系統(tǒng)工程學(xué)：第1章 系統(tǒng)與系統(tǒng)工程

1、系統(tǒng)工程第一章 系統(tǒng)與系統(tǒng)工程1.1系統(tǒng)的概念1.2系統(tǒng)工程與系統(tǒng)科學(xué)1.3系統(tǒng)工程方法論1.4系統(tǒng)的應(yīng)用1.1系統(tǒng)的概念系統(tǒng)是相互作用和相互依賴的若干組成部分（要素）組合而成的、具有特定功能的有機(jī)整體。 系統(tǒng)具備三個條件： （1）由兩個以上的要素所組成； （2）要素之間存在一定的有機(jī)聯(lián)系； （3）系統(tǒng)都有特定的功能。錢學(xué)森：“系統(tǒng)是指依一定秩序相互聯(lián)系著的一組事物。” （中國“系統(tǒng)論”和“控制論”的奠基人之一） 這里的每一組“事物”或每一個“組成部分”稱為系統(tǒng)的“要素”。系統(tǒng)是由許多“要素”組成的。系統(tǒng)具有不同于組成它的若干要素的新的屬性，即“系統(tǒng)性”。 系統(tǒng)內(nèi)部，還可以按其組成部分劃分為若

2、干“子系統(tǒng)”。這說明，子系統(tǒng)和系統(tǒng)的關(guān)系是相對的，可以相互轉(zhuǎn)化。1.1.1系統(tǒng)的特性(整體性，集合性，相關(guān)性，層次性，目的性，環(huán)境適應(yīng)性）1、整體性 系統(tǒng)的整體性主要表現(xiàn)為系統(tǒng)的整體功能，系統(tǒng)的整體功能不是各組成要素功能的簡單疊加，也不是簡單拼湊，而是呈現(xiàn)出各組成要素所沒有的新功能。當(dāng)?shù)蛯哟紊系膸讉€部分組成上一層次時，一些新的功能也會涌現(xiàn)出來。系統(tǒng)各個部分組成一個整體后，系統(tǒng)整體功能大于其組成要素功能的總和。“三個臭皮匠，賽過一個諸葛亮”。1.1.1系統(tǒng)的特性是否多個要素湊在一起，其功能都一定大于部分功能之和呢？否！最典型的就是人們所說的“一個和尚挑水吃，兩個和尚抬水吃，三個和尚沒水吃”。 這

3、是因為，這三個和尚沒有形成一個“系統(tǒng)”，這些“和尚要素”相互不協(xié)調(diào)、不統(tǒng)一，才使得集體運(yùn)水的效果急減。這就說明，要使得整體的功能大于部分功能之和，組成該整體的各要素必須協(xié)調(diào)統(tǒng)一。也就是說，系統(tǒng)的功能，也與要素間的關(guān)系，即系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。1.1.1系統(tǒng)的特性2、集合性 系統(tǒng)的集合性是指由兩個或兩個以可相互區(qū)別的對象（要素）組成的系統(tǒng)。1.1.1系統(tǒng)的特性3、相關(guān)性 系統(tǒng)內(nèi)的各要素是相互作用而又相互聯(lián)系的。系統(tǒng)中任一要素與該系統(tǒng)中其他要素是相互關(guān)聯(lián)又相互制約的，它們之間的某一要素如果發(fā)生了變化，則其他關(guān)聯(lián)的要素也要跟著相應(yīng)的改變和調(diào)整，從而保持系統(tǒng)整體的最佳狀態(tài)。相關(guān)性包括：系統(tǒng)內(nèi)部各要素間；要素

4、與系統(tǒng)整體間；系統(tǒng)與環(huán)境間的有機(jī)聯(lián)系。如不存在相關(guān)性，眾多的要素如同一盤散沙，只是一個集合，而不是一個系統(tǒng)。1.1.1系統(tǒng)的特性4、層次性一個大的系統(tǒng)，包含很多層次，上下層之間是包含與被包含的關(guān)系，或領(lǐng)導(dǎo)和被領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)系。如：行政系統(tǒng)，軍隊，企業(yè)。按層次性可以把企業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)分層次建立生產(chǎn)、銷售、財務(wù)、人事四個二級子系統(tǒng)，再運(yùn)用系統(tǒng)工程的方法研究各個子系統(tǒng)，探討它們?nèi)绾螢槠髽I(yè)的利益目標(biāo)服務(wù)。1.1.1系統(tǒng)的特性5、目的性目的性是系統(tǒng)存在的條件。開發(fā)系統(tǒng)工程項目的首要工作是確定系統(tǒng)的目的性。任何一個系統(tǒng)都有它的目的，否則，也就失去了這個系統(tǒng)存在的價值和意義。例如，生物系統(tǒng)的目的性就是增殖個體、繁衍物

