第二章系統(tǒng)與系統(tǒng)工程

一窩螞蟻或蜜蜂是一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)；一片原始森林也是一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)；一臺(tái)計(jì)算機(jī)是一個(gè)系統(tǒng)，硬件、軟件和其他外圍設(shè)備，以及機(jī)器的連接方式共同決定著計(jì)算機(jī)的質(zhì)量，而成千上萬臺(tái)計(jì)算機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)也是一個(gè)系統(tǒng)；有人參與的，一個(gè)家庭、一所醫(yī)院、一個(gè)社區(qū)是一個(gè)系統(tǒng)；沒有人參與的，一輛汽車、一架飛機(jī)也是一個(gè)系統(tǒng)；由汽車、司機(jī)、乘客、修理工、交通警察，以及道路、信號、交通規(guī)則等組成的交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)。第二章系統(tǒng)與系統(tǒng)工程一、系統(tǒng)（1）系統(tǒng)的概念

1）、系統(tǒng)的定義

系統(tǒng)是有特定功能的、相互間具有聯(lián)系的許多要素所構(gòu)成的一個(gè)整體。（汪應(yīng)洛教授、王眾托教授）所謂系統(tǒng)就是由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合而成的具有特定功能的有機(jī)整體。（本書）

圖2.1系統(tǒng)的基本概念圖

2）、系統(tǒng)概念主要包含三層意思：系統(tǒng)包含兩個(gè)或兩個(gè)以上的元素，這些元素可以稱為要素（主要元素）、部分或者子系統(tǒng)（即自身也構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)）。系統(tǒng)的元素之間存在著各種簡單或者復(fù)雜的關(guān)系或聯(lián)系。系統(tǒng)是其所有元素與全部關(guān)系綜合而成的有機(jī)整體，或稱為有機(jī)統(tǒng)一體。管理系統(tǒng)問題舉例國家政策市場研究技術(shù)經(jīng)濟(jì)預(yù)測競爭狀況企業(yè)能力資金來源資源條件社會(huì)需求生產(chǎn)可能生產(chǎn)組織與控制物、財(cái)、人、信息生產(chǎn)控制庫存控制質(zhì)量控制成本控制資金回收產(chǎn)品銷售服務(wù)調(diào)查經(jīng)營目標(biāo)產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)營計(jì)劃生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備技術(shù)文件勞動(dòng)力勞動(dòng)手段勞動(dòng)對象環(huán)境分析經(jīng)營決策與計(jì)劃投入轉(zhuǎn)換產(chǎn)出圖1—1工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)過程示意圖（2）要素與系統(tǒng)的關(guān)系

1）、系統(tǒng)與要素之間關(guān)系非常密切?？偟膩碇v系統(tǒng)的功能和目標(biāo)是通過每個(gè)要素的作用的正常發(fā)揮而得以有效實(shí)現(xiàn)的。因此，要素必須根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)的整體要求，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)和規(guī)定的準(zhǔn)則發(fā)揮作用。具體來講：系統(tǒng)，尤其是人造系統(tǒng)的每一個(gè)要素圍繞系統(tǒng)的目標(biāo)都具有特定的功能，完成系統(tǒng)指定的功能是每個(gè)要素的首要任務(wù)。例（P19）。在任何系統(tǒng)中，每個(gè)要素完成其系統(tǒng)指定功能的能力都將影響整個(gè)系統(tǒng)的性質(zhì)和行為。系統(tǒng)中任何要素對系統(tǒng)的影響都依賴于其他要素的性質(zhì)和行為。2）、要素和系統(tǒng)辨證關(guān)系要素與系統(tǒng)是對立統(tǒng)一的，它們既相互聯(lián)系又相互區(qū)別，如球員和球隊(duì)，學(xué)生和學(xué)校。系統(tǒng)和要素存在著功能的轉(zhuǎn)化，要素的功能可以通過系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與法則作用轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)的要素也可能由某些要素分擔(dān)。系統(tǒng)和要素是相對的，一個(gè)系統(tǒng)可以是組成更高層次系統(tǒng)的要素，同樣道理，一個(gè)要素也可以是比它層次更低的要素所組成的系統(tǒng)。（3）系統(tǒng)的基本性質(zhì)整體性涌現(xiàn)性相關(guān)性層次性目的性成長性環(huán)境適應(yīng)性（4）系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表示補(bǔ)充內(nèi)容1、子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)與組織當(dāng)把系統(tǒng)的一個(gè)部分作為考察對象時(shí)，這個(gè)部分就稱為原系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。系統(tǒng)的每個(gè)最小組成要素和各種子系統(tǒng)都稱為系統(tǒng)的一個(gè)組分。系統(tǒng)在功能上不能再分的最小組分叫做基本組分，也是一個(gè)子系統(tǒng)。一個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就是所有組分間關(guān)聯(lián)方式的總和。對于一個(gè)系統(tǒng)，如果它的某種描述結(jié)構(gòu)能保持所需的一段時(shí)間并具有某種簡單性，就稱該系統(tǒng)的此種結(jié)構(gòu)是有序的，此時(shí)的系統(tǒng)也稱為有組織的?？蚣芙Y(jié)構(gòu)：能夠基本確認(rèn)系統(tǒng)的主要關(guān)聯(lián)方式；運(yùn)行結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)運(yùn)行過程中各組分之間相互動(dòng)態(tài)影響的關(guān)聯(lián)方式空間結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)組分在空間的排列配置方式；時(shí)間結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)組分關(guān)聯(lián)方式隨時(shí)間的變化特征。2、層次3、環(huán)境與邊界系統(tǒng)要素、結(jié)構(gòu)、環(huán)境因素和系統(tǒng)功能的關(guān)系

