系統(tǒng)工程教案

目錄

第1章系統(tǒng)的概念及特點(diǎn)...........................................2

§1.1系統(tǒng)的概念...................................................2

§1.2系統(tǒng)的特性...................................................6

第2章系統(tǒng)理論....................................................10

§2.1一般系統(tǒng)論..................................................10

§2.2控制論.......................................................11

§2.3信息論.......................................................14

第3章系統(tǒng)工程概述...............................................17

§3.1系統(tǒng)工程的基本概念........................................17

§3.2系統(tǒng)工程方法論............................................20

第4章系統(tǒng)分析與系統(tǒng)模型.......................................26

§4.1系統(tǒng)分析的概念、原則和步驟..............................26

§4.2系統(tǒng)分析的方法............................................27

§4.3系統(tǒng)模型....................................................28

§4.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化基礎(chǔ).......................................34

§4.5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的建立.......................................45

第5章系統(tǒng)預(yù)測(cè)...................................................52

§5.1系統(tǒng)預(yù)測(cè)概述................................................52

§5.2德?tīng)柗品ǎ―elphi）......................................................57

§5.3定量預(yù)測(cè)方法...............................................59

§5.3.1簡(jiǎn)單算術(shù)平均法...........................................59

§5.3.2時(shí)間序列預(yù)測(cè).............................................61

§5.3.3平滑預(yù)測(cè)..................................................61

§5.4回歸分析預(yù)測(cè)法............................................64

§5.4.1線性回歸模型.............................................64

§5.4.2非線性回歸法.............................................69

第6章網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃...................................................72

§6.1網(wǎng)絡(luò)圖（賦權(quán)圖）...........................................72

§6.2繪制網(wǎng)絡(luò)圖的基本規(guī)則.....................................73

§6.3繪制網(wǎng)絡(luò)圖的步驟..........................................74

§6.4結(jié)點(diǎn)的時(shí)間參數(shù)與計(jì)算.....................................77

§6.5作業(yè)的時(shí)間參數(shù)............................................77

第7章系統(tǒng)評(píng)價(jià)...................................................83

§7.1.1系統(tǒng)評(píng)價(jià)的概念、目的....................................83

§7.1.2評(píng)價(jià)的內(nèi)容及分類........................................84

§7.1.3系統(tǒng)評(píng)價(jià)的步驟...........................................85

§7.4模糊評(píng)價(jià)法.................................................91

§7.5、層次分析法（AHP）......................................97

第8章系統(tǒng)決策..................................................109

§8.1決策概述...................................................109

§8.2風(fēng)險(xiǎn)型決策方法...........................................116

§8.3不確定型決策..............................................124

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河而科栽大號(hào)教案首頁(yè)

課程名稱系統(tǒng)工程計(jì)劃學(xué)時(shí)2

授課章節(jié)第1章系統(tǒng)的概念及特點(diǎn)

教學(xué)目的和要求：

在本講中，使學(xué)生了解系統(tǒng)的概念和系統(tǒng)一些相關(guān)的概念

教學(xué)基本內(nèi)容：

1.系統(tǒng)的概念

2.系統(tǒng)的要素

3.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

4.系統(tǒng)的功能

教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：

系統(tǒng)的概念

系統(tǒng)的整體特性

授課方式、方法和手段：

板書為主，同時(shí)加以作業(yè)和答疑

作業(yè)與思考題：

1.系統(tǒng)的概念

2.系統(tǒng)的整體特性

3.舉例說(shuō)明你所熟悉的一個(gè)系統(tǒng)

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第1章系統(tǒng)的概念及特點(diǎn)

§1.1系統(tǒng)的概念

在自然界和人類社會(huì)中，可以說(shuō)任何事物都是以系統(tǒng)的形式存

在的，每個(gè)所要研究的問(wèn)題對(duì)象都可以被看成是一個(gè)系統(tǒng)。人們認(rèn)識(shí)

事物和改造客觀事物，要用綜合分析的思維方式看待事物，根據(jù)事物

內(nèi)在的、本質(zhì)的、必然的聯(lián)系，從整體的角度進(jìn)行分析和研究，這類

事物就被看成為一個(gè)系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)思想的形成及演變

1.古代樸素的系統(tǒng)思想

人類在與自然界作斗爭(zhēng)的過(guò)程中，靠自己的聰明才智逐步地認(rèn)

識(shí)、掌握自然界發(fā)展和變化的規(guī)律，并不斷地向大自然索取所需要的

衣、食、住、行等物品。然而人類在改造自然界的同時(shí)也在改造自

己o他們從失敗中吸取教訓(xùn)，在成功中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，使自己的頭腦更加

聰明，并增強(qiáng)了認(rèn)識(shí)世界和改造世界的能力。于是便逐步形成了一套

科學(xué)的方法。

a）古代天文學(xué)家在發(fā)展原始農(nóng)牧業(yè)的勞動(dòng)中就是開(kāi)始關(guān)心天象

的變化，把宇宙作為一個(gè)超系統(tǒng)，探討了宇宙的結(jié)構(gòu)、變化和發(fā)

