系統(tǒng)工程概述

1、-作者xxxx-日期xxxx系統(tǒng)工程概述【精品文檔】系統(tǒng)工程概述一、系統(tǒng)與系統(tǒng)工程理論系統(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。它具有整體性，關(guān)聯(lián)性，和環(huán)境適應(yīng)性等基本屬性，除此以外，很多系統(tǒng)還具有目的性，層次性等特征。系統(tǒng)有自然系統(tǒng)與人造系統(tǒng)，實體系統(tǒng)與概念系統(tǒng)，動態(tài)系統(tǒng)和靜態(tài)系統(tǒng)，封閉系統(tǒng)與開放系統(tǒng)之分。用定量和定性相結(jié)合的系統(tǒng)思想和方法處理大型復(fù)雜系統(tǒng)問題，無論是系統(tǒng)的設(shè)計或組織建立，還是系統(tǒng)的經(jīng)營管理，都可以統(tǒng)一地看成是一類工程實踐，統(tǒng)稱為系統(tǒng)工程。系統(tǒng)工程是從整體出發(fā)，合理開發(fā)、運行和革新一個大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)所需思想、理論、方法論、方法與技術(shù)的總稱

2、，屬于一門綜合性的工程技術(shù)。系統(tǒng)工程的研究對象是大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)。其復(fù)雜性主要表現(xiàn)在：1、系統(tǒng)的功能和屬性多樣，由此而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；2、系統(tǒng)通常由多維且不同質(zhì)的要素構(gòu)成；3、一般為人機系統(tǒng)，而人及其組織或群體表現(xiàn)出固有的復(fù)雜性；四、由要素間相互作用關(guān)系所形成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化和動態(tài)化。大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)還具有規(guī)模龐大及經(jīng)濟性突出等特點。系統(tǒng)工程的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，已廣泛應(yīng)用于社會、經(jīng)濟、區(qū)域規(guī)劃、環(huán)境生態(tài)、能源、資源、交通運輸、農(nóng)業(yè)、教育、人口、軍事等諸多領(lǐng)域。系統(tǒng)工程有三大理論基礎(chǔ)和工具，即系統(tǒng)論，信息論和控制論，簡稱“三論”。控制論是由美國人維納創(chuàng)立的一門研究

3、系統(tǒng)控制的學科。其觀念是通過一系列有目的的行為及反饋是系統(tǒng)受到控制?？刂普撗芯康闹攸c是帶有反饋回路的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并不是任意的控制系統(tǒng)。反饋有兩類：正反饋和負反饋。如果輸出反饋回來放大了輸入變化導(dǎo)致的偏差，這就是正反饋；如果輸出反饋回來弱化了輸入變化導(dǎo)致的偏差，這就是負反饋。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是指要素在系統(tǒng)范圍內(nèi)的秩序，亦即要素之間的相互聯(lián)系，相互作用的內(nèi)在方式。任何系統(tǒng)都具有一定的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點是：1、層次性是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為普遍的形式；2、結(jié)構(gòu)具有相對性；3、各層次都有其自身的最佳規(guī)模；四、結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性；五、結(jié)構(gòu)具有動態(tài)性和開放性。控制論對系統(tǒng)工程方法論的重要啟示有“黑箱灰箱白箱法”。黑箱即一

4、個閉盒，我們無法直接觀測出其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只能通過外部的輸入和輸出去推斷進而認識該系統(tǒng)，這就是由黑箱到灰箱再到白箱的過程。但是事物本質(zhì)的層次性決定了事物的黑箱總是一層一層，永無止境，所以也有“黑箱永遠有，白箱永不白”的說法，但是控制論黑箱方法在人類認識事物的任何階段，都不失為一種重要的手段。信息論的創(chuàng)立者是美國數(shù)學家申農(nóng)和維納。狹義的信息論即申農(nóng)信息論，主要研究消息的信息量，信道容量以及消息的編碼問題。一般信息論主要研究通信問題，但還包括噪聲理論、信號濾波與預(yù)測、調(diào)制、信息處理等問題。廣義的信息論不僅包括前兩項的研究內(nèi)容，而且包括所有與信息相關(guān)的領(lǐng)域。一般系統(tǒng)論是美籍奧地利生物學家馮·貝