系統(tǒng)的功能

系統(tǒng)的要素

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

環(huán)境因素F＝Φ（C，S，E）C:組成要素；S:結(jié)構(gòu)；F:功能；E:環(huán)境.系統(tǒng)活動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

原材料

生產(chǎn)車間

辦公室

成品庫

商品銷售系統(tǒng)

社會(huì)供應(yīng)系統(tǒng)

物質(zhì)流

信息流

指令流

工廠生產(chǎn)系統(tǒng)

成品輸出

原材料等輸入

外界社會(huì)系統(tǒng)環(huán)境

圖2.2系統(tǒng)活動(dòng)結(jié)構(gòu)圖作業(yè)：根據(jù)所掌握專業(yè)知識設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，分出構(gòu)成要素

（5）系統(tǒng)的類型

自然系統(tǒng)、人造系統(tǒng)與復(fù)合系統(tǒng)實(shí)體系統(tǒng)與概念系統(tǒng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)與靜態(tài)系統(tǒng)封閉系統(tǒng)與開放系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)主要明確SE研究什么樣的系統(tǒng)問題自然系統(tǒng)、人造系統(tǒng)與復(fù)合系統(tǒng)自然系統(tǒng)是自然形成的、單純由自然物組成的系統(tǒng)，例如，太陽系、地質(zhì)構(gòu)造、原始森林。人造系統(tǒng)是人類根據(jù)自己的需要設(shè)計(jì)、建造的系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的功能和目的特別明確。復(fù)合系統(tǒng)是指由人介入自然系統(tǒng)并且發(fā)揮主導(dǎo)作用而形成的各種系統(tǒng)。

實(shí)體系統(tǒng)與概念系統(tǒng)實(shí)體系統(tǒng)是由物質(zhì)實(shí)體組成的，物質(zhì)實(shí)體包括礦物、生物、能量、機(jī)械、車間、學(xué)校等各種自然物和人造物。概念系統(tǒng)則由概念、原理、法則、制度、規(guī)定、習(xí)俗、傳統(tǒng)等非物質(zhì)實(shí)體所組成，是人腦和習(xí)慣的產(chǎn)物，是實(shí)體系統(tǒng)在人類頭腦中的反映。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)與靜態(tài)系靜態(tài)系統(tǒng)則是其狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間改變的系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)是如果系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)參數(shù)隨時(shí)間而改變，則謂之動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。如生產(chǎn)系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、服務(wù)系統(tǒng)、人體系統(tǒng)等。

封閉系統(tǒng)與開放系統(tǒng)開放系統(tǒng)指的是與外界環(huán)境之間存在著物質(zhì)的、能量的、信息的流動(dòng)與交換的系統(tǒng)。封閉系統(tǒng)是指系統(tǒng)與環(huán)境之間不發(fā)生這些流動(dòng)與交換。嚴(yán)格的封閉系統(tǒng)是不存在的。開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)

