交通与汽车工程学院系统工程讲义全.doc

交通与汽车工程学院系统工程讲义第1章 系统与系统工程§1.1系统§1.1.1系统的定义系统是由相互联系、相互作用的诸多要素组成的具有一定功能的有机整体对系统的理解：<1>系统是由两个以上的要素组成的整体<2>系统的诸要素之间、要素与整体之间、以及整体与环境之间存在有机联系<3>系统要素之间的联系与作用必产生一定的功能系统与要素的关系<1>系统通过整体作用支配和控制要素〔例：综合运输系统对各子系统的支配和控制〕<2>要素通过相互作用决定系统的特性和功能〔例：金刚石和石墨都是由碳元素组成,但其物理特性和功能却不同〕<3>系统与要素的概念是相对的〔例：综合运输系统的构成〕§1.1.2系统的一般属性 <1>整体性〔例：三个臭裨将等于一个诸葛亮〕<2>关联性〔例：世界上任何两个人通过若干次联系都能认识〕<3>环境适应性〔例：达尔文的"进化论"〕§1.1.3系统思想的产生与发展一．朴素的系统思想及其初步实践阶段1.世界：· 古希腊的唯物主义哲学家德谟克利特曾提出"宇宙大系统"的概念,并最早使用"系统"一词· 辨证法奠基人之一的赫拉克利特认为"世界是包括一切的整体"· 亚里士多德的名言——"整体大于部分的总和",是系统论的基本原则之一。

2.中国：· 西周时代,出现了世界构成的"五行说"<金、木、水、火、土>· 春秋战国时代的军事家孙武,在他的《孙子兵法》中,阐明了打仗要把道<义>、天<时>、地<利>、将<才>、法<治>等五个要素结合起来考虑· 秦汉之际成书的医学典籍《内经》,把自然界和人体看成由金、木、水、火、土五种要素相生相克、相互制约而形成的有秩序、有组织的整体3.XX——都江堰水利工程· 都江堰于公元前256年由蜀郡太守李冰父子组织建造,至今仍发挥着重要作用该工程由鱼嘴<岷江分流>、飞沙堰<分洪排砂>和宝瓶口<引水>等三大设施组成,整个工程具有总体目标最优化、选址最优和自动分级排沙、利用地形并自动调节水量、就地取材及经济方便等特点二.科学系统思想的形成 1.15世纪下半叶以后· 力学、天文学、物理学、化学、生物学等相继从哲学的统一体中分离出来,形成了自然科学从此,古代朴素的唯物主义哲学思想就逐步让位于形而上学的思想这时的系统思想具有"只见树木"和具体化的特点2.19世纪· 自然科学取得了巨大成就,尤其是能量转化、细胞学说、进化论这三大发现,使人类对自然过程相互联系的认识有了质的飞跃,为辩证唯物主义的科学系统观奠定了物质基础。

这个阶段的系统思想具有"先见森林、后见树木"的特点§1.1.4系统理论的产生与发展一．20世纪40年代的"老三论"1.一般系统论奥地利生物学家贝塔朗菲于1947年提出,其主要观点是:<1>系统观点一切有机体都是一个整体<系统>,这个整体是由部分结合而成的,其特性和功能不只是各部分特性和功能的简单相加<2>动态观点一切有机体本身都处于积极的运动状态,并与环境不断地进行物质、能量的交换,以使有机体能够有组织地处于活动状态,并保持其有活力的生命运动<3>等级观点各种有机体都按严格的等级组织起来,并通过各层次逐级的组合.形成越来越高级、趁来越庞大的系统2.控制论美国数学家维纳在总结前人经验的基础上,于1948年创立,其主要内容为:<1>最优控制理论是现代技术的核心这一理论是通过数学的方法,科学、有效地解决大系统的设计和控制问题的,并强调采用动态的控制方式和方法,以满足各种输入和多种输出系统的控制要求,实现系统的最优化<2>自适应、自学习和自组织系统理论自适应系统是能够按照外界条件的变化,自动调整其自身结构或行为参数,以保持系统原有的功能的系统自学习系统是能够按照自己运行过程中的经验来改进控制系统的能力的系统,是自适应系统的延伸和发展。

自组织系统是能够根据环境的变化和运行经验来改变自身结构和行为参数的系统<3>模糊理论是在模糊数学的基础上形成的一种理论在现实问题中,存在着大量的不够明确的信息和含糊不清的概念,很难用确定的数学模型来描述,因此,就必须借助于模糊数学来解释这一类问题<4>大系统理论是现代控制论的一个新的研究领域它是以规模庞大、结构复杂、目标多样、功能综合、因素繁多的各种大系统作为研究的对象其研究的主要问题是大系统分析及大系统优化3.信息论信息论于20世纪40年代末由美国的数学家申农和维纳创立信息论是研究信息传输和信息处理系统的一般规律的学科、其基本思想是完全撇开系统物质与能量的具体运动形态,而把系统的有目的的运动抽象为一个信息变换的过程,来探求信息的一般特征、传进规律和原理二．20世纪70年代的"新三论"1.耗散结构理论耗散结构理论是20世纪70年代由比利时物理学家普利高津提出耗散结构是与平衡结构相对的一种远离平衡态的、稳定的、有序的结构其主要观点是：<1>开放系统是产生耗散结构的必要前提<2>非平衡态是系统有序之源<3>系统的涨落导致系统走向有序2.协同学理论协同学理论是20世纪70年代由联邦德国的物理学家哈肯提出。

