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系統(tǒng)工程認(rèn)識(shí)淺談五系十隊(duì)安國富(303200935004)系統(tǒng)工程認(rèn)識(shí)淺談 系統(tǒng)工程是運(yùn)用系統(tǒng)思想直接改造客觀世界的一大類工程技術(shù)的總稱。系統(tǒng)是由互相關(guān)聯(lián)、互相制約、互相作用的若干組成部分構(gòu)成的具有某種功能的有機(jī)整體。人們對于系統(tǒng)的認(rèn)識(shí),即關(guān)于系統(tǒng)的思想來源于社會(huì)實(shí)踐,人們在長期的社會(huì)實(shí)踐中逐漸形成了把事物的各個(gè)組成部分聯(lián)系起來從整體角度進(jìn)行分析和綜合的思想,即系統(tǒng)思想。系統(tǒng)思想古已有之,但系統(tǒng)工程的誕生卻是近40年來的事。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,迫切地需要發(fā)展一種能有效地組織和管理復(fù)雜系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和使用的技術(shù),即系統(tǒng)工程。 發(fā)展歷史 20世紀(jì)40年代,美國貝爾電話公司在設(shè)計(jì)電話通信網(wǎng)絡(luò)時(shí),應(yīng)用了一些科學(xué)方法,按時(shí)間順序把工作劃分為規(guī)劃、研究、開發(fā)、開發(fā)過程中的研究和通用工程等5個(gè)階段,取得了良好效果。他們把這種工作方法稱為系統(tǒng)工程。50年代中,美國密執(zhí)安大學(xué)的H.H.古德和R.E.麥克霍爾發(fā)表了第一本以系統(tǒng)工程命名的專著,并于60年代中編著了系統(tǒng)工程手冊。60年代初,A.D.霍爾發(fā)表了系統(tǒng)工程方法論。1969年,他又提出了著名的霍爾三維i結(jié)構(gòu),即系統(tǒng)工程形態(tài)圖,為系統(tǒng)工程提供了一種廣泛采用的方法論。50年代以來,系統(tǒng)工程在大型工程項(xiàng)目和軍事裝備系統(tǒng)的開發(fā)中充分顯示了它在解決復(fù)雜問題時(shí)的效用。50年代末,美國在研制北極星導(dǎo)彈時(shí)首先創(chuàng)用了計(jì)劃協(xié)調(diào)技術(shù)(PERT)。60年代,美國國家航空航天局(NASA)在執(zhí)行阿波羅登月計(jì)劃中又把PERT發(fā)展成圖解協(xié)調(diào)技術(shù)(GERT),并應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),確保各項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目按期完成。在解決各種復(fù)雜的社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)和最優(yōu)控制方面,系統(tǒng)工程也得到廣泛應(yīng)用,其研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。60年代初中國在導(dǎo)彈研制過程中建立了總體設(shè)計(jì)部,采用了計(jì)劃協(xié)調(diào)技術(shù)。70年代后期,中國科學(xué)家錢學(xué)森等發(fā)表組織管理的技術(shù)系統(tǒng)工程的文章,把系統(tǒng)工程看成是系統(tǒng)科學(xué)中直接改造客觀世界的工程技術(shù),從而澄清了國外把一些學(xué)科名稱混用的現(xiàn)象,隨后又提出系統(tǒng)工程可以分為工程系統(tǒng)工程、企業(yè)系統(tǒng)工程、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)工程和軍事系統(tǒng)工程等十幾個(gè)專業(yè)。1980年成立了中國系統(tǒng)工程學(xué)會(huì),迅速推動(dòng)了中國系統(tǒng)工程的研究和應(yīng)用。 