2020年0711智慧城市系統(tǒng)工程方法論《智慧城市系列論文》李林教授之1

1、智慧城市系統(tǒng)工程方法論2016-02-23 17:08點擊：202來源： 未知智慧城市系統(tǒng)工程方法論新加坡新電子系統(tǒng)（顧問）有限公司  李林教授（2016.2）文摘：本文作者李林教授在新加坡信息工程研究院高級訪問學(xué)者期間，曾對新加坡“智慧島”系統(tǒng)工程方法論進(jìn)行了理論性研究和系統(tǒng)工程實踐?，F(xiàn)將研究成果整理為智慧城市系統(tǒng)工程方法論。本文對智慧城市系統(tǒng)工程概念進(jìn)行了介紹，對智慧城市系統(tǒng)工程方法論作了理論性的闡述。提出了系統(tǒng)工程方法論在智慧城市應(yīng)用的原則，以及智慧城市框架體系結(jié)構(gòu)頂層規(guī)劃、智慧城市體系與結(jié)構(gòu)的專項規(guī)劃，信息平臺結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計等總體規(guī)劃的應(yīng)用要求

2、。本文系新型智慧城市標(biāo)桿市建設(shè)指南之二。關(guān)鍵詞：智慧城市、系統(tǒng)工程、方法論、開放性復(fù)雜巨系統(tǒng)、綜合集成方法論、互聯(lián)互通、框架體系結(jié)構(gòu)、知識體系、建設(shè)體系、信息平臺結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。1. 智慧城市系統(tǒng)工程概述智慧城市建設(shè)涉及一個城市中的政府、管理、民生、經(jīng)濟(jì)的各領(lǐng)域、各行業(yè)、各業(yè)務(wù)、各應(yīng)用的方方面面，通過現(xiàn)代云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、無線通信、自動化、智能化等高新科技，整合城市所涉及的綜合管理與公共服務(wù)信息與數(shù)據(jù)資源，包括地理環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施、自然資源、社會資源、經(jīng)濟(jì)資源、教育資源、旅游資源和人文資源等，以數(shù)字化的形式進(jìn)行采集和獲取，通過智慧城市大平臺和大數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的存儲、優(yōu)化、管理、展

3、現(xiàn)、應(yīng)用。實現(xiàn)城市綜合管理和公共服務(wù)信息的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享交換、業(yè)務(wù)功能協(xié)同。以2020年全面建成小康社會，綠色低碳智慧型城市，城市可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)。智慧城市內(nèi)涵和要素涉及自然、經(jīng)濟(jì)、社會、人文、科技、系統(tǒng)、工程等各個學(xué)科領(lǐng)域，同時智慧城市建設(shè)具有全局性、系統(tǒng)性、長期性、復(fù)雜性、先進(jìn)性、可持續(xù)性的特性。因此選擇正確的規(guī)劃、路徑、實施的方法論至關(guān)重要。本書作者作為信息化應(yīng)用研究高級訪問學(xué)者，長期在新加坡從事信息系統(tǒng)工程理論研究、應(yīng)用和實踐的工作。在2010年給溫家寶總理的信中就曾建議，將我國“兩彈一星”實施的系統(tǒng)工程方法論，移植和應(yīng)用到中國特色智慧城市的建設(shè)中。這就是將錢學(xué)森院士的工程控制論、

4、論系統(tǒng)工程，以及系統(tǒng)工程綜合集成方法論的學(xué)說、理論和實踐應(yīng)用到智慧城市研究、規(guī)劃、設(shè)計、工程、建設(shè)、運(yùn)營的全生命周期中來。1.1 智慧城市系統(tǒng)工程概念1.1.1 系統(tǒng)工程概念系統(tǒng)工程作為一門學(xué)科于20世紀(jì)50年代問世，已有近六十多年的歷史。在長達(dá)三十多年的時間里，錢學(xué)森院士一直是中國系統(tǒng)工程研究、應(yīng)用、實踐和宣傳的倡導(dǎo)者、領(lǐng)軍者和第一推動力。我國“兩彈一星”和航天事業(yè)，就是在錢學(xué)森院士系統(tǒng)工程理論的指導(dǎo)下完成的。錢學(xué)森院士創(chuàng)造性的提出了“系統(tǒng)工程”是一門組織管理技術(shù)的概念和理論體系，其核心就是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計、制造（建設(shè)）、試驗（調(diào)試）和使用（應(yīng)用）全生命周期

