系统工程

系统工程（systems engineering）
1 什么是系统工程
系统工程是一个用于实现产品的跨学科方法。

通过它，您能够把您的每个产品作为一个整体来理解－更好地构建你的产品规划、开发、制造和维护过程。

企业利用系统工程来对一个产品的需求、子系统、约束和部件之间的交互作用进行建模/分析，并进行优化和权衡－在整个产品生命周期做出重要决策。

在整个生命周期，系统工程师利用各种的模型和工具来捕捉、组织、优先分级、交付并管理系统信息。

例如，通过QFD、质量屋（House of Quality）、六个西格玛设计(DFSS)、TRIZ以及其它技术，系统工程能够在前端就捕捉并对客户要求进行优先分级；然后，用功能建模、面向对象方法、状态图表等进行上至替代评估，下至功能和物理划分。

系统工程是运用系统思想直接改造客观世界的一大类工程技术的总称。

系统是由互相关联、互相制约、互相作用的若干组成部分构成的具有某种功能的有机整体。

人们对于系统的认识，即关于系统的思想来源于社会实践，人们在长期的社会实践中逐渐形成了把事物的各个组成部分联系起来从整体角度进行分析和综合的思想，即系统思想。

系统思想古已有之，但系统工程的诞生却是近40年来的事。

随着科学技术的迅速发展和生产规模的不断扩大，迫切地需要发展一种能有效地组织和管理复杂系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的技术，即系统工程。

系统工程是以研究大规模复杂系统为对象的新兴边缘科学，是处理系统的一门工程技术。

对新系统的建立或对已建立系统的经营管理，采用定量分析法（包括模型方法、仿真实验方法或优化方法）或定量分析和定性分析相结合的方法，进行系统分析和系统设计，使系统整个系统预定的目标。

系统工程的研究范围已由传统的工程领域扩大到社会、技术和经济领域，如工程系统工程、科学系统工程、企业系统工程、军事系统工程、经济系统工程、社会系统工程、农业系统工程、行政系统工程、法治系统工程等。

各门系统工程除特有的专业学科基础外，作为系统工程共同的基础技术科学，有运筹学、控制论、信息论、计算科学和计算技术。

相应的基础科学为系统学。

任何一种社会活动都会形成一个系统，这个系统的组织建立、有效运转就成为一项系统工程。

因此，系统工程可以解决的问题涉及到改造自然，提高社会生产力，增强国防力量，直至改造整个社会活动。

系统工程是关于生产、建设、交通、储运、通信、商业、科学研究以及人类其他活动的规划、组织、协调和控制的科学方法。

系统工程以系统为对象，从系统的整体观念出发，研究各个组成部分，分析各种因素之间的关系，运用数学方法，寻找系统的最佳方案，是系统总体效果达到最佳。

系统工程在我国建设事业、生产管理、商业经营、资源利用、环境保护、经济体制改革和科学研究等诸多领域均以取得了显著成效，其重要作用以被人们广泛认识和接受。

系统工程的含义
系统工程在系统科学结构体系中，属于工程技术类，它是一门新兴的学科，国内外有一些学者对系统工程的含义有过不少阐述，但至今仍无统一的定义。

1978年我国著名学者钱学森指出:"系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的方法"。

1977年日本学者三浦武雄指出:"系统工程与其他工程学不同之点在于它是跨越许多学科的科学，而且是填补这些学科边界空白的一种边缘学科。

因为系统工程的目的是研制一个系统，而系统不仅涉及到工程学的领域，还涉及社会、经济和政治等领域，所以为了适当地解决这些领域的问题，除了需要某些纵向技术以外，还要有一种技术从横的方向把它们组织起来，这种横向技术就是系统工程"。

