系統(tǒng)工程的一般原理.ppt

1、系統(tǒng)工程的一般原理,系統(tǒng)的概念來源于人類活動的長期實踐。 18世紀(jì)以前，人們習(xí)慣于把世界看成事包羅萬象的整體，強(qiáng)調(diào)自然界的統(tǒng)一性并采用綜合的觀點來探索大自然的奧秘。 19世紀(jì)以來，隨著工業(yè)化專門生產(chǎn)的出現(xiàn)，科學(xué)技術(shù)也呈現(xiàn)了專門化的發(fā)展趨向。各類學(xué)科被劃細(xì)劃小，新的專門學(xué)科不斷地涌現(xiàn)。 時間進(jìn)入了20世紀(jì)40年代，由于戰(zhàn)爭和建設(shè)的需要，各門類的科學(xué)技術(shù)互相滲透，互相交錯，在各學(xué)科的交界之處產(chǎn)生了很多跨學(xué)科的“邊緣科學(xué)”。 近代工程的規(guī)模不斷地加劇和復(fù)雜化，提出了在更高層次上將現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)成果綜合化、系列化的要求。新興的系統(tǒng)工程學(xué)就是在這樣的歷史背景下應(yīng)運(yùn)而生。 系統(tǒng)工程以系統(tǒng)作為研究對象，它是系

2、統(tǒng)科學(xué)的一個分支，屬于系統(tǒng)方法論的范疇。其特點是側(cè)重研究事物的組織、管理、聯(lián)系與發(fā)展，是使創(chuàng)造過程合理化的技術(shù)，是高度綜合化的一門科學(xué)。,第一節(jié) 系統(tǒng)概述 第二節(jié) 系統(tǒng)工程 第三節(jié) 系統(tǒng)工程方法論 第四節(jié) 系統(tǒng)工程的步驟,第一節(jié) 系統(tǒng)概述,一、系統(tǒng)及其形態(tài) “系統(tǒng)”一詞的含義，由于人們使用的范圍不同而具有多種不同的解釋。 在系統(tǒng)工程學(xué)中，一般可對系統(tǒng)作出如下的定義： 系統(tǒng)乃是由若干相互作用、相互依賴的組成部分有機(jī)結(jié)合而成的、具有特定功能的整體。 系統(tǒng)是以不同的形態(tài)存在的。根據(jù)系統(tǒng)的生成原因，可以將其分為人造系統(tǒng)和自然系統(tǒng)兩大類；根據(jù)系統(tǒng)的組成性質(zhì)，又可將系統(tǒng)分為實體系統(tǒng)與概念系統(tǒng)；而根據(jù)其它一

3、些特定的標(biāo)志，又可分為因果系統(tǒng)、目的系統(tǒng)等。,系統(tǒng)分類,系統(tǒng)分類,系統(tǒng)分類,系統(tǒng)的分類使我們能夠了解各種不同形態(tài)的系統(tǒng)特點及其相互關(guān)系。作為系統(tǒng)概念的實際應(yīng)用，在大多數(shù)場合下是使用實體系統(tǒng)與概念系統(tǒng)相結(jié)合的人造復(fù)合系統(tǒng)。例如一個企業(yè)，它不僅擁有若干機(jī)械系統(tǒng)、設(shè)備系統(tǒng)、人機(jī)系統(tǒng)，而且擁有計劃系統(tǒng)、程序系統(tǒng)、方法系統(tǒng)等等，從而有機(jī)地構(gòu)成一個人造的復(fù)合系統(tǒng)。我們在研究或設(shè)計系統(tǒng)的時候，常常是首先假定其狀態(tài)不隨時間而改變，建立其靜態(tài)系統(tǒng)，然后再輔以相應(yīng)的計劃、指令、程序等，使之轉(zhuǎn)化為實際的動態(tài)系統(tǒng)。 系統(tǒng)的概念符合辯證唯物主義的認(rèn)識論，因而能夠清晰地描述客觀事物的本質(zhì)特性，成為我們把握客觀事物內(nèi)在規(guī)律

