系统工程概述.doc

系统工程概述一、系统与系统工程理论系统是由两个以上有机联系，相互作用的要素所组成，具有特定功能、结构和环境的整体它具有整体性，关联性，和环境适应性等基本属性，除此以外，很多系统还具有目的性，层次性等特征系统有自然系统与人造系统，实体系统与概念系统，动态系统和静态系统，封闭系统与开放系统之分用定量和定性相结合的系统思想和方法处理大型复杂系统问题，无论是系统的设计或组织建立，还是系统的经营管理，都可以统一地看成是一类工程实践，统称为系统工程系统工程是从整体出发，合理开发、运行和革新一个大规模复杂系统所需思想、理论、方法论、方法与技术的总称，属于一门综合性的工程技术系统工程的研究对象是大规模复杂系统其复杂性主要表现在：1、系统的功能和属性多样，由此而带来的多重目标间经常会出现相互消长或冲突的关系；2、系统通常由多维且不同质的要素构成；3、一般为人机系统，而人及其组织或群体表现出固有的复杂性；四、由要素间相互作用关系所形成的系统结构日益复杂化和动态化大规模复杂系统还具有规模庞大及经济性突出等特点系统工程的应用领域十分广阔，已广泛应用于社会、经济、区域规划、环境生态、能源、资源、交通运输、农业、教育、人口、军事等诸多领域。

系统工程有三大理论基础和工具，即系统论，信息论和控制论，简称“三论”控制论是由美国人维纳创立的一门研究系统控制的学科其观念是通过一系列有目的的行为及反馈是系统受到控制控制论研究的重点是带有反馈回路的闭环控制系统，并不是任意的控制系统反馈有两类：正反馈和负反馈如果输出反馈回来放大了输入变化导致的偏差，这就是正反馈；如果输出反馈回来弱化了输入变化导致的偏差，这就是负反馈系统的结构是指要素在系统范围内的秩序，亦即要素之间的相互联系，相互作用的内在方式任何系统都具有一定的结构，系统结构的特点是：1、层次性是系统结构较为普遍的形式；2、结构具有相对性；3、各层次都有其自身的最佳规模；四、结构具有稳定性；五、结构具有动态性和开放性控制论对系统工程方法论的重要启示有“黑箱—灰箱—白箱法”黑箱即一个闭盒，我们无法直接观测出其内部结构，只能通过外部的输入和输出去推断进而认识该系统，这就是由黑箱到灰箱再到白箱的过程但是事物本质的层次性决定了事物的黑箱总是一层一层，永无止境，所以也有“黑箱永远有，白箱永不白”的说法，但是控制论黑箱方法在人类认识事物的任何阶段，都不失为一种重要的手段信息论的创立者是美国数学家申农和维纳。

狭义的信息论即申农信息论，主要研究消息的信息量，信道容量以及消息的编码问题一般信息论主要研究通信问题，但还包括噪声理论、信号滤波与预测、调制、信息处理等问题广义的信息论不仅包括前两项的研究内容，而且包括所有与信息相关的领域一般系统论是美籍奥地利生物学家冯•贝塔朗菲在理论生物学研究的基础上创立的一般系统论的观点有：1、系统的整体性，它是系统的最本质的属性，可以概括为以下几个方面：要素和系统不可分割；系统整体的功能不等于各组成部分的功能之和；系统整体具有不同于各组成部分的新功能2、系统的开放性，一切有机体之所以有组织地处于活动状态并保持其生命运动，是由于系统与环境处于相互作用之中，系统与环境不断进行物质能量和信息的交换，这就是所谓的开放系统3、系统的动态相关性，任何系统都处在不断发展变化之中，系统状态时时间的函数，这就是系统的动态性系统的动态性取决于系统的相关性系统的相关性是指系统的要素之间要素与整体之间，系统与环境之间的有机关联性动态相关性的实质是揭示要素、系统和环境三者之间的关系及其对系统状态的影响4、系统的层次等级性，系统是有结构的，而结构是有层次等级之分的5、系统的有序性，可以从两个方面来理解。

