第二章系統(tǒng)工程基礎(chǔ)概述

第一節(jié)系統(tǒng)工程及其發(fā)展歷程

第二節(jié)系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)理論

第三節(jié)系統(tǒng)工程研究方法

第四節(jié)物流系統(tǒng)工程的基本方法及技術(shù)第二章系統(tǒng)工程基礎(chǔ)概述用系統(tǒng)思想和定量與定性分析相結(jié)合的系統(tǒng)方法處理大型復(fù)雜系統(tǒng)的問題，無論是系統(tǒng)的設(shè)計或組織建立，還是系統(tǒng)的經(jīng)營管理，都可以統(tǒng)一地看成是一類工程實踐，統(tǒng)稱為系統(tǒng)工程。第一節(jié)系統(tǒng)工程及其發(fā)展歷程一、系統(tǒng)工程的概念（一）典型定義中國著名科學(xué)家錢學(xué)森教授給出的定義：“系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計、制造、試驗和使用的科學(xué)方法，是一種對所有系統(tǒng)都具有普遍意義的科學(xué)方法?！薄跋到y(tǒng)工程是一門組織管理的技術(shù)。”

（一）典型定義美國著名學(xué)者H．切斯納(H．Chestnut)的定義：“系統(tǒng)工程認(rèn)為雖然每個系統(tǒng)都是由許多不同的特殊功能部分所組成，而這些功能部分之間又存在著相互關(guān)系，但是每一個系統(tǒng)都是完整的整體，每一個系統(tǒng)都要求有一個或若干個目標(biāo)。系統(tǒng)工程就是按照各個目標(biāo)進(jìn)行權(quán)衡，全面求得最優(yōu)解(或滿意解)的方法，并使各組成部分能夠最大限度地互相適應(yīng)?！保ㄒ唬┑湫投x日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS的定義：“系統(tǒng)工程是為了更好地達(dá)到系統(tǒng)目標(biāo)，而對系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息流動和控制機(jī)制等進(jìn)行分析與設(shè)計的技術(shù)。”（一）典型定義日本學(xué)者三浦武雄認(rèn)為：“系統(tǒng)工程與其它工程學(xué)的不同之處在于，它是跨越許多學(xué)科并填補這些學(xué)科邊界空白的邊緣學(xué)科?！保ㄒ唬┑湫投x系統(tǒng)分析是研究相互影響的因素的組成和運用情況。綜上所述，系統(tǒng)工程是以研究大型復(fù)雜的人造系統(tǒng)和復(fù)合系統(tǒng)為對象的一門交叉科學(xué)，它既是一個技術(shù)過程又是一個管理過程。（二）系統(tǒng)工程與其他工程的區(qū)別工程的類型多種多樣，有以硬件為主的工程，例如機(jī)械工程、電子工程、水利工程等，也有以流程重組、以軟件為主的工程，例如軟件工程、物流工程等。但是系統(tǒng)工程與機(jī)械工程、電子工程、水利工程等工程有很大差異。上述各門工程學(xué)都有其特定的工程物質(zhì)對象，而系統(tǒng)工程則不然，任何一種物質(zhì)系統(tǒng)都能成為它的研究對象，而且還不只限于物質(zhì)系統(tǒng)，還可以包括自然系統(tǒng)、社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、經(jīng)營管理系統(tǒng)、軍事指揮系統(tǒng)等等。系統(tǒng)工程處理的對象主要是信息。

二、系統(tǒng)工程發(fā)展歷程及趨勢（一）發(fā)展簡史首先是數(shù)理科學(xué)向經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域滲透。其次在第二次世界大戰(zhàn)前夕，經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)等領(lǐng)域的系統(tǒng)問題已促使人們努力揭示系統(tǒng)的一般運行規(guī)律和創(chuàng)造組織管理系統(tǒng)的技術(shù)。

