第二章系统工程基础概述

第二章系统工程基础概述 第一节系统工程及其发展历程第二节系统工程的基础理论第三节系统工程研究方法第四节物流系统工程的基本方法及技术

第一节系统工程及其发展历程 一、系统工程的概念 • “系统工程”这个词来源于英文“System Engineering”。 • 系统工程属于技术类，是一门新兴横向交叉学科，目前仍在完善和发展。 • 系统工程主要提供一套现代化的管理方法，同时也能够促进工程活动本身获得最佳效果

系统工程在不同的学科有多种不同的定义，代表性的定义有:系统工程在不同的学科有多种不同的定义，代表性的定义有: • 美国著名学者切斯纳（H. Chestnut）：系统工程按照各个目标进行权衡，全面求得最优解（满意解），并使各组成部分能够最大限度的相互适应。 • 日本工业标准“运筹学术语”中指出：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、信息流动和控制机制等进行分析和设计的技术。 • 前苏联：系统工程是一门研究复杂系统的设计、建立、试验和运行的科学技术。

我国的定义：系统工程就是用科学的方法组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用，规划和组织人力、物力、财力，通过最优途径的选择，使工作在一定期限内收到最合理、最经济、最有效的成果。该定义有三层含义：我国的定义：系统工程就是用科学的方法组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用，规划和组织人力、物力、财力，通过最优途径的选择，使工作在一定期限内收到最合理、最经济、最有效的成果。该定义有三层含义： • 组织和管理的技术 • 解决工程活动全过程的技术 • 这种技术具有普遍性

二、系统工程的发展历程及趋势 • 20世纪30年代末，英国为了防止德国飞机的突然袭击，研究雷达系统时，创造了运筹学。随后研究飞机降落的排队问题、后勤保障的组织问题，创造了排队论、线性规划等运筹学分支。 • 20世纪40年代，美国贝尔电话公司研究微波通讯网络时，初步运用了系统工程方法，并第一次提出系统工程的概念。 • 二次大战后，美国在尖端科学技术和经营管理中，将系统工程方法与运筹学结合起来，取得极大的成功。

1957年，美国人谷德(H.Goode)和麦克尔(R.Machol)合著了系统工程专著，正式产生了系统工程这门新兴学科；1957年，美国人谷德(H.Goode)和麦克尔(R.Machol)合著了系统工程专著，正式产生了系统工程这门新兴学科； • 1961年到1972年，美国阿波罗登月计划，在整体计划、设计和组织管理中采用了系统工程的思想和方法，取得了巨大的成功； • 20世纪70年代，系统工程得到了迅速的普及和发展，引起世界各国普遍重视。

我国系统工程的开展情况 • 1956年，中科院力学所建立了运筹学研究组。 • 1960年，成立了运筹学研究室。 • 60年代初，华罗庚教授推广“统筹学”、“优选法”；钱学森教授在军事系统中积极尝试系统工程应用。 • 20世纪80年代，系统工程发展迅速，并取得了一系列成果。

总之，现代科学技术和管理具有高度综合性，它需要各种科学技术相互配合，才能解决一些重大问题，需要科学管理方法才能带来效益。系统工程正是随着解决这类综合性的复杂任务发展起来的。总之，现代科学技术和管理具有高度综合性，它需要各种科学技术相互配合，才能解决一些重大问题，需要科学管理方法才能带来效益。系统工程正是随着解决这类综合性的复杂任务发展起来的。系统工程通过通揽全局、分清主次、掌握要点、建立模型、运用数学方法对各种影响因素进行精确分析，进行科学决策，用先进的技术和工具进行控制和管理，使整个系统达到性能和效益的最佳。

第二节系统工程的基础理论 一、一般系统论二、大系统理论三、经济控制论四、运筹学

第三节系统工程研究方法 一、系统功能分析（一）功能的分类 1、基本功能可以从两个层次理解基本功能：一是从能力角度来理解，即是系统的输出特征。二是从功效的层面来理解，即是系统输入、输出的综合特征，衡量系统具有的效益或性能。 2、剩余功能