系統(tǒng)工程是一間工程技術(shù),用以改造客觀世界并取得實(shí)際成果,這與一般工程技術(shù)問題有共同之處。但是,系統(tǒng)工程又是一類包括了許多類工程技術(shù)的一大工程技術(shù)門類,與一般工程比較,系統(tǒng)工程有三個(gè)特點(diǎn):(1)研究的對象廣泛,包括人類社會(huì)、生態(tài)環(huán)境、自然現(xiàn)象和組織管理等。(2)系統(tǒng)工程是一門跨學(xué)科的邊緣學(xué)科。不僅要用到數(shù)、理、化、生物等自然科學(xué),還要用到社會(huì)學(xué)、心理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、醫(yī)學(xué)等與人的思想、行為、能力等有關(guān)的學(xué)科,是自然科學(xué) 和社會(huì)科學(xué)的交叉。因此,系統(tǒng)工程形成了一套處理復(fù)雜問題的理論、方法和手段,使人們 在處理問題時(shí),有系統(tǒng)的整體的觀點(diǎn)。(3)在處理復(fù)雜的大系統(tǒng)時(shí),常采用定性分析和定量計(jì)算相結(jié)合的方法。因?yàn)橄到y(tǒng)工程所研究的對象往往涉及到人,這就涉及到人的價(jià)值觀、行為學(xué)、心理學(xué)、主觀判斷和理性推理,因而系統(tǒng)工程所研究的大系統(tǒng)比一般工程系統(tǒng)復(fù)雜得多,處理系統(tǒng)工程問題不僅要 有科學(xué)性,而且要有藝術(shù)性和哲理性。系統(tǒng)思想的形成系統(tǒng)思想的形成可追溯到古代。中國古代著作易經(jīng)、尚書中提出了蘊(yùn)含有系統(tǒng)思想的陰陽、 五行、 八卦等學(xué)說。中國古代經(jīng)典醫(yī)著黃帝內(nèi)經(jīng)把人體看作是由各種器官有機(jī)地聯(lián)系在一起的整體,主張從整體上研究人體的病因。古希臘哲學(xué)家赫拉克利特在論自然界一書中指出:“世界是包括一切的整體?!惫畔ED哲學(xué)家德謨克利特認(rèn)為一切物質(zhì)都是原子和空虛組成的。他的世界大系統(tǒng)一書是最早采用系統(tǒng)這個(gè)名詞的著作。古希臘哲學(xué)家亞里士多德提出整體大于部分之和的觀點(diǎn)。古代系統(tǒng)思想還表現(xiàn)在一些著名的古代工程中。埃及的金字塔和中國的長城、大運(yùn)河、都江堰以及夢溪筆談中敘述的皇宮重建工程無不體現(xiàn)樸素的系統(tǒng)思想(見中國古代系統(tǒng)思想)。古代系統(tǒng)思想常用猜測的和臆想的聯(lián)系代替尚未了解的聯(lián)系,是自然哲學(xué)式的。16世紀(jì),近代自然科學(xué)興起。在當(dāng)時(shí)的條件下難以從整體上對復(fù)雜的事物進(jìn)行周密的考察和精確的研究。因此,近代自然科學(xué)的研究方法是把整體的系統(tǒng)逐步地分解,研究每個(gè)較簡單的組成部分,排除臆想的東西。這種方法后來被稱為還原論和機(jī)械唯物論。但是,在當(dāng)時(shí)這種方法還是先進(jìn)的。它的進(jìn)步作用曾得到恩格斯的肯定。到19世紀(jì),科學(xué)的系統(tǒng)思想才逐漸形成。恩格斯在路德維希費(fèi)爾巴哈和德國古典哲學(xué)的終結(jié)一文中指出:“一個(gè)偉大的基本思想,即認(rèn)為世界不是一成不變的事物的集合體,而是過程的集合體。其中各個(gè)似乎穩(wěn)定的事物以及它們在我們頭腦中的思想反映即概念,都處在生成和滅亡的不斷變化中。在這種變化中,前進(jìn)的發(fā)展,不管一切表面的偶然性,也不管一切暫時(shí)的倒退,終究會(huì)給自己開辟出道路。”恩格斯的這段話標(biāo)志著科學(xué)的現(xiàn)代系統(tǒng)思想的產(chǎn)生。系統(tǒng)思想在歷史上的發(fā)展貫穿于從自然哲學(xué)到辯證唯物主義的發(fā)展過程中。 系統(tǒng)工程的萌芽19世紀(jì)末,電力、石油等新能源的開發(fā)大大促進(jìn)了工業(yè)的發(fā)展。