在第二次世界大戰(zhàn)期間，系統(tǒng)分析的方法和技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。二次世界大戰(zhàn)期間還培養(yǎng)了一批系統(tǒng)工程人才，促進(jìn)了系統(tǒng)工程學(xué)科的形成與發(fā)展。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，各種社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和工程管理系統(tǒng)的規(guī)模日益擴(kuò)大和復(fù)雜化，導(dǎo)致一些新的問題的出現(xiàn)，人們又一次尋求通過科學(xué)的系統(tǒng)方法作為解決復(fù)雜經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)問題的技術(shù)。

解決系統(tǒng)問題的思路（1）確定一個或多個目標(biāo)；（2）確定實現(xiàn)目標(biāo)所需的資源與條件；（3）確定可實現(xiàn)目標(biāo)的（可行）方案；（4）對各方案能實現(xiàn)的目標(biāo)與所需的資源、條件等進(jìn)行綜合分析與評估；（5）根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)，判別各方案優(yōu)劣的次序；（6）選擇最終實施的方案。霍爾三維結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)工程方法圖2-1霍爾三維結(jié)構(gòu)（二）發(fā)展趨勢1．系統(tǒng)工程作為一門交叉學(xué)科，日益向多種學(xué)科滲透和交叉發(fā)展。2．系統(tǒng)工程作為一門軟科學(xué)，日益受到人們的重視。3．系統(tǒng)工程的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，推動了系統(tǒng)工程理論和方法不斷深化發(fā)展。第二節(jié)系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)理論一、一般系統(tǒng)論一般系統(tǒng)論(generalsystemstheory)是通過對各種不同系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)理論研究而形成的關(guān)于適用于一切種類系統(tǒng)的學(xué)說。其主要創(chuàng)始人是生物學(xué)家L.V．貝塔朗菲。

一、一般系統(tǒng)論1969年，比利時著名學(xué)者I.普利高津提出了“耗散結(jié)構(gòu)（DissipativeStructure）理論”，認(rèn)為一個開放的系統(tǒng)在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的情況下，通過不斷地與外界交換能量、物質(zhì)和信息，當(dāng)發(fā)生某些特殊事物耦合，達(dá)到一定的閾值時，就會突然出現(xiàn)以新的方式組織起來，產(chǎn)生新的質(zhì)變，從原來混沌無序的混亂狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)樵跁r空上或功能上的穩(wěn)定的有序狀態(tài)。一、一般系統(tǒng)論1973年，聯(lián)邦德國的赫爾曼·哈肯提出了協(xié)同學(xué)理論（synergetics），認(rèn)為不同系統(tǒng)之間存在著各要素的協(xié)同行為，這種協(xié)同作用超越各要素自身的單獨作用，從而形成整個系統(tǒng)的統(tǒng)一作用和聯(lián)合作用。協(xié)同作用是形成系統(tǒng)有序結(jié)構(gòu)的內(nèi)部作用力，通過這種作用，系統(tǒng)能夠自動產(chǎn)生時間上、空間上或功能上的有序結(jié)構(gòu)。二、大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)一般是規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)節(jié)多或?qū)哟屋^多、目標(biāo)多樣、影響因素眾多、關(guān)系錯綜復(fù)雜、并常帶有隨機(jī)性質(zhì)的系統(tǒng)。大系統(tǒng)理論

(LargeScaleSystemsTheory)