其一是系统结构的有序性，其二是系统发展的有序性，二者共同决定了系统的时空有序性系统方法论告诉我们要以系统的观点去看整个世界，不能片面孤立地看问题系统方法论主张以思辨原则代替实验原则，不能机械地看问题，尤其是在处理复杂、有机程度高的系统时，这一尤为重要二、系统工程方法论系统工程方法论就是分析和解决系统开发、运作及管理时间中问题所应遵循的工作程序、逻辑步骤和基本方法它是系统工程思考问题和处理问题的一般方法和总体框架1、霍尔三维结构霍尔三维结构师有美国学者霍尔等人提出的，它是系统工程方法论的重要基础内容，包括时间维，逻辑维和知识维或专业维时间维表示系统工程的工作阶段或进程系统工程工作从规划到更新的整个过程或寿命周期可以分为以下七个阶段：规划阶段，设计阶段，分析或研制阶段，运筹或生产阶段，系统实施或安装阶段，运行阶段，更新阶段逻辑维是指系统工程每阶段工作所应遵循的逻辑顺序和工作步骤，一般分为以下七步：摆明问题，系统设计，系统综合，模型化，最优化，决策，实施计划知识维或专业维的内容表征从事系统工程工作所需要的知识（如运筹学，控制论，管理科学等），也可反映系统工程的专门应用领域（如企业管理系统工程、社会经济系统工程，工程系统工程等）。

2、切克兰德方法论20年代80年代中前期由英国兰切斯特大学教授P•切克兰德提出了一套方法论在各种软系统工程方法论中很具有代表性其主要内容和工作过程：认识问题，根底定义，建立概念模型，比较及探寻，选择，计划与实施，评估与反馈霍尔三维结构和切克兰德方法论均为系统工程方法论，均以问题为起点，具有形影的逻辑过程在次基础上，两种方法论主要存在以下不同点：霍尔方法论主要以工程系统为研究对象，而切克兰德方法更适合对于社会经济和经济管理等“软”系统问题的研究；前者的核心内容是优化分析么人后者的核心是比较学习；前者更多关注定量分析方法，而后者比较强调定性或定性与定量有机结合的基本方法系统分析原理系统分析是运用建模及预测、优化、仿真、评价等技术对系统的各有关方面进行定性与定量相结合的分析，为选择最优或满意的系统方案提供决策依据的分析研究过程系统分析包括问题，目的及目标，方案，模型，评价，决策者六个基本要素其基本过程分为以下几个步骤：认识问题，探寻目标，综合方案，模型化，优化或仿真分析，系统评价和决策初步分析时主要围绕以下六个方面的问题来展开（5W1H）:what,why,where,when,who,how.系统分析应该坚持一下几个原则:坚持问题导向；以整体为目标；多方案模型分析和选优；定量分析与定性分析相结合；多次反复进行。

三、系统模型与模型化模型是现实系统的理想化抽象或间接表示，它描绘了现实系统的某些主要特点，是为了客观地研究系统而发展起来的模型有三个特征：1.它是现实世界部分的抽象或模仿；2.它是由那些与分析的问题有关的因素构成；3.它表明了有关因素间的相互关系模型可以分为概念模型，符号模型，类比模型，仿真模型，形象模型等模型化就是为了描述系统的构成和行为，对实体系统的各种因素进行适当筛选后，用一定方式（数学、图像等）表达系统实体的方法简言之就是建模的过程构造模型需要遵循如下的原则：建立方框图；考虑信息相关性；考虑准确性；考虑结集性建模的基本步骤是：1、明确建模的目的和要求，以便使模型满足实际要求，不致产生太大偏差；2、对系统进行一般语言描述，因为系统的语言描述是进一步确定模型结构的基础；3、弄清系统中的主要因素（变量）及其相互关系（结构关系和函数关系），以便使模型准确表示现实系统；4、确定模型的结构，这一步决定了模型定量方面的内容；5、估计模型的参数，用数量来表示系统中的因果关系；6、实验研究，对模型进行实验研究，进行真实性检验，以检验模型与实际系统的符合性；7、必要修改，根据实验结果，对模型作必要的修改。

