系統(tǒng)工程學概覽

系統(tǒng)工程學概覽第1頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)科學包括：1、系統(tǒng)工程（SystemsEngineering）：技術科學2、運籌學（OperationsResearch）：應用數學3、一般系統(tǒng)論（GeneralSystemsTheory）：與理論生物學和哲學密切相關這些學科基本上是獨立形成和產生的，但它們之間及其與控制論、信息論、計算機科學技術之間的聯系是十分密切的。可以把它們看作是一組有內在聯系而又密切相關的學科群，它們基本上都屬于技術科學。第2頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)工程與運籌學系統(tǒng)

由相互聯系、相互制約的若干部分結合在一起組成的具有特定功能的整體。系統(tǒng)工程系統(tǒng)工程是為了更好地達到系統(tǒng)目標，而對系統(tǒng)的構成要素、組織結構、信息流動和控制機構等進行分析與設計的技術的總稱。并不是指通常土木、水利、建筑等這一類具體的工程，是一個廣義的概念。系統(tǒng)工程的實例：北宋皇宮重建

系統(tǒng)工程的目的是使系統(tǒng)達到一種整體性的優(yōu)化指標！第3頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)工程與運籌學運籌學關于決策的科學，系統(tǒng)工程的基礎理論與數學工具

“以君之下駟為彼上駟”

田忌賽馬運籌于帷幄之中，決勝于千里之外－《史記?高祖本記》

“知已知彼，百戰(zhàn)不殆”，“以我之長，攻敵之短”第4頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)工程與運籌學的產生現代生產力的必然產物

職能分工愈來愈細社會性愈來愈強,規(guī)?；?復雜化現代科學的發(fā)展,相互促進基本思想來源于古代人類的社會實踐經驗都江堰，秦太守李冰父子，“魚嘴”分水工程，“飛沙堰”分洪排沙工程，“寶瓶口”引水工程，120個附屬渠堰。歷史背景

在戰(zhàn)爭中得到廣泛應用與發(fā)展在古代戰(zhàn)爭史上，達.芬奇和伽利略等人曾用科學方法對戰(zhàn)爭行為進行過分析研究在近代,蘇格蘭的克拉克(J.Clerk)發(fā)表過海軍戰(zhàn)術的論文,研究過己方船只暴露最小而敵方攻擊火力最大的問題第5頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六

第一次世界大戰(zhàn)期間

英國數學家,工程師蘭切斯特(F.W.Lanchester)對空戰(zhàn)進行過數學分析,給出了作戰(zhàn)格局的簡化數學模型發(fā)明家愛迪生用博弈方法設計了商船回避潛艇攻擊的最優(yōu)航行方法美國教授莫爾斯(P.M.Morse)研究過護航隊的損失模型美國生理學教授希爾(A.V.Hill)研究過高射炮的實效問題,并領導了英國國防部的防空實驗小組第二次世界大戰(zhàn)期間

戰(zhàn)爭初期盟國在軍事上處于劣勢,為了對付德國的軍事優(yōu)勢不得不采取一套科學的對策方法,系統(tǒng)工程與運籌學應運而生.

根據系統(tǒng)工程的基本思想,要從整體出發(fā)來考慮敵我雙方現有的和后備的人員情況,使得雷達系統(tǒng)、防空系統(tǒng)、后勤系統(tǒng)、護航系統(tǒng)、軍事指揮系統(tǒng)統(tǒng)一協調起來以達到最高效率，取得戰(zhàn)爭勝利。戰(zhàn)爭初期英國研究了雷達系統(tǒng)與其它防空部門的協同作戰(zhàn)問題，戰(zhàn)斗機編隊對付轟炸機編隊的控制技術等。

