第一章系统工程概论_农业系统工程
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普通高等教育“十一五”国家级规划教 材 全国高等农林院校“十一五”规划教材
农业系统工程
王福林 主编
2015-1-6
11
第一章 系统工程概论
第一节 系统概述
第二节 系统工程概述
第三节 系统科学的学科体系
第四节 农业系统
第五节 农业系统工程
2015-1-6
22
第一节 系统概述
一、系统思想的形成过程
系统概念来源于古代人类社会实践。人类自有生 产活动以来，无不在同自然系统打交道。 我国古代就有许多运用系统思想解决实际问题的 例子，如：
1. 都江堰水利工程
2. 丁渭主持皇宫修复
实例 实例
2015-1-6
33
案例1：都江堰水利工程
战国时期秦国李冰父子设计修建的都江堰水利工 程，它包括“鱼嘴”岷江分水工程，“飞沙堰”分洪 排沙工程，“宝瓶口”引水工程三大主体工程和120个 附属渠堰工程，工程之间的联系处理得恰到好处，形 成一个有机整体，兼有防洪、排沙、灌溉、漂木、行 舟等多种功能，渠道上设置了水尺，根据测得的水位， 多级分水，合理控制分水流量，使汹涌急流的岷江化 害为利，灌溉了成都平原上 14 个县的几百万亩粮田。 工程完工后，又建立了一套岁修养护制度，每年按规 定淘沙修堤，因此，虽然该工程经历二千多年，至今 仍发挥着效益，该工程堪称我国古代运用系统思想解 决实际问题的典范。
2015-1-6
44
案例2：丁渭主持皇宫修复
北宋年间，汴都（今河南开封）的宫室在遭到火灾以后， 大臣丁渭奉命修建，修建工程的泥土、石料、木材等建筑材料 都需从郊外由旱道运到建筑现场，另外，完工后的建筑废弃物 又要从旱道运出城外。这在当时是需要花费大量的人力、物力 和材力的，丁渭根据工程实际，设计出了一套方案，就是在工 地前面的大街上挖取泥土使用，几天以后，大街被挖成了巨沟， 并通过护城河与汴河相通，河水流入沟中，船只可直接由汴河 驶入工地，于是便可从四面八方运来建筑材料，再也不需经过 郊区码头起卸，然后用陆运搬到工地的繁重手续了，在工程将 要结束时，再把废弃的瓦砾、灰土等投入巨河，平土以后，重 新成为大街。这一设计方案由于系统解决了取土、运输、清除 废料和修复街道等多项任务，因此节省了大量的人力、物力和 财力，并使工程提前完工。
2015-1-6
55
第一节 系统概述
一、系统思想的形成过程
系统思想的萌芽 近代形而上学自然观 19世纪的辩证唯物主义自然观
2015-1-6
66
第一节 系统概述
一、系统思想的形成过程
现代科学技术对系统思想方法的贡献 现代科学技术对于系统思想方法来说，第一个贡 献在于使系统思想定量化，成为一套具有数学理论、 能够定量处理系统各组成部分相互联系的科学方法； 第二个贡献在于为定量化系统思想的实际应用提供了 强有力的计算工具——电子计算机。这两大贡献都是 在20世纪中期实现的。
2015-1-6
77
第一节 系统概述
一、系统思想的形成过程
系统思想从经验到哲学到科学，从思维到定性到 定量的发过程，大致可分为四个阶段，即： 第一阶段:古代农事、工程、医药、天文方面的实 践成就，以及建立在这些成就之上的古代中国和古希 腊朴素的唯物主义自然观（以抽象的思辨原则来代替 自然现象的客观联系）； 第二阶段:近代自然科学的兴起，以及由此产生的 形而上学自然观（把自然界看作彼此不相依赖的各个 事物或各个现象的偶然堆积）；
2015-1-6
88
第一节 系统概述
一、系统思想的形成过程
第三阶段 :19世纪自然科学的伟大成就，以及建立 在这些成就基础之上的辩证唯物主义自然观（以实验 材料来说明自然界是有内部联系的统一整体，其中各 个事物、现象是有机地相互联系、相互依赖、相互制 约着的）； 第四阶段:20世纪中期现代科学技术的成就，为系 统思想提供了定量方法和计算工具；
2015-1-6
99
第一节 系统概述
一、系统思想的形成过程
系统思想形成过程是人类认识客观世界的一个否 定之否定的发展过程。迄今为止，这个过程可以大致 地概括为：古代朴素的唯物主义自然观→近代形而上 学自然观 → 19 世纪的辩证唯物主义自然观 →二十世 纪中期形成的系统观→现代系统理论五个阶段。
2015-1-6
10 10
第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
1.系统的概念 “系统”一词由来已久，可以说目前到处都在使 用。但是，在系统理论的形成和发展初期，其定义不 尽相同，下面列举出其中几个有代表性的定义： （1）在韦氏大辞典中，系统一词被解释为：有组 织的和被组织化了的整体；结合着的整体所形成的各 种概念和原理的综合；由有规则、相互作用、相互依 赖的诸要素形成的集合等等。
11 11
2015-1-6
第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
