工業(yè)工程概論課件第5章IE與系統(tǒng)工程學

工業(yè)工程概論第1章工業(yè)工程的概念與意識2第2章工業(yè)工程的發(fā)展與應用2第3章工業(yè)工程的學科構成2第4章IE與運籌學OS2第5章IE與系統(tǒng)工程學SE211/25/2022工業(yè)工程工業(yè)工程概論第1章工業(yè)工程的概念與意識21第5章IE與系統(tǒng)工程5.1系統(tǒng)的概念5.2系統(tǒng)科學的體系5.3系統(tǒng)工程的內涵5.4系統(tǒng)工程的方法5.6系統(tǒng)工程的應用11/25/2022工業(yè)工程第5章IE與系統(tǒng)工程5.1系統(tǒng)的概念11/22/2025.1系統(tǒng)的概念5.1.1古代系統(tǒng)思想5.1.3系統(tǒng)的定義5.1.2系統(tǒng)的分類11/25/2022工業(yè)工程5.1系統(tǒng)的概念5.1.1古代系統(tǒng)思想11/22/235.1.1古代系統(tǒng)思想

圖1伏羲古太極圖

伏羲古太極圖蘊涵了古代中國人的系統(tǒng)思想（見圖1-1）。《易經》試圖用陰陽五行八卦論來說明統(tǒng)一的世界，或把五行（金木水火土）作為構成萬物的基本要素，或把八卦（從自然界中找出的8種事物：天地雷風水火山澤）看作萬物之源。戰(zhàn)國時的子思、孟子提出了“天人合一”的思想。這些學說都把宇宙看作一個整體。古希臘思想家亞里士多德提出了著名論點“整體大于它的各部分的總和”。圖1伏羲古太極圖11/25/2022工業(yè)工程5.1.1古代系統(tǒng)思想

圖1伏羲古太極圖伏羲古太極圖蘊45.1.2系統(tǒng)的定義1994年我國《系統(tǒng)科學大辭典》的系統(tǒng)（System）定義：

系統(tǒng)是由相互聯(lián)系、相互作用的要素組成的，具有一定結構和功能的有機整體。1986至1998年汪應洛院士給出的系統(tǒng)定義是：系統(tǒng)是具有特定功能的、相互間具有有機聯(lián)系的許多要素構成的一個整體。構成一個系統(tǒng)必須具備三個條件：①系統(tǒng)由兩個以上的要素組成；②要素之間存在著相互聯(lián)系、相互作用（interaction）；③系統(tǒng)具有不同于各個組成要素的整體功能。11/25/2022工業(yè)工程5.1.2系統(tǒng)的定義1994年我國《系統(tǒng)科學大辭典》的系55.1.2系統(tǒng)的定義系統(tǒng)包含了以下6個基本概念：圖4（1）要素。又稱元素。是系統(tǒng)的組成部分，又稱為子系統(tǒng)。（2）結構。系統(tǒng)各個要素相對穩(wěn)定的相互聯(lián)系、相互作用的方式（3）功能。系統(tǒng)整體在內部與外部的聯(lián)系中表現(xiàn)的作用和能力（4）邊界。系統(tǒng)所包含的要素的界限，結構表明須有確定邊界（5）環(huán)境。存在于系統(tǒng)外與系統(tǒng)發(fā)生作用的各種因素的總體。功能表明系統(tǒng)需要與環(huán)境發(fā)生關系。（6）輸入。通過邊界進入到系統(tǒng)的事物。輸出。通過邊界進入到環(huán)境的事物。11/25/2022工業(yè)工程5.1.2系統(tǒng)的定義系統(tǒng)包含了以下6個基本概念：圖4116圖4系統(tǒng)的概念

（1）ElementsComponentsSubsystem（2）Structure（3）Function（4）Boundary（5）environment（6）Input/Output邊界要素聯(lián)系系統(tǒng)環(huán)境輸出輸入圖4系統(tǒng)的概念功能：轉換結構11/25/2022工業(yè)工程圖4系統(tǒng)的概念（1）Elements邊界要素聯(lián)系系75.1.3系統(tǒng)的分類系統(tǒng)形態(tài)的分類如表1所示。復合系統(tǒng)（Compoundsystems）是指幾種類型的系統(tǒng)互相重合和嵌套所組成的系統(tǒng)。大多數(shù)系統(tǒng)是自然系統(tǒng)與人工系統(tǒng)的復合系統(tǒng)。在多數(shù)情況下物質系統(tǒng)和概念系統(tǒng)是結合的。生產系統(tǒng)既有物質系統(tǒng)（設備），也有概念系統(tǒng)（知識）。11/25/2022工業(yè)工程5.1.3系統(tǒng)的分類系統(tǒng)形態(tài)的分類如表1所示。11/228表1系統(tǒng)的分類