4、的有力工具。,二、系統(tǒng)的屬性我們以一個預(yù)制構(gòu)件廠為例，介紹人造系統(tǒng)的五大屬性。,構(gòu) 件 廠,鋼筋車間,攪拌車間,預(yù)制車間,養(yǎng)護(hù)場,各管理科室,一工段,二工段, ,n工段,圖131 預(yù)制構(gòu)件廠機(jī)構(gòu)設(shè)置簡圖,1. 集合性 系統(tǒng)的組成須有兩個以上的元素或組合單元。圖131中每一個方框即是系統(tǒng)的組成元素。如用數(shù)學(xué)的語言來描述這一屬性，則可記為 X=xiX|i=1，2，n，n2 其中： X集合； xi集合的組成要素或組合單元。2. 相關(guān)性 系統(tǒng)的各組成元素之間相互聯(lián)系，相互制約，存在著信息和物質(zhì)的交換關(guān)系。如鋼筋車間與攪拌車間及預(yù)制車間存在著供求關(guān)系，鋼筋車間與生產(chǎn)調(diào)度科存在著信息交換關(guān)系等等。若以記號

5、R來表示這種聯(lián)系，則有 xi =R(xj)， xi X ， xjX ， xi xj 而以S來表示系統(tǒng)，則有 S =X|R 3. 目的性 人造系統(tǒng)均有其目的性。系統(tǒng)的目的往往不止一個，它們一起構(gòu)成了系統(tǒng)的整體目的。例如對于預(yù)制構(gòu)件廠來說，其運(yùn)行的目的不但要實現(xiàn)產(chǎn)品的規(guī)格、質(zhì)量、數(shù)量指標(biāo)以滿足社會的需要，而且也有利潤、成本等考核指標(biāo)。這些指標(biāo)從各個不同的側(cè)面描述了企業(yè)的社會經(jīng)濟(jì)效益。如果以記號G表示系統(tǒng)的總目標(biāo)，g(xi)表示分系統(tǒng)或元素xi的子目標(biāo)，則 G=g(xi) |xi= R(xj) ， xi X ， xj X ，xi xj ,4. 環(huán)境適應(yīng)性 一個系統(tǒng)是它所從屬的一個更大系統(tǒng)的組成部分，

6、這個更大的系統(tǒng)就稱為所論及系統(tǒng)的環(huán)境。系統(tǒng)只有適應(yīng)環(huán)境的要求才具有生命力，這就是所謂的環(huán)境適應(yīng)性。如果將預(yù)制構(gòu)件廠視為一個生產(chǎn)系統(tǒng)，則它必須適應(yīng)社會系統(tǒng)的要求。如果這個生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)品不對路，生產(chǎn)成本過高，則它一定不能長久維持下去。我們以S表示系統(tǒng)，以A表示環(huán)境，則A是S的補(bǔ)集。記為 A Sc或以圖132的直方圖表示：,A,S,A Sc,圖132 系統(tǒng)與環(huán)境,5. 階層性 系統(tǒng)作為若干要素合成的總體，其內(nèi)部具有一定的層次結(jié)構(gòu)，并可在不同層次上將其分解為一系列的分系統(tǒng)。而各分系統(tǒng)仍可在下一層次上進(jìn)行再分解。分解的標(biāo)準(zhǔn)是分系統(tǒng)必須具有功能目的，分系統(tǒng)的功能目的是系統(tǒng)功能目的的一部分。例如前述的預(yù)制構(gòu)

7、件廠，按部門分解可分為攪拌車間、鋼筋車間、預(yù)制車間及各科室部門。各車間（部門）又可進(jìn)一步分解為若干工段（小組）。這樣分解的依據(jù)是這些分系統(tǒng)的功能和目的確為系統(tǒng)功能和目的的一部分。 在我們實際考察的大多數(shù)系統(tǒng)當(dāng)中，其規(guī)模之大，性質(zhì)之復(fù)雜，迫使我們不得不采取系統(tǒng)分解的研究方法。而系統(tǒng)的階層性則是我們進(jìn)行大系統(tǒng)分解及優(yōu)化的依據(jù)。,第二節(jié) 系統(tǒng)工程,一、系統(tǒng)工程的概念 顧名思義，系統(tǒng)工程是以系統(tǒng)作為研究對象的一門工程技術(shù)學(xué)。由于它是一門新興的學(xué)科，迄今為止各國學(xué)者仍從不同的角度對其進(jìn)行各異的解釋，所以要為系統(tǒng)工程下一個確切的定義是十分困難的。盡管如此，我們還是可以對系統(tǒng)工程的概念作出如下的一般性描述：