1.系统的概念 （2）奥地利生物学家，一般系统论的创始人贝塔 朗菲把系统定义为：相互作用的诸要素的综合体。 （3）日本工业标准“运筹学术语”中对系统的定 义是：许多组成要素保持有机的秩序向同一目标行动 的体系。
2015-1-6
12 12
第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
1.系统的概念 （4）我国著名科学家、系统工程的倡导者钱学森 认为：系统是由相互作用、相互依赖的若干组成部分 结合成的具有特定功能的有机体，而且这个系统本身 又是它所从属的一个更大系统的组成部分。
2015-1-6
13 13
第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
1.系统的概念 综合各种定义，我们认为：
系统是由若干个（两个或两个以上）相互 联系、相互依赖、相互制约、相互作用的元素 组成的具有某种特定功能的有机整体。
系统概念中包含有如下几个要点：
2015-1-6
14 14
第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
1.系统的概念
第一，系统是由两个或两个以上可以相互 区别的元素组成的，单个元素构不成系统；
第二，系统中的各元素相互间具有联系，彼 此独立的各元素不能称其为系统；
第三，系统是一个有机整体； 第四，系统具有某种特定的功能。
2015-1-6
15 15
第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
1.系统的概念 系统的数学模型表示如下：
S (E,R)
（1-1）
式中： S ——代表系统； E ——代表系统中各元素的集合； R ——代表系统中各元素之间的关系集。
2015-1-6
16 16
第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
2.系统的环境及其相互关系
系统的环境就是系统外部整体，或者说包围 系统的整个空间。
环境
系统
M I
E
系统的边界
M
2015-1-6
IE
17 17
第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
2.系统的环境及其相互关系
系统与环境的关系： 区别：二者的定义。联系：系统与环境是相互
作用的，环境对系统而言，一方面提供条件（如资源、 市场等），以维持系统功能的正常发挥；另一方面又 作为约束，制约系统的发展；系统对环境而言，一方 面输出环境所需要的产品，同时还输出破坏环境的污 染物。当系统与环境相适应时，系统则能很好地发展， 当系统与环境不相适应时，则系统的发展就会受到制 约，系统的功能就不能够充分发挥。
2015-1-6
18 18
第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
2.系统的环境及其相互关系
为了使系统与环境相应，可通过两个途径来实现：
一是可以调节系统内部结构，使其适应变 化了的环境；
二是可以创造条件改变环境，使其满足系 统发展的要求。
2015-1-6
19 19
第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
3.系统的结构
系统的结构是指构成系统的元素及元素间关联方 式的总和。在系统元素不变的情况下，往往把元素间 的关联方式就称为结构。 系统的结构方式无穷无尽，目前尚无完备的结构分 类方法。一般情况下，应注意从以下两方面对系统作 结构分类。
2015-1-6
20 20
第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
3.系统的结构
（1）框架结构与运行结构
当系统处于尚未运行或停止运行的状态时 各元素之间的基本联接方式，称为系统的框架 结构。 系统处于运行过程中相互依存、相互支持、 相互制约的方式，称为系统的运行结构。
（2）空间结构与时间结构
2015-1-6
21 21
第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
3.系统的结构
（2）空间结构与时间结构
元素在空间的排列或配置方式，称为系统 的空间结构。
元素在时间流程中的关联方式，称为系统 的时间结构。
2015-1-6
22 22
第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
4.系统的功能与结构的关系 系统的功能实际就是指系统的功用和效能。
系统的功能与结构的关系：