1975年美国科学技术辞典的论述为:"系统工程是研究复杂系统设计的科学，该系统由许多密切联系的元素所组成。

设计该复杂系统时，应有明确的预定功能及目标，并协调各个元素之间及元素和整
体之间的有机联系，以使系统能从总体上达到最优目标。

在设计系统时，要同时考虑到参与系统活动的人的因素及其作用。

" 从以上各种论点可以看出，系统工程是以大型复杂系统为研究对象，按一定目的进行设计、开发、管理与控制，以期达到总体效果最优的理论与方法。

2 系统工程的特点
系统工程是一间工程技术，用以改造客观世界并取得实际成果，这与一般工程技术问题有共同之处。

但是，系统工程又是一类包括了许多类工程技术的一大工程技术门类，与一般工程比较，系统工程有三个特点:
(1)研究的对象广泛，包括人类社会、生态环境、自然现象和组织管理等。

(2)系统工程是一门跨学科的边缘学科。

不仅要用到数、理、化、生物等自然科学，还要用到社会学、心理学、经济学、医学等与人的思想、行为、能力等有关的学科，是自然科学和社会科学的交叉。

因此，系统工程形成了一套处理复杂问题的理论、方法和手段，使人们在处理问题时，有系统的整体的观点。

(3)在处理复杂的大系统时，常采用定性分析和定量计算相结合的方法。

因为系统工程所研究的对象往往涉及到人，这就涉及到人的价值观、行为学、心理学、主观判断和理性推理，因而系统工程所研究的大系统比一般工程系统复杂得多，处理系统工程问题不仅要有科学性，而且要有艺术性和哲理性。

3 系统工程的产生与发展
系统工程作为一间科学技术虽然形成于本世纪中叶，但系统工程的思想方法和实际应用可追溯到远古时代。

中华民族的祖先在了解和改造自然的辛勤实践和大量的社会活动中，早有许多朴素的系统概念和应用实例。

在军事方面，早在公元前500年的春秋时期，就有著名的军事家孙武写出了"孙子兵法"十三篇，指出战争中的战略和策略问题，如进攻与防御、速决和持久、分散和集中等之间的相互依存和相互制约的关系，并依此筹划战争的对策，以取得战争的胜利。

其著名论点，"知已知彼，百战不殆"，"以我之长，攻敌之短"等，不仅在古代，而且在当代的战争中都有指导意义，在当今激烈的国际市场竞争和社会经济各个领域的发展中，这些论断也有现实意义。

战国时期，著名军事家孙膑继承和发展了孙武的学说，著有"孙膑兵法"，在齐王与田忌赛马中，孙膑提出的以下、上、中对上、中、下对策，便处于劣势的田忌战胜齐王，这是从总体出发制定对抗策略的一个著名事例。

在水利建设方面，战国时期，秦国太守李冰父子主持修建了四川都江堰工程。

这一伟大水利工程巧妙地将分洪、51水和排沙结合起来，使各部分组成一个整体，实现了防洪、灌溉、行舟、漂木等多种功能，至今，该工程仍在发挥着重大的经济效益，是我国古代水利建设的一大杰出成就。

在建设施工方面，北宋真宗年间，皇城失火，宫殿烧毁，大臣丁谓主持了皇宫修复工程。

他采用了一套综合施工方案，先在需要重建的通衢大道上就近取土烧砖，在取土后的通衢深沟中引入汴水，形成人工河，再由此水路运人建筑材料，从而加快了工程进度。

皇宫修复后，又将碎砖废土填入沟中，重修通衢大道。

使烧砖、运输建筑材料和处理废墟三项繁重工程任务协调起来，从而在总体上得到了最佳解决，一举三得，节省了大量劳力、费用和时间。

在医学、农业等方面，我国古代也有许多著名学者用朴素的系统思想和方法取得了伟大成就，这些都为我们今天研究和发展系统工程的理论体系，提供了宝贵的借鉴和重要的启示。

近代科学技术的发展，特别是计算机的出现和广泛使用，使系统工程在世界范围内迅速发展起来，许多国家有不少成功的重大研究成果。

第一次提出"系统工程"这一名词的是1940年在美国贝尔电话公司试验室工作的E．C·莫利纳(E·C·Molina)和在丹麦哥本哈根电话公司工作的A·K，厄朗(A·K，Erlang)，他们
在研制电话自动交换机时，意识到不能只注意电话机和交换台设备技术的研究，还耍从通信网络的总体上进行研究。

