系统工程基础概述

第二章系统工程基础概述
教学目的：使学生理解系统工程的概念，了解系统工程的发展历程和基础理论，掌握系统工程的研究方法，理解物流系统工程的基本方法和技术。

基本要求：1、理解系统工程的概念；
2、了解系统工程的基础理论；
3、重点掌握系统工程的研究方法；
4、理解物流系统工程的概念、基本方法和技术
教学重点：系统工程方法论，物流系统工程的常用技术和手段。

教学时数：2学时
第一节系统工程及其发展历程
1. 系统工程的定义
❑“系统工程”这个词来源于英文“System Engineering”。

❑系统工程主要提供一套现代化的管理方法，同时也能够促进工程活动本身获得最佳效果
❑系统工程在不同的学科有多种不同的定义，代表性的定义有
美国著名学者切斯纳（H. Chestnut）：系统工程按照各个目标进行权衡，全面求得最优解（满意解），并使各组成部分能够最大限度
的相互适应。

日本工业标准“运筹学术语”中指出：系统工程是为了更好地达到系统目标，而对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机制等
进行分析和设计的技术。

我国的定义：系统工程就是用科学的方法组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用，规划和组织人力、物力、财力，通
过最优途径的选择，使工作在一定期限内收到最合理、最经济、最
有效的成果。

该定义有三层含义：
组织和管理的技术
解决工程活动全过程的技术
这种技术具有普遍性
2. 系统工程的特征
❑普遍性
系统工程不限于某一特定的研究对象，各种自然的、社会的系统都可以做为它的研究对象
❑全局最优性
系统工程着眼于系统的整体状态和过程，而不拘泥于局部的、个别的部分，以系统整体的最佳为目标。

❑相关性
系统工程与所处的环境和条件密切相关，离不开事物本来的性质与特征。

3.系统工程与常规工程学的区别
1．常规工程学以自己特定的物质为对象，而系统工程则不限于某一特定的物质对象，各种自然的、生态的、人类的、企业的和社会的组织等都可以作为它的研究对象；
2．系统工程具有多学科综合性的特点，它不仅应用于自然科学，而且也要用到其他工程技术，如管理科学、经济学、社会学，乃至心理学、生态学和医学等知识；现代自然科学的发展，出现了两大趋势，一是高度细化，一是高度综合。

系统工程是高度综合的产物。

3．常规工程学多着眼于技术的合理性，往往是利用组成元素的良好程度来确保和维持整个系统的总体功能。

而系统工程则是从整个系统的最优出发，首先确定整体的目标，然后再参照这个目标来决定各元素所必需的性能，并利用各元素间的巧妙联系和协调运转来实现总体目标。

这样做往往更能提高整个系统的水平。

有一项调查显示，在美国、日本生产的同一种产品，若考察该产品各部件的合格率，美国大于95%，日本70%多一点；若看产品整体的合格率，则日本大于98%，美国在90%左右。

4. 系统工程的形成与发展
系统工程的发展大致可以分为萌芽、发展和初步成熟三个时期。

（1）萌芽时期（20世纪50年代以前）
在古代，人们就有了系统工程思想的萌芽。

20世纪30—40年代工程技术有了巨大进步，加上第二次世界大战的因素，更有了飞速的发展。

随着生产规模越来越大，生产技术越来越复杂，科学研究涉及的专业和部门越来越多。

这些大规模的生产系统、技术系统和科学系统由许多部分组成，关系错综复杂，需要人们从整体和相互联系的角度去考虑问题，需要制定一套处理复杂系统和组织工作的科学方法及程序。

40年代，美国贝尔电话公司首先使用了“系统工程（system engineering）”命名设计新系统（研究发展微波通信网）的科学方法。

（2）发展时期（20世纪50年代至60年代）
1957年，美国密治安大学的古德（A.H.Goode）和麦考尔（R.E.Machal）合作出版了第一本以“系统工程”命名的书。

第二次世界大战后，美国的兰德公司，针对大型社会、经济系统问题的研究，倡导“系统分析（System analysis）”，着重于解决大型社会经济系统中的问题时，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，进行费用效果分析。