系统的功能与结构关系密切，结构决定功能，但功能对结 构也有重要影响，只有系统的结构合理，系统才有可能发挥出 最佳功能。另外，系统的功能不仅取决于结构，它还取决于系 统所处的环境及其组织管理水平。系统结构相同，由于所处的 环境和组织管理水平的不同，可能表现出不同的功能，同时结 构不同的系统，也可能表现出相同的功能。也就是说，系统的 功能是由系统的结构、所处的环境和组织管理与生产水平等共 同作用决定的。
2015-1-6
23 23
第一节 系统概述
三、系统的分类和特征
1.系统的分类 （1）按系统是如何生成的来划分可分为自然系统与 人工系统。
（ 2 ）按组成系统的要素的属性不同来划分可分为 实体系统与概念系统。 （ 3 ）按系统与环境的关系来划分可分为开放系统 与封闭系统。 （ 4 ）按系统的状态与时间的关系来划分可分为静 态系统与动态系统。
2015-1-6
24 24
第一节 系统概述
三、系统的分类和特征
1.系统的分类 （5）按照人们对信息系统的掌握程度来划分可分为 白色系统、黑色系统与灰色系统。
2015-1-6
25 25
第一节 系统概述
三、系统的分类和特征
2.系统特征
目的性（或目的指向性） 整体性 内部关联 关联性 层次性 可控性 动态性 环境的适应性
2015-1-6
外部关联 层次结构图
26 26
第一节 系统概述
全球
大洲
国家 地区 经济企业单位 生态系统 群落 种群 有机体 组织 细胞内含物 2015-1-6 政治学 社会学 经济学 生物学
图1-2 全球生太系统层次结构
27 27
第二节 系统工程概述
一、系统工程的发展过程
1. 1930 年前后，一般系统论的创始人贝塔朗菲指 出了自然界和社会的各种表面上极不相同的领域中存 在着某种共性，提出了一般系统论，为系统工程的产 生作好了准备。 2. 二十世纪40年代，美国贝尔电话公司在发展微 波通讯网络时首先应用系统方法，并提出了“系统工 程”这个名词。
2015-1-6
28 28
第二节 系统工程概述
一、系统工程的发展过程
3. 进入 70 年代后，由于电子计算机的迅速发展和 普及，系统工程得到了广泛地应用。世界上许多国家， 都程度不同的应用系统工程来解决本国的问题。这就 进一步促进了系统工程的发展。 4.系统工程在我国的发展。
2015-1-6
29 29
第二节 系统工程概述
二、系统工程的概念和特点
1. 系统工程定义
系统工程这个词来源于英文“System Engineering” 系统工程是在系统科学结构体系中，它是一门新兴的 学科，是以系统为研究对象的工程技术，国内外有一 些学者对系统工程的含义有过不少的阐述。现列举一 些国内外学者对系统工程所作的解释。
2015-1-6
30 30
第二节 系统工程概述
二、系统工程的概念和特点
1. 系统工程定义 （1）1975年美国科学技术辞典注释 系统工程是 研究许多密切联系的元素所组成的复杂系统设计的科 学。 （2）1977年日本学者三浦武雄指出 系统工程 与其它工程学的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。
2015-1-6
31 31
第二节 系统工程概述
二、系统工程的概念和特点
1. 系统工程定义 （3）日本工业标准“运筹学术语”中的定义 系统工程是为了最优地达到系统目标而对系统的构成 要素、组织结构、信息流通和控制机构进行分析的技 术。 （ 4 ） 我国学者钱学森认为 系统工程是组织管理 系统的规划、研究、设计、制造、试验与使用的科学 方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的方法。
32 32
农业系统工程
王福林 主编
2015-1-6
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第一章 系统工程概论
第一节 系统概述
第二节 系统工程概述
第三节 系统科学的学科体系
第四节 农业系统
第五节 农业系统工程
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第一节 系统概述
一、系统思想的形成过程
系统概念来源于古代人类社会实践。人类自有生 产活动以来，无不在同自然系统打交道。 我国古代就有许多运用系统思想解决实际问题的 例子，如：
1. 都江堰水利工程
2. 丁渭主持皇宫修复
实例 实例
2015-1-6
33
案例1：都江堰水利工程
战国时期秦国李冰父子设计修建的都江堰水利工 程，它包括“鱼嘴”岷江分水工程，“飞沙堰”分洪 排沙工程，“宝瓶口”引水工程三大主体工程和120个 附属渠堰工程，工程之间的联系处理得恰到好处，形 成一个有机整体，兼有防洪、排沙、灌溉、漂木、行 舟等多种功能，渠道上设置了水尺，根据测得的水位， 多级分水，合理控制分水流量，使汹涌急流的岷江化 害为利，灌溉了成都平原上 14 个县的几百万亩粮田。 工程完工后，又建立了一套岁修养护制度，每年按规 定淘沙修堤，因此，虽然该工程经历二千多年，至今 仍发挥着效益，该工程堪称我国古代运用系统思想解 决实际问题的典范。