在開放系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸出反過來影響系統(tǒng)輸入的現(xiàn)象，稱為反饋。增強(qiáng)原輸入作用的反饋稱為正反饋，削弱原輸入作用的反饋稱為負(fù)反饋。負(fù)反饋使得系統(tǒng)行為收斂，正反饋使得系統(tǒng)行為發(fā)散。沒有反饋的系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)，具有反饋的系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)的反饋主要是信息反饋。（6）系統(tǒng)研究的內(nèi)容

對于一個(gè)人造系統(tǒng)來講，人們最關(guān)心的是系統(tǒng)功能、系統(tǒng)行為、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)環(huán)境、系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)則以及系統(tǒng)的目標(biāo)。因此，系統(tǒng)研究內(nèi)容包括：系統(tǒng)目標(biāo)系統(tǒng)功能系統(tǒng)行為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)法則系統(tǒng)環(huán)境3.系統(tǒng)工程的應(yīng)用社會(huì)系統(tǒng)工程；經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)工程；區(qū)域規(guī)劃系統(tǒng)工程；環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)工程；能源系統(tǒng)工程；水資源系統(tǒng)工程；交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程；農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程；企業(yè)系統(tǒng)工程；工程項(xiàng)目管理；科技管理；教育系統(tǒng)工程；人口系統(tǒng)工程；軍事系統(tǒng)工程1)系統(tǒng)工程定義系統(tǒng)工程是關(guān)于組織、管理、規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和使用系統(tǒng)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。（錢學(xué)森）系統(tǒng)工程是一門以大系統(tǒng)為研究對象的對學(xué)科、跨行業(yè)的邊緣學(xué)科，它結(jié)合自然科學(xué)、工程技術(shù)和社會(huì)科學(xué)的思想、理論和方法，把系統(tǒng)內(nèi)人類的生產(chǎn)、科研或經(jīng)營組織起來，應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)為工具或手段，對系統(tǒng)構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交流和反饋控制等功能進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行、從而達(dá)到系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)、最優(yōu)控制、最優(yōu)管理。（汪應(yīng)洛）系統(tǒng)工程就是使從無到有的創(chuàng)造合理化的科學(xué)，就是合理進(jìn)行開發(fā)、設(shè)計(jì)、運(yùn)用系統(tǒng)而采用的思想、程序、組織和方法的總稱。（日本寺野壽郎）為了制造系統(tǒng)，需要將實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)和功能的必要硬件、軟件、子系統(tǒng)、要素等適當(dāng)?shù)亟M織起來并進(jìn)行統(tǒng)一，系統(tǒng)研究不僅涉及工程學(xué)領(lǐng)域，而且涉及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政治等領(lǐng)域。（日本三浦武雄）2）SE的內(nèi)容與特點(diǎn)

所謂SE，是用來開發(fā)、運(yùn)行、革新一個(gè)大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)所需思想、程序、方法的總和（或總稱）。

