系統(tǒng)工程基礎概述

第二章系統(tǒng)工程基礎概述教學目的：使學生理解系統(tǒng)工程的概念，了解系統(tǒng)工程的發(fā)展歷程和基礎理論，掌握系統(tǒng)工程的研究方法，理解物流系統(tǒng)工程的基本方法和技術?；疽螅?、理解系統(tǒng)工程的概念；2、了解系統(tǒng)工程的基礎理論；3、重點掌握系統(tǒng)工程的研究方法；4、理解物流系統(tǒng)工程的概念、基本方法和技術教學重點：系統(tǒng)工程方法論，物流系統(tǒng)工程的常用技術和手段。教學時數(shù)：2學時第一節(jié)系統(tǒng)工程及其發(fā)展歷程系統(tǒng)工程的定義口系統(tǒng)工程”這個詞來源于英文“SystemEngineering”。口系統(tǒng)工程主要提供一套現(xiàn)代化的管理方法，同時也能夠促進工程活動本身獲得最佳效果口系統(tǒng)工程在不同的學科有多種不同的定義，代表性的定義有?美國著名學者切斯納(H.Chestnut)：系統(tǒng)工程按照各個目標進行權衡，全面求得最優(yōu)解(滿意解)，并使各組成部分能夠最大限度的相互適應。?日本工業(yè)標準“運籌學術語”中指出：系統(tǒng)工程是為了更好地達到系統(tǒng)目標，而對系統(tǒng)的構成要素、組織結構、信息流動和控制機制等進行分析和設計的技術。?我國的定義：系統(tǒng)工程就是用科學的方法組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設計、制造、試驗和使用，規(guī)劃和組織人力、物力、財力，通過最優(yōu)途徑的選擇，使工作在一定期限內收到最合理、最經濟、最有效的成果。該定義有三層含義：＞組織和管理的技術＞解決工程活動全過程的技術＞這種技術具有普遍性系統(tǒng)工程的特征口普遍性?系統(tǒng)工程不限于某一特定的研究對象，各種自然的、社會的系統(tǒng)都可以做為它的研究對象口全局最優(yōu)性?系統(tǒng)工程著眼于系統(tǒng)的整體狀態(tài)和過程，而不拘泥于局部的、個別的部分，以系統(tǒng)整體的最佳為目標?？谙嚓P性?系統(tǒng)工程與所處的環(huán)境和條件密切相關，離不開事物本來的性質與特征。系統(tǒng)工程與常規(guī)工程學的區(qū)別1．常規(guī)工程學以自己特定的物質為對象，而系統(tǒng)工程則不限于某一特定的物質對象，各種自然的、生態(tài)的、人類的、企業(yè)的和社會的組織等都可以作為它的研究對象；2．系統(tǒng)工程具有多學科綜合性的特點，它不僅應用于自然科學，而且也要用到其他工程技術，如管理科學、經濟學、社會學，乃至心理學、生態(tài)學和醫(yī)學等知識；現(xiàn)代自然科學的發(fā)展，出現(xiàn)了兩大趨勢，一是高度細化，一是高度綜合。系統(tǒng)工程是高度綜合的產物。3．常規(guī)工程學多著眼于技術的合理性，往往是利用組成元素的良好程度來確保和維持整個系統(tǒng)的總體功能。而系統(tǒng)工程則是從整個系統(tǒng)的最優(yōu)出發(fā)，首先確定整體的目標，然后再參照這個目標來決定各元素所必需的性能，并利用各元素間的巧妙聯(lián)系和協(xié)調運轉來實現(xiàn)總體目標。這樣做往往更能提高整個系統(tǒng)的水平。有一項調查顯示，在美國、日本生產的同一種產品，若考察該產品各部件的合格率，美國大于95%，日本70%多一點；若看產品整體的合格率，則日本大于98%，美國在90%左右。系統(tǒng)工程的形成與發(fā)展系統(tǒng)工程的發(fā)展大致可以分為萌芽、發(fā)展和初步成熟三個時期。