系統(tǒng)工程 第1講 系統(tǒng)工程發(fā)展史

第一章系統(tǒng)工程發(fā)展史§1.1系統(tǒng)工程產生的背景§1.2系統(tǒng)工程發(fā)展簡史§1.3我國系統(tǒng)工程的發(fā)展§1.4系統(tǒng)工程在我國社會經濟發(fā)展中的作用

§1.1系統(tǒng)工程產生的背景社會角度：1)社會、技術、生產力水平提高、社會活動多樣化、系統(tǒng)（要素）之間相互依賴程度日夜強化、復雜化，呈現(xiàn)“規(guī)模龐大、結構復雜、功能綜合、目標多樣、因素眾多”的格局，如“開發(fā)治理規(guī)劃，城市交通系統(tǒng)規(guī)劃，河流治理開發(fā)規(guī)劃，能源需求與供應”等。2)需要有一種解決此類問題的方法。開發(fā)治理規(guī)劃江西省山江湖開發(fā)治理問題:1、治山還是治水2、治理資金與開發(fā)資金的比例3、治理不同狀態(tài)資金的比例4、開發(fā)重點的選擇（地下、地上資源開發(fā)，各種農業(yè)資源開發(fā)，各種礦產資源的開發(fā)）贛江梯級開發(fā)方案選擇和開發(fā)順序的確定城市交通管理系統(tǒng)規(guī)劃上海市交通系統(tǒng)規(guī)劃目標（15、30、60）為了實現(xiàn)這一設想，在不同交通方式（地鐵、輕軌、高速路、主干道（三橫三縱）、大型立交）的安排，需要考慮城市形態(tài)和人口分布、工業(yè)布局、經濟發(fā)展、與外省市的連接。河流治理開發(fā)規(guī)劃治理開發(fā)目標的確定（運輸、灌溉、游泳、飲用）河流邊污水處理站的確定不同河流段水質標準確定治理時間的確定治理方法、手段能源需求與供應國民經濟發(fā)展目標的確定地區(qū)人口規(guī)模工業(yè)能源消耗結構（能源產品）及總量能源系統(tǒng)結構地區(qū)能源供給結構及總量技術角度：1)現(xiàn)代科技發(fā)展日新月異，產品零件數(shù)量急劇增加、高功能化、小型化、復雜化；2)產品生命周期大大縮短、新產品研究開發(fā)、生產規(guī)劃、計劃的緊迫性提高、生產管理難度增加；3)社會學、經濟學量化問題；信息量急劇增加的處理問題?！?.1系統(tǒng)工程產生的背景知識存量增長的管理問題雜志：17世紀2份；18世紀中葉10份19世紀初100份；1850年1000份；1963年50000份，目前較高水平的已超過10萬份。英國科學家推測：人類的科學知識19世紀50年翻一番；20世紀初30年翻一番；20世紀中葉10年翻一番；20世紀70年代每5年翻一番；80年代以后每3年翻一番。（海量數(shù)據(jù)管理問題）新技術出現(xiàn)的預測問題18—19世紀，紡織機、蒸汽機、發(fā)電機相隔數(shù)十年出現(xiàn)，但到了20世紀中葉以后，重大新技術的出現(xiàn)越來越短，如1946年計算機問世；1947年半導體；1951年集成電路；1955年原子能發(fā)電站；1957年人造衛(wèi)星上天；1960年激光技術；1969年“阿波羅”登月；1971年微型計算機；1972年“先驅者”飛出太陽系；1973年遺傳基因重組技術；1978年大規(guī)模集成電路；1981年航天飛機飛入太空；90年代以后新技術頻頻取得突破。（國家、地區(qū)科技發(fā)展重點預測問題）新技術開發(fā)規(guī)劃、計劃問題19世紀，一項創(chuàng)新從基礎研究到商業(yè)化的過程一般需要幾十年20世紀上半葉需要10多年20世紀下半葉需要幾年如：電動機從發(fā)明到應用花了65年，電話56年，無線電35年，電視機12年，集成電路僅用了2年，計算機幾乎1-2年更新一代）。國家、地區(qū)技術開發(fā)規(guī)劃、計劃問題技術先進性帶來可靠性問題阿波羅飛船多達300萬個。