（二）功能的层次 系统功能是系统结构的反映。系统结构具有层次性，同样的，系统功能也具有层次性。系统总功能可分解成不同层次的子功能。

（三）功能分析的思路 1、系统功能的制约因素 2、功能的分析步骤（1）对系统的输入输出关系进行准确描述（2）进行输入输出关系的整体评价和分析（3）对某一特定功能进行流程分析及流程再设计

二、系统结构分析 （一）系统要素的描述（二）要素之间的关联及描述要素之间的关联是指要素之间的相互联系或作用，按照不同的分类标准可划分出不同的关联类型。（1）确定性关联（2）不确定性关联（3）确定性与随机性关联的混合对要素之间关联的描述，本质上就是建立模型。

（三）系统结构矩阵 用符号Cij表示要素Si与Sj的这种联结状态，称为联结系数。输入＝联结系数*输出系统诸要素在之间的关联方式可分为串联、并联和反馈联结。

将系统中所有要素之间的联结系数组成一个矩阵，该矩阵可以反映出系统构成要素及其相互关联的情况，即反映系统结构状况，该矩阵就称为系统的结构矩阵。将系统中所有要素之间的联结系数组成一个矩阵，该矩阵可以反映出系统构成要素及其相互关联的情况，即反映系统结构状况，该矩阵就称为系统的结构矩阵。

三、系统环境分析 （一）系统与环境的关系环境因素对系统的影响表现在两个层次：第一是不影响系统结构、但影响系统行为（输入输出过程）的环境因素，称之为行为层的环境因素。第二是影响系统结构的环境因素，称之为结构层的环境因素。

（二）情景规划法 情景规划是针对不确定性的新结构问题时经常采用的重要规划方法。首先关注现实的趋势是否存在新的结构不确定性；其次，要抓住主要的不确定因素，并勾画出未来的几种情景。再次，设计出适合各种未来情景的有效方案；最后，随着时间的退役，事物变化的趋势不断明确，通过不断地调整方案，摒弃某些不可能出现的情景方案。

四、三维结构方法论 三维结构方法论是一种适应面较宽、供不同系统参考的程序基本模型和统一思想方法 1969年，美国贝尔研究所霍尔(A.D.Hall)提出了系统工程三维结构，它是由时间维、逻辑维和知识维组成的立体空间结构。特点是强调明确目标，核心内容是模型化和定量化。

1)时间维。三维结构中的时间维，表示系统工程活动从规划阶段到更阶段按时间排列的顺序，可分为7个工作阶段： ①规划阶段。谋求系统工程活动的规划和战略； ②拟定方案阶段。提出具体的计划方案； ③系统研制阶段(分析阶段)。实现系统的研制方案，并制定生产计划；

④生产阶段(实验阶段)。生产出系统的构件及整个系统，并提出装配计划；④生产阶段(实验阶段)。生产出系统的构件及整个系统，并提出装配计划； ⑤装配阶段(调试阶段)。将系统安装完毕，并完成系统的运行计划； ⑥运行阶段。系统按照预期的用途服务； ⑦更新阶段。取消旧系统代之以新系统或改进原系统，使之更有效地运行工作。

2)逻辑维。三维结构中的逻辑维，是对每一工作阶段在使用系统工程方法来思考和解决问题时的思维过程，可分为7步骤：2)逻辑维。三维结构中的逻辑维，是对每一工作阶段在使用系统工程方法来思考和解决问题时的思维过程，可分为7步骤： ①明确问题。 ②指标设计。 ⑧方案综合。 ④系统分析。 ⑤系统选择(最优化)。 ⑥方案决定。 ⑦实施计划。

3)知识维。 三维结构中的知识维就是为完成上述各阶段、各步骤所需要的知识和各种专业技术。霍尔把这些知识分为工程、医药、建筑、商业、法律、管理、社会科学和艺术等。把7个逻辑步骤和7个工作阶段归纳在一起列成表格，称为系统工程活动矩阵.