（1）萌芽時期（20世紀50年代以前）在古代，人們就有了系統(tǒng)工程思想的萌芽。20世紀30—40年代工程技術有了巨大進步，加上第二次世界大戰(zhàn)的因素，更有了飛速的發(fā)展。隨著生產規(guī)模越來越大，生產技術越來越復雜，科學研究涉及的專業(yè)和部門越來越多。這些大規(guī)模的生產系統(tǒng)、技術系統(tǒng)和科學系統(tǒng)由許多部分組成，關系錯綜復雜，需要人們從整體和相互聯(lián)系的角度去考慮問題，需要制定一套處理復雜系統(tǒng)和組織工作的科學方法及程序。40年代，美國貝爾電話公司首先使用了“系統(tǒng)工程（systemengineering）"命名設計新系統(tǒng)（研究發(fā)展微波通信網）的科學方法。（2）發(fā)展時期（20世紀50年代至60年代）1957年，美國密治安大學的古德（A.H.Goode）和麥考爾（R.E.Machal）合作出版了第一本以“系統(tǒng)工程"命名的書。第二次世界大戰(zhàn)后，美國的蘭德公司，針對大型社會、經濟系統(tǒng)問題的研究，倡導“系統(tǒng)分析（Systemanalysis）”，著重于解決大型社會經濟系統(tǒng)中的問題時，對若干可供選擇的執(zhí)行特定任務的系統(tǒng)方案進行選擇比較，進行費用效果分析。此外，針對大型企業(yè)的經營管理技術的發(fā)展，以泰勒（F.W.Taylor,1856—1915）為代表的科學管理發(fā)展成了管理科學（ManagementScience）o1958年美國在北極星導彈的研制中，首先采用了計劃評審技術（PERT），有效地推進了計劃管理。1969年，阿波羅飛船登月成功，被公認為是系統(tǒng)工程成功的范例，引起了人們對系統(tǒng)工程的廣泛重視。在這一時期，一般系統(tǒng)論、運籌學、控制論、信息學等學科相互滲透融合，對系統(tǒng)工程的發(fā)展發(fā)揮的巨大的推動作用。（3）初步成熟時期（20世紀60年代以后）1965年美國學者麥考爾（R.E.Machal）編寫了《系統(tǒng)工程手冊》一書，內容包括系統(tǒng)工程的方法論、系統(tǒng)環(huán)境、系統(tǒng)部件、系統(tǒng)理論、系統(tǒng)技術以及一些數(shù)學基礎。此書基本概括了系統(tǒng)工程各方面的內容，使系統(tǒng)工程形成了比較完整的體系。以后，許多學者著書立說，使系統(tǒng)工程這一學科趨于完善。第二節(jié)系統(tǒng)工程的理論基礎系統(tǒng)工程的理論基礎包括系統(tǒng)論、信息論、控制論、運籌學等科學技術，其中運籌學是系統(tǒng)工程最重要的理論基礎。應特別指出的是，系統(tǒng)工程除了上述理論基礎之外，另一個重要的基礎就是計算機科學和計算機技術。（1）一般系統(tǒng)論貝塔朗菲是理論生物學家，1937年在芝加哥大學、莫里斯（C.Morris）主持的哲學會議上第一次提出了一般系統(tǒng)論的概念。1945年貝塔朗菲的《關于一般系統(tǒng)論》于《德國哲學周刊》第18期上發(fā)表，明確提出一般系統(tǒng)論的任務“乃是確立適用于系統(tǒng)的一般原則”，并對系統(tǒng)的共性作了一定的概括，如系統(tǒng)的整體性、關聯(lián)性、動態(tài)性、有序性、終結性（目的性）等。經過40年代末50年代初的發(fā)展，一般系統(tǒng)論開始形成了國際性新學科。1954年成立“一般系統(tǒng)論協(xié)會”（1956年改名為“一般系統(tǒng)研究會”，80年代末又改名為“國際系統(tǒng)科學學會”），出版了機關刊物《行為科學》、《一般系統(tǒng)年鑒》。