5、塔朗菲在理論生物學研究的基礎(chǔ)上創(chuàng)立的。一般系統(tǒng)論的觀點有：1、系統(tǒng)的整體性，它是系統(tǒng)的最本質(zhì)的屬性，可以概括為以下幾個方面：要素和系統(tǒng)不可分割；系統(tǒng)整體的功能不等于各組成部分的功能之和；系統(tǒng)整體具有不同于各組成部分的新功能。2、系統(tǒng)的開放性，一切有機體之所以有組織地處于活動狀態(tài)并保持其生命運動，是由于系統(tǒng)與環(huán)境處于相互作用之中，系統(tǒng)與環(huán)境不斷進行物質(zhì)能量和信息的交換，這就是所謂的開放系統(tǒng)。3、系統(tǒng)的動態(tài)相關(guān)性，任何系統(tǒng)都處在不斷發(fā)展變化之中，系統(tǒng)狀態(tài)時時間的函數(shù)，這就是系統(tǒng)的動態(tài)性。系統(tǒng)的動態(tài)性取決于系統(tǒng)的相關(guān)性。系統(tǒng)的相關(guān)性是指系統(tǒng)的要素之間要素與整體之間，系統(tǒng)與環(huán)境之間的有機關(guān)聯(lián)性。動態(tài)相

6、關(guān)性的實質(zhì)是揭示要素、系統(tǒng)和環(huán)境三者之間的關(guān)系及其對系統(tǒng)狀態(tài)的影響。4、系統(tǒng)的層次等級性，系統(tǒng)是有結(jié)構(gòu)的，而結(jié)構(gòu)是有層次等級之分的。5、系統(tǒng)的有序性，可以從兩個方面來理解。其一是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有序性，其二是系統(tǒng)發(fā)展的有序性，二者共同決定了系統(tǒng)的時空有序性。系統(tǒng)方法論告訴我們要以系統(tǒng)的觀點去看整個世界，不能片面孤立地看問題。系統(tǒng)方法論主張以思辨原則代替實驗原則，不能機械地看問題，尤其是在處理復(fù)雜、有機程度高的系統(tǒng)時，這一尤為重要。二、系統(tǒng)工程方法論系統(tǒng)工程方法論就是分析和解決系統(tǒng)開發(fā)、運作及管理時間中問題所應(yīng)遵循的工作程序、邏輯步驟和基本方法。它是系統(tǒng)工程思考問題和處理問題的一般方法和總體框架。1、

7、霍爾三維結(jié)構(gòu)霍爾三維結(jié)構(gòu)師有美國學者霍爾等人提出的，它是系統(tǒng)工程方法論的重要基礎(chǔ)內(nèi)容，包括時間維，邏輯維和知識維或?qū)I(yè)維。時間維表示系統(tǒng)工程的工作階段或進程。系統(tǒng)工程工作從規(guī)劃到更新的整個過程或壽命周期可以分為以下七個階段：規(guī)劃階段，設(shè)計階段，分析或研制階段，運籌或生產(chǎn)階段，系統(tǒng)實施或安裝階段，運行階段，更新階段。邏輯維是指系統(tǒng)工程每階段工作所應(yīng)遵循的邏輯順序和工作步驟，一般分為以下七步：擺明問題，系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)綜合，模型化，最優(yōu)化，決策，實施計劃。知識維或?qū)I(yè)維的內(nèi)容表征從事系統(tǒng)工程工作所需要的知識（如運籌學，控制論，管理科學等），也可反映系統(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)濟

8、系統(tǒng)工程，工程系統(tǒng)工程等）。2、切克蘭德方法論20年代80年代中前期由英國蘭切斯特大學教授P·切克蘭德提出了一套方法論在各種軟系統(tǒng)工程方法論中很具有代表性。其主要內(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，計劃與實施，評估與反饋。霍爾三維結(jié)構(gòu)和切克蘭德方法論均為系統(tǒng)工程方法論，均以問題為起點，具有形影的邏輯過程。在次基礎(chǔ)上，兩種方法論主要存在以下不同點：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于社會經(jīng)濟和經(jīng)濟管理等“軟”系統(tǒng)問題的研究；前者的核心內(nèi)容是優(yōu)化分析么人后者的核心是比較學習；前者更多關(guān)注定量分析方法，而后者比較強調(diào)定性或定性與定量有