劃分依據(jù)系統(tǒng)類型實例系統(tǒng)起源自然系統(tǒng)Naturalsystems海洋系統(tǒng)，天體系統(tǒng)，生物系統(tǒng)人工系統(tǒng)Artificialsystems工程系統(tǒng)，社會系統(tǒng)，管理系統(tǒng)要素性質物質系統(tǒng)Physicalsystems礦藏系統(tǒng)，生物系統(tǒng)，技術系統(tǒng)概念系統(tǒng)Conceptualsystems法律系統(tǒng)，文學系統(tǒng)，藝術系統(tǒng)要素數(shù)量簡單系統(tǒng)Simplesystems原子系統(tǒng)，簡單工具復雜系統(tǒng)Complexsystems生命系統(tǒng)，生產系統(tǒng)，社會系統(tǒng)與時間關系動態(tài)系統(tǒng)Dynamicsystems氣象系統(tǒng)，生物系統(tǒng)，生產系統(tǒng)靜態(tài)系統(tǒng)Staticsystems建筑物，地圖與外界作用孤立系統(tǒng)Islandsystems宇宙飛船的密封倉封閉系統(tǒng)Closedsystems外加磁/電場中的磁/電介質系統(tǒng)開放系統(tǒng)Opensystems生命系統(tǒng)，經濟系統(tǒng)，社會系統(tǒng)認識論黑色系統(tǒng)Blacksystems銀河系外遙遠星座，待設計產品白色系統(tǒng)Whiteningsystems可拆卸的機器，已解決的問題灰色系統(tǒng)Greysystems農業(yè)系統(tǒng)，人體系統(tǒng)11/25/2022工業(yè)工程表1系統(tǒng)的分類劃分依據(jù)系統(tǒng)類型實例系統(tǒng)起源自然系統(tǒng)91.1系統(tǒng)的基本概念1.1.1系統(tǒng)的定義與分類1.1.2系統(tǒng)科學與系統(tǒng)工程1.1.3人工系統(tǒng)的分類★11/25/2022工業(yè)工程1.1系統(tǒng)的基本概念1.1.1系統(tǒng)的定義與分類★11105.2系統(tǒng)科學的體系系統(tǒng)科學（Systemscience）它是以系統(tǒng)為研究和應用對象的一個科學技術的門類。它是現(xiàn)代科學技術體系中的一大門類。中國著名科學家錢學森于20世紀70年代末提出了系統(tǒng)科學體系的三個層次結構，如圖5所示。①工程技術層次是直接優(yōu)化客觀世界的知識。②技術科學層次是指導工程技術的理論。③基礎科學層次是研究系統(tǒng)的基本屬性與一般規(guī)律的學科。系統(tǒng)科學通向哲學的橋梁是系統(tǒng)論。11/25/2022工業(yè)工程5.2系統(tǒng)科學的體系系統(tǒng)科學（Systemscienc11圖5系統(tǒng)科學的體系

圖5系統(tǒng)科學的體系系統(tǒng)學運籌學控制論系統(tǒng)工程自動化技術信息論通信技術←技術科學←工程技術←基礎科學系統(tǒng)科學11/25/2022工業(yè)工程圖5系統(tǒng)科學的體系圖5系統(tǒng)科學的體系系統(tǒng)學運籌學125.3系統(tǒng)工程的內涵現(xiàn)代IE與系統(tǒng)工程功能十分相似，國外有的大學把IE系改名為I&SE(工業(yè)與系統(tǒng)工程)，但兩者也是有區(qū)別的。系統(tǒng)工程（Systemengineering）中的系統(tǒng)與工程均有其特殊的含義。

系統(tǒng)是只包括屬于人工系統(tǒng)及復合系統(tǒng)這類性質的系統(tǒng)，不包括自然系統(tǒng)。

工程是指造物的學問，是“工程學”的簡稱。不是指造物的工作過程。1971年日本寺野壽郎認為

系統(tǒng)工程學就是使從無到有的創(chuàng)造過程合理化的科學。1975年美國科學技術辭典的定義是：

系統(tǒng)工程是研究彼此密切聯(lián)系的許多要素所構成的復雜系統(tǒng)的設計的科學。1994年我國《系統(tǒng)科學大辭典》的定義是：系統(tǒng)工程是—門統(tǒng)籌全局綜合協(xié)調研究系統(tǒng)的科學技術，是系統(tǒng)開發(fā)、設計、實施和運用的工程技術。11/25/2022工業(yè)工程5.3系統(tǒng)工程的內涵現(xiàn)代IE與系統(tǒng)工程功能十分相似，國外135.3系統(tǒng)工程的內涵錢學森指出：“系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設計、制造和使用的科學方法，是一種對所有系統(tǒng)都具有普遍意義的科學方法?！?/p>

系統(tǒng)工程根據(jù)總體協(xié)調的需要，綜合應用自然科學和社會科學中有關的思想、理論和方法，利用電子計算機作為工具，對系統(tǒng)的結構、要素、信息和反饋等進行分析、綜合、模擬、最優(yōu)化，以達到最優(yōu)規(guī)劃、最優(yōu)設計、最優(yōu)管理和最優(yōu)控制的目的。

系統(tǒng)工程的原理和方法，適用于一切系統(tǒng)(包括物質的和非物質的)，如自然系統(tǒng)、社會經濟系統(tǒng)、經營管理系統(tǒng)……，而不限于某種特定的工程物質對象。

系統(tǒng)工程作為最通用的工程技術，為現(xiàn)代工業(yè)工程及管理工程、制造工程等提供了重要的方法論和基本方法。11/25/2022工業(yè)工程5.3系統(tǒng)工程的內涵錢學森指出：“系統(tǒng)工程是組145.3系統(tǒng)工程的內涵系統(tǒng)工程的研究對象主要是復雜的人工系統(tǒng)。系統(tǒng)工程作為一種科學方法，最初是在20世紀40年代由美國貝爾電話公司在設計電話通訊網絡時提出的。系統(tǒng)工程作為一種工程技術，主要包括兩大技術:

系統(tǒng)分析是對已有的系統(tǒng)用系統(tǒng)方法進行定量分析以幫助進行有效決策。

系統(tǒng)設計是設計出能滿足預定目標要求的新的系統(tǒng)。11/25/2022工業(yè)工程5.3系統(tǒng)工程的內涵系統(tǒng)工程的研究對象主要是復雜的人15例“阿波羅”載人登月系統(tǒng)工程的典型運用是美國阿波羅工程（Apolloproject）。工程開始于1961年5月，至1972年12月第6次成功登月結束，歷時11年，耗資255億美元，僅科研課題就有5萬多項。在項目高峰期，參加研制的有2萬多家企業(yè)、200多所大學和80多個科研機構，總人數(shù)超過30萬人，使用大型計算機600臺。共發(fā)射了17枚飛船。阿波羅飛船全部構件達300多萬個。如此龐大而復雜的系統(tǒng)，如果有一個環(huán)節(jié)發(fā)生故障或延時完成，都會使登月飛船無法按期發(fā)射。正是由于采用了系統(tǒng)工程的方法，才順利完成了計劃。它是復雜系統(tǒng)工程的光輝典范。11/25/2022工業(yè)工程例“阿波羅”載人登月系統(tǒng)工程的典型運用是美國阿波羅工程16圖6人類首次登上月球

