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者期間，曾對新加坡“智慧島”系統(tǒng)工程方法論進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用的原則，以及智慧城市框架體系結構頂層規(guī)劃、智慧城市體系與結構的專項規(guī)劃，信息平臺結構和數(shù)據(jù)庫結構的工程設計等總體規(guī)劃的應用要求

2、。本文系新型智慧城市標桿市建設指南之二。關鍵詞：智慧城市、系統(tǒng)工程、方法論、開放性復雜巨系統(tǒng)、綜合集成方法論、互聯(lián)互通、框架體系結構、知識體系、建設體系、信息平臺結構、數(shù)據(jù)庫結構。1. 智慧城市系統(tǒng)工程概述智慧城市建設涉及一個城市中的政府、管理、民生、經(jīng)濟的各領域、各行業(yè)、各業(yè)務、各應用的方方面面，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信息與數(shù)據(jù)資源，包括地理環(huán)境、基礎設施、自然資源、社會資源、經(jīng)濟資源、教育資源、旅游資源和人文資源等，以數(shù)字化的形式進行采集和獲取，通過智慧城市大平臺和大數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的存儲、優(yōu)化、管理、展

3、現(xiàn)、應用。實現(xiàn)城市綜合管理和公共服務信息的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享交換、業(yè)務功能協(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。智慧城市內涵和要素涉及自然、經(jīng)濟、社會、人文、科技、系統(tǒng)、工程等各個學科領域，同時智慧城市建設具有全局性、系統(tǒng)性、長期性、復雜性、先進性、可持續(xù)性的特性。因此選擇正確的規(guī)劃、路徑、實施的方法論至關重要。本書作者作為信息化應用研究高級訪問學者，長期在新加坡從事信息系統(tǒng)工程理論研究、應用和實踐的工作。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，移植和應用到中國特色智慧城市的建設中。這就是將錢學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說、理論和實踐應用到智慧城市研究、規(guī)劃、設計、工程、建設、運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)工程作為一門學科于20世紀50年代問世，已有近六十多年的歷史。在長達三十多年的時間里，錢學森院士一直是中國系統(tǒng)工程研究、應用、實踐和宣傳的倡導者、領軍者和第一推動力。我國“兩彈一星”和航天事業(yè)，就是在錢學森院士系統(tǒng)工程理論的指導下完成的。錢學森院士創(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、設計、制造（建設）、試驗（調試）和使用（應用）全生命周期

5、的科學方法，一種具有普遍意義的科學方法論，即：以問題為導向，用系統(tǒng)的觀點來考慮問題（尤其是復雜系統(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)都具有特定的結構，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成系統(tǒng)的要素和系統(tǒng)的結構所決定，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）相關性：系統(tǒng)內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系，覆蓋與被覆蓋的關系，集成與被集成的關系。系統(tǒng)可以分為縱向和橫向層次及類別的劃分。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，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?shù)蛯哟紊仙秊楦邔哟螘r，一些新的要素、功能、行為、性質就會涌現(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。“目的”也可稱“目標”、“指標”。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)總是多目標或多指標的，分解為若干層次或類別，構成一個指標體系。7）適應性：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：以某種設想的目標為依據(jù)，應用有關的科學知識和技術手段，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化為具有預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”不再是結構或功能單一的物件，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)展為一門獨立的學科和專門的技術。1.1.4 系統(tǒng)分類錢學森院士提出系統(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)結構的復雜程度：可分為簡單系統(tǒng)和復雜系統(tǒng)。復雜系統(tǒng)又分為：大系統(tǒng)、巨系統(tǒng)、開放性復雜巨系統(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)復合系統(tǒng)）。開放性復雜巨系統(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)結構從系統(tǒng)論而言，系統(tǒng)結構表示為：1）要素與要素之間、局部與局部之間的關系子集（橫向聯(lián)系）；2）局部與全局的系統(tǒng)整體之間的關系子集（縱向聯(lián)系）；3）系統(tǒng)整體與環(huán)境之間的關系子集；4）其他各種關系子集。每一個子

10、集都是可以細分的，不但包含同一層次上不同局部之間、不同要素之間的關系，還包含系統(tǒng)內部不同層次之間的關系。在系統(tǒng)要素給定的情況下，調整這些關系，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)結構的設計是系統(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)內部進行處理和轉換，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)過處理和轉換的產(chǎn)品、功能、成果、服務等。所以系統(tǒng)可以理解為一種處理和轉換的裝置或機構，它把輸入轉變?yōu)槿藗兯枰妮敵?。系統(tǒng)工程旨在提高系統(tǒng)的功能，提高系統(tǒng)處理和轉換的效率，即在一定的輸入條件下，使得輸出的得到更多更好的結果。系統(tǒng)工程在系統(tǒng)功能的作用，關鍵在于系統(tǒng)功能總集成的工作，主要體現(xiàn)在對系統(tǒng)要素之間關系的合理性，即由系統(tǒng)結構來決定。調整系統(tǒng)要素之間的關系，建立合理的系統(tǒng)結構，可以提高和增加系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)工程即在全局中進行要素的權衡、取舍、協(xié)調、統(tǒng)籌，對整個系統(tǒng)功能體系進行合理的結構組織與管理，對系統(tǒng)輸入的各種物理和邏輯的資源進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，并指導方法的使用。系統(tǒng)工程方法論可以是哲學層面上的思維方式、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)行項目詳細規(guī)劃）、工程設計（執(zhí)行項目施工圖設計）、項目實施（生產(chǎn)及建造）、驗收（分階段測試

