第一讲系统工程概论课件.ppt
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- 第一 系统工程 概论 课件
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1、系统工程系统工程西安交通大学管理学院李刚课程简介n教材n系统工程(第三版),汪应洛主编,机械工业出版社n考核方式n出勤(5%)+平时作业(10%)+课堂讨论(10%)+考试(75%)n学时:48小时n考试方式:闭卷考试n课程实践n各系统分析小组活动(含正式报告),5学时(课内)+(约)10学时(课外)引子n老子的宇宙论n道,可道,非常道;名,可名,非常名。无名,天地之始;有名,万物之母。故,常无,欲以观其妙。n道生一,一生二,二生三,三生万物。万物负阴而抱阳,冲气以为和。n解释:道是无形体的一,无形体的一既称为一,已成为有,虚一和实一便是二,有一有二,便构成三。万物的背后是阴气,胸前是阳气,两
2、者在交流中得以和谐。常听到的几件事情n经济系统n计算机系统n生态平衡n和谐社会n三峡工程n人民币汇率问题n经济增长与环境污染系统工程的对我们的意义n时代特征及社会发展趋势n 经济全球化n 动态市场带来挑战和机会(变化)n 社会加速信息化n 创新开始成为时代的最强音 n 社会进入合作竞争新时代n (COOPETITION;GUANXI)n 可持续发展引起普遍关注 n “要学一点系统工程”系统工程的对我们的意义n管理科学的发展与管理人才培养n管理科学发展的“制高点”系统化管理n交通大学的发展及其管理学院的学科优势n 钱学森、许国志、汪应洛n系统工程能让你成为n战略管理者n宏观政策的制定者n企业的C
3、EOn.什么是系统工程nSE是以大规模复杂系统(特别是管理系统)为研究对象,在系统科学、管理科学及其运筹学等学科基础上形成的一门交叉学科。通过学习,主要使学员掌握研究各种管理系统问题的思想、程序和方法。SE学科体系及其内容学科体系及其内容现代科学技术及系统科学体系现代科学技术及系统科学体系(钱学森,(钱学森,20世纪世纪70年代末)年代末)工程技术工程技术 系统工程系统工程 技术科学技术科学 运筹学、控制论、信息论等运筹学、控制论、信息论等 基础科学基础科学 系统学系统学 (自然科学、社会科学、数学)(自然科学、社会科学、数学)马克思主义哲学马克思主义哲学 系统论或系统观系统论或系统观系统科学
4、(辞海版)系统概念,即关于系统的一般思想和理论系统概念,即关于系统的一般思想和理论用数学的形式描述和确定系统的结构和行为的用数学的形式描述和确定系统的结构和行为的纯数学理论(包括系统的自组织理论,系纯数学理论(包括系统的自组织理论,系统涌现理论等)。统涌现理论等)。指为了解决各种特点的系统结构和行为的一些指为了解决各种特点的系统结构和行为的一些专门学专门学 科,如图论、博弈论、排队论、控科,如图论、博弈论、排队论、控制论、信息论、大系统论等制论、信息论、大系统论等 为了对系统对象进行分析、计划、设为了对系统对象进行分析、计划、设计和运用时所采用计和运用时所采用 的具体应用理的具体应用理论及技术
5、的方法步骤,主要指系论及技术的方法步骤,主要指系统分析和系统工程统分析和系统工程 将系统科学的思想和方法应用到将系统科学的思想和方法应用到各个具体领域中去各个具体领域中去(管理系统管理系统、工程系统、)、工程系统、)系统科学(钱学森)1.工程技术层次:系统工程,自动化技术、通信技术,是直接 改造客观世界的知识。系统工程是组织管理系统 的技术。根据系统类型不同,而有各类系统工程,如农业系统工程、经济系统工程、工程系统工程 社会系统工程等。2.技术科学层次:运筹学 信息论和控制论,是指导工程技术的理论。3.基 础科学层次:系统学,系统学是研究系统的基 本属性与一般规律的学科,是一切系统研究的基 础