展，揭示了天體運(yùn)行與季節(jié)變化的聯(lián)系，編制出歷法和指導(dǎo)農(nóng)事

活動(dòng)的二十四節(jié)氣。

b）中國(guó)人做事善于從天時(shí)、地利、人和中進(jìn)行整體分析，主張

“大一統(tǒng)”“和為貴”。中醫(yī)看病講究形、氣、色。人們吃飯講

究色、香、味、鮮為一體。

c）軍事方面，公元前6世紀(jì)，中國(guó)古代著名的軍事家孫武，在

他的《孫子兵法》中，闡明了不少樸素的系統(tǒng)思想和運(yùn)籌方法。

《孫子兵法》共十三篇，講究打仗要把道義、天時(shí)、地利、將

才、法制等五個(gè)要素綜合起來(lái)考慮。

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d）在古代的建筑上，都江堰最具有代表性和系統(tǒng)性。都江堰于

公元前256年由蜀郡太守李冰父子組織建造。都江堰工程包括魚(yú)

嘴（岷江分流）、飛沙堰（分洪排沙）和寶瓶口（引水）等三大

設(shè)施組成。整個(gè)工程體現(xiàn)了總體目標(biāo)最優(yōu)化、選址最優(yōu)和自動(dòng)分

級(jí)排沙、利用地形自動(dòng)調(diào)節(jié)水量、就地取材及經(jīng)濟(jì)方便等特點(diǎn)。

2.科學(xué)系統(tǒng)思想的形成

a）古代樸素的系統(tǒng)思想具有“只見(jiàn)森林”和比較抽象的觀點(diǎn)。

b）15世紀(jì)下半葉以后，力學(xué)、天文學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)

等相繼從哲學(xué)的統(tǒng)一體中分離出來(lái)，形成了自然科學(xué)。這時(shí)的

系統(tǒng)思想具有“只見(jiàn)樹(shù)木”和具體化的特點(diǎn)。

c）到了19世紀(jì)自然科學(xué)得到了巨大發(fā)展，能量轉(zhuǎn)化、細(xì)胞學(xué)

說(shuō)、進(jìn)化論三大發(fā)現(xiàn)，使人類對(duì)自然過(guò)程相互聯(lián)系的認(rèn)識(shí)有了

質(zhì)的飛躍，為辨證唯物注意的科學(xué)系統(tǒng)觀奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。這

個(gè)階段的系統(tǒng)思想具有“先見(jiàn)森林，后見(jiàn)樹(shù)木”的特點(diǎn)。

總之，系統(tǒng)思想在辯證唯物注意那里取得了哲學(xué)的表達(dá)形式，在

運(yùn)籌學(xué)和其他學(xué)科中取得了定量的表達(dá)方式，并在系統(tǒng)工程應(yīng)用

中不斷充實(shí)自己實(shí)踐的內(nèi)容，系統(tǒng)的思想方法從一種哲學(xué)思維逐

步形成為專門的科學(xué)一一系統(tǒng)科學(xué)。

二、系統(tǒng)的概念

系統(tǒng)的概念來(lái)源于人類的長(zhǎng)期社會(huì)實(shí)踐。早在1886年，恩格斯

就曾在《路德維希?費(fèi)爾巴哈和德國(guó)古典哲學(xué)的終結(jié)》一文中指出：

“一個(gè)偉大的基本思想，既認(rèn)為世界不是一成不變的事物的集合體，

而是過(guò)程的集合體?！倍鞲袼顾v的“集合體”就是我們現(xiàn)在講的

“系統(tǒng)”及其特征，而他所強(qiáng)調(diào)的“過(guò)程”就是系統(tǒng)中各個(gè)組成部分

的相互作用和整體的發(fā)展變化。因此，系統(tǒng)思想是辯證唯物注意的重

要組成內(nèi)容。

韋氏大辭典中的定義是：“系統(tǒng)是有組織和被組織化了的整體；

結(jié)合著的整體所形成的各種概念和原理的綜合；由有規(guī)則的相互作

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用、相互依賴的形式組成的諸要素集合等。

美國(guó)的生物學(xué)家貝塔郎菲，他是這樣認(rèn)為系統(tǒng)的，“系統(tǒng)是相互

作用的諸要素的綜合體。”

系統(tǒng)的定義："系統(tǒng)是由兩個(gè)以上有機(jī)聯(lián)系、相互作用的要素所

組成，具有特定的功能、結(jié)構(gòu)和環(huán)境的整體。

1.系統(tǒng)及其要素。系統(tǒng)是由兩個(gè)以上要素組成的整體，構(gòu)成這個(gè)