1942年英國在反對德國的潛水艇作戰(zhàn)中，由于研究了深水炸彈最優(yōu)起爆深度，使得擊沉率提高4－7平倍。第6頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)工程與運籌學誕生的標志在總結戰(zhàn)爭期間的研究成果與實踐經驗的基礎上，1946年美國的Morse和Kimball在內部發(fā)表了保密文獻，1950年才公開出版《運籌學方法》(Methodsofoperationsreserach)1957年H.Goode與R.E.Machol出版了《系統(tǒng)工程學》(Systemsengineering)第7頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)工程－戰(zhàn)略部署克敵制勝！運籌學－戰(zhàn)術安排第8頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六近代系統(tǒng)工程實例阿波羅登月計劃

參加人員約42萬，120所大學實驗室，耗資240億美元，1969年實現登月。在這個高科技系統(tǒng)下面，有眾多的分系統(tǒng)，如：飛船系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和測試系統(tǒng)等等。這些分系統(tǒng)下面又包含無數小系統(tǒng)。實現總體最優(yōu)。三峽工程

1993年開始施工準備，歷經10年，涉及防洪、發(fā)電、航運、移民安置、生態(tài)環(huán)境、國防安全、區(qū)域經濟發(fā)展等各個方面。

第9頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)工程在我國的發(fā)展1955年，計劃經濟的需要，引進系統(tǒng)工程、運籌學1956年中科院力學所建立了我國第一個運籌學研究組1960年中科院力學所與數學所成立數學與運籌學研究所1962年錢學森開始倡導系統(tǒng)工程思想1965－1975華羅庚在我國大力推廣“統(tǒng)籌法”，“優(yōu)選法”。文化大革命期間幾乎停頓1977年正式將系統(tǒng)工程列入國家重點研究項目第10頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)工程的基本概念與特點錢學森曾經引用恩格斯的一句話“一個偉大的基本思想即認為世界不是一成不變的事物的集合體，而是過程的集合體”。貝塔朗菲認為“系統(tǒng)是處于一定聯系中的與環(huán)境發(fā)生關系的各組成部分的整體”。一些主要特點：全局性，關聯性，擇優(yōu)性，綜合性，實踐性第11頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)工程方法第12頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)工程方法的主要環(huán)節(jié)系統(tǒng)分析確定目的，給出系統(tǒng)模型系統(tǒng)模擬模擬仿真，通過比較作出最優(yōu)決策系統(tǒng)設計提出技術上能實現的優(yōu)化設計系統(tǒng)管理進行系統(tǒng)的研制、試驗和評價，及時改正。第13頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)工程方法示意框圖第14頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六運籌學研究的主要問題分配問題對抗問題排隊問題庫存問題更新問題順序問題路徑問題搜索問題

第15頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六運籌學研究的主要問題分配問題

對有限的資源、人員、設備、時間等因素構成的系統(tǒng)，為了最有效地實現某種目標或任務，如何統(tǒng)籌規(guī)劃，以最優(yōu)的方式對有關因素加以安排或分配，使得耗費最小，效益最大而風險最小。相關的運籌學分支包括線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃與動態(tài)規(guī)劃，通稱規(guī)劃論。

滿足約束條件式(1),(2)的解稱為可行解，一個可行解使目標函數J達到極值時，則稱為最優(yōu)解。規(guī)劃問題就是在一組約束條件下求目標函數的極值問題。第16頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六

一個簡單例子某紡織廠用棉、毛、人造纖維作原料，生產甲乙兩種布。甲種布每米產值5元，乙種布每米產值7元，生產每種布所需原料：甲種布（米）：棉0.4斤，毛0.3斤，人造纖維0.18斤乙種布（米）：棉0.1斤，毛0.9斤，人造纖維0.15斤問題是現有100斤棉，270斤毛，人造纖維660斤，該廠如何安排生產，產值最大？第17頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六運籌學研究的主要問題對抗問題－博弈論（Gametheory）

零和博弈：一方之勝乃另一方之負。

非零和博弈：囚犯的兩難處境－納什均衡論。納什的均衡論對亞當·斯密的“看不見的手”的原理提出挑戰(zhàn)。按照斯密的理論，在市場經濟中，每一個人都從利己的目的出發(fā)，而最終全社會達到利他的效果?！巴ㄟ^追求（個人的）自身利益，他常常會比其實際上想做的那樣更有效地促進社會利益?！保瓉啴敗に姑堋秶徽摗?/p>