SE強(qiáng)調(diào)以下基本觀點(diǎn)：

(1)整體性和系統(tǒng)化觀點(diǎn)（前提）(2)總體最優(yōu)或平衡協(xié)調(diào)觀點(diǎn)（目的）

(3)多種方法綜合運(yùn)用的觀點(diǎn)（手段）

(4)問題導(dǎo)向及反饋控制觀點(diǎn)（保障）3）系統(tǒng)工程的理論基礎(chǔ)三、系統(tǒng)工程與其他相近學(xué)科的關(guān)系1系統(tǒng)科學(xué)與系統(tǒng)工程系統(tǒng)科學(xué)是一門從總體上研究復(fù)雜系統(tǒng)共同運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)系統(tǒng)工程是一門系統(tǒng)科學(xué)、工程技術(shù)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和管理學(xué)等相結(jié)合的組織管理技術(shù)，是一種改造客觀世界的工程技術(shù)，同時(shí)也是一種運(yùn)籌與決策的藝術(shù)。奧地利理論生物學(xué)家貝塔朗菲將系統(tǒng)論分為：一般系統(tǒng)論-關(guān)于“系統(tǒng)”的科學(xué)，對各種不同的具體科學(xué)（物理學(xué)、生物學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等）的系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的理論研究，要求用精確的數(shù)學(xué)語言描述各種系統(tǒng)；系統(tǒng)技術(shù)－涉及系統(tǒng)工程的內(nèi)容，著重研究系統(tǒng)思想與系統(tǒng)方法在 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會(huì)的各種系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用；系統(tǒng)哲學(xué)－包括系統(tǒng)本體論、系統(tǒng)認(rèn)識論、以及人與世界關(guān)系的價(jià)值觀、 人本主義等等。2系統(tǒng)分析與系統(tǒng)工程(1)系統(tǒng)工程＝系統(tǒng)分析;(2)系統(tǒng)工程包括在系統(tǒng)方法之中，與系統(tǒng)分析并列;(3)系統(tǒng)工程包括系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和決策分析.本課程體系：系統(tǒng)工程＝系統(tǒng)分析＋決策分析3運(yùn)籌學(xué)與系統(tǒng)工程運(yùn)籌學(xué)和系統(tǒng)工程可以看作是屬于一個(gè)領(lǐng)域中的兩個(gè)姐妹學(xué)科，都是系統(tǒng)思想方法定量化的實(shí)際應(yīng)用研究。運(yùn)籌學(xué)發(fā)展成為一個(gè)專門的數(shù)學(xué)分支，由數(shù)學(xué)家進(jìn)行專門研究，并為系統(tǒng)工程提供最重要的方法和理論基礎(chǔ)。運(yùn)籌學(xué)的目的：增加現(xiàn)有系統(tǒng)效率的分析工作，通常涉及現(xiàn)已存在系統(tǒng)的運(yùn)營情況，如工廠、市場等系統(tǒng)；以專業(yè)技術(shù)為導(dǎo)向，分析程序由下而上（戰(zhàn)術(shù)）系統(tǒng)工程：對若干可供選擇的執(zhí)行特定任務(wù)的系統(tǒng)方案進(jìn)行選擇比較；以問題狀況為導(dǎo)向，分析程序由上而下（戰(zhàn)略）系統(tǒng)工程：設(shè)計(jì)新系統(tǒng)的科學(xué)方法。（錢學(xué)森）系統(tǒng)工程理論系統(tǒng)科學(xué)的學(xué)科體系我國著名科學(xué)家錢學(xué)森提出了一個(gè)清晰的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)，認(rèn)為從應(yīng)用實(shí)踐到基礎(chǔ)理論，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)可以分為四個(gè)層次：首先是工程技術(shù)這一層次，然后是直接為工程技術(shù)提供理論基礎(chǔ)的技術(shù)科學(xué)這一層次，再就是基礎(chǔ)科學(xué)這一層次，最后通過進(jìn)一步綜合、提煉達(dá)到最高概括的馬克思主義哲學(xué)。如圖2-1所示。在此基礎(chǔ)上他又進(jìn)一步提出了一個(gè)系統(tǒng)科學(xué)的體系結(jié)構(gòu)。認(rèn)為系統(tǒng)科學(xué)是由系統(tǒng)工程這類工程技術(shù)，系統(tǒng)工程的理論方法（像運(yùn)籌學(xué)、大系統(tǒng)理論等）這一類技術(shù)科學(xué)（統(tǒng)稱為系統(tǒng)學(xué)），以及它們的理論基礎(chǔ)和哲學(xué)層面的科學(xué)所組成的一類新興科學(xué)。如圖2-2所示。馬克思主義哲學(xué)自然科學(xué)數(shù)學(xué)社會(huì)科學(xué)工程技術(shù)技術(shù)科學(xué)圖2-1現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系馬克思主義哲學(xué)社會(huì)科學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)數(shù)學(xué)突變論自然科學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)物理學(xué)生物學(xué)其它技術(shù)科學(xué)系統(tǒng)學(xué)運(yùn)籌學(xué)巨系統(tǒng)理論控制論信息論各門系統(tǒng)工程自動(dòng)化技術(shù)通信技術(shù)（系統(tǒng)觀）系統(tǒng)科學(xué)人體科學(xué)思維科學(xué)哲學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)科學(xué)工程技術(shù)圖2-2系統(tǒng)科學(xué)的體系