一般系統(tǒng)論對系統(tǒng)科學的形成和發(fā)展做出了貢獻，但他們關于建立各種系統(tǒng)共同規(guī)律的探索，還是定性描述和概念的闡發(fā)居多，深入的定量理論和方法較少。（2） 運籌學30年代末，由于戰(zhàn)爭的需要，研制了雷達系統(tǒng)。這個新的系統(tǒng)的有效運行，以及其他武器系統(tǒng)的分析和評價，提出許多問題并逐一得到較滿意的解決，從而出現(xiàn)了運籌學（operationalresearch））物資運輸問題深水炸彈爆炸深度問題飛機極限使用問題Dantzig的單純形法（1947年在其碩士畢業(yè)論文中闡述并發(fā)表（Programminginalinearstructure,Comptroller,USAF,WashingtonD.C.,1948），當年27歲，在世界范圍內引起了很大的轟動）二次大戰(zhàn)結束后，運籌學從單純軍事和戰(zhàn)爭中的應用研究，轉移到經濟和工業(yè)管理中的應用，并形成了自己的理論和方法。到六十年代末運籌學打到了成熟期，其標志是1969年出版的瓦格納（H.W.Wagner）的《運籌學原理和對管理決策的應用》。這是一本樹立了運籌學新標準的教科書，獲得廣泛應用。（3） 控制論控制論（cybernetics）的創(chuàng)始人是美國人維納（N.Wiener，1894一1964），他把控制論定義為：關于在動物和機械中控制和通信的科學。控制論是在20世紀30一40年代蓬勃發(fā)展的自動控制技術和統(tǒng)計數(shù)學的背景下誕生的。（4） 信息學我們這里說的信息學（informatics,informationscience）,是關于系統(tǒng)的信息傳遞和處理的科學理論，不僅是香農（C.E.Shannon）的信息論，還包括了電子計算機理論。香農信息論形成的背景是通信工程。第二次世界大戰(zhàn)對通信的實際需要，迫切要求建立通信理論，香農在1948年發(fā)表了《通信的數(shù)學理論》，宣告了信息論的誕生。香農的信息論提煉出了包括信息源、信息歸宿、信息通道的信號傳輸?shù)钠毡檫m用的模型，定義了信息量，提出了信息編碼定理等重要定理，為一般意義上的信息傳輸?shù)於死碚摶A。1948年電子計算機的誕生，是人類認識社會、改造世界的一個偉大事件。電子計算機不但是威力巨大的計算手段，它首先標志著人類對信息處理本質的深刻認識。信息處理原本是人的智能，電子計算機的誕生就宣告了對人類智能的機理有了基本的本質性的認識，并且實現(xiàn)了人的處理信息的職能可以部分有人造物代替。電子計算機現(xiàn)在被廣泛叫做“電腦”，不但形象，也是很確切的。對于系統(tǒng)科學研究的一大類系統(tǒng)，控制論從系統(tǒng)外顯的目的行為出發(fā)，把目的行為和信息的獲取、傳輸和處理關聯(lián)起來，概括成了一個反饋控制模型。而香農信息論則撇開了所謂信息的語義，從信息的語法方面建立了傳遞信息的通信系統(tǒng)模型。馮?諾伊曼(von.Neumann)計算機則實現(xiàn)了一種處理信息的“物理符號系統(tǒng)”，這是人類智能物化的偉大起點。目的、行為、控制、信息、語法、語義、智能等本來都是表征人的活動的詞匯，由于控制論、信息學的發(fā)展，這些詞匯也被賦予了機器等人工物。這樣，運籌學、控制論和信息學的成就，就把科學的定量的系統(tǒng)思想的適用范圍，從自然物擴展到人工物，從“物理”擴展到“事理”；為系統(tǒng)科學橫向自然科學、社會科學和工程技術的基本特征的形成奠定了基礎。