13、）、運營（使用）、提升（可持續(xù)擴展）。2.1.2 開放性復雜巨系統(tǒng)開放性復雜巨系統(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)的復合性社會系統(tǒng)體系。錢學森院士為了研究開放性復雜巨系統(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)科學的發(fā)展具有重要意義和深遠影響。錢學森院士針對開放性復雜巨系統(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雜巨系統(tǒng)。他們沒有看到這些理論方法的局限性和應用范圍，不能生搬硬套”。系統(tǒng)工程綜合集成方法論就其實質而言，

14、是將專家群體（各種有關的知識專家）、數(shù)據(jù)和各種信息與現(xiàn)代信息化、網(wǎng)絡化、智能化科技結合起來，把各種學科的科學理論和人的經(jīng)驗知識結合起來。這三者本身也構成了一個系統(tǒng)。系統(tǒng)工程綜合集成方法論的成功應用，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森院士提出的系統(tǒng)工程綜合集成方法論的核心是科學理論、經(jīng)驗知識、專家判斷力相結合，將專家體系、數(shù)據(jù)和信息體系、技術體系結合起來，構成一個高度智能化的人機結合系統(tǒng)，把人的思維、思維的方法、思維的結果、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，從多方面的定性認識上升到定量的知識。在系統(tǒng)總體指導下進行分解，在分

15、解后研究的基礎上，再綜合集成到整體，實現(xiàn)總集合（總集成）的涌現(xiàn)，達到從全局性、戰(zhàn)略性上嚴密解決問題的目的。系統(tǒng)工程綜合集成方法論具有以下特點：1）根據(jù)開放的復雜巨系統(tǒng)的機制復雜和變量眾多的特點，把定性研究和定量研究有機的結合起來，從多方面的定性認識上升到定量知識層面。2）由于系統(tǒng)的復雜性，要把科學理論和經(jīng)驗知識結合起來，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，把多種學科結合起來進行研究，形成技術體系。4）根據(jù)復雜巨系統(tǒng)的層次結構，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)濟的各行各業(yè)的各個集成系統(tǒng)（平臺）、業(yè)務應用系統(tǒng)、子系統(tǒng)構成；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雜巨系統(tǒng)。應遵循錢學森院士的關于系統(tǒng)工程綜合集成方法論來指導、規(guī)劃、設計、建造、運營智慧城市系統(tǒng)工程的應用和功能的實現(xiàn)。圖：智慧城市系統(tǒng)工程方法論應用示意圖2.2.1 智慧城市系統(tǒng)工程方法論應用原則智慧城市系統(tǒng)工程方法論的應用原則，要從綜合集成的頂層高度來進行智慧城市所涉及政府、管理、民生、經(jīng)濟的目標進行分解、分層、分類，基于總集成目標的數(shù)據(jù)化與信息化進行組織歸類和集成

17、管理。以系統(tǒng)工程結構原理，建立基于智慧城市總集成目標的系統(tǒng)結構體系，構建小系統(tǒng)、大系統(tǒng)、巨系統(tǒng)和復雜巨系統(tǒng)之間關系的分層（縱向）分類（橫向）的結構體系，構建要素與要素、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）的結構體系。2.2.2 智慧城市系統(tǒng)工程框架體系結構頂層規(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構的頂層規(guī)劃，即：總體技術框架，知識與建設體系，戰(zhàn)略級、戰(zhàn)役級、戰(zhàn)術級信息化體系，信息平臺結構和數(shù)據(jù)庫結構等方面。（關于智慧城市框架體系結構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)結構、系統(tǒng)功能的指導原則，建立智慧城市系統(tǒng)工程總體的知識和建設體系，包括：指標體系、標準體系、數(shù)據(jù)與信息體系、管理與運行體系、功能體系、系統(tǒng)體系、技術體系、信息基礎設施體系（三中心一平臺）、保障體系等。2.2.4 智慧城市系統(tǒng)工程總體結構專項規(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、工程設計，明確智慧城市的要素、局部、全局之間的總體架構、技術結構、信息平臺結構、數(shù)據(jù)庫結構、邏輯結構、業(yè)務結構、接口結構等。2.2.5 智慧城市系統(tǒng)工程信息平臺結構工程設計根據(jù)系統(tǒng)工程綜合集成方法論，在系統(tǒng)總體指導下進行目標分解，在目標分解后的研究基礎上，再將目標綜合集成到整體，實現(xiàn)總集合（總集成）的涌現(xiàn)，達到從全局性、戰(zhàn)略性上嚴密解決問題的目的。智慧城市需進行信息平臺結構工程設計，涉及戰(zhàn)略級的決策信息