整體的各個(gè)要素可以是單個(gè)事物（要素），也可以是一群事物組

成的分系統(tǒng)、子系統(tǒng)等。系統(tǒng)與要素是一組相對(duì)的概念，取決于

所研究的具體對(duì)象及其范圍。

2.系統(tǒng)和環(huán)境。任一系統(tǒng)又是它所從屬的一個(gè)更大系統(tǒng)的組成部

分，并與相互作用，保持較為密切的輸入輸出關(guān)系。系統(tǒng)連同其

環(huán)境一起形成系統(tǒng)總體。系統(tǒng)與環(huán)境也是兩個(gè)相對(duì)的概念。

3.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。在構(gòu)成系統(tǒng)的諸要素之間存在著一定的有機(jī)聯(lián)系，

這樣在系統(tǒng)的內(nèi)部形成一定的結(jié)構(gòu)和秩序。結(jié)構(gòu)即組成系統(tǒng)的諸

要素之間相互關(guān)聯(lián)的方式。

4.系統(tǒng)的功能。任何系統(tǒng)都應(yīng)有其存在的作用與價(jià)值，在其運(yùn)作的

具體目的，也即都有其特定的功能。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)輸入

系統(tǒng)輸出

系統(tǒng)周界

SI.S2、S3、S4---系統(tǒng)部件

圖17系統(tǒng)的基本概念圖

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例如，汽車是一個(gè)系統(tǒng)。它是由輪胎、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、車體

等相互聯(lián)系和彼此影響的部件組成的一個(gè)整體。這些部件組成在一起

可以去完成交通運(yùn)輸?shù)奶囟üδ堋?/p>

又如某個(gè)城市是一個(gè)系統(tǒng)。它是由交通系統(tǒng)、資源系統(tǒng)、商業(yè)系

統(tǒng)、市政系統(tǒng)、衛(wèi)生系統(tǒng)等相互作用著的部件組合而成的一個(gè)整體，

通過(guò)系統(tǒng)的各個(gè)部件相互協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)去完成城市生活和發(fā)展的特定目

標(biāo)。它與農(nóng)村以及其它城市存在著界限，通過(guò)邊界在物質(zhì)、信息、人

員等方面進(jìn)行交流。

三、系統(tǒng)的分類

1.按形成的原因劃分

a）自然系統(tǒng)。是由自然物（礦物、植物、動(dòng)物、海洋等）形成的系

統(tǒng)，它的特點(diǎn)是自然形成的。例：生態(tài)系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)等

b）人造系統(tǒng)。是為了達(dá)到人類所需要的目的而由人類設(shè)計(jì)和建造的

系統(tǒng)。例如工廠系統(tǒng)等。人造系統(tǒng)都存在于自然界之中，同時(shí)人

造系統(tǒng)與自然系統(tǒng)之間存在著重要的聯(lián)系。特別是一些人為改造

的自然系統(tǒng)關(guān)系就更為密切?？梢哉f(shuō)，我們生活的世界就是由自

然系統(tǒng)與人造系統(tǒng)組成的。

例：在埃及的尼羅河上建設(shè)的阿斯旺水庫(kù)是人造系統(tǒng)影響自然

系統(tǒng)的典型例子之一。當(dāng)巨大的水壩建成之后，該人造系統(tǒng)對(duì)尼羅河

地區(qū)的自然系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大的影響。雖然避免了尼羅河洪水泛濫，但

由于該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的變化而使魚(yú)類遭受厄運(yùn)，使水庫(kù)周圍大片土地

鹽堿化加重。所以說(shuō)在解決重大問(wèn)題時(shí)，要用系統(tǒng)觀點(diǎn)考慮人造系統(tǒng)

對(duì)自然系統(tǒng)帶來(lái)的影響，以便能更有效的解決問(wèn)題。

2.按形態(tài)分

1.實(shí)體系統(tǒng)。是用一些實(shí)物和有形部件構(gòu)成的系統(tǒng)。例：機(jī)械系

統(tǒng)

2.概念系統(tǒng)。是用一些思想、規(guī)劃、政策等概念或符號(hào)來(lái)反映系

統(tǒng)的部件及其屬性組成系統(tǒng)。例：軟件系統(tǒng)

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3.按所處的狀態(tài)分

a）靜態(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)的要素不隨時(shí)間的變化而變化的系統(tǒng)。例如江

河上的橋梁就代表一個(gè)靜態(tài)系統(tǒng)。

b）動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)的要素隨時(shí)間的變化而變化的系統(tǒng)。例如學(xué)校

系統(tǒng)，這是由校舍、學(xué)生、教師、書以及各門課程等組成的有

活動(dòng)性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

4.按與環(huán)境的關(guān)系分

a）封閉系統(tǒng)。與環(huán)境很少發(fā)生物質(zhì)、能量、信息交換的系統(tǒng)。實(shí)

際上世界上根本不存在封閉系統(tǒng)。只是為研究方便，有時(shí)人為

地把一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)作封閉系統(tǒng)來(lái)處理。

b）開(kāi)放系統(tǒng)。與環(huán)境經(jīng)常發(fā)生能量、物質(zhì)、信息交換的系統(tǒng)。一

旦系統(tǒng)與環(huán)境的聯(lián)系切斷，就會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影