五、软系统方法论 三维结构方法论的特点是强调明确目标，认为对任何现实系统的分析都必须满足其目标的需求。三维结构方法论的核心内容是模型化和定量化。霍尔认为，现实问题都可以归结为工程问题，从而可以应用定量分析方法求得最优的系统方法。

因此，国内外不少系统工程学者对霍尔的三维结构方法论提出了修正意见，其中英国兰卡斯特大学切克兰德(P.Checkland)提出的一种系统工程方法论，受到了系统工程学界的重视。因此，国内外不少系统工程学者对霍尔的三维结构方法论提出了修正意见，其中英国兰卡斯特大学切克兰德(P.Checkland)提出的一种系统工程方法论，受到了系统工程学界的重视。随着系统工程发展的新特点，在对霍尔的三维结构方法论进行修正的基础上，英国兰卡斯特大学切克兰德(P.Checkland)提出了一种系统工程方法论——“软系统方法论”。

切克兰德的软系统方法论的核心不是“最优化”，而是进行“比较”，强调找出可行满意的结果。“比较”这一过程要组织讨论，听取各方面有关人员意见，为了寻求可行满意的结果，不断地进行多次反馈，因此它是一个“学习”的过程。这种软系统方法论在我国已用于一些比较复杂的发展战略问题，例如对首都发展战略的研究就采用过这种方法。

第四节物流系统工程的基本方法及技术 一、物流系统工程的理论和方法基础物流系统工程用来解决物流系统的以下问题： • 最优控制 • 最优设计 • 最优管理 • 规划 • 计划 • 预测 • 分析 • 评价

（一）运筹学 （二）经济控制论（三）大系统理论及协同论、耗散结构理论（四）系统动力学理论

二、常用的研究技术和手段 1．仿真技术对物流系统进行有效地研究，最重要的是要抓住作为系统对象的数量特性，建立系统模型。系统模型就是由实体系统经过变换而得到的一个映象，是对系统的描述、模仿或抽象。具有因果关系、特征、共性。系统模型可以用数学方程、图像以及物理的形式来表达。

仿真的目标在于建立一个既能满足用户要求的服务质量，又能使物流费用最小的物流网络系统。 仿真技术在物流系统工程中应用较广，已初见成效。

2．系统最优化技术 就是在—定的约束条件下，求出使目标函数为最大(或最小)的解。物流系统工程的基本思想是整体优化的思想，在外界环境约束条件下，要正确处理好众多因素之间的关系，必须采用系统优化技术，否则难以得到满意结果。

常用的物流系统优化方法有： (1)数学规划法。 (2)动态规划法。 (3)探索法。 (4)分割法。物流系统的目标函数是在一定条件下，达到物流总费用最省、顾客服务水平最好、全社会经济效益最高的综合目标。

3. 网络技术 网络技术即利用网络模型来“模拟”物流系统的全过程。主要是以工作所需的时间为基础，用表达工作之间相互联系的“网络图”来反映整个系统的全貌，并指出影响全局的关键所在。从而对整体系统做出切实可行的全面规划和安排。

4. 分解协调技术 用“分解—协调”方法对系统的各方面进行协调与平衡，处理系统内外的各种矛盾和关系，使系统能在矛盾中不断调节，处于相对稳定的平衡状态，充分发挥系统的功能。 • 所谓分解，就是先将复杂的大系统，分解为若干相对简单的子系统，以便运用通常的方法进行分析和综合。其基本思路是先实现各子系统的局部优化，再根据总系统的总任务、总目标，使各子系统相互“协调”配合，实现总系统的全局优化。

所谓协调，就是根据大系统的总任务、总目标的要求，使各分系统相互协调配合，在各子系统局部优化的基础上，通过协调控制，实现大系统的全局最优化。除上述方法外，预测、决策论和排队论等技术方法也较广泛地应用于物流系统的研究中。

三、物流系统工程的主要内容 • 物流系统的要素分析 • 物流系统的分析与建模 • 物流系统的预测 • 物流系统的规划 • 运输与配送路线优化 • 物流系统仿真 • 物流系统的评价 • 物流系统决策

第二章 系统工程基础概述