第二章系统与系统工程

系统，例如，太阳系、地质构造、原始森林。
人造系统是人类根据自己的需要设计、建造的 系统，这类系统的功能和目的特别明确。 复合系统是指由人介入自然系统并且发挥主导 作用而形成的各种系统。
实体系统与概念系统
实体系统是由物质实体组成的，物质实体包括
矿物、生物、能量、机械、车间、学校等各种
自然物和人造物。
系统结构
图2.1 系统的基本概念图
2）、系统概念主要包含三层意思：
系统包含两个或两个以上的元素，这些元素可 以称为要素（主要元素）、部分或者子系统 （即自身也构成一个系统）。
系统的元素之间存在着各种简单或者复杂的关 系或联系。
系统是其所有元素与全部关系综合而成的有机 整体，或称为有机统一体。
管理系统问题举例
一般系统论（general system theory) 奥地利理论生物学家L.VON 贝塔朗菲； 1945年发表《关于一般系统论》 研究复杂系统一般规律的学科 基本观点： 整体性 开放性及目的性（有效性、适应性、寻的性） 动态相关性（动态性取决于相关性） 等级层次性 有序性（结构或空间；发展或时间）
开放系统指的是与外界环境之间存在着物质的、
能量的、信息的流动与交换的系统。
封闭系统是指系统与环境之间不发生这些流动
与交换。严格的封闭系统是不存在的。
开环系统与闭环系统
在开放系统中，系统的输出反过来影响系
统输入的现象，称为反馈。增强原输入作用的
反馈称为正反馈，削弱原输入作用的反馈称为
负反馈。负反馈使得系统行为收敛，正反馈使
运筹学发展成为一个专门的数学分支，由数学家进行专门研究，
并为系统工程提供最重要的方法和理论基础。
运筹学的目的：增加现有系统效率的分析工作，通常涉及现已存
在系统的运营情况，如工厂、市场等系统；以专业技术为导向，分 析程序由下而上（战术）
系统工程：对若干可供选择的执行特定任务的系统方案进行选择
比较；以问题状况为导向，分析程序由上而下（战略）
三、系统工程与其他相近学科的关系
1 系统科学与系统工程
系统科学是一门从总体上研究复杂系统共同运动规律的科学
系统工程是一门系统科学、工程技术学、经济学和管理学等相结合 的组织管理技术，是一种改造客观世界的工程技术，同时也是一种 运筹与决策的艺术。
奥地利理论生物学家贝塔朗菲将系统论分为：
一般系统论- 关于“系统”的科学，对各种不同的具体科学（物理学、生物学、 经济学等）的系统进行科学的理论研究，要求用精确的数学语言 描述各种系统； 系统技术 － 涉及系统工程的内容，着重研究系统思想与系统方法在 现代科学技术和社会的各种系统中的实际应用； 系统哲学 － 包括系统本体论、系统认识论、以及人与世界关系的价值观、 人本主义等等。
系统工程：设计新系统的科学方法。（钱学森）
系统工程理论
系统科学的学科体系
我国著名科学家钱学森提出了一个清晰的 现代科学技术的体系结构，认为从应用实践到 基础理论，现代科学技术可以分为四个层次： 首先是工程技术这一层次，然后是直接为工程 技术提供理论基础的技术科学这一层次，再就 是基础科学这一层次，最后通过进一步综合、 提炼达到最高概括的马克思主义哲学。如图2-1 所示。
第二章
一、系统 （1）系统的概念
系统与系统工程
一窝蚂蚁或蜜蜂是一个生态系统； 一片原始森林也是一个生态系统； 一台计算机是一个系统，硬件、软件和其他外围设备， 以及机器的连接方式共同决定着计算机的质量，而成 千上万台计算机组成的网络也是一个系统； 有人参与的，一个家庭、一所医院、一个社区是一个 系统；没有人参与的，一辆汽车、一架飞机也是一个 系统；由汽车、司机、乘客、修理工、交通警察，以 及道路、信号、交通规则等组成的交通运输网络是一 个更为复杂的系统。
系统，尤其是人造系统的每一个要素围绕系统的目 标都具有特定的功能，完成系统指定的功能是每个 要素的首要任务。例（P19）。 在任何系统中，每个要素完成其系统指定功能的能 力都将影响整个系统的性质和行为。
系统中任何要素对系统的影响都依赖于其他要素的 性质和行为。
2）、要素和系统辨证关系
要素与系统是对立统一的，它们既相互联系又相互区
3.系统工程的应用
社会系统工程；经济系统工程；区域规划系统工程； 环境生态系统工程；能源系统工程；水资源系统工 程；交通运输系统工程；农业系统工程；企业系统 工程；工程项目管理；科技管理；教育系统工程； 人口系统工程；军事系统工程
1)系统工程定义
系统工程是关于组织、管理、规划、研究、设计、制造、试验和 使用系统的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学 方法。（钱学森） 系统工程是一门以大系统为研究对象的对学科、跨行业的边缘学 科，它结合自然科学、工程技术和社会科学的思想、理论和方法， 把系统内人类的生产、科研或经营组织起来，应用现代数学和电 子计算机技术为工具或手段，对系统构成要素、组织结构、信息 交流和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和运行、从而达到 系统的最优设计、最优控制、最优管理。（汪应洛） 系统工程就是使从无到有的创造合理化的科学，就是合理进行开 发、设计、运用系统而采用的思想、程序、组织和方法的总称。 （日本 寺野寿郎） 为了制造系统，需要将实现其目标和功能的必要硬件、软件、子 系统、要素等适当地组织起来并进行统一，系统研究不仅涉及工 程学领域，而且涉及社会、经济和政治等领域。（日本 三浦武 雄）
图2-2 系统科学的体系
系统学主要研究系统的普遍属性和运动规律， 研究系统演化、转化、协同和控制的一般规律， 研究系统间复杂关系的形成法则、结构和功能的 关系、有序、无序状态的形成规律以及系统仿真 的基本原理等，随着科学的发展，它的内容也不 断在丰富。由于其尚属于起步阶段，还不够成熟， 因而学者们对系统科学的学科体系的认识仍有较 大差异。系统工程是从实践中产生的，它用系统 的思想与定量和定性相结合的系统方法处理大型 复杂系统的问题，它是一门交叉学科。
1.