5、種、保存生命；同樣，人造系統(tǒng)也有它的目的性，如企業(yè)的經(jīng)營目的，就是以最少的資源消耗去取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。運(yùn)輸系統(tǒng)的目的，就是為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供運(yùn)輸服務(wù)。1.1.1系統(tǒng)的特性 系統(tǒng)的目的性人們根據(jù)實踐的需要而確定的，人造系統(tǒng)是具有目的，而且不是單一的目的性。系統(tǒng)的目的性要求人們正確的確定系統(tǒng)的目標(biāo)，從而用各種手段把系統(tǒng)導(dǎo)向預(yù)定的目標(biāo)，達(dá)到系統(tǒng)整體最優(yōu)的目的。1.1.1系統(tǒng)的特性6、環(huán)境適應(yīng)性 堅持環(huán)境適應(yīng)性原則，就是說不僅要注意系統(tǒng)內(nèi)各要素之間相關(guān)性的調(diào)節(jié)，而且要考慮系統(tǒng)與環(huán)境的關(guān)系，只有系統(tǒng)內(nèi)部和外部相互協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，才能全面發(fā)揮系統(tǒng)的整體功能。1.1.1系統(tǒng)的特性下面，我們來看一個實例：例1

6、1 ： 城市交通綜合系統(tǒng) 城市交通綜合系統(tǒng)是一個龐大的動態(tài)系統(tǒng)，它本身的狀態(tài)是隨時間變化而變化的。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：1.1.1系統(tǒng)的特性城市交通綜合系統(tǒng) 交通環(huán)境條件 道路交通條件路段交通系統(tǒng)路口交通系統(tǒng)交通設(shè)施系統(tǒng)行人交通系統(tǒng)公共交通系統(tǒng)交通管理系統(tǒng)公共場所分布居民住宅分布公交站點分布停車場分布企事業(yè)單位分布第三產(chǎn)業(yè)網(wǎng)點分布1.1.1系統(tǒng)的特性從圖可以看出，城市交通系統(tǒng)具有以下四個特性： 整體性 城市交通系統(tǒng)是由人、車、道路、設(shè)施、管理、環(huán)境等許多子系統(tǒng)組成的綜合性整體，各子系統(tǒng)從屬于這個整體，而整個城市交通系統(tǒng)又是更龐大的城市系統(tǒng)中的子系統(tǒng)。 相關(guān)性 城市交通系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)、各子系統(tǒng)要素

7、之間是有機(jī)聯(lián)系、相互依存又相互作用的。 目的性 城市交通系統(tǒng)具有特定的目的。這就是：為人們從事各種活動提供必要的物質(zhì)條件和空間活動條件，并達(dá)到安全、快速、高效、舒適的目的。 環(huán)境適應(yīng)性 城市交通系統(tǒng)處于社會環(huán)境之中，受周圍環(huán)境的影響和制約，并與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。1.1.2系統(tǒng)的分類 1、 自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng) 自然系統(tǒng)是自然物形成的系統(tǒng)，它的特點是自然形成的；（如海洋系統(tǒng)、大氣系統(tǒng)、礦藏系統(tǒng)等） 人 造系統(tǒng)是為了達(dá)到人類所需的目的而由人類設(shè)計和制造的系統(tǒng)；（如礦山開采系統(tǒng)、科學(xué)試驗的風(fēng)洞系統(tǒng)等）2、實體系統(tǒng)和概念系統(tǒng) 實體系統(tǒng)是以礦物、能源、機(jī)械等實體組成的系統(tǒng)；（如電力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)等） 概念系