第三節(jié)系統(tǒng)工程研究方法系統(tǒng)工程方法論：是指運用系統(tǒng)工程研究問題的一套程序化方法，也就是為了達到系統(tǒng)的預期目標，運用系統(tǒng)工程思想及其技術內容解決問題的工作步驟。系統(tǒng)工程方法論的基本原則?系統(tǒng)整體性原則＞不能從系統(tǒng)的局部得出有關系統(tǒng)整體的結論；＞子系統(tǒng)的目標必須服從于系統(tǒng)整體的目標；＞從優(yōu)化系統(tǒng)出發(fā)開展各子系統(tǒng)之間的活動；＞從總體協(xié)調的需要來確定最佳方案。?系統(tǒng)有序相關原則?系統(tǒng)目標優(yōu)化原則系統(tǒng)動態(tài)性原則系統(tǒng)分解與綜合原則系統(tǒng)創(chuàng)造思維原則(2)三維結構方法論三維結構方法論是一種適應面較寬、供不同系統(tǒng)參考的程序基本模型和統(tǒng)一思想方法。1969年，美國貝爾研究所霍爾(A.D.Hall)提出了系統(tǒng)工程三維結構體系，它是由時間維、邏輯維和知識維組成的立體空間結構。特點是強調明確目標，核心內容是模型化和定量化。指為完成上述各階段、各步驟的工作所需要的各種專業(yè)知識和技術知識表示系統(tǒng)工作的各個階段①-呂境fjtax.?■點統(tǒng)甘用T-漬匯廿?累詵巒杯-a計是指實施系統(tǒng)工程的每一個工作階段所要經歷的步驟，也稱思考過程表示系統(tǒng)工作的各個階段①-呂境fjtax.?■點統(tǒng)甘用T-漬匯廿?累詵巒杯-a計是指實施系統(tǒng)工程的每一個工作階段所要經歷的步驟，也稱思考過程視劃Vi峨1產并段/十裝玄證疏段產逗訂陽段/H葫護鳳/②畫I—-,','■■時間維：（1）規(guī)劃階段：按客觀需要，探索應建立何種系統(tǒng)，提出建立這種系統(tǒng)的目的、制定出系統(tǒng)工程活動的規(guī)劃；（2）擬定方案：提出具體的計劃方案；（3）研制階段：根據(jù)擬定的方案進行系統(tǒng)研制，并制定出生產計劃；（4）生產階段：生產和加工出系統(tǒng)的全部零部件，并提出安裝計劃；（5）安裝試驗階段：把制成的零部件按照計劃組裝成系統(tǒng)，并完成調試工作；（6）運行階段：系統(tǒng)按照預定的功能投入使用；（7）更新階段：根據(jù)系統(tǒng)運行情況，對原系統(tǒng)不斷地進行改進，或以新系統(tǒng)代替舊系統(tǒng)。邏輯維：（1）擺明問題：按系統(tǒng)的觀點、弄清需要解決什么問題，希望達到什么要求；。（2）系統(tǒng)指標設計：提出所解決問題要達到的目標，并制定出衡量是否達到目標的評價指標；（3）系統(tǒng)綜合：按照問題的性質和系統(tǒng)目標的要求提出若干個替代方案，對每個替代方案都列出其費用、資源消耗、功能等指標，并說明其優(yōu)缺點；（4）系統(tǒng)分析：通過建立模型，把所有替代方案與系統(tǒng)的評價指標聯(lián)系起來，以便對這些方案進行分析比較；（5）系統(tǒng)優(yōu)化：選擇方案中的參數(shù)，使各替代方案都盡量均衡地滿足系統(tǒng)的評價指標最優(yōu)；

（6）決策：根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化的結果，選出最優(yōu)方案。（6）實施計劃：根據(jù)最后選定的方案，擬定具體的實施計劃，并組織實施，若實施中遇到問題，則需返回到相應步驟，不斷修改，直到完善為止。知識維：是指為完成上述各階段、各步驟的工作所需要的各種專業(yè)知識和技術知識。霍爾把這些知識分成工程、醫(yī)學、建筑、商業(yè)、法律、管理、社會科學和藝術等。