系统工程学概览精品文稿.ppt

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1、系统工程学概览第1页，本讲稿共28页系统科学包括：系统科学包括：1、系统工程（、系统工程（Systems Engineering）：技术科学）：技术科学2、运筹学（、运筹学（Operations Research）：应用数学）：应用数学3、一般系统论（、一般系统论（General Systems Theory）：与理论）：与理论 生物学和哲学密切相关生物学和哲学密切相关这些学科基本上是独立形成和产生的，这些学科基本上是独立形成和产生的，但它们之间及其与但它们之间及其与控制论、信息论、计算机科学技术之间的联系是十分密切控制论、信息论、计算机科学技术之间的联系是十分密切的。可以把它们看作是一组有内

2、在联系而又密切相关的学的。可以把它们看作是一组有内在联系而又密切相关的学科群，它们基本上都属于技术科学。科群，它们基本上都属于技术科学。第2页，本讲稿共28页系统工程与运筹学系统工程与运筹学n系统系统 由相互联系、相互制约的若干部分结合在一起组成的具有由相互联系、相互制约的若干部分结合在一起组成的具有特定功能的整体。特定功能的整体。n系统工程系统工程 系统工程是为了更好地达到系统目标，而对系统的系统工程是为了更好地达到系统目标，而对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机构等进行分析构成要素、组织结构、信息流动和控制机构等进行分析与设计的与设计的技术的总称技术的总称。并不是指通常土木、水利、

3、建筑等这一类具体并不是指通常土木、水利、建筑等这一类具体 的工程，的工程，是一个广义的概念。是一个广义的概念。系统工程的实例：系统工程的实例：北宋皇宫重建北宋皇宫重建 系统工程的目的是使系统达到系统工程的目的是使系统达到一种整体性的优化指标！一种整体性的优化指标！第3页，本讲稿共28页系统工程与运筹学系统工程与运筹学n运筹学运筹学 关于决策的科学，系统工程的基础理论与数学工具关于决策的科学，系统工程的基础理论与数学工具 “以君之下驷为彼上驷以君之下驷为彼上驷”田忌赛马田忌赛马 运筹于帷幄之中，决胜于千里之外运筹于帷幄之中，决胜于千里之外 史记史记高祖本记高祖本记 “知已知彼，百战不殆知已知彼，

4、百战不殆”，“以我之长，攻敌之以我之长，攻敌之 短短”第4页，本讲稿共28页系统工程与运筹学的产生系统工程与运筹学的产生n现代生产力的必然产物现代生产力的必然产物 职能分工愈来愈细职能分工愈来愈细 社会性愈来愈强社会性愈来愈强,规模化规模化,复杂化复杂化 现代科学的发展现代科学的发展,相互促进相互促进 基本思想来源于古代人类的社会实践经验基本思想来源于古代人类的社会实践经验 都江堰，秦太守李冰父子，“鱼嘴”分水工程，“飞沙堰”分洪 排沙工程，“宝瓶口”引水工程，120个附属渠堰。n历史背景历史背景 在战争中得到广泛应用与发展在战争中得到广泛应用与发展 在古代战争史上，达.芬奇和伽利略等人曾用科

5、学方法对战争行为进行过分析研究 在近代,苏格兰的克拉克(J.Clerk)发表过海军战术的论文,研究过己方船只暴露最小而敌方攻击火力最大的问题第5页，本讲稿共28页 第一次世界大战期间第一次世界大战期间 英国数学家,工程师兰切斯特(F.W.Lanchester)对空战进行过数学分析,给出了作战格局的简化数学模型 发明家爱迪生用博弈方法设计了商船回避潜艇攻击的最优航行方法 美国教授莫尔斯(P.M.Morse)研究过护航队的损失模型 美国生理学教授希尔(A.V.Hill)研究过高射炮的实效问题,并领导了英国国防部的防空实验小组第二次世界大战期间第二次世界大战期间 战争初期盟国在军事上处于劣势,为了对