5、的科學(xué)方法，一種具有普遍意義的科學(xué)方法論，即：以問題為導(dǎo)向，用系統(tǒng)的觀點來考慮問題（尤其是復(fù)雜系統(tǒng)的管理問題），用工程的方法來研究和求解問題。1.1.2 系統(tǒng)屬性所謂“系統(tǒng)”是由相互聯(lián)系、相互作用的許多要素結(jié)合而成的具有特定功能的“統(tǒng)一體”。“統(tǒng)一體”又稱為“整體”或“總體”；“要素”又稱為“元素”、“部分”、“局部”，在一定的意義上，又稱為“子系統(tǒng)”。整體中的某些部分可以被看成是該系統(tǒng)的子系統(tǒng)，而整個系統(tǒng)又可成為一個更大規(guī)模系統(tǒng)中的子系統(tǒng)。每一個具體的系統(tǒng)都具有特定的結(jié)構(gòu)，發(fā)揮一定的功能，表現(xiàn)一定的行為，產(chǎn)生一定的成果。系統(tǒng)整體的功能和行為由構(gòu)成系統(tǒng)的要素和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定，整體的

6、功能和行為是系統(tǒng)的任何一部分都不具備的。從系統(tǒng)工程的觀點來看，系統(tǒng)的屬性主要有：1）集合性：表明系統(tǒng)是由許多個（兩個以上）可以相互區(qū)別的要素組成。2）相關(guān)性：系統(tǒng)內(nèi)部的要素與要素之間、要素與系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與整體之間，存在著這樣或那樣的關(guān)聯(lián)和聯(lián)系3）層次性：一個大的系統(tǒng)包括多個層次，上下層次之間是包含與被包含的關(guān)系，覆蓋與被覆蓋的關(guān)系，集成與被集成的關(guān)系。系統(tǒng)可以分為縱向和橫向?qū)哟渭邦悇e的劃分。4）整體性：系統(tǒng)是作為一個整體出現(xiàn)的，是作為一個整體存在于環(huán)境之中，與環(huán)境發(fā)生相互作用的。系統(tǒng)的整體性又稱為系統(tǒng)的總體性、全局性。5）涌現(xiàn)性：系統(tǒng)的涌現(xiàn)性包括系統(tǒng)整體的涌現(xiàn)性和系統(tǒng)層次間的涌現(xiàn)性。系統(tǒng)的各

7、個部分組成一個整體之后，就會產(chǎn)生出整體具有而各個部分原有沒有的某些要素、功能、性質(zhì)，系統(tǒng)的這種屬性稱之為系統(tǒng)整體的涌現(xiàn)性。系統(tǒng)的層次之間也具有涌現(xiàn)性，即：當(dāng)?shù)蛯哟紊仙秊楦邔哟螘r，一些新的要素、功能、行為、性質(zhì)就會涌現(xiàn)出來。6）目的性：系統(tǒng)工程所研究的對象系統(tǒng)都具有特定的目的?！澳康摹币部煞Q“目標(biāo)”、“指標(biāo)”。研究一個系統(tǒng)，首先必須明確它作為一個整體或總體所體現(xiàn)的目的與功能。系統(tǒng)總是多目標(biāo)或多指標(biāo)的，分解為若干層次或類別，構(gòu)成一個指標(biāo)體系。7）適應(yīng)性：任何系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境之中，在系統(tǒng)與環(huán)境之間具有物質(zhì)的、能量的和信息的交換。系統(tǒng)要獲得生存與發(fā)展，必須適應(yīng)外界環(huán)境的變化。1.1.3 

