系統(tǒng)工程學筆記

1、系統(tǒng)工程學第一章 系統(tǒng)工程概述第一節(jié) 系統(tǒng)工程的產(chǎn)生、發(fā)展及應(yīng)用1 系統(tǒng)工程雖然形成于20世紀50年代，但是初步實踐可以追溯到古代；2 古希臘唯物主義哲學家德謨克利特最早使用“系統(tǒng)”一詞；亞里士多德名言：整體大于部分之和，這是系統(tǒng)論的基本原則之一。3 都江堰由魚嘴（岷江分流）、飛沙堰（分洪排沙）、和寶瓶口（引水）三大設(shè)施組成；4 早期的系統(tǒng)思想有“只見森林”和比較抽象的特點；15世紀下半頁以后，有“只見樹木”和具體化的特點；5 19世紀以后，有“先見森林，后見樹木”的特點；6 辯證唯物主義認為，世界有無數(shù)相互關(guān)聯(lián)、相互依賴、相互制約和相互作用的過程所形成的統(tǒng)一整體。這種普遍聯(lián)系和整體性的思想，

2、就是科學系統(tǒng)思想的實質(zhì)。7 一般系統(tǒng)論、控制論、信息論耗散結(jié)構(gòu)理論協(xié)同論及自組織理論等是系統(tǒng)理論的重要內(nèi)容和SE的理論基礎(chǔ)。8 系統(tǒng)論或者狹義的一般系統(tǒng)論，是研究系統(tǒng)的模式、原則和規(guī)律，并對其功能進行數(shù)學描述的理論。其代表人物是愛地理理論生物學家貝塔朗菲。9 系統(tǒng)工程的發(fā)展概況 1957年，發(fā)表第一部名為系統(tǒng)工程的著作，系統(tǒng)工程學形成的標志； 1965年，提出模糊集合的概念，為現(xiàn)代系統(tǒng)工程奠定了重要的書數(shù)學基礎(chǔ) 1961-1972年，美國實施阿波羅登月計劃，使用多種系統(tǒng)工程方法并獲得巨大的成功，極大地提高了系統(tǒng)工程的地位 1972年，國際系統(tǒng)分析研究所（IIASA）在維也納成立，系統(tǒng)工程的應(yīng)用

3、重點開始從工程領(lǐng)域進入到社會經(jīng)濟領(lǐng)域，并發(fā)展到了一個重要的階段10 中國系統(tǒng)工程研究主要標志和集中代表是錢學森的工程控制論、華羅庚的統(tǒng)籌法和許國志的運籌學11 中國大規(guī)模的研究系統(tǒng)工程是從20世紀70年代末、80年代初開始的。1978年9月27日，錢學森、許國志、王壽云在文匯報上發(fā)表了題為“組織管理的技術(shù)系統(tǒng)工程”第二節(jié) 系統(tǒng)工程的研究對象1 系統(tǒng)工程的研究對象是組織化的大規(guī)模復雜系統(tǒng)（規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復雜、屬性及目標多樣、一般為人機系統(tǒng)、經(jīng)濟性突出等）2 系統(tǒng)是由兩個以上有機聯(lián)系、相互作用的要素所組成，具有特定功能、結(jié)構(gòu)和環(huán)境的整體；3 系統(tǒng)的一般屬性： 整體性，整體性是系統(tǒng)最基本、最核心的特

4、性； 關(guān)聯(lián)性，構(gòu)成系統(tǒng)的要素是相互聯(lián)系、相互作用的；所有要素均隸屬于系統(tǒng)整體，并具有互動關(guān)系； 環(huán)境適應(yīng)性，區(qū)分為不同環(huán)境：（技術(shù)環(huán)境、經(jīng)濟環(huán)境、社會環(huán)境等）和不同的環(huán)境域：（外部環(huán)境、內(nèi)部環(huán)境）等 目的性、層次性4 大規(guī)模復雜系統(tǒng)的特點： 系統(tǒng)的功能和屬性多樣，由此帶來的多重目標間經(jīng)常會出現(xiàn)相互消長或沖突的關(guān)系 系統(tǒng)通常由多維且不同質(zhì)的要素所構(gòu)成 一般為人機系統(tǒng)，而人及其組織或群體所表現(xiàn)出的固有的復雜性 由要素間相互關(guān)系所形成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所形成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復雜化和動態(tài)化 規(guī)模龐大和經(jīng)濟性突出等5 系統(tǒng)的類型自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)：多數(shù)是其復合系統(tǒng)實體系統(tǒng)與概念系統(tǒng)，通常研究的是這兩類的復合系統(tǒng)動