阿波羅在進行了6次不載人試驗和4次載人試驗之后，1969年7月20日，“阿波羅11號”宇宙飛船把兩名美國宇航員阿姆斯特朗和奧爾德林送上了遙遠的月球，使“嫦娥奔月”的神話成為現(xiàn)實。人類第一次在另外的星球上留下了足跡。兩名宇航員在月球上漫游了2小時31分鐘，拍攝了月球景色、裝置了科學儀器、采集了月球的巖石和土壤標本，安全返回地面。圖6人類首次登上月球阿波羅11號飛船的航天員(1969.7.21)11/25/2022工業(yè)工程圖6人類首次登上月球阿波羅在進行了6次不載人試驗和4次175.4系統(tǒng)工程的方法5.4.1霍爾三維結構5.4.2工業(yè)工程方法論的體系5.4.3系統(tǒng)方法的特點5.4.4系統(tǒng)方法的類型系統(tǒng)分解系統(tǒng)分析系統(tǒng)綜合系統(tǒng)評價系統(tǒng)設計11/25/2022工業(yè)工程5.4系統(tǒng)工程的方法5.4.1霍爾三維結構11/22185.4.1霍爾三維結構

圖7美國通信工程師、系統(tǒng)工程專家霍爾（A.D.Hall）1969年提出了“霍爾三維結構”。已成為廣泛采用的方法論。時間維。系統(tǒng)工程活動從開始到結束按時間順序排列的全過程，7個階段。邏輯維。時間維的每一個階段內所要進行的工作內容和應該遵循的思維程序，7個步驟。知識維。為完成這些階段和步驟所需要的各種專業(yè)知識和技能。圖7霍爾三維結構圖時間知識邏輯明確問題確定目標系統(tǒng)綜合系統(tǒng)分析優(yōu)化實施規(guī)劃擬定方案更新研制生產安裝階段藝術社會科學管理法律商業(yè)建筑醫(yī)學工程…決策運行步驟知識和技能11/25/2022工業(yè)工程5.4.1霍爾三維結構圖7美國通信工程師、系統(tǒng)195.4.2工業(yè)工程方法論的體系

IE專門技術與系統(tǒng)工程方法相結合現(xiàn)代IE的標志之一。在IE的研究與應用中，要充分認識其方法論的意義和系統(tǒng)工程在整個IE方法與技術體系中的支配地位。參照系統(tǒng)工程中的霍爾三維結構，可將IE方法論的形式體系歸結為圖8。圖8工業(yè)工程方法論體系系統(tǒng)工程計算機技術工業(yè)工程專門技術管理科學社會及人文科學應用數(shù)學工程技術系統(tǒng)診斷與分析系統(tǒng)規(guī)劃與設計系統(tǒng)實施與運行系統(tǒng)評價和改善工作階段知識方法

問題說明邏輯步驟┇目標探索方案綜合分析權衡評價抉擇11/25/2022工業(yè)工程5.4.2工業(yè)工程方法論的體系IE專門技術與系統(tǒng)工程方法205.4.3系統(tǒng)方法的特點系統(tǒng)方法(systemmethod)，就是按照事物本身的系統(tǒng)性，把研究對象放在系統(tǒng)的形式中加以考察、認識和處理的一種方法。即從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，著眼于系統(tǒng)與要素、要素與要素、系統(tǒng)與環(huán)境之間的相互聯(lián)系和相互作用的關系中，綜合地、精確地考察系統(tǒng)，以掌握系統(tǒng)的本質與運動規(guī)律和達到滿意地處理問題的一種方法。11/25/2022工業(yè)工程5.4.3系統(tǒng)方法的特點系統(tǒng)方法(systemmetho215.4.3系統(tǒng)方法的特點與傳統(tǒng)方法相比，系統(tǒng)方法有如下的特點：(1)整體性。系統(tǒng)方法特別強調對事物整體性的研究。(2)綜合與分析的辯證統(tǒng)一。系統(tǒng)方法采用綜合→分析→綜合的模式，把綜合與分析通過反饋耦合成雙向性思維。(3)優(yōu)化。確定系統(tǒng)優(yōu)化目標，使系統(tǒng)結構合理、內外協(xié)調，達到整體優(yōu)化的目的。(4)定性研究與定量研究的有機結合。系統(tǒng)方法不僅可以定性地揭示系統(tǒng)的屬性和機制，而且可以借助現(xiàn)代數(shù)學和計算機定量地描述系統(tǒng)的運動狀態(tài)和規(guī)律。11/25/2022工業(yè)工程5.4.3系統(tǒng)方法的特點與傳統(tǒng)方法相比，系統(tǒng)方法有如下的特225.4.4系統(tǒng)方法的類型根據(jù)系統(tǒng)工程的原理，就系統(tǒng)設計的過程而言，系統(tǒng)方法包括：系統(tǒng)分解系統(tǒng)分析系統(tǒng)綜合系統(tǒng)評價如圖9所示下面介紹這4種方法

★圖9系統(tǒng)設計的過程系統(tǒng)綜合Y設計結果系統(tǒng)分析系統(tǒng)的要求系統(tǒng)評價滿意?N系統(tǒng)分解11/25/2022工業(yè)工程5.4.4系統(tǒng)方法的類型根據(jù)系統(tǒng)工程的原理，★圖9系統(tǒng)235.4.4.1系統(tǒng)分解（1）系統(tǒng)分解(Systemsdecompose)的定義系統(tǒng)分解是把系統(tǒng)整體分成多個部分的過程。即，把復雜的系統(tǒng)分解為若干個相互聯(lián)系的、相對比較簡單的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)還可再分解為更小的子系統(tǒng)，依次逐級分解，直至能進行適宜的分析和設計為止。這是系統(tǒng)設計的首要方法。