電氣化工業(yè)和化學(xué)工業(yè)的出現(xiàn)又使生產(chǎn)技術(shù)設(shè)備日趨復(fù)雜,并進(jìn)一步促使交通和通信系統(tǒng)大規(guī)模擴(kuò)建。同時(shí),物質(zhì)的生產(chǎn)開始豐富,市場的需求成為制約生產(chǎn)發(fā)展的重要因素,企業(yè)間的競爭開始出現(xiàn)。在這種情況下,人們開始重視生產(chǎn)與經(jīng)營之間的協(xié)調(diào)和綜合,即開始運(yùn)用系統(tǒng)思想來研究這類問題。另一方面,經(jīng)典物理學(xué)的最終完成使人們認(rèn)識(shí)到,只有通過對客觀事物的數(shù)學(xué)描述才能深入分析事物的本質(zhì)、了解它的構(gòu)成機(jī)理和各種變異。人們開始用數(shù)學(xué)模型和分析的方法去研究工程、經(jīng)濟(jì)、生物、軍事和社會(huì)等方面的系統(tǒng)。一、排隊(duì)論的產(chǎn)生1910年,丹麥數(shù)學(xué)受熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)平衡理論的啟發(fā)而建立了電話系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)平衡模型。1925年成立貝爾電話實(shí)驗(yàn)室時(shí),就在該室內(nèi)設(shè)立了系統(tǒng)開發(fā)部。貝爾電話實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了埃爾朗的電話系統(tǒng)模型,創(chuàng)造了一套電話系統(tǒng)分級復(fù)聯(lián)的科學(xué)方法,并利用概率模擬裝置,經(jīng)過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來求出最佳通話服務(wù)方式。30年代,瑞典數(shù)學(xué)家巴爾姆和蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家欣欽又對電話呼叫過程進(jìn)行深入的數(shù)學(xué)分析,提出呼叫過程的普遍性、平穩(wěn)性、有限性和無后效性等4個(gè)特征,奠定了關(guān)于系統(tǒng)中隨機(jī)聚散現(xiàn)象的基本理論 排隊(duì)論的理論基礎(chǔ)。在近代工程技術(shù)中對系統(tǒng)工程的產(chǎn)生和發(fā)展影響最大的首推電話通信工程。二、一般系統(tǒng)論、信息論和控制論30年代,生物學(xué)界提出了生命有機(jī)體論,把生命看成是一個(gè)有機(jī)整體用以解釋復(fù)雜的生命現(xiàn)象。 用協(xié)調(diào)、有序、目的性等概念來研究生命有機(jī)體,并把系統(tǒng)定義為相互作用的諸要素的復(fù)合體,具有特殊的整體水平的功能和屬性。他還提出開放系統(tǒng)概念,認(rèn)為要從有機(jī)體與環(huán)境的相互作用來說明生命的本質(zhì)。1937年,貝塔朗菲首先提出一般系統(tǒng)論的原理,并于1945年發(fā)表關(guān)于一般系統(tǒng)論。他指出這個(gè)理論屬于邏輯和數(shù)學(xué)的領(lǐng)域,任務(wù)是建立適用于系統(tǒng)的一般原則。40年代以來,隨著通信技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化的興起,出現(xiàn)了研究系統(tǒng)中信息和控制的基本規(guī)律的信息論和控制論。N.維納提出的控制論和C.E香農(nóng)提出的信息論幾乎是與一般系統(tǒng)論同時(shí)出現(xiàn)的。一般系統(tǒng)論提出的對系統(tǒng)的描述性的研究方法為后來系統(tǒng)學(xué)的形成做了先導(dǎo)。而信息論和控制論則為系統(tǒng)工程的發(fā)展提供了養(yǎng)分。三、軍事系統(tǒng)模型和運(yùn)籌學(xué)在第一次和第二次世界大戰(zhàn)期間,軍事上的需要促使人們?nèi)パ芯刻岣咦鲬?zhàn)指揮能力和武器效能的方法。1914年1916年期間,英國F.W.蘭徹斯特提出描述作戰(zhàn)雙方兵力變化過程的數(shù)學(xué)方程式,后稱蘭徹斯特方程。