8、;工程屬性在現(xiàn)代社會中，工程屬性有廣義和狹義之分。就狹義而言，“工程”的定義為：以某種設(shè)想的目標(biāo)為依據(jù)，應(yīng)用有關(guān)的科學(xué)知識和技術(shù)手段，通過組織、管理、建造、生產(chǎn)，將物理的原材料和邏輯的知識轉(zhuǎn)化為具有預(yù)期使用價值的人造產(chǎn)品的過程。隨著人類文明的發(fā)展，人們可以建造和生產(chǎn)出比單一產(chǎn)品更大、更復(fù)雜的“系統(tǒng)產(chǎn)品”，從廣義上講這些“系統(tǒng)產(chǎn)品”不再是結(jié)構(gòu)或功能單一的物件，而是各種各類單一產(chǎn)品的集合，例如：信息工程、土木工程、交通工程、航天工程、軍事工程等，“工程”已經(jīng)發(fā)展為一門獨立的學(xué)科和專門的技術(shù)。1.1.4 系統(tǒng)分類錢學(xué)森院士提出系統(tǒng)分類法是：1）按照系統(tǒng)規(guī)模：可分為小系統(tǒng)、大系統(tǒng)、巨系統(tǒng)；2

9、）按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度：可分為簡單系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)。復(fù)雜系統(tǒng)又分為：大系統(tǒng)、巨系統(tǒng)、開放性復(fù)雜巨系統(tǒng)。系統(tǒng)工程所研究的系統(tǒng)，是動態(tài)的、開放的、具有反饋環(huán)節(jié)的、非線性的社會系統(tǒng)，是包含實體系統(tǒng)和概念系統(tǒng)的復(fù)合系統(tǒng)，其變量可以是連續(xù)的也可以是離散的，其工作方式可以是串聯(lián)的也可以是并聯(lián)的（一般是串并聯(lián)復(fù)合系統(tǒng)）。開放性復(fù)雜巨系統(tǒng)是由多種系統(tǒng)形態(tài)和工作方式綜合集成的系統(tǒng)。1.1.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從系統(tǒng)論而言，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表示為：1）要素與要素之間、局部與局部之間的關(guān)系子集（橫向聯(lián)系）；2）局部與全局的系統(tǒng)整體之間的關(guān)系子集（縱向聯(lián)系）；3）系統(tǒng)整體與環(huán)境之間的關(guān)系子集；4）其他各種關(guān)系子集。每一個子

10、集都是可以細(xì)分的，不但包含同一層次上不同局部之間、不同要素之間的關(guān)系，還包含系統(tǒng)內(nèi)部不同層次之間的關(guān)系。在系統(tǒng)要素給定的情況下，調(diào)整這些關(guān)系，就可以提高系統(tǒng)的功能。這就是組織管理工作的作用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計是系統(tǒng)工程的著眼點。系統(tǒng)的涌現(xiàn)性存在于系統(tǒng)的總體集合（總集成）之中。系統(tǒng)的集合由系統(tǒng)要素構(gòu)成，而核心則是系統(tǒng)總體集合（總集成）。系統(tǒng)工程的工作重點在于總體集合（總集成）中，系統(tǒng)總體集合（總集成）的規(guī)劃是系統(tǒng)工程的“靈魂”。1.1.6 系統(tǒng)功能系統(tǒng)功能的作用是接收外界的輸入，在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，包括：加工、組裝、集成、分析等，向外界輸出。系統(tǒng)的輸入是作為原始的物理的或者邏輯的，如

11、：感知信號、數(shù)據(jù)、信息等；系統(tǒng)的輸出是經(jīng)過處理和轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品、功能、成果、服務(wù)等。所以系統(tǒng)可以理解為一種處理和轉(zhuǎn)換的裝置或機(jī)構(gòu)，它把輸入轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兯枰妮敵觥Ｏ到y(tǒng)工程旨在提高系統(tǒng)的功能，提高系統(tǒng)處理和轉(zhuǎn)換的效率，即在一定的輸入條件下，使得輸出的得到更多更好的結(jié)果。系統(tǒng)工程在系統(tǒng)功能的作用，關(guān)鍵在于系統(tǒng)功能總集成的工作，主要體現(xiàn)在對系統(tǒng)要素之間關(guān)系的合理性，即由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來決定。調(diào)整系統(tǒng)要素之間的關(guān)系，建立合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以提高和增加系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)工程即在全局中進(jìn)行要素的權(quán)衡、取舍、協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌，對整個系統(tǒng)功能體系進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)組織與管理，對系統(tǒng)輸入的各種物理和邏輯的資源進(jìn)行合理的配置與使用。2