11/25/2022工業(yè)工程5.4.4.1系統(tǒng)分解（1）系統(tǒng)分解(Systems245.4.4.3系統(tǒng)分析

系統(tǒng)分析(Systemsanalysis)(1)系統(tǒng)分析的定義。系統(tǒng)分析是從系統(tǒng)的整體效益出發(fā)，采用建模、優(yōu)化、仿真和評價等方法，對系統(tǒng)的特定問題進行定性和定量分析，為選擇最優(yōu)或滿意的系統(tǒng)方案提供決策根據(jù)的一種決策方法。系統(tǒng)分析的目的是幫助決策。它不同于一般的技術經濟分析，它不僅要分析系統(tǒng)本身技術經濟方面的有關問題，還要分析內、外系統(tǒng)之間及系統(tǒng)內部各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系因素。由于系統(tǒng)中存在著許多矛盾和不確定的因素，所以沒有一個通用的系統(tǒng)分析方法。分析對象和目的的不同，所用分析方法也不同。廣義上把系統(tǒng)分析等同于系統(tǒng)工程。？√√n螺旋傳動s11/25/2022工業(yè)工程5.4.4.3系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析(Systemsan255.4.4.3系統(tǒng)分析

（2）系統(tǒng)分析的一般步驟：①明確系統(tǒng)的目的、要求和目標。②收集資料，擬定方案。③建立系統(tǒng)模型。④進行優(yōu)化計算或仿真實驗。把計算、實驗、分析的結果同預定的目標進行比較和評價。⑤給出推薦方案。把少數(shù)較好的可行方案整理成完整的綜合資料，作為決策者選擇最優(yōu)或滿意的系統(tǒng)方案的主要依據(jù)。（3）系統(tǒng)分析的基本要素：問題，目的或目標，方案，模型，評價和決策者。（4）系統(tǒng)分析的特點：問題導向，以整體為目標，多方案模型分析和選優(yōu)，定量分析與定性分析相結合，需多次反復進行。

11/25/2022工業(yè)工程5.4.4.3系統(tǒng)分析（2）系統(tǒng)分析的一般步驟：11/265.4.4.3系統(tǒng)綜合系統(tǒng)綜合(Systemssyntheses)系統(tǒng)綜合是不斷將分解的各個要素和它們的相互關系加以綜合，形成一個相應的小系統(tǒng)，再將各個小系統(tǒng)逐階綜合成為—個大系統(tǒng)的過程。系統(tǒng)綜合不是將已經分解了的要素按原來的聯(lián)系機械地重新拼接起來，使之復原成原來的整體系統(tǒng)，而是根據(jù)系統(tǒng)分解得到的各要素之間、要素與系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與環(huán)境之間的聯(lián)系特性，在總目標的支配下，尋求各要素之間新的優(yōu)化結構，重新把各種要素組織起來，創(chuàng)演出更適應于目的要求的新的系統(tǒng)整體。所以說系統(tǒng)綜合是一個復雜的創(chuàng)新過程。系統(tǒng)綜合常是系統(tǒng)分析的逆過程，兩者互為因果，對立統(tǒng)一。？√√nX傳動s11/25/2022工業(yè)工程5.4.4.3系統(tǒng)綜合系統(tǒng)綜合(Systemssyn275.4.4.4系統(tǒng)評價系統(tǒng)評價(Systemsevaluation)對新設計的系統(tǒng)或改進的系統(tǒng)，根據(jù)預定的目標要求，用系統(tǒng)分析的方法，從技術、經濟、社會、生態(tài)等方面對系統(tǒng)設計的各種方案進行評審和選擇，以確定最優(yōu)或次優(yōu)或滿意的系統(tǒng)方案。系統(tǒng)評價分為：事前評價、中間評價、事后評價和跟蹤評價。對于不同的系統(tǒng)，其評價項目、評價標準和評價方法也不盡相同。評價對象的價值與評價人員的主觀因素(經驗及其評價的角度)有關，因此系統(tǒng)不存在絕對的價值。使用計算機評價程序，使系統(tǒng)評價速度加快，結果更加全面、正確、可靠。

最優(yōu)滿意11/25/2022工業(yè)工程5.4.4.4系統(tǒng)評價系統(tǒng)評價(Systemseva285.4.4.4系統(tǒng)評價評價是IE的基本功能之一。IE活動中充滿著對方案的選擇，隨時隨地都需要系統(tǒng)評價方法的支持。系統(tǒng)評價：是對新開發(fā)的或改建的系統(tǒng)，根據(jù)預定的系統(tǒng)目標，從技術、經濟、社會等多方面對各種非劣的系統(tǒng)方案進行評審和選擇，以確定滿意的行動方案的過程。系統(tǒng)評價應考慮的基本問題：評價主體、評價對象、評價目的、評價時間、評價地點。有代表性的系統(tǒng)評價方法：⒈費用－效益分析法⒉數(shù)據(jù)包絡分析法⒊模糊綜合評定法⒋層次分析法⒌關聯(lián)矩陣法⒍評分法11/25/2022工業(yè)工程5.4.4.4系統(tǒng)評價評價是IE的基本功能之一。IE活動295.4.4.5系統(tǒng)設計（1）系統(tǒng)設計的概念與類型系統(tǒng)設計：是在系統(tǒng)分析的基礎上，按照系統(tǒng)思想和優(yōu)化要求，綜合運用各有關學科的知識、技術和經驗，通過總體研究和詳細設計等環(huán)節(jié)，落實到具體工作或項目上，以創(chuàng)造出滿足設計目的的人造系統(tǒng)。在系統(tǒng)開發(fā)過程或整個系統(tǒng)生命周期中，系統(tǒng)分析著重回答“干什么”的問題，

系統(tǒng)設計主要解決“怎么干”的問題。系統(tǒng)設計在IE實踐中廣泛應用，一般分為：工作系統(tǒng)設計(如生產系統(tǒng)、組織系統(tǒng))信息系統(tǒng)設計(如MIS、DSS)