就是研究大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、穩(wěn)定性、大系統(tǒng)優(yōu)化、以及大系統(tǒng)的模型簡化等問題的理論或方法，主要包括四個方面的理論和方法：（1）大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案；（2）大系統(tǒng)的穩(wěn)定性；（3）大系統(tǒng)的優(yōu)化；（4）大系統(tǒng)的模型簡化。三、經(jīng)濟(jì)控制論經(jīng)濟(jì)控制論是應(yīng)用現(xiàn)代控制論的科學(xué)方法分析經(jīng)濟(jì)過程的學(xué)科。1966年美國哈佛大學(xué)經(jīng)濟(jì)系的L泰勒(L.Taylor)和D．肯德里克(D．Kendrick)教授應(yīng)用控制理論中的共軛梯度法制訂了當(dāng)時的韓國經(jīng)濟(jì)最優(yōu)計劃模型。由于經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)是相互依存的一個整體，投入-產(chǎn)出模型是一種簡單而有用的經(jīng)濟(jì)分析工具，是包含許多經(jīng)濟(jì)部門、高度解集、確定供給的綜合模型。四、運籌學(xué)運籌學(xué)主要是運用模型化的方法，將一個已確定研究范圍的現(xiàn)實問題，按提出的預(yù)期目標(biāo)，將現(xiàn)實問題中的主要因素及各種限制條件之間的因果關(guān)系、邏輯關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，通過模型求解來尋求最優(yōu)方案。運籌學(xué)的分支主要有：線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、排隊論、對策論、庫存論等。第三節(jié)系統(tǒng)工程研究方法一、系統(tǒng)功能分析（一）功能分類1、基本功能基本功能是指能實現(xiàn)人們預(yù)期目的的功能。

我們可從兩個層次來理解基本功能：一是從能力的角度來理解，主要是系統(tǒng)“能干什么”之類的問題，如果用系統(tǒng)論的語言來描述，就是系統(tǒng)的輸出特征。二是從功效的層面來理解，也就是考慮系統(tǒng)輸入、輸出的綜合特征，衡量系統(tǒng)具有的效益或性能。關(guān)于系統(tǒng)功效，可應(yīng)用系統(tǒng)評價常用的指標(biāo)來衡量，例如：系統(tǒng)的效益、系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性、系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性等。2、剩余功能剩余功能是相對于系統(tǒng)的基本功能而言的。系統(tǒng)功能中，除去基本功能的其他功能都可以稱為剩余功能。因為一個系統(tǒng)總有一些功能是尚未被人認(rèn)識到的，所以可以認(rèn)為剩余功能總是存在的。我們有時會用副產(chǎn)品或副作用來描述系統(tǒng)的剩余功能。（二）功能的層次性系統(tǒng)總功能可理解成各項子功能的集成，也就是說，系統(tǒng)總功能可分解成不同層次的子功能。（三）功能分析的思路1、系統(tǒng)功能的制約因素（1）外界輸入與環(huán)境因素的制約（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的制約2、功能分析的步驟（1）對系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確描述；（2）進(jìn)行輸入輸出關(guān)系的整體評價和分析；（3）對某一特定功能進(jìn)行流程分析及流程再設(shè)計。圖2-2客戶詢問流程圖二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析首先就需要確定系統(tǒng)中的要素集，然后再對要素之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析，以此達(dá)到認(rèn)識系統(tǒng)的目的。（一）系統(tǒng)要素的描述系統(tǒng)中的要素具有一定的功能，能將來自其他要素的輸入轉(zhuǎn)換成輸出。

圖2-3用“黑箱”描述的要素（二）要素之間的關(guān)聯(lián)及描述要素之間的關(guān)聯(lián)是指要素之間的相互聯(lián)系或作用，按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可劃分出不同的關(guān)聯(lián)類型。例如，按照要素之間關(guān)系明確與否可劃分為下面三種：(1)確定性關(guān)聯(lián)，即要素之間的關(guān)聯(lián)是受確定的規(guī)律支配的。(2)不確定性關(guān)聯(lián)，即要素之間是隨機(jī)的關(guān)聯(lián)，如統(tǒng)計學(xué)中所揭示的關(guān)聯(lián)大多屬于這一類。(3)確定性與隨機(jī)性關(guān)聯(lián)的混合。（二）要素之間的關(guān)聯(lián)及描述對要素之間關(guān)聯(lián)的描述，本質(zhì)上就是建立模型。而每一種描述關(guān)聯(lián)的方法，都多少存在著局限性。一般，我們按照因果關(guān)系、過程順序或職能結(jié)構(gòu)的方式對關(guān)聯(lián)進(jìn)行簡單描述。因果描述就是根據(jù)人們對因果的思考結(jié)果畫出要素之間的關(guān)聯(lián)。過程描述是從時間的整體性上描述各要素之間的關(guān)聯(lián)，人類行為過程具有明顯的時間順序特征，因此，過程描述法被經(jīng)常使用，如圖2-4是用過程描述的新產(chǎn)品規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)的例子。職能描述方式在組織系統(tǒng)中經(jīng)常采用，實際上是一種以功能為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)描述方法，如圖2-5所示就是一個例子。圖2-4按過程描述的新產(chǎn)品規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)圖2-5按職能劃分組織（制造型企業(yè)）