12、. 智慧城市系統(tǒng)工程方法論2.1 智慧城市系統(tǒng)工程方法論概念2.1.1 系統(tǒng)工程方法論概念方法論是研究問題的一般規(guī)律、一般程序，它高于方法，并指導(dǎo)方法的使用。系統(tǒng)工程方法論可以是哲學(xué)層面上的思維方式、思維規(guī)律，也可以是操作層面上開展系統(tǒng)工程項目的一般程序，它反映系統(tǒng)工程研究和解決問題的基本思路或模式。通常系統(tǒng)工程方法論是描述一個項目從開始到結(jié)束的整個生命周期中活動秩序，它由重要的活動節(jié)點來分隔，分隔點之間的區(qū)間稱為階段。一般分為七個階段：頂層規(guī)劃（總體方案規(guī)劃）、專項規(guī)劃（執(zhí)行項目詳細(xì)規(guī)劃）、工程設(shè)計（執(zhí)行項目施工圖設(shè)計）、項目實施（生產(chǎn)及建造）、驗收（分階段測試

13、）、運(yùn)營（使用）、提升（可持續(xù)擴(kuò)展）。2.1.2 開放性復(fù)雜巨系統(tǒng)開放性復(fù)雜巨系統(tǒng)系指由多種系統(tǒng)形態(tài)、多層次、多重子集、多子系統(tǒng)、多要素、多功能的組合、交叉、集合的、動態(tài)的、開放的、具有反饋環(huán)節(jié)的、非線性的，包括實體系統(tǒng)和概念系統(tǒng)的復(fù)合性社會系統(tǒng)體系。錢學(xué)森院士為了研究開放性復(fù)雜巨系統(tǒng)的系統(tǒng)工程方法論，提出了系統(tǒng)工程綜合集成方法論，對系統(tǒng)工程和系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展具有重要意義和深遠(yuǎn)影響。錢學(xué)森院士針對開放性復(fù)雜巨系統(tǒng)的研究時指出：“有些人把處理簡單系統(tǒng)或簡單巨系統(tǒng)的方法用來處理開放性復(fù)雜巨系統(tǒng)。他們沒有看到這些理論方法的局限性和應(yīng)用范圍，不能生搬硬套”。系統(tǒng)工程綜合集成方法論就其實質(zhì)而言，

14、是將專家群體（各種有關(guān)的知識專家）、數(shù)據(jù)和各種信息與現(xiàn)代信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化科技結(jié)合起來，把各種學(xué)科的科學(xué)理論和人的經(jīng)驗知識結(jié)合起來。這三者本身也構(gòu)成了一個系統(tǒng)。系統(tǒng)工程綜合集成方法論的成功應(yīng)用，就在于發(fā)揮這個系統(tǒng)的整體優(yōu)勢和綜合優(yōu)勢。2.1.3 系統(tǒng)工程綜合集成方法論特點錢學(xué)森院士提出的系統(tǒng)工程綜合集成方法論的核心是科學(xué)理論、經(jīng)驗知識、專家判斷力相結(jié)合，將專家體系、數(shù)據(jù)和信息體系、技術(shù)體系結(jié)合起來，構(gòu)成一個高度智能化的人機(jī)結(jié)合系統(tǒng)，把人的思維、思維的方法、思維的結(jié)果、人的經(jīng)驗以及各種情報、資料和信息等統(tǒng)統(tǒng)集成起來，從多方面的定性認(rèn)識上升到定量的知識。在系統(tǒng)總體指導(dǎo)下進(jìn)行分解，在分

15、解后研究的基礎(chǔ)上，再綜合集成到整體，實現(xiàn)總集合（總集成）的涌現(xiàn)，達(dá)到從全局性、戰(zhàn)略性上嚴(yán)密解決問題的目的。系統(tǒng)工程綜合集成方法論具有以下特點：1）根據(jù)開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)的機(jī)制復(fù)雜和變量眾多的特點，把定性研究和定量研究有機(jī)的結(jié)合起來，從多方面的定性認(rèn)識上升到定量知識層面。2）由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，要把科學(xué)理論和經(jīng)驗知識結(jié)合起來，把人對客觀事物的局部知識集中起來，形成知識體系來解決系統(tǒng)問題。3）根據(jù)系統(tǒng)思想，把多種學(xué)科結(jié)合起來進(jìn)行研究，形成技術(shù)體系。4）根據(jù)復(fù)雜巨系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，把宏觀研究和微觀研究統(tǒng)一起來，形成數(shù)據(jù)與信息的綜合體系。2.2 智慧城市系統(tǒng)工程方法論應(yīng)用我們了解智慧城市系統(tǒng)工程由