8、 系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的工程技術(shù)學(xué)。它從系統(tǒng)的整體角度出發(fā)，綜合采用多種學(xué)科知識對系統(tǒng)的各個組成部分進(jìn)行分析、評價、綜合，從而得到系統(tǒng)整體的最優(yōu)設(shè)計、最優(yōu)控制、最優(yōu)管理，用最少的人力、物力、財力和時間，達(dá)到系統(tǒng)的目標(biāo)，完成系統(tǒng)的任務(wù)。,系統(tǒng)工程學(xué)雖然是一門工程技術(shù)學(xué)，但是它與一般的工程技術(shù)學(xué)有著明顯的區(qū)別。 一般的工程技術(shù)是以數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科為工具，以開發(fā)、設(shè)計、制造及運(yùn)用特定的工程物質(zhì)對象為目的的應(yīng)用科學(xué)。 而系統(tǒng)工程的研究對象則是系統(tǒng)，它可以是工程物質(zhì)對象，也可以是自然的、生態(tài)的、社會的或經(jīng)濟(jì)的組織體，甚至可以把管理方法體系作為自己的研究對象。 其次，系統(tǒng)工程使用的工具有著高度

9、的綜合性和廣泛性。除一般的工程技術(shù)學(xué)及基礎(chǔ)科學(xué)外，控制論、信息論、社會學(xué)、管理科學(xué)、經(jīng)濟(jì)型、心理學(xué)等多種學(xué)科都是系統(tǒng)工程的工具。特別是實現(xiàn)最優(yōu)化計算的運(yùn)籌學(xué)（定量分析技術(shù)）和電子計算機(jī)技術(shù)，它們更是成為系統(tǒng)工程不可或缺的研究手段。 此外，一般的工程技術(shù)學(xué)多以技術(shù)上的合理性作為考核效益的指標(biāo)，例如結(jié)構(gòu)、性能、效率等。而系統(tǒng)工程則從整體的角度出發(fā)，綜合考慮系統(tǒng)的功能、規(guī)劃、組織、協(xié)調(diào)、效果等經(jīng)濟(jì)技術(shù)和社會效益問題，追求系統(tǒng)整體的最優(yōu)化。,另一方面，從應(yīng)用科學(xué)的觀點來看，系統(tǒng)工程仍然屬于工程技術(shù)學(xué)的范疇。如果把系統(tǒng)工程應(yīng)用于某一具體的物質(zhì)對象，則可稱為某一專業(yè)系統(tǒng)工程，例如工程系統(tǒng)工程、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程

10、、環(huán)境系統(tǒng)工程、社會系統(tǒng)工程、能源系統(tǒng)工程等。因此，系統(tǒng)工程又是在工程體系中占有極其重要地位的一個學(xué)科，它是開發(fā)、設(shè)計、制造、應(yīng)用各種系統(tǒng)時必不可少的基本的工程技術(shù)。,二、系統(tǒng)工程的產(chǎn)生和發(fā)展 系統(tǒng)工程的產(chǎn)生和發(fā)展均有其歷史背景。 首先，人類在同大自然的長期斗爭中已逐步萌發(fā)了樸素的系統(tǒng)工程思想。我們看看兩個典型的例子： 1. 早在2000多年前，秦太守李冰父子就主持修建了舉世聞名的都江堰水利工程。都江堰的“魚嘴”岷江分洪，“飛沙堰”分洪排沙，“寶瓶口”引水灌溉，三項子工程巧妙結(jié)合，渾然一體，一舉解決了防洪灌溉與排沙問題，實現(xiàn)了整體的優(yōu)化，這是早期系統(tǒng)工程的雛形。 2. 宋朝真宗年間，一場大火燒