6、理论。4.系统观:系统的哲学和方法论部分,是系统科学与马克思主义的哲学连接的桥梁四个层次 一、SE的产生、发展及应用1.系统思想和系统理论的产生与发展n 系统思想的发展经历了三个阶段,即:“只见森林”(朴素的系统思想)阶段“只见树木”阶段“先见森林,后见树木”(科学的系统思想)阶段。n古代中国和古希腊在系统思想的产生与早期发展中具有突出地位和贡献。(天地五行学说,中医)n 整体思想和联系思想是科学系统思想的核心与实质。n一般系统论、控制论、信息论、耗散结构理论、协同学及自组织理论等是系统理论的重要内容和SE的理论基础。系统理论n一般系统论(general system theory)19241
7、928;奥地利理论生物学家L.VON 贝塔朗菲 研究复杂系统一般规律的学科n耗散结构理论(dissipative structure theory)1969;比利时统计物理学家I.普里戈金 研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论n协同学(synergetics)70年代初,联邦德国理论物理学家 H.哈肯 研究协同系统从无序到有序的演化规律的新兴综合性学科系统理论n超循环理论(hypercycle theory)1971,德国生物物理学家 M.艾根 研究分子自组织的一种理论n微分动力系统(differential dynamical systems)60年代初,S.斯梅尔、廖山
8、涛(北大数学教授)系统科学的一个数学分支。主要研究随时间演变的 动力系统的整体性质及其在扰动中的变化系统理论n突变论(catastrophe theory)60年代末,法国数学家 R.托姆研究不连续现象的一个新兴数学分支,也是一般型态学的一种理论,能为自然界中形态的发生和演化提供数学模型n分岔理论(bifurcation theory)50年代,苏联学者A.A.安德罗诺夫等研究分岔现象的特性和产生机理的数学理论(早在19世纪,C.雅可比,H.庞加莱等人就已引进 “分岔”概念)系统理论n卡姆定理(KAM theorem)n 50年代中至60年代初,A.H柯尔莫戈罗夫,B.阿诺德,J.莫泽先后提出
9、和证明n 关于哈密顿力学系统运动稳定性的一种论断,它反映“弱”不可积(或接近可积)系统的运动规律,该定理是牛顿力学在20世纪的重大进展n泛系理论(pansystems theory)n 1976,吴学谋(中科院武汉数理所研究员)n 一种研究广义系统、关系的理论和方法,又称泛系方法或泛系方法论系统理论n灰色系统理论(gray systems theory)1979,邓聚龙(华中科技大教授)关于信息不完全或不确定系统的控制理论,应用在系统预测等方面(复杂)系统理论以非线性自组织理论为核心的系统理论(欧洲学派)以圣菲研究所(SFI)为代表的理论框架,其代表性理论是不是1994年霍兰提出的CAS(复杂
10、适应系统)理论(美国学派)以开放的复杂巨系统理论为核心的理论体系(中国学派)总结:系统科学的发展1920年年至至50年代年代50年代年代至至70年代年代70年代年代至至0年代年代90年代年代以来以来二:SE的发展过程阶段年代(份)重大工程实践或事件重要理论与方法贡献I1930美国发展与研究广播电视正式提出系统方法(Systems approach)的概念1940美国实施彩电开发计划采用系统方法,并取得巨大成功美国Bell电话公司开发微波通讯系统正式使用系统工程(Systems engineering)一词II第二次世界大战期间英、美等国的反空袭等军事行动产生军事运筹学(Military Ope