工程系統(tǒng)設計(如機器、建筑物)11/25/2022工業(yè)工程5.4.4.5系統(tǒng)設計（1）系統(tǒng)設計的概念與類型11/305.4.4.5系統(tǒng)設計（2）系統(tǒng)設計的基本要素系統(tǒng)設計一般應考慮的基本問題，或系統(tǒng)設計的要素有：1)系統(tǒng)的功能：主要指設計系統(tǒng)的目的和對所設計系統(tǒng)各方面結果的期望及要求。2)系統(tǒng)的輸入與輸出：即要明確進入這個系統(tǒng)需要進行處理和轉換的東西及輸出結果的形式、性質、數(shù)量等。3)系統(tǒng)的程序和層次：要求明確系統(tǒng)內部從輸入到輸出所經歷的必要轉換環(huán)節(jié)及系統(tǒng)的反饋控制方式。4)系統(tǒng)的環(huán)境：在系統(tǒng)環(huán)境的問題上，要充分考慮到環(huán)境因素未來的變化。5)系統(tǒng)的媒介：這里指在整個轉換輸入物過程中所利用的手段，如生產系統(tǒng)中的設備、工具，信息系統(tǒng)中的計算機等。6)系統(tǒng)中人的因素：是保證系統(tǒng)正常與高效運作的根本條件之一，設計中應著眼于發(fā)揮人的主觀能動性和人機的最佳配合。

11/25/2022工業(yè)工程5.4.4.5系統(tǒng)設計（2）系統(tǒng)設計的基本要素11/2315.6系統(tǒng)工程的應用例中國載人航天工程的八大系統(tǒng)視頻：從神一到神七1）航天員系統(tǒng)：主要任務是選拔、訓練航天員，并在訓練和載人飛行任務實施過程中，對航天員實施醫(yī)學監(jiān)督和醫(yī)學保障。2）空間應用系統(tǒng)：主要任務是負責載人航天工程的空間科學與應用研究。裝載在飛船艙內的科學試驗儀器，可進行空間對地觀測和各種科學實驗。3）載人飛船系統(tǒng)：主要任務是研制“神舟”號載人飛船。載人飛船采用軌道艙、返回艙和推進艙組成的三艙方案。4）運載火箭系統(tǒng)：主要任務是研制用于發(fā)射飛船的運載火箭。中國載人航天工程使用的運載火箭為“長征-2F”，是國內目前可靠性、安全性最高的運載火箭。11/25/2022工業(yè)工程5.6系統(tǒng)工程的應用例中國載人航天工程的八大系統(tǒng)32復習題1.工業(yè)工程與系統(tǒng)工程的聯(lián)系與區(qū)別是什么?2.系統(tǒng)方法有哪些特點?3.何謂系統(tǒng)分析？4.何謂系統(tǒng)評價?5.何謂系統(tǒng)設計?6.系統(tǒng)設計有哪些基本要素？11/25/2022工業(yè)工程復習題1.工業(yè)工程與系統(tǒng)工程的聯(lián)系與區(qū)別是什么?11/22/33工業(yè)工程概論第1章工業(yè)工程的概念與意識2第2章工業(yè)工程的發(fā)展與應用2第3章工業(yè)工程的學科構成2第4章IE與運籌學OS2第5章IE與系統(tǒng)工程學SE211/25/2022工業(yè)工程工業(yè)工程概論第1章工業(yè)工程的概念與意識234第5章IE與系統(tǒng)工程5.1系統(tǒng)的概念5.2系統(tǒng)科學的體系5.3系統(tǒng)工程的內涵5.4系統(tǒng)工程的方法5.6系統(tǒng)工程的應用11/25/2022工業(yè)工程第5章IE與系統(tǒng)工程5.1系統(tǒng)的概念11/22/20355.1系統(tǒng)的概念5.1.1古代系統(tǒng)思想5.1.3系統(tǒng)的定義5.1.2系統(tǒng)的分類11/25/2022工業(yè)工程5.1系統(tǒng)的概念5.1.1古代系統(tǒng)思想11/22/2365.1.1古代系統(tǒng)思想

圖1伏羲古太極圖

伏羲古太極圖蘊涵了古代中國人的系統(tǒng)思想（見圖1-1）?！兑捉洝吩噲D用陰陽五行八卦論來說明統(tǒng)一的世界，或把五行（金木水火土）作為構成萬物的基本要素，或把八卦（從自然界中找出的8種事物：天地雷風水火山澤）看作萬物之源。戰(zhàn)國時的子思、孟子提出了“天人合一”的思想。這些學說都把宇宙看作一個整體。古希臘思想家亞里士多德提出了著名論點“整體大于它的各部分的總和”。圖1伏羲古太極圖11/25/2022工業(yè)工程5.1.1古代系統(tǒng)思想

圖1伏羲古太極圖伏羲古太極圖蘊375.1.2系統(tǒng)的定義1994年我國《系統(tǒng)科學大辭典》的系統(tǒng)（System）定義：

系統(tǒng)是由相互聯(lián)系、相互作用的要素組成的，具有一定結構和功能的有機整體。1986至1998年汪應洛院士給出的系統(tǒng)定義是：系統(tǒng)是具有特定功能的、相互間具有有機聯(lián)系的許多要素構成的一個整體。構成一個系統(tǒng)必須具備三個條件：①系統(tǒng)由兩個以上的要素組成；②要素之間存在著相互聯(lián)系、相互作用（interaction）；③系統(tǒng)具有不同于各個組成要素的整體功能。11/25/2022工業(yè)工程5.1.2系統(tǒng)的定義1994年我國《系統(tǒng)科學大辭典》的系385.1.2系統(tǒng)的定義系統(tǒng)包含了以下6個基本概念：圖4（1）要素。又稱元素。是系統(tǒng)的組成部分，又稱為子系統(tǒng)。（2）結構。系統(tǒng)各個要素相對穩(wěn)定的相互聯(lián)系、相互作用的方式（3）功能。系統(tǒng)整體在內部與外部的聯(lián)系中表現(xiàn)的作用和能力（4）邊界。系統(tǒng)所包含的要素的界限，結構表明須有確定邊界（5）環(huán)境。存在于系統(tǒng)外與系統(tǒng)發(fā)生作用的各種因素的總體。功能表明系統(tǒng)需要與環(huán)境發(fā)生關系。（6）輸入。通過邊界進入到系統(tǒng)的事物。輸出。通過邊界進入到環(huán)境的事物。11/25/2022工業(yè)工程5.1.2系統(tǒng)的定義系統(tǒng)包含了以下6個基本概念：圖41139圖4系統(tǒng)的概念