他们把研制工作分为规划、研究、开发、应用和通用工程等五个阶段，以后又提出了排队论原理，并应用到电话通信网络系统中，推动了电话事业的飞速发展。

系统工程的萌芽时期可追溯到本世纪初的泰勒系统(F·W·Taylor)，为了提高工效，泰勒研究了合理工序和工人活动的关系，探索了管理的规律，1911年他的"科学管理的原理"一书问世后，工业界出现了"泰勒系统"。

在第二次世界大战时期，一些科学工作者以大规模军事行动为对象，提出了解决战争问题的一些决策和对策的方法和工程手段，出现了运筹学。

当时英国为防御德国的突然空袭，研究了雷达报警系统和飞机降落排队系统，取得了很多战果。

在这一时期中，英、美等国在反潜、反空袭、商船护航、布置水雷等项军事行动中，应用了系统工程方法，取得了良好的效果。

1940年至1945年，美国制造原子弹的"曼哈顿"计划，由于应用了系统工程方法进行协调，在较短的时间内取得了成功。

1945年，美国建立了兰德公司(RAND Corp.)，应用运筹学等理论方法研制出了多种应用系统，在美国国家发展战略、国防系统开发、宇宙空间技术以及经济建设领域的重大决策中，发挥了重要作用，"兰德"又被誉为"思想库" 和"智囊团"。

50年代后期和60年代中期，美国为改变空间技术落后于苏联的局面，先后制定和执行了北极星导弹核潜艇计划和阿波罗登月计划，这些都是系统工程在国防科研中取得成果的著名范例。

阿波罗登月计划是一项巨大的工程，从1961年开始，持续了U 年。

该工程有三百多万个部件，耗资244亿美元，参加者有两万多个企业和120个大学与研究机构。

整个工程在计划进度、质量检验、可靠性评价和管理过程等方面都采用了系统工程方法，并创造了"计划评审技术(PERT)"和"随机网络技术"[又称"图解评审技术(GERT)"]，实现了时间进度、质量技术与经费管理三者的统一。

在实施该工程的过程中及时向各层决策机构提供信息和方案，供各层决策者使用，保证了各个领域的相互平衡，如期完成了总体目标。

计算机的迅速发展，为该复杂大系统的分析提供了有力的工具。

70年代以来。

随着微型计算机的发展，出现了分级分布控制系统和分散信号处理系统，扩展了系统工程理论方法的应用范围。

近年来，社会、经济与环境综合性的大系统问题日益增多，如环境污染、人口增长、交通事故、军备竞赛等。

许多技术性问题也带有政治、经济的因素，如北欧跨国电网的供电问题。

这个电网有水、火、核等多种能源形式，规模庞大，电网调度本身在技术上已相当复杂，而且还要受到各国经济利益冲突、地理条件限制、环境保护政策制约和人口迁移状况的影响，因此，负荷调度的目标和最佳运行方式的评价标准十分复杂，涉及多个国家社会经济因素。

该电网的系统分析者要综合这些因素，对4500 万千瓦的电力做出合理的并能被接受的调度方案，提交各国讨论、协调和决策，这是个典型的系统工程问题。

我国近代的系统工程研究可追溯到50年代。

1956年，中国科学院在钱学森、许国志教授的创导下，建立了第一个运筹学小组;60年代，著名数学家华罗庚大力推广了统筹法、优选法;与此同时，在著名科学家钱学森领导下，在导弹等现代化武器的总体设计组织方面，取得了丰富经验，国防尖端科研的总体设计部"取得显著成效。

