出现、序的产生和层次复杂性的增加。,整体与局部的关系：涌现性,51,1,.,3,系统科学体系,涌现性的特点：,（,1,）微观不可预测性：即使对低层次元素有完备的知识，也不可能推断出高层次的结构。,（,2,）新质特性：涌现性对元素的性质而言是全新的，处在一种更宏观的层次上，是在微观层次不存在的新质。,（,3,）不变性：涌现性相对于微观层次的元素状态而言，有一定的不变性，元素总是处于微涨落不断变化的状态中，但整体的特性相对不变。,（,4,）宏观约束性：系统的整体性约束元素的行为，即元素间的相互作用产生了宏观层次上涌现的整体或约束，这种宏观约束又反过来支配元素的行为。,整体与局部的关系：涌现性,52,贝塔朗菲的一般系统论,1925,年，提出生物学机体理论；,1928,年，发表,现代发展理论,；,1932,年，发表,理论生物学,；,1937,年，在芝加哥大学讲课中口头提出一般系统理论,(General Systems Theory,GST),；,1945,年，,关于,GST,在,德国哲学周刊,第,18,期发表；,1954,年，在美国创立“一般系统理论（,GST,）学会”；,1968,年，发表,GST,：基础、发展和应用,；,1972,年，临终前发表,GST,的历史与现状,。,1,.,3,系统科学体系,现代系统科学及其学派,53,开放系统理论学派,普里高津,(I.Prigogine),和由他领导的布鲁塞尔学派，从研究非平衡热力学出发，建立了耗散结构学说。普里高津强调“非平衡是有序的起源”，耗散结构只能通过连续的物质和能量流来维持开放系统。,哈肯,(H.Haken),用统计力学提供的从微观过渡到宏观的理论，研究了开放系统从无序向有序转变的自组织过程的一般规律和特征，哈肯建立了协同学。,1,.,3,系统科学体系,现代系统科学及其学派,54,20,世纪,40,年代以后出现的部分系统学科分支,1944,1945,1948,1948,1949,1954,1957,1957,1961,1962,1962,1965,1969,1970,1970,1972,1972,1975,1977,1990,1994,1998,对策论,一般系统论,信息论,控制论,开放系统理论,工程控制论,系统工程,动态规划论,一般系统的数学理论,自组织系统原理,自复制自动机,模糊集与系统,耗散结构理论,超循环理论,生命系统理论,突变理论,建模与仿真理论,遗传算法（,GA,）,协同学,综合集成工程方法,复杂适应系统理论（,CAS,）,非标度网络,冯,.,诺依曼,冯,.,贝塔朗菲,C.E.,香农,N.,维纳,冯,.,贝塔朗菲,钱学森,H.H.,哥德,R.,别尔曼,M.D.,曼萨诺维克,W.R.,阿什布,R.,罗森,扎德,L.,普里高津,艾根,J.G.,米勒,汤姆,P.,齐格勒,J.H.,荷兰德,H.,哈肯,钱学森,J.H.,荷兰德,巴拉巴斯,出现时间（年）,分支学科名称,创 始 人,55,钱学森提出的系统科学体系结构（,1981,）：,1.3,系统科学体系,直接改造客观世界,工程技术的理论基础。,技术科学的概括，即为认识客观世界的基本理论。,56,系统科学体系的三维结构,57,1.4,系统工程的应用,社会系统工程,研究对象是整个社会，这是一个开放的复杂巨系统。目前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。,经济系统工程,主要研究宏观经济问题，如国家的经济发展战略、综合发展规划、经济指标体系、产业结构分析、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。,环境生态系统工程,主要研究大气生态系统、大地生态系统、流域生态系统、森林与生物生态系统、城市生态系统的规划建设问题。,58,1.4,系统工程的应用,企业系统工程,主要研究市场预测、新产品开发、,CIMS,及并行工程、全面质量管理、成本,效益分析等；,农业系统工程,主要研究农业发展战略、大农业和立体农业的战略规划、农业结构分析、农业区域规划、农产品需求预测、农业政策分析等；,教育系统工程,主要研究人才需求预测、人才与教育发展规划、人才结构分析、教育政策分析等。,59,1.4,系统工程的应用,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、区域资源合理配置、城市水资源规划、城市公共交通规划与管理等。,能源系统工程,研究能源合理结构、能源需求预测、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。,水资源系统工程,研究河流综合利用规划、流域发展战略规划、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、防汛指挥调度、水污染控制等问题。,60,1.4,系统工程的应用,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、铁路调度系统、公路运输调度系统、航运调度系统、空运调度系统、综合运输优化模型、综合运输效益分析等。,信息系统工程,信息网络,+,用户是一个人,网结合的开放的复杂巨系统，不仅具有信息采集、加工、存储、传输、调用、共享、分析、综合等功能，还具有产生新信息的功能，是信息的生产系统。,军事系统工程,主要研究国防发展战略、作战模拟、情报、通信和指挥自动化系统、武器装备发展规划、国防经济学、军事运筹学等。,61,1.4,系统工程的应用,水资源系统工程,的热点话题：,“南水北调”工程，它分西线、东线、中线三条调水方案，其意义在于，它是我国长江流域、黄河流域水资源的一次带有全局性和战略性的结构调整。如何实现市场经济下水资源的合理利用，构成我国水资源“四横三纵、南北调配、东西互济”的新格局，是一项复杂的系统工程。,62,何谓系统？系统具有哪些特性？,试述系统的结构与功能之间的关系。,如果一个系统的组成要素都是最优的，请问这个系统的整体也会是最优的吗，举例说明,?,系统工程是什么,?,它有什么特点？,试述钱学森关于建立系统科学体系的思想。,系统工程在改革开放和国防现代化建设中有什么重要意义？,思考题,63,