9、機結(jié)合的基本方法。系統(tǒng)分析原理系統(tǒng)分析是運用建模及預(yù)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)或滿意的系統(tǒng)方案提供決策依據(jù)的分析研究過程。系統(tǒng)分析包括問題，目的及目標，方案，模型，評價，決策者六個基本要素。其基本過程分為以下幾個步驟：認識問題，探尋目標，綜合方案，模型化，優(yōu)化或仿真分析，系統(tǒng)評價和決策。初步分析時主要圍繞以下六個方面的問題來展開（5W1H）：what, why, where, when, who, how.系統(tǒng)分析應(yīng)該堅持一下幾個原則：堅持問題導(dǎo)向；以整體為目標；多方案模型分析和選優(yōu)；定量分析與定性分析相結(jié)合；多次反復(fù)進行。三、系統(tǒng)模型與

10、模型化模型是現(xiàn)實系統(tǒng)的理想化抽象或間接表示，它描繪了現(xiàn)實系統(tǒng)的某些主要特點，是為了客觀地研究系統(tǒng)而發(fā)展起來的。模型有三個特征：1.它是現(xiàn)實世界部分的抽象或模仿；2.它是由那些與分析的問題有關(guān)的因素構(gòu)成； 3.它表明了有關(guān)因素間的相互關(guān)系。模型可以分為概念模型，符號模型，類比模型，仿真模型，形象模型等。模型化就是為了描述系統(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后，用一定方式（數(shù)學、圖像等）表達系統(tǒng)實體的方法。簡言之就是建模的過程。構(gòu)造模型需要遵循如下的原則：建立方框圖；考慮信息相關(guān)性；考慮準確性；考慮結(jié)集性。建模的基本步驟是：1、明確建模的目的和要求，以便使模型滿足實際要求，不致產(chǎn)生太

11、大偏差；2、對系統(tǒng)進行一般語言描述，因為系統(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）及其相互關(guān)系（結(jié)構(gòu)關(guān)系和函數(shù)關(guān)系），以便使模型準確表示現(xiàn)實系統(tǒng)；4、確定模型的結(jié)構(gòu)，這一步?jīng)Q定了模型定量方面的內(nèi)容；5、估計模型的參數(shù)，用數(shù)量來表示系統(tǒng)中的因果關(guān)系；6、實驗研究，對模型進行實驗研究，進行真實性檢驗，以檢驗?zāi)Ｐ团c實際系統(tǒng)的符合性；7、必要修改，根據(jù)實驗結(jié)果，對模型作必要的修改。模型化的基本方法有以下幾種：1、分析方法，分析解剖問題，深入研究客體系統(tǒng)內(nèi)部細節(jié)，利用邏輯演繹方法，從公理、定律導(dǎo)出系統(tǒng)模型；2、實驗方法，通過對于實驗結(jié)果的觀察分析，利用邏輯歸納法導(dǎo)出系統(tǒng)模

12、型，基本方法包括三類：模擬法，統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，實驗分析；3、綜合法，這種方法既重視數(shù)據(jù)又承認理論價值，將實驗數(shù)據(jù)機理論推導(dǎo)統(tǒng)一與建模之中；4、老手法（Delphi法），這種方法的本質(zhì)在于幾種了專家們對于系統(tǒng)的認識（包括直覺、印象等不肯定因素）即經(jīng)驗，再通過實驗修正，往往可以取得較好的效果；5、辯證法，其基本觀點是系統(tǒng)一個對立統(tǒng)一體，是由矛盾的兩個方面構(gòu)成的，因此必須構(gòu)成兩個相反的分析模型。相同數(shù)據(jù)可以通過兩個模型來解釋。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化結(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著的本質(zhì)上相互依賴、相互制約和關(guān)聯(lián)情況的模型。結(jié)構(gòu)模型化即建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的過程。結(jié)構(gòu)分析是一個實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化并加

13、以解釋的過程。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)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本表達方式1、 集合表達：S=S1,S2,Sn Rb=(Si，Sj)| Si, Sj S, SiRSj, i, j=1,2,2、 有向圖表達3、 矩陣表達：（1）鄰接矩陣A，是表示系統(tǒng)要素間基本二元關(guān)系或直接聯(lián)系情況的方陣。（2）可達矩陣M，是表示系統(tǒng)要素之間任意次傳遞性二元關(guān)系或有向圖上兩個點之間通過任意長的路徑可以到達情況的方陣。（3）縮減矩陣M，根據(jù)強連接要素的可替換性，在已有的可達矩陣M中，將具有強連接關(guān)系的一組要素看做一個要素，去掉其中一個在M中的行和列，即可得到。（4）骨架矩陣A，對于給定系統(tǒng)