（1）ElementsComponentsSubsystem（2）Structure（3）Function（4）Boundary（5）environment（6）Input/Output邊界要素聯(lián)系系統(tǒng)環(huán)境輸出輸入圖4系統(tǒng)的概念功能：轉換結構11/25/2022工業(yè)工程圖4系統(tǒng)的概念（1）Elements邊界要素聯(lián)系系405.1.3系統(tǒng)的分類系統(tǒng)形態(tài)的分類如表1所示。復合系統(tǒng)（Compoundsystems）是指幾種類型的系統(tǒng)互相重合和嵌套所組成的系統(tǒng)。大多數(shù)系統(tǒng)是自然系統(tǒng)與人工系統(tǒng)的復合系統(tǒng)。在多數(shù)情況下物質系統(tǒng)和概念系統(tǒng)是結合的。生產系統(tǒng)既有物質系統(tǒng)（設備），也有概念系統(tǒng)（知識）。11/25/2022工業(yè)工程5.1.3系統(tǒng)的分類系統(tǒng)形態(tài)的分類如表1所示。11/2241表1系統(tǒng)的分類

劃分依據(jù)系統(tǒng)類型實例系統(tǒng)起源自然系統(tǒng)Naturalsystems海洋系統(tǒng)，天體系統(tǒng)，生物系統(tǒng)人工系統(tǒng)Artificialsystems工程系統(tǒng)，社會系統(tǒng)，管理系統(tǒng)要素性質物質系統(tǒng)Physicalsystems礦藏系統(tǒng)，生物系統(tǒng)，技術系統(tǒng)概念系統(tǒng)Conceptualsystems法律系統(tǒng)，文學系統(tǒng)，藝術系統(tǒng)要素數(shù)量簡單系統(tǒng)Simplesystems原子系統(tǒng)，簡單工具復雜系統(tǒng)Complexsystems生命系統(tǒng)，生產系統(tǒng)，社會系統(tǒng)與時間關系動態(tài)系統(tǒng)Dynamicsystems氣象系統(tǒng)，生物系統(tǒng)，生產系統(tǒng)靜態(tài)系統(tǒng)Staticsystems建筑物，地圖與外界作用孤立系統(tǒng)Islandsystems宇宙飛船的密封倉封閉系統(tǒng)Closedsystems外加磁/電場中的磁/電介質系統(tǒng)開放系統(tǒng)Opensystems生命系統(tǒng)，經濟系統(tǒng)，社會系統(tǒng)認識論黑色系統(tǒng)Blacksystems銀河系外遙遠星座，待設計產品白色系統(tǒng)Whiteningsystems可拆卸的機器，已解決的問題灰色系統(tǒng)Greysystems農業(yè)系統(tǒng)，人體系統(tǒng)11/25/2022工業(yè)工程表1系統(tǒng)的分類劃分依據(jù)系統(tǒng)類型實例系統(tǒng)起源自然系統(tǒng)421.1系統(tǒng)的基本概念1.1.1系統(tǒng)的定義與分類1.1.2系統(tǒng)科學與系統(tǒng)工程1.1.3人工系統(tǒng)的分類★11/25/2022工業(yè)工程1.1系統(tǒng)的基本概念1.1.1系統(tǒng)的定義與分類★11435.2系統(tǒng)科學的體系系統(tǒng)科學（Systemscience）它是以系統(tǒng)為研究和應用對象的一個科學技術的門類。它是現(xiàn)代科學技術體系中的一大門類。中國著名科學家錢學森于20世紀70年代末提出了系統(tǒng)科學體系的三個層次結構，如圖5所示。①工程技術層次是直接優(yōu)化客觀世界的知識。②技術科學層次是指導工程技術的理論。③基礎科學層次是研究系統(tǒng)的基本屬性與一般規(guī)律的學科。系統(tǒng)科學通向哲學的橋梁是系統(tǒng)論。11/25/2022工業(yè)工程5.2系統(tǒng)科學的體系系統(tǒng)科學（Systemscienc44圖5系統(tǒng)科學的體系

圖5系統(tǒng)科學的體系系統(tǒng)學運籌學控制論系統(tǒng)工程自動化技術信息論通信技術←技術科學←工程技術←基礎科學系統(tǒng)科學11/25/2022工業(yè)工程圖5系統(tǒng)科學的體系圖5系統(tǒng)科學的體系系統(tǒng)學運籌學455.3系統(tǒng)工程的內涵現(xiàn)代IE與系統(tǒng)工程功能十分相似，國外有的大學把IE系改名為I&SE(工業(yè)與系統(tǒng)工程)，但兩者也是有區(qū)別的。系統(tǒng)工程（Systemengineering）中的系統(tǒng)與工程均有其特殊的含義。

系統(tǒng)是只包括屬于人工系統(tǒng)及復合系統(tǒng)這類性質的系統(tǒng)，不包括自然系統(tǒng)。

工程是指造物的學問，是“工程學”的簡稱。不是指造物的工作過程。1971年日本寺野壽郎認為

系統(tǒng)工程學就是使從無到有的創(chuàng)造過程合理化的科學。1975年美國科學技術辭典的定義是：

系統(tǒng)工程是研究彼此密切聯(lián)系的許多要素所構成的復雜系統(tǒng)的設計的科學。1994年我國《系統(tǒng)科學大辭典》的定義是：系統(tǒng)工程是—門統(tǒng)籌全局綜合協(xié)調研究系統(tǒng)的科學技術，是系統(tǒng)開發(fā)、設計、實施和運用的工程技術。11/25/2022工業(yè)工程5.3系統(tǒng)工程的內涵現(xiàn)代IE與系統(tǒng)工程功能十分相似，國外465.3系統(tǒng)工程的內涵錢學森指出：“系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設計、制造和使用的科學方法，是一種對所有系統(tǒng)都具有普遍意義的科學方法。”