8、統(tǒng)是由概念、原理、原則、方法、制度程序等觀念性的非物質(zhì)實體組成的系統(tǒng)；（如科技體系、法律系統(tǒng)等） 1.1.2系統(tǒng)的分類3、靜態(tài)系統(tǒng)和動態(tài)系統(tǒng) 靜態(tài)系統(tǒng)是其固有狀態(tài)參數(shù)不隨時間改變的系統(tǒng)，沒有既定的相對輸入和輸 出；(如車間平面布置系統(tǒng)、城市規(guī)劃布局等） 動態(tài)系統(tǒng)是系統(tǒng)狀態(tài)變量隨時間而改變的系統(tǒng)，也就是把系統(tǒng)的狀態(tài)變量作為時間的函數(shù)而表現(xiàn)出來的系統(tǒng)；（如工廠的庫存）1.1.2系統(tǒng)的分類4、可控系統(tǒng)和不可控系統(tǒng)從系統(tǒng)和人為關(guān)系上看，凡是根據(jù)一定目的，能夠改變其狀態(tài)的系統(tǒng)稱為可控系統(tǒng)，否則和稱為不可控系統(tǒng)。例如計算機(jī)控制的現(xiàn)代機(jī)械加工生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)是可控系統(tǒng)，宇宙系統(tǒng)是不可控系統(tǒng)。5、封閉系

9、統(tǒng)和開放系統(tǒng) 封閉系統(tǒng)是指該系統(tǒng)與環(huán)境之間沒有物質(zhì)、能量和信息的交換； 開放系統(tǒng)是指系統(tǒng)與環(huán)境之間具有物質(zhì)、能量與信息交換的系統(tǒng)；（如生態(tài)系統(tǒng)、商業(yè)系統(tǒng)等） 提問：誰將下面的概念圖具體化 ？1.1.2系統(tǒng)的分類6、簡單系統(tǒng)、簡單巨系統(tǒng)和復(fù)雜巨系統(tǒng)錢學(xué)森院士的分類1.1.2系統(tǒng)的分類大系統(tǒng)和小系統(tǒng)之間無明顯的界限之分。一般認(rèn)為：大系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大、變量眾多、功能綜合多樣等特征。如國民經(jīng)濟(jì)體系、生物學(xué)、經(jīng)濟(jì)、社會學(xué)領(lǐng)域中的系統(tǒng)。1.1.3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能1.1.3.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)的定義 各組成要素之間的相互聯(lián)系、相互作用的方式或秩序，即各要素之間在時間或空間上排列和組合的具體形式

10、。2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特性 1)穩(wěn)定性 系統(tǒng)總是趨于保持某一狀態(tài)。由于系統(tǒng)受到外界環(huán)境的干擾，有可能使系統(tǒng)偏離某一狀態(tài)而產(chǎn)生不穩(wěn)定，但是干擾消除，系統(tǒng)又恢復(fù)到原來的狀態(tài)，繼續(xù)出現(xiàn)穩(wěn)定。 2)層次性 1.1.3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能 3)開放性 系統(tǒng)世界中任何系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都不是絕對封閉和絕對靜態(tài)的，任何系統(tǒng)總存在與環(huán)境中，總與外界進(jìn)行能量、物質(zhì)、信息的交換。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在這種交換中由量變到質(zhì)變。 4)相對性 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層次性決定了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和要素之間的相對性。高一級的結(jié)構(gòu)層次對低一級的結(jié)構(gòu)層次有著較大的制約性，而低一級結(jié)構(gòu)也反作用于高一級的結(jié)構(gòu)層次1.1.3.2系統(tǒng)的功能1、功能的定義 把系統(tǒng)與外部環(huán)境相互作用所

11、反映的能力稱為系統(tǒng)的功能，體現(xiàn)了一個系統(tǒng)與外部環(huán)境之間物質(zhì)、能量和信息的輸入與輸出的轉(zhuǎn)換關(guān)系。 系統(tǒng)工程的任務(wù)在于提高系統(tǒng)的功能，特別是系統(tǒng)的處理或轉(zhuǎn)換的效率，即在一定的輸入條件下，輸出越多越好；或在一定的輸出條件下，輸入越少越好。 1.1.3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能1.1.3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能 2、系統(tǒng)功能的特性 1）易變性 一個系統(tǒng)對外部條件發(fā)揮功能，總要遵循一定的規(guī)律，隨著環(huán)境條件的不同，將相應(yīng)的引起系統(tǒng)功能的變化。 2) 相對性 在一個大系統(tǒng)內(nèi)部，其要素之間的相互作用本來是屬于結(jié)構(gòu)關(guān)系，但如果把每個要素或子系統(tǒng)作為一個整體來考察，則子系統(tǒng)之間均相互作用又轉(zhuǎn)化為獨立子系統(tǒng)之間的功能關(guān)系。1.1.3.4結(jié)構(gòu)