6、付德国的军事优势不得不采取一套科学的对策方法,系统工程与运筹学应运而生.根据系统工程的基本思想,要从整体出发来考虑敌我双方现有的和后备的人员情况,使得雷达系统、防空系统、后勤系统、护航系统、军事指挥系统统一协调起来以达到最高效率，取得战争胜利。战争初期英国研究了雷达系统与其它防空部门的协同作战问题，战斗机编队对付轰炸机编队的控制技术等。1942年英国在反对德国的潜水艇作战中，由于研究了深水炸弹最优起爆深度，使得击沉率提高47平倍。第6页，本讲稿共28页系统工程与运筹学诞生的标志系统工程与运筹学诞生的标志n在总结战争期间的研究成果与实践经验的基础上，1946年美国的Morse和Kimball在内

7、部发表了保密文献，1950年才公开出版运筹学方法(Methods of operations reserach)n1957年H.Goode 与R.E.Machol出版了系统工程学(Systems engineering)第7页，本讲稿共28页系统工程战略部系统工程战略部署署克敌制胜！克敌制胜！运筹学运筹学战术安排战术安排第8页，本讲稿共28页近代系统工程实例近代系统工程实例n阿波罗登月计划阿波罗登月计划 参加人员约参加人员约42万，万，120所大学实验室，耗资所大学实验室，耗资240亿亿美元，美元，1969年实现登月。年实现登月。在这个高科技系统下面，在这个高科技系统下面，有众多的分系统，如：

8、飞船系统、通讯系统和测试有众多的分系统，如：飞船系统、通讯系统和测试系统等等。这些分系统下面又包含无数小系统。实系统等等。这些分系统下面又包含无数小系统。实现总体最优。现总体最优。n三峡工程三峡工程 1993年开始施工准备，历经年开始施工准备，历经10年，涉及防洪、发电、年，涉及防洪、发电、航运、移民安置、生态环境、国防安全、区域经济发航运、移民安置、生态环境、国防安全、区域经济发展等各个方面。展等各个方面。第9页，本讲稿共28页系统工程在我国的发展n1955年，计划经济的需要，引进系统工程、运筹学年，计划经济的需要，引进系统工程、运筹学n1956年中科院力学所建立了我国第一个运筹学研年中科院

9、力学所建立了我国第一个运筹学研究组究组n1960年中科院力学所与数学所成立数学与运筹学研年中科院力学所与数学所成立数学与运筹学研究所究所n1962年钱学森开始倡导系统工程思想年钱学森开始倡导系统工程思想n19651975华罗庚在我国大力推广华罗庚在我国大力推广“统筹法统筹法”，“优选法优选法”。n文化大革命期间几乎停顿文化大革命期间几乎停顿n1977年正式将系统工程列入国家重点研究项目年正式将系统工程列入国家重点研究项目第10页，本讲稿共28页系统工程的基本概念与特点系统工程的基本概念与特点n钱学森曾经引用恩格斯的一句话“一个伟大的基本思想即认为世界不是一成不变的事物的集合体，而是过程的集合体

10、”。n贝塔朗菲认为“系统是处于一定联系中的与环境发生关系的各组成部分的整体”。n一些主要特点：全局性，关联性，择优性，综合性，实践性第11页，本讲稿共28页系统工程方法第12页，本讲稿共28页系统工程方法的主要环节n系统分析系统分析 确定目的，给出系统模型确定目的，给出系统模型n系统模拟系统模拟 模拟仿真，通过比较作出最优决策模拟仿真，通过比较作出最优决策n系统设计系统设计 提出技术上能实现的优化设计提出技术上能实现的优化设计n系统管理系统管理 进行系统的研制、试验和评价，及时改正。进行系统的研制、试验和评价，及时改正。第13页，本讲稿共28页系统工程方法示意框图第14页，本讲稿共28页运筹学