錢學森教授認為：“系統(tǒng)工程的理論基礎，除了共同性的基礎之外，每門系統(tǒng)工程又有各自的專業(yè)基礎。這是因為對象不同，當然要掌握不同對象本身的規(guī)律。例如工程系統(tǒng)工程要靠工程設計，軍事系統(tǒng)工程要靠軍事科學等”。（3）軟系統(tǒng)方法論英國蘭卡斯特大學切克蘭德（P.Checkland）提出了軟系統(tǒng)方法論，其核心不是“最優(yōu)化”，而是進行“比較”，強調找出可行滿意的結果，是一個“學習”的過程。搞淸楚導改善有關的各種因素歴網素間的樞互關系說明現(xiàn)狀*目的雄為「改善現(xiàn)狀.弄清間題本身的基本定丈搞淸楚導改善有關的各種因素歴網素間的樞互關系運用系統(tǒng)現(xiàn)點和系統(tǒng)思想描述系統(tǒng)活動的現(xiàn)狀+阿用結掏模型和有流向的框圖表達對改善問題予以宜施報據(jù)數(shù)學換型的理論和方法*改進上述概念欖型。然話將槪念模型和現(xiàn)狀進行比校*逐步得岀滿意的可行解對改善問題予以宜施圖1-2軟系統(tǒng)方法論（4）蘭德方法論（系統(tǒng)分析方法論）美國蘭德公司自1947年成立以后，主要為戰(zhàn)后美國空軍的發(fā)展戰(zhàn)略提供咨詢服務。后來逐漸擴大了工作范圍，在長期經驗積累的基礎上，創(chuàng)立了系統(tǒng)分析方法論。系統(tǒng)分析的重要內容，包括系統(tǒng)功能分析、結構分析和環(huán)境分析。系統(tǒng)功能分析系統(tǒng)結構分析系統(tǒng)環(huán)境分析第四節(jié)物流系統(tǒng)工程的基本方法及技術一、物流系統(tǒng)工程的涵義在物流管理中，從物流系統(tǒng)的整體利益出發(fā)，把物流與信息流融為一體看作一個系統(tǒng)，把生產、流通和消費全過程看作一個整體，運用系統(tǒng)工程的理論和方法進行物流系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、管理和控制等并選擇最優(yōu)方案。以盡可能低的物流費用、盡可能高的物流效率、良好的顧客服務，達到提高社會經濟效益和企業(yè)經濟效益目的的綜合性組織管理活動。二、物流系統(tǒng)工程理論和方法基礎物流系統(tǒng)工程的基本原理?就是以物流系統(tǒng)為特定的研究對象，把要組織管理的物流對象經過分析、推理、判斷、綜合、建立某種系統(tǒng)模型，用最優(yōu)化方法，實現(xiàn)系統(tǒng)最滿意的結果。?即經過系統(tǒng)工程技術的處理，使物流系統(tǒng)達到以下目標：＞技術上先進＞經濟上合算＞時間上節(jié)?。灸軈f(xié)調運行物流系統(tǒng)工程的理論和方法基礎?運籌學?經濟控制論?大系統(tǒng)理論(協(xié)同論和耗散結構理論)?系統(tǒng)動力學三、物流系統(tǒng)工程的常用技術和手段1．模型化技術系統(tǒng)模型是對實際系統(tǒng)的描述、模仿或抽象。模型化就是通過說明系統(tǒng)結構和行為的數(shù)學方程、圖像或物理形式表達系統(tǒng)實體的一種科學方法。采用模型化技術，經過恰當?shù)某橄蟆⒓庸?、邏輯整理，能夠把復雜物流系統(tǒng)變成可以準確分析和處理的結構形式，有利于得到準確的結論。模型分為實體模型、圖示模型和數(shù)學模型。系統(tǒng)最優(yōu)化技術就是在—定的約束條件下，求出使目標函數(shù)為最大(或最小)的解。物流系統(tǒng)工程的基本思想是整體優(yōu)化的思想，在外界環(huán)境約束條件下，要正確處理好眾多因素之間的關系，必須采用系統(tǒng)優(yōu)化技術，否則難以得到滿意結果。常用的