11、毀了皇宮。作為一項大工程來看待，修復(fù)皇宮至少有三個大問題急待解決。一是需要大量的墻體材料，到哪兒去取土的問題；二是運(yùn)輸，大量的木竹砂石要運(yùn)進(jìn)現(xiàn)場；三是皇宮修好以后，大量的建筑垃圾需進(jìn)行處理。當(dāng)時一個叫丁渭的大臣負(fù)責(zé)修繕事宜。經(jīng)過反復(fù)考慮，他提出了一套完整的施工方案：首先叫人在皇宮前面挖開一條大溝，解決了取土燒磚的問題；然后將附近的汴水河引入大溝，用船運(yùn)來了工程所需的木竹砂石；皇宮修好以后，他又將棄土回填了大溝，解決了建筑垃圾的處置問題。這是個一舉三得的方案，樸素地體現(xiàn)了整體最優(yōu)的系統(tǒng)工程思想。,時間延續(xù)到十九世紀(jì)末期，美國人泰勒創(chuàng)立了科學(xué)管理法。他以工人的勞動過程作為研究對象并將其解剖分析。一

12、是分析工序組成的合理性，二是分析工人操作動作的合理性，三是分析工序時間，包括手動時間、機(jī)動時間等。通過對上述三個要素的定量分析和評價綜合，使工人的勞動過程達(dá)到了科學(xué)合理的要求。按照系統(tǒng)工程的概念，泰勒當(dāng)時的作法已經(jīng)具備了系統(tǒng)工程的基本特點。 二次世界大戰(zhàn)期間，由于戰(zhàn)爭所迫，英國成立了世界上第一個跨學(xué)科的專家研究組織作戰(zhàn)分析小組。這個小組綜合運(yùn)用各類學(xué)科知識，使用數(shù)學(xué)手段合理地確定了雷達(dá)、高炮、殲擊機(jī)的技術(shù)性能指標(biāo)和工作方法，成功地提高了英國的空防能力。在此之后，各國軍方爭起效尤，紛紛成立了類似的跨學(xué)科研究小組，集中解決了運(yùn)輸船隊的護(hù)航問題，飛機(jī)搜索潛艇的問題，港口泊位緊張問題等。在這些研究工作

13、中，逐步產(chǎn)生了運(yùn)籌學(xué)的一些重要分支，例如搜索論、排隊論及對策論。而這些跨學(xué)科小組的工作方法體系，則形成了系統(tǒng)工程方法論的基礎(chǔ)。所以人們常把第二次世界大戰(zhàn)看出是系統(tǒng)工程的形成和生長階段。 戰(zhàn)后，跨學(xué)科研究小組的工作方式及運(yùn)籌學(xué)被轉(zhuǎn)而運(yùn)用于經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)之中。伴隨著電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)工程的研究逐步變得成熟起來。1957年，美國學(xué)者歌德（H.Good）和麥克霍爾（R.Z.Machol）合著的系統(tǒng)工程學(xué)公開出版，這是關(guān)于系統(tǒng)工程的第一本正式著作。歷時11年的Apollo登月計劃的實現(xiàn)，使系統(tǒng)工程的名聲陡然大增。從此，系統(tǒng)工程進(jìn)入了廣泛應(yīng)用和深入發(fā)展的階段。,第三節(jié) 系統(tǒng)工程方法論,系統(tǒng)工程

14、解決問題須遵循自己獨(dú)特的思想方法體系，即所謂的系統(tǒng)工程方法論。自六十年代以來，許多學(xué)者曾致力于探索用系統(tǒng)工程解決問題的統(tǒng)一模式。由于世界的多元性，這種企圖尋找統(tǒng)一模式的努力未獲成功。盡管如此，他們的研究工作卻使系統(tǒng)工程的思想方法體系變得比較清晰。下面是具有較大影響的，由美國學(xué)者霍爾（A.D.Hall）提出的三維結(jié)構(gòu)體系，見圖133所示,知識維,時間維,邏輯維, 規(guī)劃階段, 擬定方案, 系統(tǒng)研制, 生產(chǎn)階段, 安裝階段, 運(yùn)行階段, 更新階段, 擺明問題, 系統(tǒng)指標(biāo)設(shè)計, 系統(tǒng)方案綜合, 系統(tǒng)分析,系統(tǒng)選擇(優(yōu)化), 系統(tǒng)決策, 實施計劃, 運(yùn)籌學(xué), 控制論, 管理科學(xué), 工程技術(shù), 社會科學(xué),