這些零部件的可靠性問題（挑戰(zhàn)者、哥倫比亞）集成化帶來可靠性問題（集成電路設計）核電站的安全問題理論角度：理論基礎如運籌學、控制論、一般系統(tǒng)理論的提出；70年代發(fā)展：普里高津提出了非平衡系統(tǒng)的耗散結構理論，哈肯提出了協(xié)同論，托姆提出了突變論；計算機技術的發(fā)展，使得系統(tǒng)工程插上了翅膀。§1.1系統(tǒng)工程產生的背景運籌學運籌學是在第二次世界大戰(zhàn)期間形成的。英國、美國、加拿大在各主要兵種中相繼成立運籌學小組，成功解決了許多復雜的戰(zhàn)略戰(zhàn)術問題。一個武器系統(tǒng)的分析、評價和有效運行，不外乎分析制約因素(約束條件)以及要實現(xiàn)的目標(使其達到極大或極小)，推而廣之，完成一項任務，做好一件事情，也是如此。運籌學的貢獻：是把這個共性概括成了一種數(shù)學模式：聯(lián)立約束條件方程和目標函數(shù)方程并求解。運籌學英軍方：“和以往的歷次戰(zhàn)爭相比，這次戰(zhàn)爭更是新的技術策略和反策略的較量……我們在幾次關鍵戰(zhàn)役中加快了反應速度，運籌學使我們贏得了勝利?！钡诙问澜绱髴?zhàn)以后，運籌學從單純軍事和戰(zhàn)爭中的應用研究，轉移到經濟和工業(yè)管理中的應用，并形成了自己的理論和方法。到60年代末運籌學達到了成熟的高峰期，其標志是1969年出版的瓦格納(H．M．Wagner)的《運籌學原理和對管理決策的應用》?？刂普撽P于在動物和機器中控制和通信的科學，創(chuàng)始人是美國的維納(N．Wiener）。他提煉出包括生物系統(tǒng)和人工系統(tǒng)極為廣泛的一大類系統(tǒng)的共性和規(guī)律?？刂普撎釤挸龅幕靖拍睿T如目的、行為、通信、信息、輸入、輸出、反饋、控制以及在這些概念基礎上的控制論系統(tǒng)模型，即輸入一輸出反饋控制模型，具有廣泛的普適意義，并且緊密聯(lián)系著基礎理論和應用技術兩頭。一般系統(tǒng)理論貝塔朗菲（理論生物學家），1937年在芝加哥大學莫利斯(C．Morris)主持的哲學討論會上第一次提出了一般系統(tǒng)論的概念。1945年發(fā)表《關于一般系統(tǒng)論》。他明確提出一般系統(tǒng)論的任務“乃是確立適用于系統(tǒng)的一般原則”，并對系統(tǒng)的共性作了一定的概括，如系統(tǒng)的整體性、關聯(lián)性、動態(tài)性、有序性、終極性(目的性)等。貝塔朗菲提出一般系統(tǒng)論是從有關生物和人的問題出發(fā)的。一般系統(tǒng)理論不能沿用討論無機界問題常用的機械論的分析方法。認為現(xiàn)實是一個有組織的由實體構成的遞階秩序，在許多層次的疊加中從物理、化學系統(tǒng)引向生物、社會系統(tǒng)。不能把分割的部分的行為拼加成整體，必須考慮各個子系統(tǒng)和整個系統(tǒng)之間的關系才能了解各部分的行為和整體。認為分析和人為隔離的方法是有用的，但要看到，即使對物理學的實驗和理論也都還不是充分的。耗散結構理論1969年比利時物理化學家普利高津(Prigogine）提出。他認為熱力學第二定律以及統(tǒng)計力學所揭示的是孤立系統(tǒng)(和環(huán)境沒有物質和能量的交換)在平衡態(tài)和近平衡態(tài)條件下的規(guī)律，但在開放并且遠離平衡的情況下，系統(tǒng)通過和環(huán)境進行物質和能量交換，一旦某個參量變化達到一定的閾值，系統(tǒng)就有可能從原來的無序狀態(tài)自發(fā)轉變到在時間、空間和功能上的有序狀態(tài)。耗散結構理論耗散結構是相對平衡結構說的平衡結構不進行能量或物質的交換能維持（晶體），而耗散結構只有通過與外界交換能量（物質）才能維持其有序狀態(tài)。耗散結構的形成至少四個條件：開放系統(tǒng)；遠離平衡態(tài)；內部要素之間存在非線性的相互作用；從無序到有序演化是通過隨機漲落實現(xiàn)的。