響，而使系統(tǒng)遭到破壞。

§1.2系統(tǒng)的特性

一、整體性

整體性是系統(tǒng)最基本、最核心的特性，是系統(tǒng)性最集中的體現(xiàn)。

系統(tǒng)的整體性主要表現(xiàn)為系統(tǒng)的整體功能，系統(tǒng)的整體功能不是

各組成要素功能的簡(jiǎn)單疊加，也不是由組成要素簡(jiǎn)單地拼湊，而是呈

現(xiàn)出各組成要素所沒(méi)有的新功能，可概括地表達(dá)為“系統(tǒng)整體不等于

其組成部分之和”，而是“整體大于部分之和”，即

冗＞￡耳

/=1

式中：Fs為系統(tǒng)的整體功能；Fi為各要素的功能，i=l,2,…，n

系統(tǒng)是由各個(gè)相互聯(lián)系和彼此影響的部件結(jié)合而成的。系統(tǒng)是作

為一個(gè)統(tǒng)一的整體存在著的，各部件的獨(dú)立機(jī)能和相互關(guān)系只能統(tǒng)一

和協(xié)調(diào)于系統(tǒng)的整體之中。如果一個(gè)部件脫離開(kāi)整體，即使這個(gè)不見(jiàn)

具有良好的功能，但絕不能具有整體所反映出來(lái)的功能。相反，如果

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有若干個(gè)部件，即使功能不很完善，但是通過(guò)系統(tǒng)整體的綜合統(tǒng)一，

很可能成為具有良好功能的系統(tǒng)。

二、相關(guān)性

系統(tǒng)內(nèi)部各部件之間存在著相互聯(lián)系、相互依存、相互制約的關(guān)

系。它們通過(guò)特定的關(guān)系結(jié)合在一起，形成一個(gè)具有特定性能的系

統(tǒng)。

貝踏朗菲用一組獨(dú)立微分方程描述了系統(tǒng)的相關(guān)性，即

/~—-工（。|，。2，”.，。"）

4

<4

'華=力（2，。2,…Q）

式中：Ql,Q2,…，Qn分別為1,2,…，n個(gè)要素的特征；t為時(shí)

間；fl,f2,…，fn表示相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。

公式表明，系統(tǒng)任一要素隨時(shí)間的變化是系統(tǒng)所有要素的函數(shù)，

即任一要素的變化會(huì)引起其他要素的變化以至整個(gè)系統(tǒng)的變化。

三、目的性

系統(tǒng)活動(dòng)本身都具有明確的目的。系統(tǒng)各部件就是為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的

即定目標(biāo)而協(xié)調(diào)于一個(gè)整體之中，并為此進(jìn)行活動(dòng)。系統(tǒng)活動(dòng)的輸出

響應(yīng)就是系統(tǒng)目的性的反映。

由于復(fù)雜系統(tǒng)是具有多目標(biāo)和多方案的，當(dāng)組織規(guī)劃這個(gè)錯(cuò)綜復(fù)

雜的大系統(tǒng)時(shí)，常采用圖解方式來(lái)描述目的與目的之間的相互關(guān)系，

這種圖解方式稱為目的樹(shù)。

從圖中可以看出，要達(dá)到目的1,必須完成目的2和目的3；要

達(dá)到目的2,必須完成目的4、目的5和目的6；依次類推。這可明

顯地看出在一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)所包括的各項(xiàng)目的，即從目的1到目的

17,層次鮮明，次序明確，相互影響，而又相互制約。通過(guò)圖解，可

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河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義

以對(duì)目的樹(shù)各個(gè)項(xiàng)目的目的進(jìn)行分析、探討和磋商，統(tǒng)一規(guī)劃和協(xié)

四、環(huán)境適應(yīng)性

任何一個(gè)系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境之中，都與外界環(huán)境進(jìn)行著物

質(zhì)、能量和信息的交換。一個(gè)系統(tǒng)要能生存和具有活力，就必須適應(yīng)

外部環(huán)境的變化。例如，建國(guó)時(shí)期我國(guó)實(shí)行閉關(guān)鎖國(guó)政策，經(jīng)濟(jì)蕭

條，人民生活貧困。改革開(kāi)放以后，使我國(guó)在經(jīng)濟(jì)、政治、文化等各

方面得到了發(fā)展，全國(guó)上下充滿了生機(jī)勃勃的形象。

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課程名稱系統(tǒng)工程計(jì)劃學(xué)時(shí)2

授課章節(jié)第2章系統(tǒng)理論

教學(xué)目的和要求：

在本講中，使學(xué)生了解系統(tǒng)的理論?！袄先摗焙汀靶氯摗?。

教學(xué)基本內(nèi)容：

1.一般系統(tǒng)論

2.控制論

3.信息論

4.新三論

教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：

一般系統(tǒng)論

控制論

授課方式、方法和手段：

板書為主，同時(shí)加以作業(yè)和答疑。

作業(yè)與思考題：

1.簡(jiǎn)述控制論對(duì)系統(tǒng)工程方法論的啟示

2.系統(tǒng)工程與系統(tǒng)科學(xué)的聯(lián)系和區(qū)別是什么？

3.信息概念的特點(diǎn)有哪些？

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第2章系統(tǒng)理論

一、現(xiàn)代系統(tǒng)科學(xué)體系

錢學(xué)森教授于1981年構(gòu)造設(shè)計(jì)出現(xiàn)代系統(tǒng)科學(xué)體系。

馬

克多項(xiàng)系統(tǒng)工程

系

思

統(tǒng)