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案例2：丁渭主持皇宫修复
北宋年间，汴都（今河南开封）的宫室在遭到火灾以后， 大臣丁渭奉命修建，修建工程的泥土、石料、木材等建筑材料 都需从郊外由旱道运到建筑现场，另外，完工后的建筑废弃物 又要从旱道运出城外。这在当时是需要花费大量的人力、物力 和材力的，丁渭根据工程实际，设计出了一套方案，就是在工 地前面的大街上挖取泥土使用，几天以后，大街被挖成了巨沟， 并通过护城河与汴河相通，河水流入沟中，船只可直接由汴河 驶入工地，于是便可从四面八方运来建筑材料，再也不需经过 郊区码头起卸，然后用陆运搬到工地的繁重手续了，在工程将 要结束时，再把废弃的瓦砾、灰土等投入巨河，平土以后，重 新成为大街。这一设计方案由于系统解决了取土、运输、清除 废料和修复街道等多项任务，因此节省了大量的人力、物力和 财力，并使工程提前完工。
2015-1-6
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第一节 系统概述
一、系统思想的形成过程
系统思想的萌芽 近代形而上学自然观 19世纪的辩证唯物主义自然观
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66
第一节 系统概述
一、系统思想的形成过程
现代科学技术对系统思想方法的贡献 现代科学技术对于系统思想方法来说，第一个贡 献在于使系统思想定量化，成为一套具有数学理论、 能够定量处理系统各组成部分相互联系的科学方法； 第二个贡献在于为定量化系统思想的实际应用提供了 强有力的计算工具——电子计算机。这两大贡献都是 在20世纪中期实现的。
2015-1-6
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第一节 系统概述
一、系统思想的形成过程
系统思想从经验到哲学到科学，从思维到定性到 定量的发过程，大致可分为四个阶段，即： 第一阶段:古代农事、工程、医药、天文方面的实 践成就，以及建立在这些成就之上的古代中国和古希 腊朴素的唯物主义自然观（以抽象的思辨原则来代替 自然现象的客观联系）； 第二阶段:近代自然科学的兴起，以及由此产生的 形而上学自然观（把自然界看作彼此不相依赖的各个 事物或各个现象的偶然堆积）；
2015-1-6
88
第一节 系统概述
一、系统思想的形成过程
第三阶段 :19世纪自然科学的伟大成就，以及建立 在这些成就基础之上的辩证唯物主义自然观（以实验 材料来说明自然界是有内部联系的统一整体，其中各 个事物、现象是有机地相互联系、相互依赖、相互制 约着的）； 第四阶段:20世纪中期现代科学技术的成就，为系 统思想提供了定量方法和计算工具；
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99
第一节 系统概述
一、系统思想的形成过程
系统思想形成过程是人类认识客观世界的一个否 定之否定的发展过程。迄今为止，这个过程可以大致 地概括为：古代朴素的唯物主义自然观→近代形而上 学自然观 → 19 世纪的辩证唯物主义自然观 →二十世 纪中期形成的系统观→现代系统理论五个阶段。
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第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
1.系统的概念 “系统”一词由来已久，可以说目前到处都在使 用。但是，在系统理论的形成和发展初期，其定义不 尽相同，下面列举出其中几个有代表性的定义： （1）在韦氏大辞典中，系统一词被解释为：有组 织的和被组织化了的整体；结合着的整体所形成的各 种概念和原理的综合；由有规则、相互作用、相互依 赖的诸要素形成的集合等等。
11 11
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第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
1.系统的概念 （2）奥地利生物学家，一般系统论的创始人贝塔 朗菲把系统定义为：相互作用的诸要素的综合体。 （3）日本工业标准“运筹学术语”中对系统的定 义是：许多组成要素保持有机的秩序向同一目标行动 的体系。
2015-1-6
12 12
第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
1.系统的概念 （4）我国著名科学家、系统工程的倡导者钱学森 认为：系统是由相互作用、相互依赖的若干组成部分 结合成的具有特定功能的有机体，而且这个系统本身 又是它所从属的一个更大系统的组成部分。