協(xié)同論1969年德國物理學家哈肯(H．Haken）提出，他發(fā)現(xiàn)激光是一種典型的遠離平衡態(tài)時由無序轉化為有序的現(xiàn)象，但他發(fā)現(xiàn)即使在平衡態(tài)時也有類似現(xiàn)象，如超導和鐵磁現(xiàn)象。這就表明，一個系統(tǒng)從無序轉變?yōu)橛行虻年P鍵并不在于系統(tǒng)是平衡或非平衡，也不在于離平衡態(tài)有多遠，而是通過系統(tǒng)內部各子系統(tǒng)之間的非線性相互作用，在一定條件下，能自發(fā)產生在時間、空間和功能上穩(wěn)定的有序結構，這就是自組織(serf-organization)。哈肯還指出，系統(tǒng)在臨界點附近的行為僅由少數(shù)慢變量決定，系統(tǒng)的快變量由慢變量(序參量)支配，就是所謂的役使原理。突變論1972年法國數(shù)學家托姆（Thom）提出。是關于非連續(xù)性變化的數(shù)學理論，一般所指的突變理論實際上是初等變換，其主要數(shù)學淵源是勢函數(shù)把臨界點分離，進而研究各臨界點附近非連續(xù)性態(tài)的特征，即為有限個數(shù)的若干個初等變換。建立突變現(xiàn)象的定性定量模型，以研究和認識不連續(xù)現(xiàn)象的機理并作預測，是突變論的主要任務。突變論世界上充滿突變想象：胚胎的發(fā)育、橋梁的扭曲導致斷裂、地殼的劇烈運動引起地震，以及水沸、冰融等。突變論為定量描述突變過程提供了非常實用的數(shù)學工具?！?.2系統(tǒng)工程發(fā)展簡史四十年代初，在美國等國家的電訊工業(yè)部門中，為完成巨大規(guī)模的復雜工程和科學研究任務，開始運用系統(tǒng)觀點和方法處理問題。貝爾電話公司在發(fā)展微波通迅網絡時首先應用一套系統(tǒng)的方法，并首先提出了“系統(tǒng)工程”這個名稱。二次世界大戰(zhàn)中，英國運用運籌學建立了雷達警報系統(tǒng)、美國設施曼哈頓計劃、申農的信息論、維納的控制論，都為系統(tǒng)工程發(fā)展提供了理論基礎?！?.2系統(tǒng)工程發(fā)展簡史例如：1）英國面臨著如何抵御德國飛機轟炸的問題，在發(fā)明雷達的基礎上建立了世界上第一個有組織地、自覺地按照系統(tǒng)的觀點、用系統(tǒng)工程方法分析和研究作戰(zhàn)使用問題的小組。2）其次，英、美兩國在反潛、反空襲、商船護航、布置水雷等項軍事行動中使用了系統(tǒng)工程的方法，并取得了良好的效果。3）又如美國研制原子彈的“曼哈頓計劃”，參加者有一萬五千人，其工程技術裝置極為復雜，他們運用了系統(tǒng)工程方法，因而推動了系統(tǒng)工程方法進一步的發(fā)展。§1.2系統(tǒng)工程發(fā)展簡史五十年代開始，核武器和洲際導彈的出現(xiàn)標志系統(tǒng)工程方法的應用達到更高的水平。六十年代初，美國國防部長麥克納馬拉運用系統(tǒng)分析方法提出了美國國防新戰(zhàn)略，取得了成效改變了空間技術落后蘇聯(lián)的局面，北極星導彈、核潛艇計劃和阿波羅登月計劃都是系統(tǒng)工程在國防科研中取得成功的著名范例。創(chuàng)造的‘計劃評審技術’(PERT)和“隨機網絡技術(GERT)，以及把電子計算機用于計劃工作，促進了整個系統(tǒng)研制工作的進展。50年代許多領域出現(xiàn)了“系統(tǒng)方法”“系統(tǒng)工程”字樣；1957年，H.Gode撰寫第一部以“系統(tǒng)工程”命名的著作；含義擴大（創(chuàng)新系統(tǒng)）。六十年代以后，對于復雜的大系統(tǒng)問題，采用分解與協(xié)調兩個過程而形成多級遞階控制結構，它的基本方法是將整體體控制問題分解成若干子系統(tǒng)，然后按照整體控制目標，協(xié)調各個子系統(tǒng)的運行，以達到整個系統(tǒng)的最優(yōu)運行。