主自動(dòng)化技術(shù)

學(xué)

義

哲通信技術(shù)

學(xué)

哲學(xué)I基礎(chǔ)科學(xué)I技術(shù)科學(xué)I工程技術(shù)

系統(tǒng)科學(xué)體系

按錢學(xué)森教授的構(gòu)想，現(xiàn)代科學(xué)結(jié)束體系縱向可分為四個(gè)層次：

哲學(xué)、基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)和工程技術(shù)。錢學(xué)森教授認(rèn)為，在系統(tǒng)科

學(xué)中，直接與改造客觀世界的社會(huì)實(shí)踐相聯(lián)系的是一類新的工程學(xué)一

系統(tǒng)工程、自動(dòng)化技術(shù)和通信技術(shù)，它們屬工程技術(shù)層次的科學(xué)，這

類工程技術(shù)的共同理論是一般系統(tǒng)論、控制論和信息論，它們屬技術(shù)

科學(xué)層次的科學(xué)。

二、系統(tǒng)理論

在系統(tǒng)科學(xué)中，構(gòu)成系統(tǒng)學(xué)的幾個(gè)基本理論是：一般系統(tǒng)理論、

運(yùn)籌學(xué)、控制論、信息論、協(xié)同論、突變論和耗散結(jié)構(gòu)等。其中一般

系統(tǒng)理論、控制論和信息論稱為“老三論”；協(xié)同論、突變論和耗散

結(jié)構(gòu)稱為“新三論”。

§2.1一般系統(tǒng)論

一、歷史背景

1937年美籍奧地利生物學(xué)家馮.貝塔朗菲在對(duì)生物學(xué)的研究中發(fā)

現(xiàn)把生物分解的越多，反而會(huì)失去全貌，對(duì)生命的理解和認(rèn)識(shí)反而越

來(lái)越少。因此就開(kāi)始了理論生物學(xué)研究，創(chuàng)立了一般系統(tǒng)論。1945

年《關(guān)于一般系統(tǒng)論》的發(fā)表，成為系統(tǒng)論形成的標(biāo)志。

二、含義和宗旨

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河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義

一般系統(tǒng)論是貝塔朗菲創(chuàng)立的邏輯和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)，其目的是

為了要建立適用于系統(tǒng)的一般原則。一般系統(tǒng)論起源于機(jī)體論，它是

一種與機(jī)械論相對(duì)立的生物學(xué)理論。

1.機(jī)械論的三個(gè)基本錯(cuò)誤：

?簡(jiǎn)單分解，簡(jiǎn)單相加的原理

?機(jī)械觀點(diǎn)

?被動(dòng)反應(yīng)觀點(diǎn)

2.馮.貝塔朗菲提出適用于系統(tǒng)的一般原則：

?整體性原則

就是一切有機(jī)體都是一個(gè)整體——系統(tǒng)

?相互關(guān)聯(lián)原則

就是系統(tǒng)各組成部分之間都是相互聯(lián)系、相互依賴、相互制約、

相互作用的。

?有序性原則

就是一切有機(jī)體都是按嚴(yán)格的等級(jí)組織起來(lái)的

?動(dòng)態(tài)原則

就是一切有機(jī)體本身都處于積極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之中。

貝塔朗菲從理論生物學(xué)的角度總結(jié)了系統(tǒng)思想，運(yùn)用類比、同構(gòu)

的方法建立起開(kāi)放系統(tǒng)的一般系統(tǒng)論，提出生命現(xiàn)象的有組織性、有

目的性和有序性。如果我們把研究對(duì)象當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)——有機(jī)整體，

就完全可以用貝塔朗菲的系統(tǒng)論。

§2.2控制論

一、控制論發(fā)展的歷史

1.第一階段：從20世紀(jì)40年代末到50年代，經(jīng)典控制理論時(shí)

期。

1948年維納《控制論》提出科學(xué)思想、系統(tǒng)思想。1954年錢學(xué)森

《工程控制論》工程實(shí)踐。

主要的研究對(duì)象是單因素控制系統(tǒng)，重點(diǎn)是反饋控制。只解決單

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河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義

輸入和單輸出系統(tǒng)的控制問(wèn)題。

2.第二階段：60年代，現(xiàn)代控制理論時(shí)期

美國(guó)科學(xué)家卡爾曼（kalman）將量子力學(xué)內(nèi)容引入到控制論中。研

究對(duì)象是多輸入和多輸出系統(tǒng)的非線性控制系統(tǒng)。重點(diǎn)是研究最優(yōu)控

制。

3.第三階段：進(jìn)入70年代以后，大系統(tǒng)理論控制時(shí)期

研究對(duì)象是因素眾多的大系統(tǒng)，重點(diǎn)是大系統(tǒng)多級(jí)遞階控制，借

助的工具是電子計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)和智能機(jī)器，應(yīng)用領(lǐng)域主要為社會(huì)系統(tǒng)、