模型化的基本方法有以下几种：1、分析方法，分析解剖问题，深入研究客体系统内部细节，利用逻辑演绎方法，从公理、定律导出系统模型；2、实验方法，通过对于实验结果的观察分析，利用逻辑归纳法导出系统模型，基本方法包括三类：模拟法，统计数据分析，实验分析；3、综合法，这种方法既重视数据又承认理论价值，将实验数据机理论推导统一与建模之中；4、老手法（Delphi法），这种方法的本质在于几种了专家们对于系统的认识（包括直觉、印象等不肯定因素）即经验，再通过实验修正，往往可以取得较好的效果；5、辩证法，其基本观点是系统一个对立统一体，是由矛盾的两个方面构成的，因此必须构成两个相反的分析模型相同数据可以通过两个模型来解释系统结构模型化结构模型是定性表示系统构成要素以及他们之间存在着的本质上相互依赖、相互制约和关联情况的模型结构模型化即建立系统结构模型的过程结构分析是一个实现系统结构模型化并加以解释的过程结构分析是系统分析的重要内容，是系统优化分析、设计与管理的基础系统结构的基本表达方式1、集合表达：S二{S1,S2,...,Sn}Rb={（Si,Sj）|Si,SjeS,SiRSj,i,j=1,2,...}2、有向图表达3、矩阵表达：（1）邻接矩阵A，是表示系统要素间基本二元关系或直接联系情况的方阵。

2）可达矩阵M，是表示系统要素之间任意次传递性二元关系或有向图上两个点之间通过任意长的路径可以到达情况的方阵3）缩减矩阵M'，根据强连接要素的可替换性，在已有的可达矩阵M中，将具有强连接关系的一组要素看做一个要素，去掉其中一个在M中的行和列，即可得到4）骨架矩阵A'，对于给定系统，A的可达矩阵M是唯一的，但实现某一可达矩阵M的邻接矩阵A可以具有多个我们把实现某一可达矩阵M、具有最小二元关系个数（“1”元素最少）的邻接矩阵叫M的最小实现二元关系矩阵，或称之为骨架矩阵，记作A建立递阶结构模型的规范方法：1、区域划分有关要素集合有可达集，先行集，共同集，起始集2、级位划分3、提取骨架矩阵4、绘制多级递阶有向图建立递阶结构模型的实用方法：1、判定二元关系，建立可达矩阵及其缩减矩阵2、对可达矩阵的缩减矩阵进行层次化处理3、根据M‘（L）绘制多级递阶有向图系统仿真及系统动力学所谓系统仿真，就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立起能描述系统结构或行为的过程，且具有一定逻辑关系或数学方法成的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型和量化分析模型，并将其转换为适合在计算机上编程的仿真模型，然后对模型进行仿真实验。

系统动力学（SD）是美国麻省理工学院弗罗斯特教授最早提出的一种对社会经济问题进行系统分析的方法论和定性与定量相结合的分析方法SD的研究对象主要是社会（经济）系统，该类系统的突出特点是：1、社会系统中存在着决策环节；2、社会系统具有自律性；3、社会系统的非线性SD模型具有多变量，定性与定量相结合，以仿真实验为基本手段和以计算机为工具，可处理高阶次、多回路、非线性的时变复杂系统问题等特点其工作过程如下：认识问题，界定系统，要素及其因果关系分析，建立结构模型（流图），建立量化分析模型（DYNAMO方程），仿真分析，比较与评价，政策分析SD包含四个基本要素：状态或水准、信息、决策或速率、行动或实物流SD的两个基本变量：水准变量（level）速率变量（rate）SD的一个基本思想：反馈控制因果关系图包含了因果箭，因果链、因果反馈回路和多重因果反馈回路等流图，是SD模型的基本形式，通常由以下各要素构成：流，水准，速率，参数，辅助变量，源与洞，信息，滞后或延迟等SD结构模型的建模步骤如下：1明确系统边界，即确定对象系统的范围；2、阐明形成系统结构的反馈回路；3、确定反馈回路中的水准变量和速率变量；4、阐明速率变量的子结构或完善、形成各个决策函数，建立起SD结构模型(流图)。

DYNAMO方程就是SD的数学模型或量化分析模型°SD中的基本DYNAMO方程有：水准方程LLEVELK二LEVEL・J+DT*(RIN・JK-ROU。