此外，针对大型企业的经营管理技术的发展，以泰勒（F.W.Taylor,1856—1915）为代表的科学管理发展成了管理科学（Management Science）。

1958年美国在北极星导弹的研制中，首先采用了计划评审技术（PERT），有效地推进了计划管理。

1969年，阿波罗飞船登月成功，被公认为是系统工程成功的范例，引起了人们对系统工程的广泛重视。

在这一时期，一般系统论、运筹学、控制论、信息学等学科相互渗透融合，对系统工程的发展发挥的巨大的推动作用。

（3）初步成熟时期（20世纪60年代以后）
1965年美国学者麦考尔（R.E.Machal）编写了《系统工程手册》一书，内容包括系统工程的方法论、系统环境、系统部件、系统理论、系统技术以及一些数
学基础。

此书基本概括了系统工程各方面的内容，使系统工程形成了比较完整的体系。

以后，许多学者著书立说，使系统工程这一学科趋于完善。

第二节系统工程的理论基础
系统工程的理论基础包括系统论、信息论、控制论、运筹学等科学技术，其中运筹学是系统工程最重要的理论基础。

应特别指出的是，系统工程除了上述理论基础之外，另一个重要的基础就是计算机科学和计算机技术。

（1）一般系统论
贝塔朗菲是理论生物学家，1937年在芝加哥大学、莫里斯（C.Morris）主持的哲学会议上第一次提出了一般系统论的概念。

1945年贝塔朗菲的《关于一般系统论》于《德国哲学周刊》第18期上发表，明确提出一般系统论的任务“乃是确立适用于系统的一般原则”，并对系统的共性作了一定的概括，如系统的整体性、关联性、动态性、有序性、终结性（目的性）等。

经过40年代末50年代初的发展，一般系统论开始形成了国际性新学科。

1954年成立“一般系统论协会”（1956年改名为“一般系统研究会”，80年代末又改名为“国际系统科学学会”），出版了机关刊物《行为科学》、《一般系统年鉴》。

一般系统论对系统科学的形成和发展做出了贡献，但他们关于建立各种系统共同规律的探索，还是定性描述和概念的阐发居多，深入的定量理论和方法较少。

（2）运筹学
30年代末，由于战争的需要，研制了雷达系统。

这个新的系统的有效运行，以及其他武器系统的分析和评价，提出许多问题并逐一得到较满意的解决，从而出现了运筹学（operational research）。

A.物资运输问题
B.深水炸弹爆炸深度问题
C.飞机极限使用问题
D.Dantzig的单纯形法( 1947年在其硕士毕业论文中阐述并发表（Programming in a linear structure, Comptroller, USAF, Washington D.C., 1948），当年27岁，在世界范围内引起了很大的轰动)
二次大战结束后，运筹学从单纯军事和战争中的应用研究，转移到经济和工业管理中的应用，并形成了自己的理论和方法。

到六十年代末运筹学打到了成熟期，其标志是1969年出版的瓦格纳（H.W.Wagner）的《运筹学原理和对管理决策的应用》。

这是一本树立了运筹学新标准的教科书，获得广泛应用。

（3）控制论
控制论（cybernetics）的创始人是美国人维纳（N.Wiener，1894—1964），他把控制论定义为：关于在动物和机械中控制和通信的科学。

控制论是在20世纪30—40年代蓬勃发展的自动控制技术和统计数学的背景下诞生的。

（4）信息学
我们这里说的信息学（informatics, information science），是关于系统的信息传递和处理的科学理论，不仅是香农（C.E.Shannon）的信息论，还包括了电子计算机理论。