1977年以来，系统工程的推广和应用出现了新局面，1980年成立了中国系统工程学会，与国际系统工程界进行了广泛的学术交流。

近年来，系统工程在各个领域都取得了许多成果。

系统思想的形成
系统思想的形成可追溯到古代。

中国古代著作《易经》、《尚书》中提出了蕴含有系统思想的阴阳、五行、八卦等学说。

中国古代经典医著《黄帝内经》把人体看作是由各种器官有机地联系在一起的整体，主张从整体上研究人体的病因。

古希腊哲学家赫拉克利特在《论自然界》一书中指出：“世界是包括一切的整体。

”古希腊哲学家德谟克利特认为一切物质都
是原子和空虚组成的。

他的《世界大系统》一书是最早采用系统这个名词的著作。

古希腊哲学家亚里士多德提出整体大于部分之和的观点。

古代系统思想还表现在一些著名的古代工程中。

埃及的金字塔和中国的长城、大运河、都江堰以及《梦溪笔谈》中叙述的皇宫重建工程无不体现朴素的系统思想(见中国古代系统思想)。

古代系统思想常用猜测的和臆想的联系代替尚未了解的联系，是自然哲学式的。

16世纪，近代自然科学兴起。

在当时的条件下难以从整体上对复杂的事物进行周密的考察和精确的研究。

因此，近代自然科学的研究方法是把整体的系统逐步地分解,研究每个较简单的组成部分,排除臆想的东西。

这种方法后来被称为还原论和机械唯物论。

但是，在当时这种方法还是先进的。

它的进步作用曾得到F.恩格斯的肯定。

到19世纪，科学的系统思想才逐渐形成。

恩格斯在《路德维希·费尔巴哈和德国古典哲学的终结》一文中指出：“一个伟大的基本思想，即认为世界不是一成不变的事物的集合体，而是过程的集合体。

其中各个似乎稳定的事物以及它们在我们头脑中的思想反映即概念，都处在生成和灭亡的不断变化中。

在这种变化中，前进的发展，不管一切表面的偶然性，也不管一切暂时的倒退，终究会给自己开辟出道路。

”恩格斯的这段话标志着科学的现代系统思想的产生。

系统思想在历史上的发展贯穿于从自然哲学到辩证唯物主义的发展过程中。

系统工程的产生
第二次世界大战以来，科学技术迅猛进步，社会经济空前发展，同时资源和生态环境也严重恶化。

人们面临着越来越复杂的大系统的组织、管理、协调、规划、计划、预测和控制等问题。

这些问题的特点是在空间活动规模上越来越大，时间上变化越来越快，层次结构上越来越复杂，后果和影响上越来越深远和广泛。

要解决这样高度复杂的问题，单靠人的经验已显得无能为力，需要采用科学的方法。

信息科学和计算机的发展又大大提高了信息的收集、存储、传递和处理的能力，为实现科学的组织和管理提供了强有力的手段。

系统工程正是在这样的情况下，首先从军事和大型工程系统的研制中产生和发展起来的。

一、美国微波中继通信网
美国贝尔电话实验室在1940年开始建立横跨美国东西部的微波中继通信网时就充分利用当时的科学技术成就来规划和设计新系统。

这项工作因第二次世界大战而停顿。

战后分别于1947年和1951年完成该网的TD-X和TD- 2系统，并投入使用。

贝尔电话实验室遂于1951年正式把研制微波通信网的方法命名为系统工程。

二、兰德公司和系统分析