30年代后期,英國成立了世界上第一個(gè)運(yùn)籌學(xué)研究小組,研究雷達(dá)配置和高炮效率。后來又在陸、海、空三軍分別設(shè)置研究組織,研究雷達(dá)的合理配置和運(yùn)用、飛機(jī)出擊時(shí)間和隊(duì)形編列的效能以及有效的后勤保障等問題。美國和加拿大等國也相繼成立運(yùn)籌學(xué)研究組織。美國數(shù)學(xué)家用概率論方法研究反潛問題,提出了艦艇躲避或攻擊潛艇的最優(yōu)戰(zhàn)術(shù)。第二次世界大戰(zhàn)以后,運(yùn)籌學(xué)迅速推廣到經(jīng)濟(jì)管理部門,為制定政策提供依據(jù),取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。系統(tǒng)工程的產(chǎn)生第二次世界大戰(zhàn)以來,科學(xué)技術(shù)迅猛進(jìn)步,社會(huì)經(jīng)濟(jì)空前發(fā)展,同時(shí)資源和生態(tài)環(huán)境也嚴(yán)重惡化。人們面臨著越來越復(fù)雜的大系統(tǒng)的組織、管理、協(xié)調(diào)、規(guī)劃、計(jì)劃、預(yù)測和控制等問題。這些問題的特點(diǎn)是在空間活動(dòng)規(guī)模上越來越大,時(shí)間上變化越來越快,層次結(jié)構(gòu)上越來越復(fù)雜,后果和影響上越來越深遠(yuǎn)和廣泛。要解決這樣高度復(fù)雜的問題,單靠人的經(jīng)驗(yàn)已顯得無能為力,需要采用科學(xué)的方法。信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展又大大提高了信息的收集、存儲(chǔ)、傳遞和處理的能力,為實(shí)現(xiàn)科學(xué)的組織和管理提供了強(qiáng)有力的手段。系統(tǒng)工程正是在這樣的情況下,首先從軍事和大型工程系統(tǒng)的研制中產(chǎn)生和發(fā)展起來的。一、美國微波中繼通信網(wǎng)美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室在1940年開始建立橫跨美國東西部的微波中繼通信網(wǎng)時(shí)就充分利用當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)成就來規(guī)劃和設(shè)計(jì)新系統(tǒng)。這項(xiàng)工作因第二次世界大戰(zhàn)而停頓。戰(zhàn)后分別于1947年和1951年完成該網(wǎng)的TD-X和TD- 2系統(tǒng),并投入使用。貝爾電話實(shí)驗(yàn)室遂于1951年正式把研制微波通信網(wǎng)的方法命名為系統(tǒng)工程。二、蘭德公司和系統(tǒng)分析1945年,美國國防部和科學(xué)研究開發(fā)署與道格拉斯飛機(jī)公司訂立了稱為蘭德計(jì)劃的合同,為美國空軍研究洲際戰(zhàn)爭,并提出有關(guān)技術(shù)和設(shè)備的建議。1947年,在福特基金會(huì)的支持下,成立了蘭德公司,繼續(xù)為戰(zhàn)后美國空軍的發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃提供咨詢服務(wù)。50年代以后,擴(kuò)大了工作范圍,成為一個(gè)非營利的咨詢機(jī)構(gòu)。蘭德公司在多年積累的研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上創(chuàng)立了系統(tǒng)分析。系統(tǒng)分析的目的是根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)來尋求最優(yōu)方案。系統(tǒng)分析幾乎是同系統(tǒng)工程并行地發(fā)展起來的,這兩個(gè)名詞之間也常出現(xiàn)混用現(xiàn)象。三、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和系統(tǒng)管理1958年,美國海軍特別計(jì)劃局在執(zhí)行“北極星”導(dǎo)彈核潛艇計(jì)劃中發(fā)展了控制工程進(jìn)度的新方法,使“北極星”導(dǎo)彈提前兩年研制成功。