11、rations Research),也即军事系统工程本世纪40年代美国研制原子弹的“曼哈顿计划”运用SE,并推动了其发展1945美国空军建立兰德(RAND)公司曾经提出系统分析(Systems analysis)概念,强调了其重要性III40年代后期到50年代初期运筹学的广泛运用与发展、控制论的创立与应用、电子计算机的出现,为SE奠定了重要的学科基础IV1957H.Good和 R.E.Machol发表第一部名为系统工程的著作系统工程学科形成的标志1958美国研制北极星导弹潜艇提出PERT(网络优化技术),这是最早的系统工程技术之一。1965R.E.Machol编著系统工程手册表明系统工程的实用
12、化和规范化美国自动控制学家L.A.Zedeh提出“模糊集合”概念为现代SE奠定了重要的数学基础1961-1972美国实施“阿波罗”登月计划使用了多种SE方法,其成功极大地提高了SE的地位IV1957H.Good和 R.E.Machol发表第一部名为系统工程的著作系统工程学科形成的标志1958美国研制北极星导弹潜艇提出PERT(网络优化技术),这是最早的系统工程技术之一。1965R.E.Machol编著系统工程手册表明系统工程的实用化和规范化美国自动控制学家L.A.Zedeh提出“模糊集合”概念为现代SE奠定了重要的数学基础1961-1972美国实施“阿波罗”登月计划使用了多种SE方法,其成功极
13、大地提高了SE的地位V1972国际应用系统分析研究所(IIASA)在维也纳成立SE的应用开始从工程领域进入到社会经济领域,并发展到了一个重要的新阶段。70年代SE的广泛应用在国际上达到高潮VI80年代SE在国际上稳定发展、在中国的研究与应用达到高潮三、SE在我国的发展及应用n上世纪50至60年代,我国的一些研究机构和著名学者为SE的研究与应用作了理论上的探讨、应用上的偿试和技术方法上的准备。其主要标志和集中代表是钱学森的工程控制论、华罗庚的统筹法和许国志的运筹学。n我国大规模地研究与应用SE是从70年代末、80年代初开始的。1978年9月27日,钱学森、许国志、王寿云在文汇报发表题为“组织管理
14、的技术系统工程”的长篇文章;从1978年起,西安交大、天津大学、清华大学、华中理工大学、n 大连理工大学等国内著名大学开始招收了第一批SE专业硕士研究生;1980年11月,中国系统工程学会在北京成立;1980年10月至1981年1月,中国科协、中央电视台会同中国系统工程学会、中国自动化学会联合举办“系统工程电视普及讲座(45讲)”,取得了良好的社会效果。n 70年代末以来,应用SE理论和方法来研究与解决我国的重大现实问题,在许多领域和方面取得了较好的效果,如:人口问题的定量研究及应用(始于1978年)、2000年中国的研究(1983至1985年)、全国和地区能源规划(始于1980年)、全国人才
15、和教育规划(始于1983年)、农业系统工程(始于1980年)、区域发展战略(始于1982年)、投入产出表的应用(始于60年代和1976年)、军事系统工程(始于1978年)、水资源的开发利用(始于1978年)等。n 90年代以来,系统工程在与企业发展结合、与现代信息技术结合、与实施可持续发展战略结合、与思维科学结合等方面已具有初步结果和强劲势头。四、SE研究对象1、SE的研究对象是大规模复杂系统 该类系统的主要特点有:规模庞大、结构复杂、属性及目标多样、一般为人-机系统、经济性突出等。系统的概念n系统的定义n系统是由两个以上相互联系的要素所构成n要素n功能n结构n环境系统的概念n系统的属性:n整
16、体性n关联性n环境适应性系统的各种形态系统的各种形态 自然界所面临的系统是各种各样的,自然界所面临的系统是各种各样的,它们以各种各样的形态存在于这个五彩它们以各种各样的形态存在于这个五彩缤纷的世界。因此,我们就可以按照系缤纷的世界。因此,我们就可以按照系统在自然界存在的形态及性质,将系统统在自然界存在的形态及性质,将系统分为各种各样的类型。分为各种各样的类型。系统的类型n自然系统与人造系统n实物系统与概念系统n动态系统与静态系统n封闭系统与开放系统自然系统与人工系统自然系统与人工系统n自然系统是由自然发生而产生与形成的系统,这类系统的组自然系统是由自然发生而产生与形成的系统,这类系统的组成部分