§1.2系統(tǒng)工程發(fā)展簡史向大系統(tǒng)擴展階段：大系統(tǒng)理論的產生；根據(jù)通訊、交通、都市、生態(tài)、能源等系統(tǒng)具有的特點，發(fā)展分層管理、多級分層控制、分散控制；MRP,MIS,FMS的研究；“國際應用系統(tǒng)分析研究所IIASA”研究南北債務、環(huán)境問題。向復雜、非線性系統(tǒng)發(fā)展：圣塔菲研究所的非線性問題研究：人機系統(tǒng)研究。

§1.2系統(tǒng)工程發(fā)展簡史圣塔菲研究所在1984年在美國新墨西哥州，由3位諾貝爾獎獲得者蓋爾曼(M．Gell-Mann)、阿羅(K．J．Arrow)、安德森(P．W．Anderson)為首的一批不同學科領域的著名科學家組織和建立的。其宗旨是開展跨學科、跨領域的研究，他們稱作復雜性研究。他們認為事物的復雜性是從簡單性發(fā)展來的，是在適應環(huán)境的過程中產生的。他們把經濟、生態(tài)、免疫系統(tǒng)、胚胎、神經系統(tǒng)及計算機網絡等稱為復雜適應系統(tǒng)，認為存在某些一般性的規(guī)律控制著這些復雜適應系統(tǒng)的行為。(SantaFelnstitute，簡稱SFl)§1.3我國系統(tǒng)工程的發(fā)展一、樸素系統(tǒng)觀念在我國古代的自發(fā)應用。二、錢學森對系統(tǒng)工程的貢獻三、我國系統(tǒng)工程發(fā)展的幾個階段四、系統(tǒng)工程領域學術組織和刊物一、樸素系統(tǒng)觀念在我國古代的自發(fā)應用1、都江堰水利工程：

1）戰(zhàn)國時代(公元前250年)秦國太守李冰父子主持修建。

2）工程包括三個主要部份，“魚嘴”是岷江分洪工程，“飛沙堰”屬分洪排砂工程，‘寶瓶口”是引水工程。

3）三個部份巧妙結合形成一個工程整體，根據(jù)今天的試驗，工程在排砂、引水、防洪等方面都作了精確的數(shù)量分析，使工程兼有防洪、灌溉、漂木、行舟等多種功能。由于在渠道上設置了水尺測量水位，合理控制分水流量，使工程不僅分導了洶涌急流的岷江，而且化害為利，利用分洪工程，有節(jié)制地灌溉了十四個縣的幾百萬畝農田。一、樸素系統(tǒng)觀念在我國古代的自發(fā)應用2、在宋真宗時，皇城失火，宮殿燒毀，派大臣丁謂主持皇宮修復工程，丁謂經過統(tǒng)盤籌劃；提出了一個施工方案：首先將皇宮前的大街挖成大溝，就地取土燒磚，省去遠處運土；然后把汴水引入大溝，用水路運輸建筑器材，使工程能順利進行；等到皇宮修復后，再把碎磚廢土填入溝中。修復大街，使燒磚、運輸建筑材料與處理廢物等三項繁重的工程任務都最佳地得到解決，是“一舉三得利”的最優(yōu)方案。

一、樸素系統(tǒng)觀念在我國古代的自發(fā)應用3、在我國的冶煉史上，古代的勞動人民一直在探索銅的優(yōu)化冶煉方法，早在春秋時代，就已懂得銅、錫、鉛按不同比例混合熔煉，可以得到不同功能的合金。在春秋時代的《考工記》中，就記述了在銅錫合金中，六種不同的錫含量，得到六種不同性能的合金，這是對系統(tǒng)結構不同則功能不同的深刻認識和運用。例如含錫17％左右的青銅、呈橙黃色，美觀，音質也好，適于鑄鐘鼎。到明永樂年間(公元1404年左右)，我國鑄造了重達40多噸的聞名世界的大鐘，音質特好，被認為是古代大鐘含金的最佳比例一、樸素系統(tǒng)觀念在我國古代的自發(fā)應用4、春秋時代的《孫子兵法》從道、天、地、將、法五個方面來分析戰(zhàn)爭的全局，指出“凡此五者，將莫不聞，知之者勝，不知者不勝”。“道”，就是要內修德政，注重戰(zhàn)爭是否有理，有道之國，有道之兵，得到人民的支持，這是勝利之本。除此因素外，還有天時、地利的客觀條件。而將領的才智、威信狀況，士兵是否訓練有素，紀律、嘗罰是否嚴明，糧道是否暢通等則是主觀條件。它從系統(tǒng)整體出發(fā)，對不同層次及系統(tǒng)與環(huán)境進行全面分析