香农信息论形成的背景是通信工程。

第二次世界大战对通信的实际需要，迫切要求建立通信理论，香农在1948年发表了《通信的数学理论》，宣告了信息论
的诞生。

香农的信息论提炼出了包括信息源、信息归宿、信息通道的信号传输的普遍适用的模型，定义了信息量，提出了信息编码定理等重要定理，为一般意义上的信息传输奠定了理论基础。

1948年电子计算机的诞生，是人类认识社会、改造世界的一个伟大事件。

电子计算机不但是威力巨大的计算手段，它首先标志着人类对信息处理本质的深刻认识。

信息处理原本是人的智能，电子计算机的诞生就宣告了对人类智能的机理有了基本的本质性的认识，并且实现了人的处理信息的职能可以部分有人造物代替。

电子计算机现在被广泛叫做“电脑”，不但形象，也是很确切的。

对于系统科学研究的一大类系统，控制论从系统外显的目的行为出发，把目的行为和信息的获取、传输和处理关联起来，概括成了一个反馈控制模型。

而香农信息论则撇开了所谓信息的语义，从信息的语法方面建立了传递信息的通信系统模型。

冯•诺伊曼（von. Neumann）计算机则实现了一种处理信息的“物理符号系统”，这是人类智能物化的伟大起点。

目的、行为、控制、信息、语法、语义、智能等本来都是表征人的活动的词汇，由于控制论、信息学的发展，这些词汇也被赋予了机器等人工物。

这样，运筹学、控制论和信息学的成就，就把科学的定量的系统思想的适用范围，从自然物扩展到人工物，从“物理”扩展到“事理”；为系统科学横向自然科学、社会科学和工程技术的基本特征的形成奠定了基础。

第三节系统工程研究方法
系统工程方法论：是指运用系统工程研究问题的一套程序化方法，也就是为了达到系统的预期目标，运用系统工程思想及其技术内容解决问题的工作步骤。

（1）系统工程方法论的基本原则
系统整体性原则
不能从系统的局部得出有关系统整体的结论；
子系统的目标必须服从于系统整体的目标；
从优化系统出发开展各子系统之间的活动；
从总体协调的需要来确定最佳方案。

系统有序相关原则
系统目标优化原则
系统动态性原则
系统分解与综合原则
系统创造思维原则
（2）三维结构方法论
三维结构方法论是一种适应面较宽、供不同系统参考的程序基本模型和统一思想方法。

1969年，美国贝尔研究所霍尔(A.D.Hall)提出了系统工程三维结构体系，它是由时间维、逻辑维和知识维组成的立体空间结构。

特点是强调明确目标，核心内容是模型化和定量化。

时间维：
（1）规划阶段：按客观需要，探索应建立何种系统，提出建立这种系统的目的、制定出系统工程活动的规划；
（2）拟定方案：提出具体的计划方案；
（3）研制阶段：根据拟定的方案进行系统研制，并制定出生产计划；
（4）生产阶段：生产和加工出系统的全部零部件，并提出安装计划；
（5）安装试验阶段：把制成的零部件按照计划组装成系统，并完成调试工作；
（6）运行阶段：系统按照预定的功能投入使用；
（7）更新阶段：根据系统运行情况，对原系统不断地进行改进，或以新系统代替旧系统。

逻辑维：
（1）摆明问题：按系统的观点、弄清需要解决什么问题，希望达到什么要求；。

（2）系统指标设计：提出所解决问题要达到的目标，并制定出衡量是否达到目标的评价指标；
（3）系统综合：按照问题的性质和系统目标的要求提出若干个替代方案，对每个替代方案都列出其费用、资源消耗、功能等指标，并说明其优缺点；
（4）系统分析：通过建立模型，把所有替代方案与系统的评价指标联系起来，以便对这些方案进行分析比较；
（5）系统优化：选择方案中的参数，使各替代方案都尽量均衡地满足系统的评价指标最优；
①
①
③
② ③
（6）决策：根据系统优化的结果，选出最优方案。

（6）实施计划：根据最后选定的方案，拟定具体的实施计划，并组织实施，若实施中遇到问题，则需返回到相应步骤，不断修改，直到完善为止。

知识维：是指为完成上述各阶段、各步骤的工作所需要的各种专业知识和技术知识。

霍尔把这些知识分成工程、医学、建筑、商业、法律、管理、社会科学和艺术等。

钱学森教授认为：“系统工程的理论基础，除了共同性的基础之外，每门系统工程又有各自的专业基础。

这是因为对象不同，当然要掌握不同对象本身的规律。

例如工程系统工程要靠工程设计，军事系统工程要靠军事科学等”。

（3）软系统方法论
英国兰卡斯特大学切克兰德(P.Checkland)提出了软系统方法论，其核心不是“最优化”，而是进行“比较”，强调找出可行满意的结果，是一个“学习”的过程。