1945年，美国国防部和科学研究开发署与道格拉斯飞机公司订立了称为兰德计划的合同，为美国空军研究洲际战争，并提出有关技术和设备的建议。

1947年，在福特基金会的支持下，成立了兰德公司，继续为战后美国空军的发展战略和规划提供咨询服务。

50年代以后，扩大了工作范围，成为一个非营利的咨询机构。

兰德公司在多年积累的研究经验的基础上创立了系统分析。

系统分析的目的是根据系统目标和评价指标来寻求最优方案。

系统分析几乎是同系统工程并行地发展起来的，这两个名词之间也常出现混用现象。

兰德公司创造的系统分析以及规划计划预算编制法、特尔斐法、社会实验法等方法丰富了系统工程方法论。

三、网络技术和系统管理
50年代末，为了管理大型工程项目，在线条图的基础上发展了用于系统管理的网络技术。

1957年，美国杜邦公司发展了协调大企业内各部门工作的关键路线法。

1958年，美国海军特别计划局在执行“北极星”导弹核潜艇计划中发展了控制工程进度的新方法──计划协调技术，使“北极星”导弹提前两年研制成功。

这些方法用网络技术来进行系统管理，可在不增加人力、物力和财力的情况下使工程进度提前、成本降低。

四、阿波罗工程
美国1961年开始进行的阿波罗工程，由地面、空间和登月三部分组成，于1972年成功结束。

在工程高峰时期有两万多家厂商、200余所高等院校和80多个研究机构参予研制和生产,总人数超过30万人,耗资255亿美元。

完成阿波罗工程不仅需要火箭技术,还需要了解宇宙空间和月球本身的环境。

为此又专门制定了“水星”计划和“双子星座”计划，以探明人在宇宙空间飞行的生活和工作条件。

为了完成这项庞大和复杂的计划，美国航空航天局成立了总体设计部以及系统和分系统的型号办公室，以对整个计划进行组织、协调和管理。

在执行计划过程中自始至终采用了系统分析、网络技术和计算机仿真技术，并把计划协调技术发展成随机协调技术。

由于采用了成本估算和分析技术，使这项无前例的庞大工程基本上按预算完成。

阿波罗工程的圆满成功使世界各国开始接受系统工程。

系统工程的发展
70年代以来，系统工程发展的趋势是应用领域继续向社会、经济、生态等方面扩展和发展应用于软系统工程的方法论。

1972年在一些国家科学院的倡议下，在维也纳成立了国际应用系统分析研究所。

它是一个用系统工程方法研究复杂的社会、经济、生态等问题的国际性研究机构。

该所先后选择了能源、环境、生态、城市建设、资源开发、医疗、工业生产等研究课题，在推动系统工程的发展和应用方面产生了重要影响。

一、系统建模和系统仿真
系统工程作为一门定量技术，可概括为系统建模、系统仿真、系统分析和系统优化4个方面。

系统建模是将一个实际系统的结构、输入输出关系和系统功能用数学模型加以描述。

系统仿真是在计算机上对系统模型进行实验和研究。

系统仿真便于改变模型参数以获得各种方案，以便选择最优方案和设计最合理的系统。

随着系统工程应用领域的扩展，首先需要发展系统建模和系统仿真，这项工作需要融合多学科的知识和不同领域的专家通力合作。

60年代提出的模糊子集合理论，70年代出现的大系统理论、队决策理论和以前建立的运筹学、对策论、控制论、现代控制理论、信息论以及有关应用领域的学科都可为系统建模提供素材、方法和原理。