經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)等。

二、控制系統(tǒng)分類

1.按控制任務(wù)分類

?定值控制

?程序控制

?隨動(dòng)控制

?最優(yōu)控制

2.按控制方式

?簡(jiǎn)單方式

需求控制方案實(shí)施

k指令受控對(duì)象

?補(bǔ)償控制

?反饋控制

?遞階控制

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河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義

總?cè)蝿?wù)

三、控制論對(duì)系統(tǒng)工程方法論的啟示

1.黑----灰----白箱法

控制論的創(chuàng)始人維納在《模型在科學(xué)中的作用》中認(rèn)為，所有的

科學(xué)問(wèn)題都是作為“閉盒”問(wèn)題開(kāi)始的。若干可選擇的結(jié)構(gòu)被密封在

“閉盒”中，研究它們的唯一途徑是利用閉盒的輸入和輸出。這里的

閉盒就是黑箱。

所謂黑箱方法，就是采用不打開(kāi)系統(tǒng)的“活體”，僅從系統(tǒng)的整

體聯(lián)系出發(fā)，通過(guò)系統(tǒng)的輸入和輸出關(guān)系來(lái)研究，去認(rèn)識(shí)和把握系統(tǒng)

的功能特性，探索其結(jié)構(gòu)和機(jī)理的研究方法。

比如中醫(yī)看病，通過(guò)“望、聞、問(wèn)、切”等外部觀測(cè)作出診斷，

開(kāi)出處方。這種從人體輸入和輸出的“辯證施治”，就是把病體視為

黑箱。

白箱則指系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)都是十分清楚的系統(tǒng)，如某種氧氣發(fā)生

器，其內(nèi)部的成分和反映機(jī)理都是十分清楚的。

灰箱的方法則指對(duì)系統(tǒng)有部分的認(rèn)識(shí)，但不夠完全。

而對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，事物總是從黑箱到灰箱，最后變成白箱的過(guò)

程，這反映了人類認(rèn)識(shí)的不同階段。所謂打開(kāi)黑箱，在任何場(chǎng)合也只

是打開(kāi)其中的某一層次。事物本質(zhì)的層次性，決定了事物的黑箱總是

一層套一層，永遠(yuǎn)不會(huì)完結(jié)。黑箱永遠(yuǎn)有，白箱永不白。這就是說(shuō)，

在任何時(shí)候，人總得采用不打開(kāi)黑箱的方法研究事物，解決問(wèn)題。

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河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義

2.功能模擬法

功能模擬法就是以功能和行為的相似性為基礎(chǔ)，用模型模仿原型

的功能和行為的一種方法。

3.形式化、數(shù)量化、最優(yōu)化方法

控制論的提出促使人們對(duì)系統(tǒng)采用形式化加以抽象，進(jìn)行數(shù)量化

加以定量描述，并求系統(tǒng)的最優(yōu)化。

§2.3信息論

一、歷史和意義

十九世紀(jì)人們開(kāi)始研究信息

1948年美國(guó)數(shù)學(xué)家申農(nóng)(C.E.Shannon)發(fā)表了《通信的數(shù)學(xué)理

論》正式提出了信息論。

二、信息的概念

“情報(bào)”

“知識(shí)”

“消息”是信息的載體

“信號(hào)”

Hartly：是在通信符號(hào)中選擇符號(hào)的具體方式

維納：信息不是物質(zhì)也不是能量，在信息與物質(zhì)、能量之間劃了

一條界限；信息是控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)活動(dòng)時(shí)，與外界相互作用、相互

交換的內(nèi)容；信息是系統(tǒng)的組織性的量度。

申農(nóng)：信息是事物運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)存在方式的不確定性的描述。

信息=通信前的不確定性-通信后的不確定性。

通信問(wèn)題的模型

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河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義

三、信息的度量

令P記可能消息A發(fā)生的概率

I記可能消息攜帶信息量

?特征P小I大，P大I小

I=f(P)

?可加性

I(AB)=I(A)+I(B)

?定義單個(gè)可能消息的信息量為

I=-log2p=log,—比特(bit)

P

四、信息端

設(shè)有一個(gè)實(shí)驗(yàn)A(隨機(jī)事件)有n個(gè)可能結(jié)局的事件：

x1,x2,…,xn,每個(gè)事件出現(xiàn)的概率分別是p1,p2,...,pn且滿足下列條件

0<<1

EA=1

1=1

定義”=P,iog2Pi信息端公式

i=T

端是系統(tǒng)紊亂程度的表征，系統(tǒng)越“亂”，焙就越大；系統(tǒng)越有

序，燧就越小。信息是表示系統(tǒng)不確定性的減少。一個(gè)系統(tǒng)不確定性

越大，則系統(tǒng)越無(wú)序；不確定性消除了，系統(tǒng)也就穩(wěn)定了。一個(gè)系統(tǒng)