這些方法用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來進(jìn)行系統(tǒng)管理,可在不增加人力、物力的情況下使工程進(jìn)度提前、成本降低。四、阿波羅工程美國1961年開始進(jìn)行的阿波羅工程,由地面、空間和登月三部分組成,于1972年成功結(jié)束。在工程高峰時(shí)期有兩萬多家廠商、 200余所高等院校和80多個(gè)研究機(jī)構(gòu)參予研制和生產(chǎn),總?cè)藬?shù)超過30萬人,耗資255億美元。完成阿波羅工程不僅需要火箭技術(shù),還需要了解宇宙空間和月球本身的環(huán)境。為此又專門制定了“水星”計(jì)劃和“雙子星座”計(jì)劃,以探明人在宇宙空間飛行的生活和工作條件。為了完成這項(xiàng)龐大和復(fù)雜的計(jì)劃,美國成立了總體設(shè)計(jì)部以及系統(tǒng)和分系統(tǒng)的型號辦公室,以對整個(gè)計(jì)劃進(jìn)行組織、協(xié)調(diào)和管理。在執(zhí)行計(jì)劃過程中自始至終采用了系統(tǒng)分析、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),并把計(jì)劃協(xié)調(diào)技術(shù)發(fā)展成隨機(jī)協(xié)調(diào)技術(shù)。由于采用了成本估算和分析技術(shù),使這項(xiàng)無前例的龐大工程基本上按預(yù)算完成。阿波羅工程的圓滿成功使世界各國開始接受系統(tǒng)工程。系統(tǒng)工程方法論的形成系統(tǒng)工程教育系統(tǒng)工程教育始于50年代。當(dāng)時(shí)已開始在高等院校開設(shè)有關(guān)專業(yè)課,成立系統(tǒng)工程系或者在公司企業(yè)內(nèi)部辦培訓(xùn)班來培養(yǎng)人才。60年代以來,許多國家已開始大量培養(yǎng)系統(tǒng)工程師、系統(tǒng)分析師和系統(tǒng)科學(xué)家。 系統(tǒng)工程的發(fā)展70年代以來,系統(tǒng)工程發(fā)展的趨勢是應(yīng)用領(lǐng)域繼續(xù)向社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等方面擴(kuò)展和發(fā)展應(yīng)用于軟系統(tǒng)工程的方法論。1972年在一些國家科學(xué)院的倡議下,在維也納成立了國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所。它是一個(gè)用系統(tǒng)工程方法研究復(fù)雜的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等問題的國際性研究機(jī)構(gòu)。該所先后選擇了能源、環(huán)境、生態(tài)、城市建設(shè)、資源開發(fā)、醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)等研究課題,在推動(dòng)系統(tǒng)工程的發(fā)展和應(yīng)用方面產(chǎn)生了重要影響。 1979年,中國科學(xué)家錢學(xué)森提出建立系統(tǒng)科學(xué)體系的完整思想。他認(rèn)為系統(tǒng)科學(xué)是以系統(tǒng)為研究和應(yīng)用對象的一個(gè)科學(xué)技術(shù)部門。如同自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)一樣,它是由三個(gè)層次組成的,即:系統(tǒng)工程,它是系統(tǒng)科學(xué)的下層技術(shù)層次,是用系統(tǒng)思想直接改造客觀世界的技術(shù);系統(tǒng)科學(xué)的技術(shù)科學(xué)層次,包括運(yùn)籌學(xué)、控制論、信息論等;系統(tǒng)學(xué),是系統(tǒng)科學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)。