（三）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)矩陣

(a)(b)

(c)圖2-6系統(tǒng)要素聯(lián)結(jié)的類型系統(tǒng)諸要素之間的關(guān)聯(lián)方式可分為串聯(lián)、并聯(lián)和反饋聯(lián)結(jié)。

圖2-7系統(tǒng)要素的關(guān)聯(lián)類型（三）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)矩陣將系統(tǒng)中所有要素之間的聯(lián)結(jié)系數(shù)組成一個矩陣，該矩陣可以反映出系統(tǒng)構(gòu)成要素及其相互關(guān)聯(lián)的情況，即反映系統(tǒng)結(jié)構(gòu)狀況，該矩陣就稱為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)矩陣。三、系統(tǒng)環(huán)境分析（一）系統(tǒng)與環(huán)境的關(guān)系環(huán)境因素相對于系統(tǒng)是不可控的。1環(huán)境因素對系統(tǒng)的影響是通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)起作用并在輸入輸出中得以表現(xiàn)的。系統(tǒng)的存在不能離開環(huán)境的支撐，一方面是環(huán)境對系統(tǒng)功能的支撐；另一方面，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其變化也離不開環(huán)境因素的支持。2以功能為目的而建造的系統(tǒng)，往往在特定的環(huán)境中才顯現(xiàn)出這種功能。3環(huán)境變化可能會使一個現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)解體或變成另一結(jié)構(gòu)。4環(huán)境因素對系統(tǒng)的影響表現(xiàn)在兩個層次：第一是不影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、但影響系統(tǒng)行為（輸入輸出過程）的環(huán)境因素，稱之為行為層的環(huán)境因素。第二是影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的環(huán)境因素，稱之為結(jié)構(gòu)層的環(huán)境因素。環(huán)境因素的主要信息源是公眾信息，在浩瀚的信息集中，提煉出與系統(tǒng)相關(guān)的信息，既需要技術(shù)方法，更需要依賴經(jīng)驗?？赏ㄟ^因果關(guān)系的分析，選擇出對系統(tǒng)行為更為敏感的因素作為監(jiān)測與分析的對象。（二）情景規(guī)劃法情景規(guī)劃方法是隨著社會經(jīng)濟(jì)運行環(huán)境的頻繁變化而開發(fā)出來的有效方法。1．處理環(huán)境變化的方法基于對未來的預(yù)測，利用可信的預(yù)測結(jié)果，對未來情況進(jìn)行規(guī)劃與布局。用于預(yù)測估計的數(shù)理統(tǒng)計、時間序列分析等方法，本質(zhì)上是對給定結(jié)構(gòu)的外推；而對外界不可測因素的干擾，經(jīng)常用以預(yù)測結(jié)果為基礎(chǔ)的隨機(jī)波動來反映。風(fēng)險分析也是考慮不確定性因素的控制方法。2．情景規(guī)劃情景規(guī)劃是針對不確定性的新結(jié)構(gòu)問題時經(jīng)常采用的重要規(guī)劃方法。情景規(guī)劃方法首先關(guān)注現(xiàn)實的趨勢是否存在新的結(jié)構(gòu)不確定性。