系統(tǒng)工程根據(jù)總體協(xié)調的需要，綜合應用自然科學和社會科學中有關的思想、理論和方法，利用電子計算機作為工具，對系統(tǒng)的結構、要素、信息和反饋等進行分析、綜合、模擬、最優(yōu)化，以達到最優(yōu)規(guī)劃、最優(yōu)設計、最優(yōu)管理和最優(yōu)控制的目的。

系統(tǒng)工程的原理和方法，適用于一切系統(tǒng)(包括物質的和非物質的)，如自然系統(tǒng)、社會經濟系統(tǒng)、經營管理系統(tǒng)……，而不限于某種特定的工程物質對象。

系統(tǒng)工程作為最通用的工程技術，為現(xiàn)代工業(yè)工程及管理工程、制造工程等提供了重要的方法論和基本方法。11/25/2022工業(yè)工程5.3系統(tǒng)工程的內涵錢學森指出：“系統(tǒng)工程是組475.3系統(tǒng)工程的內涵系統(tǒng)工程的研究對象主要是復雜的人工系統(tǒng)。系統(tǒng)工程作為一種科學方法，最初是在20世紀40年代由美國貝爾電話公司在設計電話通訊網絡時提出的。系統(tǒng)工程作為一種工程技術，主要包括兩大技術:

系統(tǒng)分析是對已有的系統(tǒng)用系統(tǒng)方法進行定量分析以幫助進行有效決策。

系統(tǒng)設計是設計出能滿足預定目標要求的新的系統(tǒng)。11/25/2022工業(yè)工程5.3系統(tǒng)工程的內涵系統(tǒng)工程的研究對象主要是復雜的人48例“阿波羅”載人登月系統(tǒng)工程的典型運用是美國阿波羅工程（Apolloproject）。工程開始于1961年5月，至1972年12月第6次成功登月結束，歷時11年，耗資255億美元，僅科研課題就有5萬多項。在項目高峰期，參加研制的有2萬多家企業(yè)、200多所大學和80多個科研機構，總人數(shù)超過30萬人，使用大型計算機600臺。共發(fā)射了17枚飛船。阿波羅飛船全部構件達300多萬個。如此龐大而復雜的系統(tǒng)，如果有一個環(huán)節(jié)發(fā)生故障或延時完成，都會使登月飛船無法按期發(fā)射。正是由于采用了系統(tǒng)工程的方法，才順利完成了計劃。它是復雜系統(tǒng)工程的光輝典范。11/25/2022工業(yè)工程例“阿波羅”載人登月系統(tǒng)工程的典型運用是美國阿波羅工程49圖6人類首次登上月球

阿波羅在進行了6次不載人試驗和4次載人試驗之后，1969年7月20日，“阿波羅11號”宇宙飛船把兩名美國宇航員阿姆斯特朗和奧爾德林送上了遙遠的月球，使“嫦娥奔月”的神話成為現(xiàn)實。人類第一次在另外的星球上留下了足跡。兩名宇航員在月球上漫游了2小時31分鐘，拍攝了月球景色、裝置了科學儀器、采集了月球的巖石和土壤標本，安全返回地面。圖6人類首次登上月球阿波羅11號飛船的航天員(1969.7.21)11/25/2022工業(yè)工程圖6人類首次登上月球阿波羅在進行了6次不載人試驗和4次505.4系統(tǒng)工程的方法5.4.1霍爾三維結構5.4.2工業(yè)工程方法論的體系5.4.3系統(tǒng)方法的特點5.4.4系統(tǒng)方法的類型系統(tǒng)分解系統(tǒng)分析系統(tǒng)綜合系統(tǒng)評價系統(tǒng)設計11/25/2022工業(yè)工程5.4系統(tǒng)工程的方法5.4.1霍爾三維結構11/22515.4.1霍爾三維結構

圖7美國通信工程師、系統(tǒng)工程專家霍爾（A.D.Hall）1969年提出了“霍爾三維結構”。已成為廣泛采用的方法論。時間維。系統(tǒng)工程活動從開始到結束按時間順序排列的全過程，7個階段。邏輯維。時間維的每一個階段內所要進行的工作內容和應該遵循的思維程序，7個步驟。知識維。為完成這些階段和步驟所需要的各種專業(yè)知識和技能。圖7霍爾三維結構圖時間知識邏輯明確問題確定目標系統(tǒng)綜合系統(tǒng)分析優(yōu)化實施規(guī)劃擬定方案更新研制生產安裝階段藝術社會科學管理法律商業(yè)建筑醫(yī)學工程…決策運行步驟知識和技能11/25/2022工業(yè)工程5.4.1霍爾三維結構圖7美國通信工程師、系統(tǒng)525.4.2工業(yè)工程方法論的體系

IE專門技術與系統(tǒng)工程方法相結合現(xiàn)代IE的標志之一。在IE的研究與應用中，要充分認識其方法論的意義和系統(tǒng)工程在整個IE方法與技術體系中的支配地位。參照系統(tǒng)工程中的霍爾三維結構，可將IE方法論的形式體系歸結為圖8。圖8工業(yè)工程方法論體系系統(tǒng)工程計算機技術工業(yè)工程專門技術管理科學社會及人文科學應用數(shù)學工程技術系統(tǒng)診斷與分析系統(tǒng)規(guī)劃與設計系統(tǒng)實施與運行系統(tǒng)評價和改善工作階段知識方法