（4）兰德方法论（系统分析方法论）
美国兰德公司自1947年成立以后，主要为战后美国空军的发展战略提供咨询服务。

后来逐渐扩大了工作范围，在长期经验积累的基础上，创立了系统分析方法论。

系统分析的重要内容，包括系统功能分析、结构分析和环境分析。

•系统功能分析
•系统结构分析
•系统环境分析
第四节物流系统工程的基本方法及技术
一、物流系统工程的涵义
在物流管理中，从物流系统的整体利益出发，把物流与信息流融为一体看作一个系统，把生产、流通和消费全过程看作一个整体，运用系统工程的理论和方法进行物流系统的规划、设计、管理和控制等并选择最优方案。

以尽可能低的物流费用、尽可能高的物流效率、良好的顾客服务，达到提高社
会经济效益和企业经济效益目的的综合性组织管理活动。

二、物流系统工程理论和方法基础
1. 物流系统工程的基本原理
就是以物流系统为特定的研究对象，把要组织管理的物流对象经过分析、推理、判断、综合、建立某种系统模型，用最优化方法，实
现系统最满意的结果。

即经过系统工程技术的处理，使物流系统达到以下目标：
技术上先进
经济上合算
时间上节省
能协调运行
2. 物流系统工程的理论和方法基础
运筹学
经济控制论
大系统理论（协同论和耗散结构理论）
系统动力学
三、物流系统工程的常用技术和手段
1．模型化技术
系统模型是对实际系统的描述、模仿或抽象。

模型化就是通过说明系统结构和行为的数学方程、图像或物理形式表达系统实体的一种科学方法。

采用模型化技术，经过恰当的抽象、加工、逻辑整理，能够把复杂物流系统变成可以准确分析和处理的结构形式，有利于得到准确的结论。

模型分为实体模型、图示模型和数学模型。

2. 系统最优化技术
就是在—定的约束条件下，求出使目标函数为最大(或最小)的解。

物流系统工程的基本思想是整体优化的思想，在外界环境约束条件下，要正确处理好众多因素之间的关系，必须采用系统优化技术，否则难以得到满意结果。

常用的物流系统优化方法有：
(1)数学规划法。

(2)动态规划法。

(3)探索法。

(4)分割法。

物流系统的目标函数是在一定条件下，达到物流总费用最省、顾客服务水平最好、全社会经济效益最高的综合目标。

3. 网络技术
网络技术即利用网络模型来“模拟”物流系统的全过程。

主要是以工作所需的时间为基础，用表达工作之间相互联系的“网络图”来反映整个系统的全貌，并指出影响全局的关键所在。

从而对整体系统做出切实可行的全面规划和安排。

4. 分解协调技术
用“分解—协调”方法对系统的各方面进行协调与平衡，处理系统内外的各种矛盾和关系，使系统能在矛盾中不断调节，处于相对稳定的平衡状态，充分发挥系统的功能。

所谓分解，就是先将复杂的大系统，分解为若干相对简单的子系统，
以便运用通常的方法进行分析和综合。

其基本思路是先实现各子系
统的局部优化，再根据总系统的总任务、总目标，使各子系统相互
“协调”配合，实现总系统的全局优化。

所谓协调，就是根据大系统的总任务、总目标的要求，使各分系统相互协调配合，在各子系统局部优化的基础上，通过协调控制，实
现大系统的全局最优化。

5. 仿真技术
对物流系统进行有效地研究，最重要的是要抓住作为系统对象的数量特性，建立系统模型。

系统模型就是由实体系统经过变换而得到的一个映象，是对系统的描述、模仿或抽象。

具有因果关系、特征、共性。

系统模型可以用数学方程、图像以及物理的形式来表达。

仿真的目标在于建立一个既能满足用户要求的服务质量，又能使物流费用最小的物流网络系统。

仿真技术在物流系统工程中应用较广，已初见成效。

除上述方法外，预测、决策论和排队论等技术方法也较广泛地应用于物流系统的研究中。