5、態(tài)系統(tǒng)和靜態(tài)系統(tǒng)：系統(tǒng)工程研究的是一定時期、一定范圍內(nèi)和一定條件下具有某種程度穩(wěn)定性的動態(tài)系統(tǒng)封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)：研究有特定輸入、輸出的相對孤立系統(tǒng)第三節(jié) 系統(tǒng)工程概念與特1 系統(tǒng)工程是從總體出發(fā)，合理開發(fā)、運行和革新一個大規(guī)模復雜系統(tǒng)所需思想、理論、方法論、方法與技術(shù)的總稱，屬于一門綜合性的工程技術(shù)。（書上）2 所謂的系統(tǒng)工程，是用來開發(fā)、運行和革新一個大規(guī)模復雜系統(tǒng)所需思想，程序、方法的總稱（PPT）3 系統(tǒng)工程學是以大規(guī)模復雜系統(tǒng)問題為研究對象，在運籌學、系統(tǒng)理論、管理科學等學科的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展和成熟起來的一門交叉學科；4 系統(tǒng)工程強調(diào)以下基本觀點：在運用系統(tǒng)工程方法來分析和解決現(xiàn)實復雜

6、系統(tǒng)問題時， 需要確立系統(tǒng)的觀念（系統(tǒng)工程工作的前提） 總體最優(yōu)及平衡協(xié)調(diào)的觀點（系統(tǒng)工程的目的） 綜合運用方法與技術(shù)的觀點（系統(tǒng)工程解決問題的手段） 問題導向和反饋控制的觀點（系統(tǒng)工程有效性的保障）這些集中體現(xiàn)了系統(tǒng)工程方法的思想及應(yīng)用要求5 系統(tǒng)工程學的特征： 系統(tǒng)工程一般采用先決定整體框架，后進入內(nèi)部詳細設(shè)計的程序 系統(tǒng)工程試圖通過將構(gòu)成事物的要素加以適當配置來提高整體功能，其核心思想是“綜合即創(chuàng)造” 系統(tǒng)工程屬于軟科學。軟科學的基本特征是人（決策者、分析人員等）和信息的重要作用； 多次反饋和反復協(xié)商；科學性與藝術(shù)性的二重性及其有機結(jié)合。第二章 系統(tǒng)工程方法論系統(tǒng)工程方法論，就是分析和解

7、決系統(tǒng)開發(fā)、運作及管理實踐中的問題所應(yīng)遵循的工作程序、邏輯步驟和基本方法第一節(jié) 系統(tǒng)工程的基本工作過程一 霍爾三維結(jié)構(gòu)1 霍爾在1969年提出，集中體現(xiàn)了系統(tǒng)工程方法的系統(tǒng)化、綜合化、最優(yōu)化、程序化和標準化等特點，是系統(tǒng)工程方法論的重要基礎(chǔ)內(nèi)容2 時間維，表示系統(tǒng)工程的工作階段或進程。可分七個階段：規(guī)劃階段、設(shè)計階段、分析或研制階段、運籌或者生產(chǎn)階段、系統(tǒng)實施或“安裝”階段、運行階段、更新階段3 邏輯維，指系統(tǒng)工程每階段工作縮影遵從的邏輯順序和工作步驟4 知識維或?qū)I(yè)維，表征從事系統(tǒng)工程工作所需要的知識（如運籌學、控制論、管理科學等），也可反應(yīng)系統(tǒng)工程的專門應(yīng)用領(lǐng)域（如企業(yè)管理系統(tǒng)工程、社會經(jīng)