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第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
1.系统的概念 综合各种定义，我们认为：
系统是由若干个（两个或两个以上）相互 联系、相互依赖、相互制约、相互作用的元素 组成的具有某种特定功能的有机整体。
系统概念中包含有如下几个要点：
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14 14
第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
1.系统的概念
第一，系统是由两个或两个以上可以相互 区别的元素组成的，单个元素构不成系统；
第二，系统中的各元素相互间具有联系，彼 此独立的各元素不能称其为系统；
第三，系统是一个有机整体； 第四，系统具有某种特定的功能。
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第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
1.系统的概念 系统的数学模型表示如下：
S (E,R)
（1-1）
式中： S ——代表系统； E ——代表系统中各元素的集合； R ——代表系统中各元素之间的关系集。
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第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
2.系统的环境及其相互关系
系统的环境就是系统外部整体，或者说包围 系统的整个空间。
环境
系统
M I
E
系统的边界
M
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IE
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第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
2.系统的环境及其相互关系
系统与环境的关系： 区别：二者的定义。联系：系统与环境是相互
作用的，环境对系统而言，一方面提供条件（如资源、 市场等），以维持系统功能的正常发挥；另一方面又 作为约束，制约系统的发展；系统对环境而言，一方 面输出环境所需要的产品，同时还输出破坏环境的污 染物。当系统与环境相适应时，系统则能很好地发展， 当系统与环境不相适应时，则系统的发展就会受到制 约，系统的功能就不能够充分发挥。
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第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
2.系统的环境及其相互关系
为了使系统与环境相应，可通过两个途径来实现：
一是可以调节系统内部结构，使其适应变 化了的环境；
二是可以创造条件改变环境，使其满足系 统发展的要求。
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第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
3.系统的结构
系统的结构是指构成系统的元素及元素间关联方 式的总和。在系统元素不变的情况下，往往把元素间 的关联方式就称为结构。 系统的结构方式无穷无尽，目前尚无完备的结构分 类方法。一般情况下，应注意从以下两方面对系统作 结构分类。
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第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
3.系统的结构
（1）框架结构与运行结构
当系统处于尚未运行或停止运行的状态时 各元素之间的基本联接方式，称为系统的框架 结构。 系统处于运行过程中相互依存、相互支持、 相互制约的方式，称为系统的运行结构。
（2）空间结构与时间结构
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第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
3.系统的结构
（2）空间结构与时间结构
元素在空间的排列或配置方式，称为系统 的空间结构。
元素在时间流程中的关联方式，称为系统 的时间结构。
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第一节 系统概述