1952年，J.廷伯赫提出了适用于静态和平稳经济结构的线性镇定策略理论。

1953年，A.塔斯庭首先采用自动控制理论的观点来解决经济问题。

1954年，A.W.菲利普斯又采用PID（比例-积分-微分）控制原理来改善经济政策的稳定性。

50年代中期，H.A.西蒙等人研究了宏观经济的最优控制问题。

60年代，美国麻省理工学院教授J.W.福雷斯特应用控制理论和计算机仿真研究复杂系统时创立了系统动力学。

它是一种适用于长期预测的建模和仿真方法，可用于对社会、经济等复杂系统进行初步的研究。

1965年，罗马尼亚出版了《经济控制论》一书。

1978年,在第4届国际控制论和系统大会上讨论了控制论和社会的关系，提出了社会控制论。

在经济方面的主要建模方法已有投入产出模型、计量经济模型、系统动力学模型和经济控制论模型等。

由于人们对经济规律的掌握还不很充分，经济系统建模尚处在初级阶段。

70年代以来，人们试图对世界范围内的资源、生态环境和经济发展模式等重大问题进行定量研究和预测，构造了大量模型。

J.W.福雷斯特和D.梅多斯分别在1971年和1972年提出著名的世界模型Ⅱ和世界模型Ⅲ。

此后，不少国家的学者纷纷提出各种世界模型，诸如生存战略模型、发展新景世界模型、重建新秩序世界模型、世界经济模型、人类发展目标世界模型等。

在社会、经济、管理等有人参与的复杂系统中，人的行为受心理、经验等因素偶然变化的影响，使系统有很大的不确定性。

人的思维本身也具有模糊性，需要用模糊子集合描述。

在现代社会中，人类活动范围日益广阔，制定完善策略所需知识和信息迅速增加，已经达到任何一个决策人或机构无法完全收集和处理的程度。

信息和决策功能的分散化势在必行。

社会系统是迄今为止最复杂的系统。

1972年，何毓琦和祝开景把队决策理论的研究范围从静
态推广到动态情况。

队决策理论可为大型分散控制（管理）系统的信息结构（即信息在处于不同层次和空间位置上的决策人之间的分配）和相应的控制（管理）策略提供设计的参考。

对策论与决策论和行为科学等结合起来在主从对策(又称斯塔克尔贝格对策) 和激励对策方面的研究，提供了一种适用于社会、经济和管理系统的建模方法。

这种建模方法反映了系统中的层次结构，可用于宏观控制政策的制定。

对策论就理论框架而言，是研究社会系统的理想工具。

但是，对策论把人的社会性、复杂性、心理和行为的不确定性大大简化了。

对策论目前的成就还不能处理社会系统的复杂性问题。

对于社会系统，需要采用定性和定量相结合的系统研究方法。

二、软系统工程方法论
70年代以来，人们开始重视对软系统的系统工程方法论的研究。

霍尔的系统工程方法论来源于硬系统。

硬系统或称良结构系统是指机理清楚，能用明确的数学模型描述的系统，如物理系统和工程系统。

对于硬系统已有较好的定量研究方法，可以计算出系统行为和最优的结果。

软系统或称不良结构系统是指机理不清，很难用明确的数学模型描述的系统，如社会系统和生物系统。

软系统的系统工程方法论一般处理较粗的信息，而且以定性为主。

80年代，英国系统科学家P.B.切克兰德提出了一套以学习、调查过程为主的软系统工程方法论。

常用软系统工程方法有特尔斐法、智暴、想定情景法、生活质量法、层次分析法等。

此外，模糊子集合理论、对策论、系统动力学和聚类分析、相关分析等数理统计方法以及心理学和社会学中的不少方法都可借鉴使用。

三、系统工程应用软件
70年代以来，计算机技术，特别是软件工程的发展促进了系统工程的发展。

人工智能的发展，特别是专家系统和决策支持系统的出现为系统工程的定性和定量研究方法提供了有力的工具。

现在已出现许多高效率的系统工程算法和软件。

例如，已有线性规划、非线性规划、动态规划、排队排序、库存管理、计划协调技术／关键路线法、计划协调实时控制、系统建模、实时仿真、作战模拟、决策支持系统、决策室等成套应用软件和完整的系统作为商品出售。

系统工程采用网络技术并配以大屏幕图形显示和实时控制系统，可以显示全部或局部网络,还可以实时地用光笔修改,经计算机网络把修改过的网络计划传送给各个执行单位。

这种系统是上级部门进行决策和指挥协调的有力工具。

四、系统科学体系的形成
70年代以来,一批数学家、物理学家、化学家、生物学家和计算机科学家从不同的侧面研究系统的演化规律，取得了丰硕的成果。

其中较有代表性的是70年代初联邦德国理论物理学家H.哈肯创立的协同学，1969年比利时统计物理学家I.普里戈金创立的耗散结构理论和1971年联邦德国生物物理学家M.艾根提出的超循环理论。

这些理论和早在30年代由贝塔朗菲(L.von)创立的一般系统论以及60年代由法国数学家R.托姆建立的突变论一起为系统学的建立提供了初步基础。

1979年，中国科学家钱学森提出建立系统科学体系的完整思想。

他认为系统科学是以系统为研究和应用对象的一个科学技术部门。

如同自然科学和社会科学一样，它是由三个层次组成的，即：
①系统工程，它是系统科学的下层技术层次，是用系统思想直接改造客观世界的技术；
②系统科学的技术科学层次，包括运筹学、控制论、信息论等；
③系统学，是系统科学的基础科学。

系统学是研究系统一般演化规律的学科，目前尚处于形成阶段。

系统科学与哲学之间的桥梁则称为系统论或系统观，它为发展和深化马克思主义唯物辩证法提供素材。

系统科学体系的形成标志着系统工程已经逐步成熟。

4系统工程过程(*)。