8、濟系統(tǒng)工程、工程系統(tǒng)工程等）5 霍爾三維結(jié)構(gòu)強調(diào)明確目標，核心內(nèi)容是最優(yōu)化，應(yīng)用定量分析手段，求得最優(yōu)解答。該方法論具有研究方法上的整體性（三維）、技術(shù)應(yīng)用上的綜合性（知識維）、組織管理上的科學性（時間維與邏輯維）和系統(tǒng)工程上的問題導向性（邏輯維）等突出特點。6 切克蘭德方法論：切克蘭德提出軟系統(tǒng)工程方法論。7 根底定義的目的是弄清系統(tǒng)問題的關(guān)鍵要素，為系統(tǒng)的發(fā)展及其研究確立各種基本的看法，并盡可能選擇出最合適的基本觀點。8 切克蘭德方法論的主要工作內(nèi)容和工作過程 認識問題、根底定義、建立概念模型、比較及探尋、選擇、設(shè)計與實施、評估與反饋9 切克蘭德方法論的核心是比較與探尋，它強調(diào)從理想模式（

9、概念模型）與現(xiàn)實狀況的比較中探尋改善現(xiàn)狀的途徑，使決策者滿意化。10 兩種方法論的比較兩種方法論均為系統(tǒng)工程方法論，均以問題為起點，具有相應(yīng)的邏輯過程。主要有以下不同點：霍爾方法論主要以工程系統(tǒng)為研究對象，而切克蘭德方法更適合對社會經(jīng)濟和經(jīng)營管理等“軟”系統(tǒng)問題的研究；前者（霍）的核心內(nèi)容是優(yōu)化分析，而后者的核心內(nèi)容是比較學習；前者更多的關(guān)注定量分析方法，而后者比較強調(diào)定性與定量有機結(jié)合的基本方法。第二節(jié) 系統(tǒng)分析原理1 系統(tǒng)分析是在系統(tǒng)問題現(xiàn)狀及目標充分理解的基礎(chǔ)上，運用建模及預測、優(yōu)化、仿真、評價等技術(shù)對系統(tǒng)的各有關(guān)方面進行定性與定量相結(jié)合的分析，為選擇最優(yōu)或者滿意的系統(tǒng)方案提供決策依據(jù)的

10、分析研究過程。2 系統(tǒng)分析的六要素：問題、目的及目標、方案、模型、評價、決策者3 系統(tǒng)分析的基本過程4 在初步系統(tǒng)分析階段，至少圍繞六方面：WHAT研究什么問題，對象系統(tǒng)的要素是什么（問題與哪些因素有關(guān)）、WHY（為什么要研究該問題，目的和希望是什么）、WHERE（系統(tǒng)邊界和環(huán)境如何）、WHEN（分析的是什么時候的情況）、WHO（決策者、行動者、所有者等關(guān)鍵主體是誰）、HOW（如何實現(xiàn)系統(tǒng)的目標狀態(tài)）（5W1H）5 環(huán)境分析幾乎貫穿于系統(tǒng)分析的全過程，具有重要作用。6 應(yīng)用系統(tǒng)分析的原則：1）堅持問題導向、系統(tǒng)分析人員要適應(yīng)實際問題的需要，指定方案，選擇方法。2）以整體為目標，將問題作為一個整

11、體來處理，全面考慮各主要因素及其相互影響，使投入產(chǎn)出比最大化。3）多方案模型分析和優(yōu)選，收集各種信息，尋找多個方案，盡可能求得定量化的分析結(jié)果。是系統(tǒng)分析的核心內(nèi)容。4）定量分析與定性分析相結(jié)合，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果和相關(guān)人員的直觀判斷和經(jīng)驗進行綜合分析與判定。5）多次反復進行，根據(jù)變化進行分析并進行多次反饋，逐步得到與系統(tǒng)目標要求最接近、令決策者較為滿意的答案。第三章 系統(tǒng)模型與模型化第一節(jié) 系統(tǒng)模型與模型化概述1 模型：模型是現(xiàn)實系統(tǒng)的理想化抽象或者簡潔表示，描繪了現(xiàn)實系統(tǒng)的某些主要特點，為了客觀的研究系統(tǒng)而發(fā)展起來的。2 模型的三個特征：是現(xiàn)實世界部分的抽象或模仿；是由那些與分析的問題有關(guān)的因素