系統(tǒng)學(xué)主要研究系統(tǒng)的普遍屬性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究系統(tǒng)演化、轉(zhuǎn)化、協(xié)同和控制的一般規(guī)律，研究系統(tǒng)間復(fù)雜關(guān)系的形成法則、結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系、有序、無序狀態(tài)的形成規(guī)律以及系統(tǒng)仿真的基本原理等，隨著科學(xué)的發(fā)展，它的內(nèi)容也不斷在豐富。由于其尚屬于起步階段，還不夠成熟，因而學(xué)者們對系統(tǒng)科學(xué)的學(xué)科體系的認(rèn)識仍有較大差異。系統(tǒng)工程是從實(shí)踐中產(chǎn)生的，它用系統(tǒng)的思想與定量和定性相結(jié)合的系統(tǒng)方法處理大型復(fù)雜系統(tǒng)的問題，它是一門交叉學(xué)科。一般系統(tǒng)論（generalsystemtheory)奧地利理論生物學(xué)家L.VON貝塔朗菲；1945年發(fā)表《關(guān)于一般系統(tǒng)論》研究復(fù)雜系統(tǒng)一般規(guī)律的學(xué)科

基本觀點(diǎn)：整體性

開放性及目的性（有效性、適應(yīng)性、尋的性）動(dòng)態(tài)相關(guān)性（動(dòng)態(tài)性取決于相關(guān)性）等級層次性有序性（結(jié)構(gòu)或空間；發(fā)展或時(shí)間）控制論（Cybernatics）

維納于1948年出版了《控制論》一書經(jīng)典控制論——現(xiàn)代控制論——大系統(tǒng)控制理論

研究大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、穩(wěn)定性、最優(yōu)化、

建模及模型簡化等。

對系統(tǒng)方法的啟示：

黑箱-灰箱-白箱法功能模擬法形式化、數(shù)量化、最優(yōu)化方法信息論

美國數(shù)學(xué)家申農(nóng)（C.E.Shannon）和維納（信息科學(xué)）以信息為主要研究對象，以信息的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和應(yīng)用方法為主要研究內(nèi)容，以計(jì)算機(jī)、光導(dǎo)纖維等為主要研究工具，以擴(kuò)展人類的信息功能為主要研究目標(biāo)。

類比方法統(tǒng)計(jì)方法信息方法（運(yùn)用信息的觀點(diǎn)，把系統(tǒng)看作是借助于信息的獲取、傳遞、加工、處理而實(shí)現(xiàn)其有目的性的運(yùn)動(dòng)的一種研究方法）耗散結(jié)構(gòu)理論（dissipativestructuretheory)1969；比利時(shí)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)家I.普利高津研究遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)從無序到有序的演化規(guī)律的一種理論協(xié)同學(xué)（synergetics）70年代初，聯(lián)邦德國理論物理學(xué)家H.哈肯研究協(xié)同系統(tǒng)從無序到有序的演化規(guī)律的新興綜合性學(xué)科

超循環(huán)理論（hypercycletheory）1971，德國生物物理學(xué)家M.艾根研究分子自組織的一種理論突變論（catastrophetheory）60年代末，法國數(shù)學(xué)家R.托姆研究不連續(xù)現(xiàn)象的一個(gè)新興數(shù)學(xué)分支，也是一般形態(tài)學(xué)的一種理論，能為自然界中形態(tài)的發(fā)生和演化提供數(shù)學(xué)模型微分動(dòng)力系統(tǒng)（differentialdynamicalsystems）

60年代初，S.斯梅爾、廖山濤（北大數(shù)學(xué)教授）系統(tǒng)科學(xué)的一個(gè)數(shù)學(xué)分支。主要研究隨時(shí)間演變的動(dòng)力系統(tǒng)的整體性質(zhì)及其在擾動(dòng)中的變化分岔理論（bifurcationtheory）50年代，蘇聯(lián)學(xué)者A.A.安德羅諾夫等研究分岔現(xiàn)象的特性和產(chǎn)生機(jī)理的數(shù)學(xué)理論（早在19世紀(jì)，C.雅可比、H.龐加萊等人就已引進(jìn)“分岔”概念）卡姆定理（KAMtheorem）50年代中至60年代初，A.H柯爾莫戈羅夫、B.И.阿諾德、J.莫澤先后提出和證明關(guān)于哈密頓力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一種論斷，它反映“弱”不可積（或接近可積）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，該定理是牛頓力學(xué)在20世紀(jì)的重大進(jìn)展泛系理論（pansystemstheory）1976，吳學(xué)謀（中科院武漢數(shù)理所研究員）一種研究廣義系統(tǒng)、關(guān)系的理論和方法，又稱泛系方法或泛系方法論灰色系統(tǒng)理論（graysystemstheory）