15、圖133,三維結(jié)構(gòu)體系中的時間維表示系統(tǒng)工程活動中的一般時間步驟，共分七個階段： 1. 規(guī)劃階段：制定活動的規(guī)劃和戰(zhàn)略。 2. 擬定方案：提出具體的計劃方案。 3. 系統(tǒng)研制：研制系統(tǒng)的實施方案，提出生產(chǎn)計劃。 4. 生產(chǎn)階段：生產(chǎn)出系統(tǒng)的所有零部件，并提出安裝計劃。 5. 安裝階段：將系統(tǒng)組裝完畢，提出系統(tǒng)運(yùn)行計劃。 6. 運(yùn)行階段：將系統(tǒng)投入運(yùn)行。 7. 更新階段：系統(tǒng)完成預(yù)定任務(wù)以后，改造舊系統(tǒng)或以新系統(tǒng)取代舊系統(tǒng)，使之更有效地進(jìn)行工作。,三維結(jié)構(gòu)體系中的邏輯維給出了系統(tǒng)工程方法中的邏輯思維程序。一般來說，在前述的七個時間步驟中，每一階段都應(yīng)盡可能按照這個邏輯思維程序進(jìn)行。 1. 擺明問

16、題：通過調(diào)查盡量全面地收集所論及問題的有關(guān)資料數(shù)據(jù)，劃定問題的邊界。 2. 系統(tǒng)指標(biāo)設(shè)計：明確系統(tǒng)目標(biāo)，制定評價系統(tǒng)功能優(yōu)劣的指標(biāo)體系。 3. 系統(tǒng)方案綜合：經(jīng)過討論，根據(jù)系統(tǒng)總的目標(biāo)及問題的邊界，形成一組可供選擇的系統(tǒng)方案。 4. 系統(tǒng)分析：通過簡單分析，首先淘汰明顯的不合理方案，然后對余下的備選方案進(jìn)一步說明其性能特點及系統(tǒng)目標(biāo)間的關(guān)系。這一步驟往往需構(gòu)成數(shù)學(xué)或物理模型。 5. 系統(tǒng)選擇（優(yōu)化）：運(yùn)用定量分析技術(shù)對各備選方案進(jìn)行最優(yōu)化，根據(jù)最優(yōu)化結(jié)果評判各方案的優(yōu)劣。 6. 系統(tǒng)決策：由決策者根據(jù)總體要求和系統(tǒng)環(huán)境選擇最優(yōu)方案或幾個較好方案來試行。 7. 實施計劃：根據(jù)最后確定的系統(tǒng)方案組

17、織實施。在實施過程中，如果進(jìn)展順利或問題不大，則維持原方案或略加修改。如果問題太多，則需回到前面某個邏輯步驟重新做起。,三維結(jié)構(gòu)中的知識維指出了為完成上述各階段、各步驟所需要的知識結(jié)構(gòu)。 霍爾的三維結(jié)構(gòu)描述了系統(tǒng)工程的思想方法體系，但它并非是解決問題的統(tǒng)一模式。因此我們在運(yùn)用系統(tǒng)工程方法論時應(yīng)該不拘一格，根據(jù)實際情況，靈活地決定工作過程。一般地，我們可以將系統(tǒng)工程方法論的基本特點歸納如下： 1. 研究方法上的整體性 系統(tǒng)工程往往把研究對象看成是一個整體，同時把研究過程也看作一個整體。任何系統(tǒng)方案都從系統(tǒng)的整體目標(biāo)出發(fā)來協(xié)調(diào)各組成部分之間的關(guān)系，或者說，把系統(tǒng)作為擁有若干子系統(tǒng)的整體來設(shè)計。而所