12、構(gòu)成的；它表明了有關(guān)因素間的相互聯(lián)系。3 模型化就是為描述系統(tǒng)的構(gòu)成和行為，對實體系統(tǒng)的各種因素進行適當篩選，用一定方式（數(shù)學、圖像等）表達系統(tǒng)實體的方法。簡言之就是構(gòu)造模型的過程。4 模型分類：模型：概念：思維、描述、字句 符號：圖示、數(shù)學 形象：物理、圖像 類比 仿真5 構(gòu)造模型的一般原則（1）建立方框圖；目的是簡化對系統(tǒng)內(nèi)部相互作用的說明。（2）考慮信息相關(guān)性；模型中只應(yīng)包括系統(tǒng)中與研究目的有關(guān)的那些信息（3）考慮準確性；建模時，對所收集的用以構(gòu)模的信息應(yīng)該考慮其準確性。（4）考慮結(jié)集性：建模時需要進一步考慮的因素是把一些個別的實體組成更大實體的程度6 建模的基本步驟1）明確建模的目的和

13、要求，以便使模型滿足實際需求，不至產(chǎn)生太大偏差；2）對系統(tǒng)進行一般語言描述；系統(tǒng)的語言描述是進一步確定模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)；3）弄清系統(tǒng)中的主要因素（變量）關(guān)系（結(jié)構(gòu)關(guān)系和函數(shù)關(guān)系），以便使模型準確的表示現(xiàn)實系統(tǒng)4）確定模型結(jié)構(gòu)。這一步?jīng)Q定了模型定量方面的內(nèi)容5）估計模型參數(shù)；用數(shù)量表示系統(tǒng)中的因果關(guān)系6）實驗研究；檢驗?zāi)Ｐ团c實際系統(tǒng)的符合性7）必要修改。第二節(jié) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)1 結(jié)構(gòu)模型：是定性表示系統(tǒng)構(gòu)成要素以及他們之間存在本質(zhì)上的相互依賴、相互制約和關(guān)聯(lián)情況的模型。2 結(jié)構(gòu)模型化即建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的過程；該過程注重表現(xiàn)系統(tǒng)要素之間相互作用的性質(zhì)，是系統(tǒng)認識、準確把握復雜問題并對問題建立數(shù)學

14、模型、進行定量分析的基礎(chǔ)。3 結(jié)構(gòu)分析：是一個實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化并加以解釋的過程。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化是結(jié)構(gòu)分析的基本內(nèi)容。結(jié)構(gòu)分析是系統(tǒng)分析的重要內(nèi)容，是系統(tǒng)優(yōu)化分析、設(shè)計與管理的基礎(chǔ)。尤其是在分析與解決社會經(jīng)濟系統(tǒng)問題時，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的正確認識與描述更具有數(shù)學模型和定量分析所無法代替的作用。4 有向圖表達P42；5 常用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)有：關(guān)聯(lián)樹法、解釋結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)、系統(tǒng)動力學模型化技術(shù)等。第二種是最基本和最具特色的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)。6 ISM工作原理圖P457 P52-53 建立遞階結(jié)構(gòu)模型使用方法；可達矩陣之類。8 狀態(tài)和狀態(tài)變量 P67第四章 系統(tǒng)仿真及系統(tǒng)動力學方法第一節(jié) 系統(tǒng)仿真概

15、述1 系統(tǒng)仿真：所謂系統(tǒng)仿真，就是根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，在分析系統(tǒng)各要素性質(zhì)以及相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立能描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或行為過程，且具有一定邏輯關(guān)系或數(shù)學方程的仿真模型，據(jù)此進行試驗或者定量分析，已獲得正確決策所需的各種信息。2 系統(tǒng)仿真的實質(zhì)：1）他是一種對系統(tǒng)問題求數(shù)值解的計算技術(shù)；2）仿真是一種人為的實驗手段，仿真試驗不是依據(jù)實際環(huán)境、而是作為實際系統(tǒng)映像的系統(tǒng)模型以及相應(yīng)的“人造”環(huán)境下進行的。這時仿真的主要功能。3）仿真可以比較真實的描述系統(tǒng)的運行、演變及其發(fā)展過程。3 系統(tǒng)仿真的作用1）系統(tǒng)仿真的過程也是實驗的過程，而且還是系統(tǒng)的收集和積累信息的過程。尤其是對于一些復雜的隨機問題，應(yīng)用