14、，A的可達矩陣M是唯一的，但實現(xiàn)某一可達矩陣M的鄰接矩陣A可以具有多個。我們把實現(xiàn)某一可達矩陣M、具有最小二元關(guān)系個數(shù)(“1”元素最少)的鄰接矩陣叫M的最小實現(xiàn)二元關(guān)系矩陣，或稱之為骨架矩陣，記作A。建立遞階結(jié)構(gòu)模型的規(guī)范方法：1、區(qū)域劃分 有關(guān)要素集合有可達集，先行集，共同集，起始集。2、級位劃分。3、提取骨架矩陣。4、繪制多級遞階有向圖。建立遞階結(jié)構(gòu)模型的實用方法：1、判定二元關(guān)系，建立可達矩陣及其縮減矩陣。2、對可達矩陣的縮減矩陣進行層次化處理。3、根據(jù)M（L）繪制多級遞階有向圖。四、系統(tǒng)仿真及系統(tǒng)動力學所謂系統(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)及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立

15、起能描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或行為的過程，且具有一定邏輯關(guān)系或數(shù)學方法成的仿真模型，據(jù)此進行試驗或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息。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)換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。系統(tǒng)動力學（SD）是美國麻省理工學院弗羅斯特教授最早提出的一種對社會經(jīng)濟問題進行系統(tǒng)分析的方法論和定性與定量相結(jié)合的分析方法。SD的研究對象主要是社會（經(jīng)濟）系統(tǒng)，該類系統(tǒng)的突出特點是：1、社會系統(tǒng)中存在著決策環(huán)節(jié)；2、社會系統(tǒng)具有自律性；3、社會系統(tǒng)的非線性。SD模型具有多變量，定性與定量相結(jié)合，以仿真實驗為基本手段和以計算機為工具，可處理高階次、多

16、回路、非線性的時變復(fù)雜系統(tǒng)問題等特點。其工作過程如下：認識問題，界定系統(tǒng)，要素及其因果關(guān)系分析，建立結(jié)構(gòu)模型（流圖），建立量化分析模型（DYNAMO方程），仿真分析，比較與評價，政策分析。SD包含四個基本要素：狀態(tài)或水準、信息、決策或速率、行動或?qū)嵨锪?。SD的兩個基本變量：水準變量（level）、速率變量（rate）。SD的一個基本思想：反饋控制。因果關(guān)系圖包含了因果箭，因果鏈、因果反饋回路和多重因果反饋回路等。流圖，是SD模型的基本形式，通常由以下各要素構(gòu)成：流，水準，速率，參數(shù)，輔助變量，源與洞，信息，滯后或延遲等。SD結(jié)構(gòu)模型的建模步驟如下：1、明確系統(tǒng)邊界，即確定對象系統(tǒng)的范圍；2、闡

17、明形成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的反饋回路；3、確定反饋回路中的水準變量和速率變量；4、闡明速率變量的子結(jié)構(gòu)或完善、形成各個決策函數(shù)，建立起SD結(jié)構(gòu)模型（流圖）。DYNAMO方程就是SD的數(shù)學模型或量化分析模型。SD中的基本DYNAMO方程有：水準方程L LEVEL·K=LEVEL·J+DT*(RIN·JK-ROUT·JK)速率方程R RATE·KL=f(L·K,A·K, C,)輔助方程A AUX·K=g(A·K, L·K, R·JK, C,)賦初值方程N LEVEL=常量方程C CON=五、系統(tǒng)評價方

18、法系統(tǒng)評價就是全面評定系統(tǒng)的價值，它是決策的直接依據(jù)和基礎(chǔ)。系統(tǒng)評價問題是有評價對象，評價主體，評價目的，評價時間，評價地點和評價方法等要素構(gòu)成的問題的復(fù)合體。系統(tǒng)評價的一般過程如下：認識評價問題，搜集整理分析資料，選擇評價方法、建立評價模型，分析、計算評價值，綜合評價，決策。系統(tǒng)評價的方法是多種多樣的，其中比較有代表性的是以經(jīng)濟分析為基礎(chǔ)的費效分析法；以多指標的評價和定量與定性分析相結(jié)合為特點的關(guān)聯(lián)矩陣法、層次分析法和模糊綜合評判法。其中關(guān)聯(lián)矩陣法為原理性方法，層次分析法和模糊綜合法為實用性方法。關(guān)聯(lián)矩陣法：它主要是用矩陣形式來表示各替代方案有關(guān)評價指標及其重要度與方案關(guān)于具體指標的價值評定