18、論及的系統(tǒng)又被視為它所從屬的更大系統(tǒng)的子系統(tǒng)，這個更大系統(tǒng)就是所論及系統(tǒng)的環(huán)境。 2. 技術(shù)應(yīng)用上的綜合化 綜合應(yīng)用多種技術(shù)，形成新的技術(shù)綜合體，使各種技術(shù)協(xié)調(diào)配合，達(dá)到系統(tǒng)的整體最優(yōu)。系統(tǒng)工程有句名言：“綜合即是創(chuàng)造”。多種技術(shù)的綜合運(yùn)用通常產(chǎn)生各種單一技術(shù)無法實現(xiàn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。 3. 組織管理科學(xué)化 系統(tǒng)的規(guī)劃、組織、控制及方案的分析評價被統(tǒng)稱為組織管理。系統(tǒng)的組織管理高度重視邏輯思維程序，科學(xué)技術(shù)只有通過科學(xué)的組織管理才能充分地發(fā)揮其效能。 組織管理工作對促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，提高經(jīng)濟(jì)效益及合理利用資源等方面都有重要的意義。,第四節(jié) 系統(tǒng)工程的步驟,在實際工作當(dāng)中，系統(tǒng)工程通常被劃分為開

19、發(fā)、制作和運(yùn)用三個大階段，每個階段均有其特定的工作內(nèi)容。,1. 系統(tǒng)的開發(fā)階段。這一階段又可分為兩個時期： （1）開始規(guī)劃期：其工作內(nèi)容首先是對系統(tǒng)開發(fā)對象及開發(fā)的必要性進(jìn)行審查，直達(dá)開發(fā)方針和開發(fā)計劃書，然后在此基礎(chǔ)上明確系統(tǒng)開發(fā)的目標(biāo)體系及要求事項，制定出系統(tǒng)要求說明書和開發(fā)計劃書。在這一時期需要作大量的調(diào)查研究工作。 （2）開發(fā)實施期：在前期工作的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的功能要求，制約條件、費(fèi)用、效果，實現(xiàn)可能性等進(jìn)行分析，提出系統(tǒng)設(shè)計書，制造計劃書和實施設(shè)計計劃書。 2. 系統(tǒng)的制作階段。這一階段也可分為兩個時期： （1）實施設(shè)計期：以上一階段的工作成果作為基礎(chǔ)，提出詳盡的制造說明書，制造實施

20、計劃書。 （2）制作實施期：經(jīng)濟(jì)地，高效地制作并組裝系統(tǒng)，與此同時，還要制定、審查和決定運(yùn)行方案和保養(yǎng)方法。 3. 系統(tǒng)運(yùn)用階段：將系統(tǒng)實際投入使用，總結(jié)運(yùn)行和保養(yǎng)經(jīng)驗并對系統(tǒng)的變更和改善進(jìn)行研討。 以上工作可以看成是霍爾三維結(jié)構(gòu)的時間維的具體化。,系統(tǒng)工程的邏輯程序要求在上述三個時間階段均須進(jìn)行系統(tǒng)的分析、評價、綜合。圖134表明了這三個環(huán)節(jié)間的相互關(guān)系。,系統(tǒng)要求,分 析,評 價,綜 合,系統(tǒng)設(shè)計,圖134 系統(tǒng)工程的基本方法示意圖,所謂分析是指兩重含義：一是運(yùn)用分析手段明確對象的要求事項、功能及系統(tǒng)特性，取得構(gòu)成系統(tǒng)所需要的信息；二是為了使對象的目的等要求事項能最優(yōu)地實現(xiàn)，需對系統(tǒng)的最佳構(gòu)成和行動的最佳方式進(jìn)行探討。分析之后即轉(zhuǎn)入評價，把分析結(jié)構(gòu)在環(huán)境約束條件下與制訂的評價標(biāo)準(zhǔn)作比較，達(dá)不到最優(yōu)就重復(fù)分析過程。如果分析的結(jié)構(gòu)經(jīng)評價后已被人口，則轉(zhuǎn)入綜合。所謂綜合，是根據(jù)分析結(jié)果及評價結(jié)果決定系統(tǒng)的構(gòu)成和行動方式，擬定系統(tǒng)的規(guī)范，作為系統(tǒng)的設(shè)計。這時，應(yīng)盡可能作出多個系統(tǒng)設(shè)計的備選方案，將各個備選方案從各個角度進(jìn)行比較，引用已制定的評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價，選出最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計方案。如果未得到適當(dāng)?shù)?/p>