17、是自然物(山、海、河流、矿物、植物及动物等)所成部分是自然物(山、海、河流、矿物、植物及动物等)所自然形成的系统。像海洋系统、矿藏系统、生态系统、太阳自然形成的系统。像海洋系统、矿藏系统、生态系统、太阳系、宇宙系等,都属于自然系统。系、宇宙系等,都属于自然系统。n 人工系统是人们将有关元素,按其属性和相互关系组合而人工系统是人们将有关元素,按其属性和相互关系组合而成的系统,亦即用人工方法建立起来的系统。例如,人类对成的系统,亦即用人工方法建立起来的系统。例如,人类对自然物质通过加工,用人工方法制造出来的工具和机械装置自然物质通过加工,用人工方法制造出来的工具和机械装置等构成的各种工程系统;人类
18、通过人为地规定的组织、制度、等构成的各种工程系统;人类通过人为地规定的组织、制度、步骤、手续等建立起来的各种管理系统和社会系统;人类通步骤、手续等建立起来的各种管理系统和社会系统;人类通过对自然现象和社会现象的科学认识,用人工方法研究出来过对自然现象和社会现象的科学认识,用人工方法研究出来的科学体系和技术体系等都属于人工系统。的科学体系和技术体系等都属于人工系统。实体系统与概念系统 n所谓实体系统,是指以物理状态的存在物作为所谓实体系统,是指以物理状态的存在物作为组成要素的系统,这些实体占有一定空间,如组成要素的系统,这些实体占有一定空间,如自然界的矿物、生物,生产部门的机械设备、自然界的矿物
19、、生物,生产部门的机械设备、原始材料等。由于自然物都为实实在在的存在原始材料等。由于自然物都为实实在在的存在物,因此,实体系统亦称为硬件系统物,因此,实体系统亦称为硬件系统n与实体系统相对应的是概念系统,它是由概念、与实体系统相对应的是概念系统,它是由概念、原理、假说、方法、计划、制度、程序等非物原理、假说、方法、计划、制度、程序等非物质实体构成的系统,如管理系统、科学技术体质实体构成的系统,如管理系统、科学技术体系、教育系统、文化系统等。由于概念系统,系、教育系统、文化系统等。由于概念系统,对应着的多是人们对自然界的认识和假设,因对应着的多是人们对自然界的认识和假设,因此概念系统亦称为软件系
20、统。此概念系统亦称为软件系统。动态系统和静态系统动态系统和静态系统n动态系统就是系统的状态变量是随时间不断变动态系统就是系统的状态变量是随时间不断变化的,即系统的状态变量是时间的函数。例如,化的,即系统的状态变量是时间的函数。例如,学校就是一个动态系统,它不仅有建筑物,还学校就是一个动态系统,它不仅有建筑物,还有教师和学生。企业也是动态系统的一个典型有教师和学生。企业也是动态系统的一个典型例子例子n静态系统则是表征系统运行规律的数学模型中静态系统则是表征系统运行规律的数学模型中不含有时间因素,即模型中的变量不随时间而不含有时间因素,即模型中的变量不随时间而变化,它是动态系统的一种极限状态,即处
21、于变化,它是动态系统的一种极限状态,即处于稳定的系统。例如大桥、公路、房屋等。稳定的系统。例如大桥、公路、房屋等。孤立系统、封闭系统与开放系统 n所谓孤立系统指的是系统与外界环境既不可能所谓孤立系统指的是系统与外界环境既不可能进行物质交换,也不可能进行信息、能量交换。进行物质交换,也不可能进行信息、能量交换。换句话说,系统内部的物质和信息能量不能传换句话说,系统内部的物质和信息能量不能传至外部,外界环境的物质和信息能量也不能传至外部,外界环境的物质和信息能量也不能传至系统内部。至系统内部。n封闭系统是指系统与外界环境之间可以进行信封闭系统是指系统与外界环境之间可以进行信息、能量交换,但不能进行
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