問題說明邏輯步驟┇目標探索方案綜合分析權衡評價抉擇11/25/2022工業(yè)工程5.4.2工業(yè)工程方法論的體系IE專門技術與系統(tǒng)工程方法535.4.3系統(tǒng)方法的特點系統(tǒng)方法(systemmethod)，就是按照事物本身的系統(tǒng)性，把研究對象放在系統(tǒng)的形式中加以考察、認識和處理的一種方法。即從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，著眼于系統(tǒng)與要素、要素與要素、系統(tǒng)與環(huán)境之間的相互聯(lián)系和相互作用的關系中，綜合地、精確地考察系統(tǒng)，以掌握系統(tǒng)的本質與運動規(guī)律和達到滿意地處理問題的一種方法。11/25/2022工業(yè)工程5.4.3系統(tǒng)方法的特點系統(tǒng)方法(systemmetho545.4.3系統(tǒng)方法的特點與傳統(tǒng)方法相比，系統(tǒng)方法有如下的特點：(1)整體性。系統(tǒng)方法特別強調對事物整體性的研究。(2)綜合與分析的辯證統(tǒng)一。系統(tǒng)方法采用綜合→分析→綜合的模式，把綜合與分析通過反饋耦合成雙向性思維。(3)優(yōu)化。確定系統(tǒng)優(yōu)化目標，使系統(tǒng)結構合理、內外協(xié)調，達到整體優(yōu)化的目的。(4)定性研究與定量研究的有機結合。系統(tǒng)方法不僅可以定性地揭示系統(tǒng)的屬性和機制，而且可以借助現(xiàn)代數(shù)學和計算機定量地描述系統(tǒng)的運動狀態(tài)和規(guī)律。11/25/2022工業(yè)工程5.4.3系統(tǒng)方法的特點與傳統(tǒng)方法相比，系統(tǒng)方法有如下的特555.4.4系統(tǒng)方法的類型根據(jù)系統(tǒng)工程的原理，就系統(tǒng)設計的過程而言，系統(tǒng)方法包括：系統(tǒng)分解系統(tǒng)分析系統(tǒng)綜合系統(tǒng)評價如圖9所示下面介紹這4種方法

★圖9系統(tǒng)設計的過程系統(tǒng)綜合Y設計結果系統(tǒng)分析系統(tǒng)的要求系統(tǒng)評價滿意?N系統(tǒng)分解11/25/2022工業(yè)工程5.4.4系統(tǒng)方法的類型根據(jù)系統(tǒng)工程的原理，★圖9系統(tǒng)565.4.4.1系統(tǒng)分解（1）系統(tǒng)分解(Systemsdecompose)的定義系統(tǒng)分解是把系統(tǒng)整體分成多個部分的過程。即，把復雜的系統(tǒng)分解為若干個相互聯(lián)系的、相對比較簡單的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)還可再分解為更小的子系統(tǒng)，依次逐級分解，直至能進行適宜的分析和設計為止。這是系統(tǒng)設計的首要方法。

11/25/2022工業(yè)工程5.4.4.1系統(tǒng)分解（1）系統(tǒng)分解(Systems575.4.4.3系統(tǒng)分析

系統(tǒng)分析(Systemsanalysis)(1)系統(tǒng)分析的定義。系統(tǒng)分析是從系統(tǒng)的整體效益出發(fā)，采用建模、優(yōu)化、仿真和評價等方法，對系統(tǒng)的特定問題進行定性和定量分析，為選擇最優(yōu)或滿意的系統(tǒng)方案提供決策根據(jù)的一種決策方法。系統(tǒng)分析的目的是幫助決策。它不同于一般的技術經濟分析，它不僅要分析系統(tǒng)本身技術經濟方面的有關問題，還要分析內、外系統(tǒng)之間及系統(tǒng)內部各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系因素。由于系統(tǒng)中存在著許多矛盾和不確定的因素，所以沒有一個通用的系統(tǒng)分析方法。分析對象和目的的不同，所用分析方法也不同。廣義上把系統(tǒng)分析等同于系統(tǒng)工程。？√√n螺旋傳動s11/25/2022工業(yè)工程5.4.4.3系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析(Systemsan585.4.4.3系統(tǒng)分析

（2）系統(tǒng)分析的一般步驟：①明確系統(tǒng)的目的、要求和目標。②收集資料，擬定方案。③建立系統(tǒng)模型。④進行優(yōu)化計算或仿真實驗。把計算、實驗、分析的結果同預定的目標進行比較和評價。⑤給出推薦方案。把少數(shù)較好的可行方案整理成完整的綜合資料，作為決策者選擇最優(yōu)或滿意的系統(tǒng)方案的主要依據(jù)。（3）系統(tǒng)分析的基本要素：問題，目的或目標，方案，模型，評價和決策者。（4）系統(tǒng)分析的特點：問題導向，以整體為目標，多方案模型分析和選優(yōu)，定量分析與定性分析相結合，需多次反復進行。

11/25/2022工業(yè)工程5.4.4.3系統(tǒng)分析（2）系統(tǒng)分析的一般步驟：11/595.4.4.3系統(tǒng)綜合系統(tǒng)綜合(Systemssyntheses)系統(tǒng)綜合是不斷將分解的各個要素和它們的相互關系加以綜合，形成一個相應的小系統(tǒng)，再將各個小系統(tǒng)逐階綜合成為—個大系統(tǒng)的過程。系統(tǒng)綜合不是將已經分解了的要素按原來的聯(lián)系機械地重新拼接起來，使之復原成原來的整體系統(tǒng)，而是根據(jù)系統(tǒng)分解得到的各要素之間、要素與系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與環(huán)境之間的聯(lián)系特性，在總目標的支配下，尋求各要素之間新的優(yōu)化結構，重新把各種要素組織起來，創(chuàng)演出更適應于目的要求的新的系統(tǒng)整體。所以說系統(tǒng)綜合是一個復雜的創(chuàng)新過程。系統(tǒng)綜合常是系統(tǒng)分析的逆過程，兩者互為因果，對立統(tǒng)一。？√√nX傳動s11/25/2022工業(yè)工程5.4.4.3系統(tǒng)綜合系統(tǒng)綜合(Systemssyn605.4.4.4系統(tǒng)評價系統(tǒng)評價(Systemsevaluat