所獲信息量越大，系統(tǒng)就越有序，爆就越小。反之，所獲信息量越

小，系統(tǒng)越無(wú)序，端就越大。

由此可知，信息與端是互補(bǔ)的。它們的這種互補(bǔ)關(guān)系，表現(xiàn)在計(jì)

算公式上僅差一個(gè)負(fù)號(hào)。它表明負(fù)烯與端描述的是同一事物的兩個(gè)相

反方向。正象有些科學(xué)家指出的那樣，“端的獲得永遠(yuǎn)意味著信息的

丟失，而不是別的?！?/p>

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河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義

河而科栽大號(hào)教案首頁(yè)

課程名稱系統(tǒng)工程計(jì)劃學(xué)時(shí)2

授課章節(jié)第3章系統(tǒng)工程方法論

教學(xué)目的和要求：

在本講中，使學(xué)生了解系統(tǒng)工程的概念和特點(diǎn)。掌握系統(tǒng)工程的

方法論——霍爾三維結(jié)構(gòu)法。

教學(xué)基本內(nèi)容：

1.系統(tǒng)工程的概念

2.系統(tǒng)工程的特點(diǎn)

3.霍爾三維結(jié)構(gòu)法

教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：

系統(tǒng)工程的特點(diǎn)

霍爾三維結(jié)構(gòu)法

授課方式、方法和手段：

板書為主，同時(shí)加以作業(yè)和答疑

作業(yè)與思考題：

1.系統(tǒng)工程的概念

2.系統(tǒng)工程的特點(diǎn)

3.畫出霍爾三維結(jié)構(gòu)法的簡(jiǎn)圖

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河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義

第3章系統(tǒng)工程概述

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為系統(tǒng)思想的定量化創(chuàng)造了條件，它為系統(tǒng)思想

的定量化提供了數(shù)學(xué)理論和強(qiáng)有利的計(jì)算工具一一電子計(jì)算機(jī)，并推

動(dòng)了系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展。到20世紀(jì)60年代，系統(tǒng)思想的定量化已發(fā)展

成既有理論指導(dǎo)，又有科學(xué)方法和實(shí)踐內(nèi)容的新的工程技術(shù)學(xué)科一一

系統(tǒng)工程(SystemsEngineering)。SE

§3.1系統(tǒng)工程的基本概念

一、系統(tǒng)工程的定義

系統(tǒng)工程作為一門學(xué)科問(wèn)世以來(lái)，僅僅50多年的時(shí)間，在各行

各業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，收到了良好的效果，同時(shí)系統(tǒng)

工程的實(shí)踐也促進(jìn)了本學(xué)科的繼續(xù)發(fā)展與完善。到目前為止，關(guān)于系

統(tǒng)工程的定義國(guó)內(nèi)外學(xué)者觀點(diǎn)齊說(shuō)不一。

?錢學(xué)森："系統(tǒng)工程是組織和管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、

制造、試驗(yàn)和使用的科學(xué)方法，是一種針對(duì)所有系統(tǒng)具有普遍

意義的可行方法。”“系統(tǒng)工程是一門組織管理的技術(shù)?！?/p>

?中國(guó)大百科全書：“系統(tǒng)工程是從整體出發(fā)，合理地開(kāi)發(fā)、設(shè)

計(jì)、實(shí)施和運(yùn)用系統(tǒng)的工程技術(shù)。”

?日本的JIS：“系統(tǒng)工程是為了更好地達(dá)到系統(tǒng)目的，對(duì)系統(tǒng)

的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息流動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)等進(jìn)行分析與設(shè)

計(jì)的技術(shù)。”

綜上所述，系統(tǒng)工程是從總體出發(fā)，合理開(kāi)發(fā)、運(yùn)行和革新一個(gè)

大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)所需思想、理論、方法論、方法與技術(shù)的總稱，屬于

一門綜合性的工程技術(shù)。

它是按照問(wèn)題導(dǎo)向的原則，根據(jù)總體協(xié)調(diào)的需要，按自然科學(xué)、

社會(huì)科學(xué)、數(shù)學(xué)、管理學(xué)、工程技術(shù)等領(lǐng)域的相關(guān)思想、理論、方法

等有機(jī)地綜合起來(lái)，應(yīng)用定量分析和定性分析相結(jié)合的基本方法，采

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河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義

用現(xiàn)代信息技術(shù)等技術(shù)手段，對(duì)系統(tǒng)的功能培植、構(gòu)成要素、組織結(jié)