二、系统的概念、环境、结构与功能
4.系统的功能与结构的关系 系统的功能实际就是指系统的功用和效能。
系统的功能与结构的关系：
系统的功能与结构关系密切，结构决定功能，但功能对结 构也有重要影响，只有系统的结构合理，系统才有可能发挥出 最佳功能。另外，系统的功能不仅取决于结构，它还取决于系 统所处的环境及其组织管理水平。系统结构相同，由于所处的 环境和组织管理水平的不同，可能表现出不同的功能，同时结 构不同的系统，也可能表现出相同的功能。也就是说，系统的 功能是由系统的结构、所处的环境和组织管理与生产水平等共 同作用决定的。
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第一节 系统概述
三、系统的分类和特征
1.系统的分类 （1）按系统是如何生成的来划分可分为自然系统与 人工系统。
（ 2 ）按组成系统的要素的属性不同来划分可分为 实体系统与概念系统。 （ 3 ）按系统与环境的关系来划分可分为开放系统 与封闭系统。 （ 4 ）按系统的状态与时间的关系来划分可分为静 态系统与动态系统。
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第一节 系统概述
三、系统的分类和特征
1.系统的分类 （5）按照人们对信息系统的掌握程度来划分可分为 白色系统、黑色系统与灰色系统。
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第一节 系统概述
三、系统的分类和特征
2.系统特征
目的性（或目的指向性） 整体性 内部关联 关联性 层次性 可控性 动态性 环境的适应性
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外部关联 层次结构图
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第一节 系统概述
全球
大洲
国家 地区 经济企业单位 生态系统 群落 种群 有机体 组织 细胞内含物 2015-1-6 政治学 社会学 经济学 生物学
图1-2 全球生太系统层次结构
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第二节 系统工程概述
一、系统工程的发展过程
1. 1930 年前后，一般系统论的创始人贝塔朗菲指 出了自然界和社会的各种表面上极不相同的领域中存 在着某种共性，提出了一般系统论，为系统工程的产 生作好了准备。 2. 二十世纪40年代，美国贝尔电话公司在发展微 波通讯网络时首先应用系统方法，并提出了“系统工 程”这个名词。
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第二节 系统工程概述
一、系统工程的发展过程
3. 进入 70 年代后，由于电子计算机的迅速发展和 普及，系统工程得到了广泛地应用。世界上许多国家， 都程度不同的应用系统工程来解决本国的问题。这就 进一步促进了系统工程的发展。 4.系统工程在我国的发展。
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第二节 系统工程概述
二、系统工程的概念和特点
1. 系统工程定义
系统工程这个词来源于英文“System Engineering” 系统工程是在系统科学结构体系中，它是一门新兴的 学科，是以系统为研究对象的工程技术，国内外有一 些学者对系统工程的含义有过不少的阐述。现列举一 些国内外学者对系统工程所作的解释。
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第二节 系统工程概述
二、系统工程的概念和特点
1. 系统工程定义 （1）1975年美国科学技术辞典注释 系统工程是 研究许多密切联系的元素所组成的复杂系统设计的科 学。 （2）1977年日本学者三浦武雄指出 系统工程 与其它工程学的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。
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第二节 系统工程概述
二、系统工程的概念和特点
1. 系统工程定义 （3）日本工业标准“运筹学术语”中的定义 系统工程是为了最优地达到系统目标而对系统的构成 要素、组织结构、信息流通和控制机构进行分析的技 术。 （ 4 ） 我国学者钱学森认为 系统工程是组织管理 系统的规划、研究、设计、制造、试验与使用的科学 方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的方法。
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