与耗散结构理论一样,协同论也是研究远离平衡态的开放系统的其主要观点是：<1>协同导致有序<2>自组织理论3.突变论突变理论是法国数学家托姆于1972年提出来突变论以结构稳定性为基础,通过对系统稳定性的研究,说明系统的稳态与非稳态、渐变与突变的特征及其相互关系,揭示系统状态演变的内部因素与外界条件§1.1.5系统的分类1.自然系统与人造系统 2.实体系统与概念系统 3.动态系统和静态系统4.封闭系统与开放系统§1.2系统工程§1.2.1系统工程的概念"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,是一种对所有系统具有普遍意义的科学方法"——钱学森§1.2.2系统工程的本质与特点一．系统工程的本质系统工程是为了解决工程进入系统发展时代所产生的系统性问题而发展起来的一门学科,是以过去发展起来的许多科学技术和管理技术为基础发展起来的,并且把这些科学技术从横的方面联系起来而形成的一门高度综合的科学二．系统工程的特点1.系统工程研究对象广泛2.系统工程是一门跨学科的边缘学科〔例：罗斯福政府让欧本海默来主持"曼哈顿计划"而非爱因斯坦、费米等大物理学家〕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§1.2.3系统工程的基本观点一．社会需求是工程开发的原动力例：铁路系统的建设大秦线——满足晋煤外运；青藏线——发展西部经济；京沪高速——连接京沪经济圈二. 整体优化是系统工程的基本目标例：房地产——红光银丰苑项目的失败基础设施——XX长江大桥南桥头的巨型广告牌三. 综合是系统工程的最基本概念综合包括两方面：1．技术上的综合例：美国阿拉斯加原油运输<1>系统开发对象：原油运输系统分析<2>系统开发目标：每天由阿拉斯加油田向美国本土输送200万桶原油<3>系统开发环境：北极圈,冰封状态,最低温度-50℃<4>提出的问题：任何设计此系统,才能达到系统的目标<5>系统方案设计： 备选方案1：由海路用油船运输； 备选方案2：用加温系统的输油管运输；<6>系统分析,提出竞争方案： 竞争方案3：用10%-20%氯化钠的海水+原油运输； 竞争方案4：将天然气转换为甲醇+原油运输。

<7>综合评价和方案选择： 选择方案42．目标与环境的综合例：日本汽车业应对石油危机石油危机〔油价上涨〕汽车销量下降的分析和对策进行改革以不改变用户负担为原则展开行动降低油耗降低车价混和燃料电脑控制车体轻型化提高生产效率结构设计材料代用提高公路质量改善交通管理系统分析与系统设计生产衰退减人减产关闭工厂欧美日本四. 系统的开放性是系统保持活力和稳定存在的重要条件例： 封闭开放明朝在郑和七下西洋后实行海禁政策,使中国失去了发展成世界性强国的机会西班牙王室资助哥伦布航海发现美洲大陆,使西班牙成为世界性强国满清政府的闭关锁国使中国沦为半封建半殖民地社会日本的"明治维新",使日本成为亚洲的中心朝鲜的封闭政策,使其排除在国际社会之外领导的改革开放使中国国力日益强盛五. 综合效益是工程开发的根本评价标准例： 局部最优整体最优美国的"下士"导弹前苏联的"米格25"战斗机美国的"M16"步枪前苏联的"AK47" 步枪六. 策略程序是系统工程开发应遵循的基本规律例：皇宫修复工程宋真宗时,皇城失火,宫殿烧毁皇帝命大臣丁渭主持皇宫的修复工作丁渭提出了一套巧妙的施工方案：挖土烧砖——>取土成渠——>引水通航——>运输建材——>退水填渠——>重修大道这项工程将烧砖、运送建筑材料,及工程收尾、处理废物等三个环节巧妙地联系起来,节约了大量的人力、物力和时间,体现出了典型的系统工程策略程序的思想。

七. 工程技术过程与质量控制过程是工程实施的基本保障例：现在大量出现的豆腐渣工程§1.2.4系统工程的产生和发展阶段年代〔份〕重大工程实践或事件重要理论与方法贡献Ⅰ1930美国发展与研究广播电视系统正式提出系统方法的概念1940美国实施彩电开发计划采用系统方法,并取得巨大成功美国Bell公司开发微波通讯系统正式使用系统工程一词Ⅱ第二次世界大战期间英、美等国的反空袭等军事行动产生军事运筹学,也即军事系统工程20世纪40年代美国研制原子弹的"曼哈顿计划"运用系统工程,并推动了其发展1945美国空军建立研究与开发机构,此即兰德公司的前身 提出系统分析概念,强调了其重要性Ⅲ40年代后斯到50年代初期运筹学的广泛运用与发展、控制论的创立与应用、电子计算机的出现,为系统工程奠定了重要的学科基础Ⅳ1957H·Good和R·E· Machol发表第一部名为《系统工程》的著作系统工程学科形成的标志1958美国研制北极星导弹潜艇提出PERT<网络优化技术>,这是较早的系统工程技术1965R·E·Machol编著《系统工程手册》表明系统工程的实用化和规范化美国自动控制学家L·A·Zedeh提出"模糊集合"概念为现代系统工程奠定了重要的数学基础1961～1972美国实施"阿波罗"登月计划使用多种系统工程方法,其成功极大地提高了系统工程的地位Ⅴ1972国际应用系统分析研究所在维也纳成立系统工程的应用重点开始从工程领域进入到社会经济领域,并发展到了一个重要的新阶段。

70年代系统工程的广泛应用在国际上达到高潮Ⅵ80年代系统工程在国际上稳定发展,在中国的研究与应用达到高潮§1.2.5系统工程的方法系统工程的方法,是指运用系统工程研究问题的程序,即为了达到系统的目标,运系统工程的思想及其技术内容,解决问题。