系統(tǒng)學(xué)是研究系統(tǒng)一般演化規(guī)律的學(xué)科,目前尚處于形成階段。系統(tǒng)科學(xué)與哲學(xué)之間的橋梁則稱為系統(tǒng)論或系統(tǒng)觀,它為發(fā)展和深化馬克思主義唯物辯證法提供素材。系統(tǒng)科學(xué)體系的形成標(biāo)志著系統(tǒng)工程已經(jīng)逐步成熟。研究對象 系統(tǒng)工程的研究對象是復(fù)雜的大系統(tǒng)。系統(tǒng)是由相互作用和相互依賴的若干組成部分或要素結(jié)合成的、具有特定功能的有機(jī)整體。系統(tǒng)本身又是它所從屬的一個(gè)更大系統(tǒng)的組成部分。系統(tǒng)的組成部分稱為該系統(tǒng)的子系統(tǒng)。系統(tǒng)的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在:構(gòu)成系統(tǒng)的要素本身就是一個(gè)系統(tǒng),從而體現(xiàn)了系統(tǒng)的多層次;系統(tǒng)涉及的因素是多維的;系統(tǒng)是由不同質(zhì)的要素集合而成的;系統(tǒng)可以是包含人在內(nèi)的人機(jī)系統(tǒng)。如阿波羅工程這個(gè)大系統(tǒng)是由確定登月方案,四項(xiàng)輔助計(jì)劃,研制“土星”號運(yùn)載火箭,試驗(yàn)飛行,研制“阿波羅”號飛船,實(shí)現(xiàn)載人飛行這6個(gè)子系統(tǒng)組成,其目的是把人送上月球。它們之間既有著相互支持的關(guān)系,又有著相互制約的關(guān)系。例如,為了增加飛船的可靠性而采用的冗余技術(shù),勢必增加飛船重量,因而需要增加火箭的推力。所以飛船重量受到火箭推力的制約。系統(tǒng)開發(fā)過程也是對系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)不斷深化的過程。人們不可能一開始就對系統(tǒng)所涉及的專業(yè)技術(shù),各部分之間的信息、能量、物質(zhì)溝通關(guān)系有清晰的認(rèn)識(shí),所以必須遵循分析-實(shí)踐-再分析-再實(shí)踐的反復(fù)認(rèn)識(shí)過程。這里的實(shí)踐常常是指對分析結(jié)論的驗(yàn)證試驗(yàn)。開發(fā)過程中分析、綜合的思維過程和系統(tǒng)工程活動(dòng)如下圖所示,常稱為系統(tǒng)工程過程(SEP) 系統(tǒng)工程過程是一個(gè)自頂層開始,依次反復(fù)應(yīng)用于開發(fā)全過程的、規(guī)范化的問題解決過程,它把要求逐步轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)規(guī)范和一個(gè)相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)。1.在系統(tǒng)研制過程中始終要保持對要求的跟蹤。系統(tǒng)工程過程的第一步是任務(wù)分析。任務(wù)分析活動(dòng)是要澄清和確認(rèn)用戶的需求和工作的目標(biāo),明確限制條件,然后依此提出對系統(tǒng)的功能和性能要求。通過任務(wù)分析得到的共識(shí)是后續(xù)成功的功能和物理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。2.經(jīng)過任務(wù)分析得到的系統(tǒng)級功能和性能,通過功能分析和分配活動(dòng)進(jìn)一步分解成為低層次功能。結(jié)果得到的是對一個(gè)系統(tǒng)功能的全面描述,即系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。這個(gè)功能結(jié)構(gòu)不僅描述了必須具有的全部功能,還反映了各種功能和性能要求之間的邏輯關(guān)系。3.設(shè)計(jì)綜合或稱系統(tǒng)設(shè)計(jì),是按照從功能分析與分配過程中得到的系統(tǒng)功能和性能描述,在綜合
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