框架结构：能够基本确认系统的主要关 联方式； 运行结构：系统运行过程中各组分之间 相互动态影响的关联方式 空间结构：系统组分在空间的排列配置 方式； 时间结构：系统组分关联方式随时间的 变化特征。
2、层次
对于系统 S A, R ，设 H R, a1 , a2 , A ，若 a1 与 a2 之间有关系 r H ，则 记作 a1 H a2 。如果存在 A1 A ，使对 a1 j A1 ，有 a1 H a1 j ，则称在 H 意义下，
图2.2 系统活动结构图
作业：根据所掌握专业知识设计一个系统，分出构成要素
（5）系统的类型
自然系统、人造系统与复合系统 实体系统与概念系统 动态系统与静态系统 封闭系统与开放系统 开环系统与闭环系统
主要明确SE研究什么样的系统问题
自然系统、人造系统与复合系统
自然系统是自然形成的、单纯由自然物组成的
2 系统分析与系统工程
(1)系统工程＝系统分析;
(2)系统工程包括在系统方法之中，与系统分析并列; (3)系统工程包括系统分析、系统设计和决策分析. 本课程体系：系统工程＝系统分析＋决策分析
3 运筹学与系统工程
运筹学和系统工程可以看作是属于一个领域中的两个姐妹学科，
都是系统思想方法定量化的实际应用研究。


系统要素、结构、环境因素和系统功能的关系
系统的要素
系统的功能
系统的结构 环境因素 F＝Φ（C，S，E）
C: 组成要素；S: 结构；F: 功能；E: 环境.
系统活动结构图
外界社会系统环境 原材料等输入 社会供 应系统 办公室
工厂生产系统 原材料 成品输出 生产车间
商品销 售系统
成品库
物质流 信息流 指令流
概念系统则由概念、原理、法则、制度、规定、 习俗、传统等非物质实体所组成，是人脑和习 惯的产物，是实体系统在人类头脑中的反映。
动态系统与静态系
静态系统则是其状态参数不随时间改变的系统，
动态系统是如果系统内部的结构参数随时间而
改变，则谓之动态系统。如生产系统、交通系
统、服务系统、人体系统等。
封闭系统与开放系统
环境分析 经营决策与计划 投入 转换 产出 国家 政策 市场 研究 技术 经济 预测 技术 文件 生产 控制 服务 调查
社 会 需 求
劳动 力
经 营 目 标 产 品 开 发 经 营 计 划
竞争 状况 企业 能力 资金 来源 资源 条件
生 产 技 术 准 备
劳动 手段
生 产 组 织 与 控 制
库存 控制
2）SE的内容与特点
所谓SE，是用来开发、运行、革新一个 大规模复杂系统所需思想、程序、方法的总 和（或总称）。 SE强调以下基本观点： (1) 整体性和系统化观点（前提） (2) 总体最优或平衡协调观点（目的） (3) 多种方法综合运用的观点（手段） (4) 问题导向及反馈控制观点（保障）
3）系统工程的理论基础
别，如球员和球队，学生和学校。
系统和要素存在着功能的转化，要素的功能可以通过
系统的结构与法则作用转化为系统的功能，系统的要 素也可能由某些要素分担。 系统和要素是相对的，一个系统可以是组成更高层次 系统的要素，同样道理，一个要素也可以是比它层次
更低的要素所组成的系统。
（3）系统的基本性质
整体性
涌现性
相关性 层次性 目的性 成长性 环境适应性
（4）系统的数学表示
如果定义系统内所有元 素为xi , xi X , 定义所有元素存在关联 ，即存在R {rij }nn ; 且系统有m层，则系统S f ( X , R, C )。其中， X {xi , i 1, n}为元素集，R {rij }nn 为关联集， C {C j }m 为层次集。
1）、系统的定义 系统是有特定功能的、相互间具有联系的许 多要素所构成的一个整体。（汪应洛教授、王众托