從納什均衡我們引出了“看不見的手”的原理的一個悖論：從利己目的出發(fā)，結果損人不利己，既不利己也不利他。

“己所不欲勿施于人”。但前提是人所不欲勿施于我價格戰(zhàn)，軍備競賽，企業(yè)污染等第18頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六一般系統(tǒng)論的誕生和發(fā)展第19頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六萌芽思想古希臘亞里斯多得的著作中就提出了整體大于它的各部分之和的思想。我國著名的《孫子兵法》中，曾提出了從全局出發(fā)把握戰(zhàn)機，協調諸因素，尋求最優(yōu)方案，達到最優(yōu)效果的樸素系統(tǒng)思想。近代牛頓的《論宇宙系統(tǒng)》就是把宇宙當作相互聯系的大系統(tǒng)進行研究。門捷列夫的元素周期律，也是運用了系統(tǒng)思想找到了元素的內在聯系。

第20頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六萌芽思想馬克思和恩格斯自覺地運用辯證唯物主義的系統(tǒng)觀念分析社會和自然，得出了歷史辯證法和自然辯證法的理論認識。1925年，英國數理邏輯學家、哲學家懷海特發(fā)表了《科學與近代世界》一書，提出了機體論。同年，美國學者勞特卡發(fā)表了《物理生物學原理》。1927年，德國學者克勒發(fā)表了《論調節(jié)原理》，他們都提出了有關系統(tǒng)論的基本思想。第21頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六一般系統(tǒng)論的概念

美籍奧地利理論生物學家貝塔朗菲(LudwigvonBertalanffy)創(chuàng)立。“生物機體論”。與哲學上的有機主義相通。

“萬物皆出于機而入于機”－《莊子?至樂》

貝塔朗菲認為，在各種不同的系統(tǒng)中，會存在某種相似性或同構性。一般系統(tǒng)論的任務是要找到不同系統(tǒng)，不同學科之間的共同語言和術語。一般系統(tǒng)論可以理解為關于任意系統(tǒng)研究的一種一般的理論與方法論。第22頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)論的誕生

早在1924年至1927年貝塔朗菲就多次發(fā)表文章，主張把有機體當作系統(tǒng)來考察，認為生物學的主要任務就是發(fā)現生物系統(tǒng)中不同層次的組織原則。1932年和1934年，他先后發(fā)表了《理論生物學》和《現代發(fā)展理論》兩部著作，闡明了系統(tǒng)的整體性原則，主張用數學和模型方法研究生物現象，提出了機體系統(tǒng)論的思想。第23頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)論的誕生1937年，貝塔朗菲在美國芝加哥大學哲學討論會上，首次提出了一般系統(tǒng)概念。1945年，他在《德國哲學周刊》上發(fā)表了《關于一般系統(tǒng)論》。但遺憾的是，這篇重要論文幾乎不被人所知。1948年在美國再次講授“一般系統(tǒng)論”時，才得到學術界的重視。1968年貝塔朗菲發(fā)表的專著《一般系統(tǒng)理論基礎、發(fā)展和應用》，確立了該學科的學術地位

。第24頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)論的主要思想觀點整體性整體大于部分之和有機關聯性系統(tǒng)內部諸因素之間以及系統(tǒng)與環(huán)境之間的關聯動態(tài)性任何系統(tǒng)都隨時間不斷變化，動態(tài)是靜態(tài)的前提，如，生命有機體保持體內平衡的基礎之一是新陳代謝。自組織性系統(tǒng)能夠自動調節(jié)自身的組織、活動的特性，反饋的作用目的性

系統(tǒng)活動最終趨向于有序性和穩(wěn)態(tài)。第25頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)方法論

凡是用系統(tǒng)觀點來認識和處理問題的方法,也即把對象當作系統(tǒng)來認識和處理的方法,不管是理論的或是經驗的,