19、量之間的關(guān)系。應(yīng)用關(guān)聯(lián)矩陣法的關(guān)鍵，在于確定個評價指標的相對重要度（即權(quán)重）以及根據(jù)評價主體給定的評價指標的評價尺度，確定方案關(guān)于評價指標的價值評定量。確定權(quán)重即價值評定量的方法有：逐對比較法，古林法。層次分析法：即AHP方法，是一種實用的多準則決策方法，它把一個復(fù)雜問題表示為有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，通過人們的判斷對決策方案的優(yōu)劣進行排序。這是一種將定性分析和定量分析相結(jié)合的評價決策方法，特別適合于社會經(jīng)濟系統(tǒng)問題的決策分析。它的基本實施步驟如下：1、分析評價系統(tǒng)中各基本要素之間的關(guān)系，建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)（分解法、ISM法）；2、對同一層次的各要素關(guān)于上一層次中某一準則的重要性進行兩兩比較，構(gòu)

20、造判斷矩陣（專家調(diào)查法）；3、由判斷矩陣計算被比較要素對于該準則的相對權(quán)重（方根法）；4、計算各層要素相對于系統(tǒng)目的（總目標）的合成（總）權(quán)重，并據(jù)此對方案等排序（關(guān)聯(lián)矩陣表及加權(quán)和法）。模糊綜合評判法：模糊評價法是應(yīng)用模糊集合理論對系統(tǒng)進行綜合評價的一種方法，評價結(jié)果是獲得各種替代方案優(yōu)先順序的有關(guān)信息。模糊綜合評判法的主要步驟如下：1、確定因素集F和評語集E；2、統(tǒng)計確定單因素評價隸屬度向量，并形成隸屬度矩陣R；3、確定權(quán)重向量Wf等；4、按某種運算法則，計算中和評定向量S及綜合評定值。六、決策分析方法決策是管理的重要職能，它是決策者對系統(tǒng)方案所做決定的過程和結(jié)果，決策是決策者的行為和職責

21、。決策分析的過程大概可以歸納為以下四個階段：分析問題、診斷及信息活動；對目標、準則及方案的設(shè)計活動；對非劣備選方案進行綜合分析比較評價的抉擇或選擇活動；將決策結(jié)果付諸實施并進行有效的評估、反饋、跟蹤、學習的執(zhí)行或?qū)嵤┗顒印Q策問題的類型一般有確定型決策，風險性決策，不確定型決策，對抗型決策和多目標決策。風險型決策的基本方法有期望值法和決策樹法。期望值法就是利用數(shù)學期望的公式計算出每個行動方案的損益期望值并加以比較。決策樹法就是利用樹形圖模型來描述決策分析問題，并直接在決策樹圖上進行計算和決策分析。其基本步驟是：1、繪制決策樹；2、計算各行動方案的損益期望值，并將計算結(jié)果標在相應(yīng)的狀態(tài)節(jié)點上；3

22、、將計算所得的個行動方案的損益期望值加以比較，選擇其中最大的期望值并標注在決策點的上方，由此選出最佳方案。沖突分析(Conflict Analysis)：是國外近年來在經(jīng)典對策論(Game Theory)和偏對策理論(Metagame Theory)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種對沖突行為進行正規(guī)分析(Formal Analysis)的決策分析方法，其主要特點是能最大限度地利用信息，通過對許多難以定量描述的現(xiàn)實問題的邏輯分析，進行沖突事態(tài)的結(jié)果預(yù)測和過程分析(預(yù)測和評估、事前分析和事后分析)，幫助決策者科學周密地思考問題。沖突分析的一般過程如下：1、對沖突事件背景的認識與描述。以對事件有關(guān)背景材料的收集和整理為基本內(nèi)容。整理和恰當?shù)拿枋鍪欠治鋈藛T的主要工作。主要包括：沖突發(fā)生的原因(起因)及事件的主要發(fā)展過程；爭論的問題及其焦點；可能的利益和行為主體及其在事件中的地位及相互關(guān)系；有關(guān)各方參與沖突的動機、目的和基本的價值判斷；各方在沖突事態(tài)中可能獨立采取的行動。 2、沖突分析模型(建模)是在初步信息處理之后，對沖突事態(tài)進行穩(wěn)定性分析用的沖突事件或沖突分析要素間相互關(guān)系及其變化情況的模擬模型，一般用表格形式比較方便。 3、穩(wěn)定性分析是使沖突問題得以“圓滿”解決的關(guān)鍵，其目的是求得沖突事態(tài)的平穩(wěn)結(jié)局(局勢)。所謂平穩(wěn)局勢，是指對所有局中人都可接受的局勢(結(jié)果)，也即對任