16、政府、管理、民生、經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)的各個集成系統(tǒng)（平臺）、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、子系統(tǒng)構(gòu)成；其中有實體系統(tǒng)也有概念系統(tǒng)，無論從數(shù)據(jù)的角度，還是從信息的角度，都體現(xiàn)了多層次、多維度、多類型的特征。因此智慧城市就是一個典型的開放性復(fù)雜巨系統(tǒng)。應(yīng)遵循錢學(xué)森院士的關(guān)于系統(tǒng)工程綜合集成方法論來指導(dǎo)、規(guī)劃、設(shè)計、建造、運(yùn)營智慧城市系統(tǒng)工程的應(yīng)用和功能的實現(xiàn)。圖：智慧城市系統(tǒng)工程方法論應(yīng)用示意圖2.2.1 智慧城市系統(tǒng)工程方法論應(yīng)用原則智慧城市系統(tǒng)工程方法論的應(yīng)用原則，要從綜合集成的頂層高度來進(jìn)行智慧城市所涉及政府、管理、民生、經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)進(jìn)行分解、分層、分類，基于總集成目標(biāo)的數(shù)據(jù)化與信息化進(jìn)行組織歸類和集成

17、管理。以系統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)原理，建立基于智慧城市總集成目標(biāo)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系，構(gòu)建小系統(tǒng)、大系統(tǒng)、巨系統(tǒng)和復(fù)雜巨系統(tǒng)之間關(guān)系的分層（縱向）分類（橫向）的結(jié)構(gòu)體系，構(gòu)建要素與要素、要素與局部、局部與全局之間的數(shù)據(jù)與信息的總集合（總集成）的結(jié)構(gòu)體系。2.2.2 智慧城市系統(tǒng)工程框架體系結(jié)構(gòu)頂層規(guī)劃依據(jù)系統(tǒng)工程方法論和綜合集成方法論，智慧城市系統(tǒng)工程方法論體現(xiàn)在智慧城市框架體系結(jié)構(gòu)的頂層規(guī)劃，即：總體技術(shù)框架，知識與建設(shè)體系，戰(zhàn)略級、戰(zhàn)役級、戰(zhàn)術(shù)級信息化體系，信息平臺結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)等方面。（關(guān)于智慧城市框架體系結(jié)構(gòu)的論述將在智慧城市系列論文之三論智慧城市基于SOA的資源集成框架（李林教授）中專門論

18、述）。2.2.3 智慧城市系統(tǒng)工程體系專項規(guī)劃根據(jù)系統(tǒng)工程的系統(tǒng)屬性、系統(tǒng)分類、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能的指導(dǎo)原則，建立智慧城市系統(tǒng)工程總體的知識和建設(shè)體系，包括：指標(biāo)體系、標(biāo)準(zhǔn)體系、數(shù)據(jù)與信息體系、管理與運(yùn)行體系、功能體系、系統(tǒng)體系、技術(shù)體系、信息基礎(chǔ)設(shè)施體系（三中心一平臺）、保障體系等。2.2.4 智慧城市系統(tǒng)工程總體結(jié)構(gòu)專項規(guī)劃根據(jù)系統(tǒng)工程綜合集成方法論，從項目開始到結(jié)束的整個生命周期中活動秩序，編制各個階段的頂層規(guī)劃、專項規(guī)劃、工程設(shè)計，明確智慧城市的要素、局部、全局之間的總體架構(gòu)、技術(shù)結(jié)構(gòu)、信息平臺結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、邏輯結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)、接口結(jié)構(gòu)等。2.2.5 智慧城市系統(tǒng)工程信息平臺結(jié)構(gòu)工程設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)工程綜合集成方法論，在系統(tǒng)總體指導(dǎo)下進(jìn)行目標(biāo)分解，在目標(biāo)分解后的研究基礎(chǔ)上，再將目標(biāo)綜合集成到整體，實現(xiàn)總集合（總集成）的涌現(xiàn)，達(dá)到從全局性、戰(zhàn)略性上嚴(yán)密解決問題的目的。智慧城市需進(jìn)行信息平臺結(jié)構(gòu)工程設(shè)計，涉及戰(zhàn)略級的決策信息