11、研究的主要问题运筹学研究的主要问题n分配问题n对抗问题n排队问题n库存问题n更新问题n顺序问题n路径问题n搜索问题 第15页，本讲稿共28页运筹学研究的主要问题运筹学研究的主要问题n分配问题分配问题 对有限的资源、人员、设备、时间等因素构成的系统，为了最有效地实现某对有限的资源、人员、设备、时间等因素构成的系统，为了最有效地实现某种目标或任务，如何统筹规划，以最优的方式对有关因素加以安排或分配，种目标或任务，如何统筹规划，以最优的方式对有关因素加以安排或分配，使得耗费最小，效益最大而风险最小。相关的运筹学分支包括线性规划、非使得耗费最小，效益最大而风险最小。相关的运筹学分支包括线性规划、非线性

12、规划与动态规划，通称规划论。线性规划与动态规划，通称规划论。满足约束条件式满足约束条件式(1),(2)的解称为可行解，一个可行解使目标函数的解称为可行解，一个可行解使目标函数J达到极值达到极值时，则称为最优解。时，则称为最优解。规划问题就是在一组约束条件下求目标函数的极值问题规划问题就是在一组约束条件下求目标函数的极值问题。第16页，本讲稿共28页 一个简单例子一个简单例子n某纺织厂用棉、毛、人造纤维作原料，生产甲乙两种布。甲种布每米产值5元，乙种布每米产值7元，生产每种布所需原料：甲种布（米）：棉0.4斤，毛0.3斤，人造纤维0.18斤 乙种布（米）：棉0.1斤，毛0.9斤，人造纤维0.15

13、斤 问题是现有100斤棉，270斤毛，人造纤维660斤，该厂如何安排生产，产值最大？第17页，本讲稿共28页运筹学研究的主要问题运筹学研究的主要问题n对抗问题博弈论（对抗问题博弈论（Game theory）零和博弈：零和博弈：一方之胜乃另一方之负。一方之胜乃另一方之负。非零和博弈：非零和博弈：囚犯的两难处境囚犯的两难处境纳什均衡论。纳什均衡论。纳什的均衡论纳什的均衡论对亚当对亚当斯密的斯密的“看不见的手看不见的手”的原理的原理提出挑战。按照斯密的理论，在市场经济中，每一个提出挑战。按照斯密的理论，在市场经济中，每一个人都从利己的目的出发，而最终全社会达到利他的效人都从利己的目的出发，而最终全社

14、会达到利他的效果。果。“通过追求（个人的）自身利益，他常常会比其实际上通过追求（个人的）自身利益，他常常会比其实际上想做的那样更有效地促进社会利益。想做的那样更有效地促进社会利益。”亚当亚当斯密斯密国富国富论论 从纳什均衡我们引出了从纳什均衡我们引出了“看不见的手看不见的手”的原理的一的原理的一个悖论：从利己目的出发，结果损人不利己，既不利个悖论：从利己目的出发，结果损人不利己，既不利己也不利他。己也不利他。“己所不欲勿施于人”。但前提是人所不欲勿施于我 价格战，军备竞赛，企业污染等 第18页，本讲稿共28页一般系统论的诞生和发展一般系统论的诞生和发展第19页，本讲稿共28页萌芽思想萌芽思想n

15、古希腊亚里斯多得的著作中就提出了整体大于它的各部分之和的思想。n我国著名的孙子兵法中，曾提出了从全局出发把握战机，协调诸因素，寻求最优方案，达到最优效果的朴素系统思想。n近代牛顿的论宇宙系统就是把宇宙当作相互联系的大系统进行研究。n门捷列夫的元素周期律，也是运用了系统思想找到了元素的内在联系。第20页，本讲稿共28页萌芽思想萌芽思想n马克思和恩格斯自觉地运用辩证唯物主义的系统观念分析社会和自然，得出了历史辩证法和自然辩证法的理论认识。n1925年，英国数理逻辑学家、哲学家怀海特发表了科学与近代世界一书，提出了机体论。同年，美国学者劳特卡发表了物理生物学原理。n1927年，德国学者克勒发表了论调