其本質(zhì)是針對所關(guān)注的焦點問題分析現(xiàn)實的變化趨勢。其次，要抓住主要的不確定因素，并勾畫出未來的幾種情景。然后，設(shè)計出適合各種未來情景的有效方案。最后，隨著時間的推移，事物變化的趨勢不斷明確，通過不斷地調(diào)整方案，摒棄某些不可能出現(xiàn)的情景方案。3.情景規(guī)劃的啟發(fā)傳統(tǒng)的戰(zhàn)略決策更多的是一種靜態(tài)的方式，較少關(guān)注環(huán)境趨勢變化中的戰(zhàn)略持續(xù)調(diào)整。情景規(guī)劃把戰(zhàn)略的動態(tài)調(diào)整作為一個有機(jī)部分，這種思路再次突破了優(yōu)化對人們的約束。傳統(tǒng)的預(yù)測更多的集中在數(shù)據(jù)上，而情景規(guī)劃對未來趨勢的把握，更多得以事件為基礎(chǔ)，一系列表面上顯得無聯(lián)系的事件之背后，可能正是某種推動因素的作用后果。第四節(jié)物流系統(tǒng)工程的基本方法及技術(shù)一、物流系統(tǒng)工程的理論和方法基礎(chǔ)（一）運籌學(xué)為尋求物流系統(tǒng)的最優(yōu)方案，必須要采用運籌學(xué)中的相關(guān)理論和方法，例如：規(guī)劃論(線性/非線性/動態(tài)/整數(shù)規(guī)劃等)——解決物流系統(tǒng)中的物資運輸、設(shè)施規(guī)劃、計劃優(yōu)化等問題；庫存論——解決物流系統(tǒng)中的最優(yōu)訂貨量、訂貨間隔等問題；排隊論——解決物流系統(tǒng)中的流程概率性問題，按隨機(jī)過程的到達(dá)率處理各種現(xiàn)象；決策論——解決物流系統(tǒng)中多目標(biāo)、多方案決策問題。一、物流系統(tǒng)工程的理論和方法基礎(chǔ)（二）經(jīng)濟(jì)控制論用于解決物流系統(tǒng)中的資源（包括設(shè)施、設(shè)備）的最優(yōu)利用與控制、預(yù)測技術(shù)以及物流系統(tǒng)合理化等問題。（三）大系統(tǒng)理論及協(xié)同論、耗散結(jié)構(gòu)理論采用大系統(tǒng)基礎(chǔ)理論，解決物流系統(tǒng)中的整體與部分、整體與環(huán)境之間的相互關(guān)系，使物流系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)都處于最優(yōu)狀態(tài)。（四）系統(tǒng)動力學(xué)理論建立動態(tài)仿真模型，通過計算機(jī)模擬實驗獲得系統(tǒng)行為的描述，達(dá)到改進(jìn)和完善系統(tǒng)的目的。二、常用的研究技術(shù)和手段（一）模型化技術(shù)數(shù)學(xué)模型一般具有下列方程形式：

v=f(xi,yi)式中:v——目標(biāo)函數(shù)；

xi,——可控變量：

yi——不可控變量；f(xi,yi)——表示v與xi,和yi的函數(shù)關(guān)系。目前，在物流系統(tǒng)領(lǐng)域的實踐和研究分析中經(jīng)常使用的模型主要有：庫存模型、運輸模型、投入產(chǎn)出模型、選址模型等。二、常用的研究技術(shù)和手段（二）最優(yōu)化技術(shù)所謂最優(yōu)化，就是在一定的約束條件下，找出使目標(biāo)函數(shù)為最大或最小的解。物流系統(tǒng)的最優(yōu)化一般采用數(shù)學(xué)模型方法，如庫存優(yōu)化策略、最短路徑問題、最大流量問題、最小費用問題等。（三）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是現(xiàn)代管理方法的重要組成部分，包括以時間控制為主的計劃評審法(PERT)和以成本