構(gòu)、環(huán)境影響、信息交換、反饋控制、行為特點(diǎn)等進(jìn)行系統(tǒng)分析，最

終達(dá)到使系統(tǒng)合理開(kāi)發(fā)、科學(xué)管理、持續(xù)改進(jìn)、協(xié)調(diào)發(fā)展的目的。

二、系統(tǒng)工程的特點(diǎn)

a）研究對(duì)象廣泛

系統(tǒng)工程不同于一般的工程技術(shù)學(xué)科。一般工程技術(shù)學(xué)科，如水

利工程、機(jī)械工程等都與形成實(shí)物的實(shí)體的對(duì)象有關(guān)，國(guó)外稱這類工

程為“硬”工程，而系統(tǒng)工程的研究對(duì)象除了這類“硬”工程之外，

還包括這種工程的組織與經(jīng)營(yíng)管理一類，國(guó)外被稱之為“軟”科學(xué)的

各種內(nèi)容。

b）一門跨學(xué)科的邊緣學(xué)科（交叉學(xué)科）

系統(tǒng)工程涉及各種學(xué)科，各個(gè)領(lǐng)域的各種內(nèi)容。把一個(gè)工程項(xiàng)目

作為系統(tǒng)來(lái)處理，必須涉及其他工程技術(shù)的內(nèi)容。如果我們把一般工

程學(xué)科作為一條代表專業(yè)的縱線，則系統(tǒng)工程是跨越各條縱線的一條

橫線。它通過(guò)橫向的綜合，提出解決問(wèn)題的方法和步驟，因此它是跨

越不同學(xué)科的綜合性科學(xué)。

如建筑工程是專業(yè)技術(shù)工程學(xué)科，它主要研究建筑、設(shè)計(jì)和施工

技術(shù)。而建筑系統(tǒng)工程則市綜合社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)及其他工程技術(shù)系

統(tǒng)等進(jìn)行城市的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與管理、建筑物的設(shè)計(jì)、施工組織等問(wèn)

題，開(kāi)展以規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工及管理為主線，以社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、生

態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)、美學(xué)、工業(yè)工程學(xué)、電子學(xué)等為基礎(chǔ)的

c）采用定量分析、定性分析相結(jié)合的方法

馬克思曾明確指出，一種科學(xué)，只有當(dāng)他成功地應(yīng)用了數(shù)學(xué)的時(shí)

候，才能達(dá)到完善的地步。數(shù)學(xué)方法已成為解決系統(tǒng)工程問(wèn)題的主要

方法。在定性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行定量分析，定量分析必須以定性分析

為前提。只進(jìn)行定性分析，不能準(zhǔn)確地說(shuō)明一個(gè)系統(tǒng)，只有進(jìn)行了定

量分析之后，對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)才能達(dá)到一定的深度，結(jié)論才能另人信

服。然而沒(méi)有定性分析做指導(dǎo)，定量分析就失去了依據(jù)，就會(huì)成為

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河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義

“數(shù)學(xué)游戲”。因此，在處理問(wèn)題時(shí)，一定要在定性分析的基礎(chǔ)上應(yīng)

用數(shù)學(xué)方法，建立模型，進(jìn)行優(yōu)化，從而使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化的目的。

三、系統(tǒng)工程的發(fā)展歷史

?第一階段

1930年美國(guó)發(fā)展與研究廣播電視系統(tǒng)正式提出系統(tǒng)方法的概

念

1940年美國(guó)（Bell）貝爾電話公司開(kāi)發(fā)微波通信系統(tǒng)正式使

用系統(tǒng)工程一詞

?第二階段

第二次世界大戰(zhàn)期間英、美等國(guó)的反空襲等軍事行動(dòng)產(chǎn)生軍事

運(yùn)籌學(xué)小組（MilitaryOperationalResearch）

20世紀(jì)40年代美國(guó)研制原子彈的“曼哈頓計(jì)劃”運(yùn)用系統(tǒng)工

程，并推動(dòng)了其發(fā)展。

1945年美國(guó)空軍建立研究與開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（RAND）提出系統(tǒng)分析

概念。

?第三階段

40年代后期到50年代初期運(yùn)籌學(xué)的廣泛運(yùn)用與發(fā)展、控制論的

創(chuàng)立與應(yīng)用、電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，為系統(tǒng)工程奠定了重要的科學(xué)基

礎(chǔ)。

?第四階段

1957年H.Good和R.E.Machol發(fā)表第一部《系統(tǒng)工程》著作系

統(tǒng)工程學(xué)科形成的標(biāo)志

1958年美國(guó)研制北極星導(dǎo)彈潛艇提出PERT（網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)）這

是較早的系統(tǒng)工程技術(shù)

1965年美國(guó)自動(dòng)控制學(xué)家L.A.Zedeh提出“模糊集合”概念為

現(xiàn)代系統(tǒng)工程奠定了重要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

1961年~1972年美國(guó)實(shí)施“阿波羅”登月計(jì)劃使用多種系統(tǒng)工

程方法，其成功地提高了系統(tǒng)工程的地位

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河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義

?第五階段

1972年國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所（IIASA）在維也納成立系統(tǒng)工

程的應(yīng)用重點(diǎn)開(kāi)始從工程領(lǐng)域進(jìn)入到社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域