16、节原理，他们都提出了有关系统论的基本思想。第21页，本讲稿共28页 一般系统论的概念n美籍奥地利理论生物学家贝塔朗菲美籍奥地利理论生物学家贝塔朗菲(Ludwig von Bertalanffy)创立。创立。“生物机体论生物机体论”。与哲学上。与哲学上的有机主义相通。的有机主义相通。n“万物皆出于机而入于机万物皆出于机而入于机”庄子庄子至乐至乐 n 贝塔朗菲认为，在各种不同的系统中，会存在某贝塔朗菲认为，在各种不同的系统中，会存在某种相似性或同构性。一般系统论的任务是要找到种相似性或同构性。一般系统论的任务是要找到不同系统，不同学科之间的共同语言和术语。一不同系统，不同学科之间的共同语言和术语。

17、一般系统论可以理解为关于任意系统研究的一种一般系统论可以理解为关于任意系统研究的一种一般的理论与方法论。般的理论与方法论。第22页，本讲稿共28页系统论的诞生 n早在早在1924年至年至1927年贝塔朗菲就多次发表文章，年贝塔朗菲就多次发表文章，主张把有机体当作系统来考察，认为生物学的主张把有机体当作系统来考察，认为生物学的主要任务就是发现生物系统中不同层次的组织主要任务就是发现生物系统中不同层次的组织原则。原则。n1932年和年和1934年，他先后发表了年，他先后发表了理论生物学理论生物学和和现代发展理论现代发展理论两部著作，阐明了系统的两部著作，阐明了系统的整体性原则，主张用数学和模型方法

18、研究生物整体性原则，主张用数学和模型方法研究生物现象，提出了机体系统论的思想。现象，提出了机体系统论的思想。第23页，本讲稿共28页系统论的诞生n1937年，贝塔朗菲在美国芝加哥大学哲学讨论会上，年，贝塔朗菲在美国芝加哥大学哲学讨论会上，首次提出了一般系统概念。首次提出了一般系统概念。n1945年，他在年，他在德国哲学周刊德国哲学周刊上发表了上发表了关于关于一般系统论一般系统论。但遗憾的是，这篇重要论文几乎。但遗憾的是，这篇重要论文几乎不被人所知。不被人所知。n1948年在美国再次年在美国再次讲授授“一般系一般系统论”时，才得到学，才得到学术界的重界的重视。n1968年年贝塔朗菲塔朗菲发表的表

19、的专著著一般系一般系统理理论基基础、发展和展和应用用，确立了该学科的学术地位，确立了该学科的学术地位。第24页，本讲稿共28页系统论的主要思想观点n整体性整体性 整体大于部分之和整体大于部分之和n有机关联性有机关联性 系统内部诸因素之间以及系统与环境之间的关联系统内部诸因素之间以及系统与环境之间的关联n动态性动态性 任何系统都随时间不断变化，动态是静态的前提，如，生命有任何系统都随时间不断变化，动态是静态的前提，如，生命有机体保持体内平衡的基础之一是新陈代谢。机体保持体内平衡的基础之一是新陈代谢。n自组织性自组织性 系统能够自动调节自身的组织、活动的特性，反馈的作用系统能够自动调节自身的组织、

20、活动的特性，反馈的作用 n目的性目的性 系统活动最终趋向于有序性和稳态。系统活动最终趋向于有序性和稳态。第25页，本讲稿共28页系统方法论系统方法论n 凡是用系统观点来认识和处理问题的方法,也即把对象当作系统来认识和处理的方法,不管是理论的或是经验的,定性的或定量的,数学的或非数学的,精确的或近似的,都称为是系统方法.第26页，本讲稿共28页系统方法的哲学基础:唯物辩证法,对立统一n1.还原论与整体论相结合n2.定性描述与定量描述相结合n3.局部描述与整体描述相结合n4.确定性描述和不确定性描述相结合n5.系统分析与系统综合相结合第27页，本讲稿共28页系统论是关于系统论是关于“整体性整体性”的科学！的科学！整体大于整体大于部分之和！部分之和！思思想想核核心心第28页，本讲稿共28页