16、仿真技術(shù)是提供所需信息的唯一令人滿意的方法。2）對一些難以建立物理模型和數(shù)學模型和數(shù)學模型的對象系統(tǒng)，可通過仿真模型來順利地解決預測、分析和評價等系統(tǒng)問題。3）通過系統(tǒng)仿真，可以把一個復雜系統(tǒng)降階為若干子系統(tǒng)，以便于分析。4）通過系統(tǒng)仿真，不僅能啟發(fā)新的思想或產(chǎn)生新的策略，還能暴露出原系統(tǒng)中隱藏著的一些問題，以便及時解決。4 系統(tǒng)仿真的方法：系統(tǒng)仿真的基本方法是建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型和量化分析模型，并將其轉(zhuǎn)化為適合在計算機上編程的仿真模型，然后對模型進行仿真實驗。基本上分為兩大類：連續(xù)系統(tǒng)仿真方法和離散系統(tǒng)仿真方法。5 連續(xù)系統(tǒng)：是指系統(tǒng)中的狀態(tài)變量隨時間連續(xù)地變化的系統(tǒng)；6 離散系統(tǒng)：是離散事件

17、動態(tài)系統(tǒng)的簡稱，是指系統(tǒng)狀態(tài)變量只在一些離散的時間點上發(fā)生變化的系統(tǒng)。7 系統(tǒng)動力學是美國麻省理工學院J.W.弗雷斯特教授最早提出的。8 SD（系統(tǒng)動力學）研究對象主要是社會（經(jīng)濟）系統(tǒng)。該系統(tǒng)的突出特點：社會系統(tǒng)存在著決策環(huán)節(jié)；社會系統(tǒng)具有自律性；社會系統(tǒng)的非線性。9 模型特點：1）多變量，主要由SD對象系統(tǒng)的動態(tài)特性和復雜性決定的。2）定性分析與定量分析相結(jié)合。SD模型由結(jié)構(gòu)模型和數(shù)學模型所組成。3）以仿真實驗為基本手段和以計算機為工具；4）可處理高階次、多回路、非線性的時變復雜系統(tǒng)問題。10 系統(tǒng)動力學的工作程序：P85第二節(jié) 系統(tǒng)動力學結(jié)構(gòu)模型化原理1 系統(tǒng)動力學的基本原理：首先通過對

18、實際問題系統(tǒng)進行觀察，采集有關(guān)對象系統(tǒng)狀態(tài)的信息，隨后使用有關(guān)信息進行決策。決策的結(jié)果是采取行動。行動又作用于實際系統(tǒng)，使系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化。這種變化又為觀察者提供信息，從而形成系統(tǒng)中的反饋回路。2 SD的四個基本要素：狀態(tài)或者水準、信息、決策或速率、行動或者實物流。3 SD的兩個基本變量：水準變量、速率變量4 SD的一個基本思想：反饋控制。5 因果關(guān)系圖和流圖P86-886 SD結(jié)構(gòu)模型的建模步驟：1）明確系統(tǒng)邊界，即確定對象系統(tǒng)的范圍；2）闡明形成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的反饋回路，即明確系統(tǒng)內(nèi)部活動的因果關(guān)系鏈；3）確定反饋回路中的水準變量和速率變量；4）闡明速率變量的自解耦股或者完善、形成各個決策函數(shù)，建立起SD結(jié)構(gòu)模型（流圖）。第三節(jié) 基本反饋回路的DYNAMO仿真分析1 基本DYNAMO方程：水準方程、速率方程、輔助方程、賦初值方程、常量方程；2 幾種典型反饋回路及其計算P91-94.第五章 系統(tǒng)評價方法第一節(jié) 系統(tǒng)評價原理1 系統(tǒng)平價就是全面評定系統(tǒng)的價值2 系統(tǒng)評價問題由評價對象：指接受評價的事物、行為或者對象系統(tǒng)；評價主體：指評定對象系統(tǒng)價值大小的個人或者集體；評價目的：即系統(tǒng)評價所要解決的問題和所能發(fā)揮的