1、1,歡迎選修 系統(tǒng)工程概論 武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院,2,李小平 QQ：2689687 TelADDR：水利水電學(xué)院/水資源與水電工程科學(xué)國 家重點實驗室 農(nóng)水樓309#（網(wǎng)球場阿里巴巴斜對面， 路邊有水利水電學(xué)院大字的樓梯上面）,3,一、教學(xué)計劃 1.課程性質(zhì)：全校公共選修課 2.學(xué)分：2學(xué)分 3.學(xué)時：36學(xué)時 4.上課時間：3-14周，周三12-14節(jié) 5.上課地點：1區(qū)3203教室 6.授課方式：講課為主、自學(xué)為輔 7.考查形式與時間：報告、開卷考試，預(yù)計第14周,系統(tǒng)工程是運用系統(tǒng)理論和系統(tǒng)方法，借助運籌學(xué)、控制論、信息論和計算機等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段，處理各類系

2、統(tǒng)并使其達到總體最優(yōu)的一門具有跨學(xué)科性質(zhì)的交叉學(xué)科。 本課程的教學(xué)目的和任務(wù)在于通過本課程的學(xué)習(xí)，使大家了解和掌握系統(tǒng)工程的基本概念、原理和方法，培養(yǎng)大家從系統(tǒng)總體的角度出發(fā)觀察、分析和解決問題的能力，提高大家的整體綜合素質(zhì)，為大家畢業(yè)后從事專業(yè)技術(shù)或管理方面的工作打下基礎(chǔ)。,4,5,二、授課內(nèi)容 1、系統(tǒng)科學(xué)與系統(tǒng)工程引論 6學(xué)時 2、系統(tǒng)預(yù)測 3學(xué)時 3、系統(tǒng)分析（環(huán)境、目標與結(jié)構(gòu)分析） 6學(xué)時 4、系統(tǒng)建模與仿真 6學(xué)時 5、系統(tǒng)綜合評價 3學(xué)時 6、可行性研究 3學(xué)時 7、系統(tǒng)決策 3學(xué)時 8、系統(tǒng)工程的應(yīng)用 3學(xué)時 考查 3學(xué)時,6,三、教學(xué)參考書 教材：系統(tǒng)工程教程，喻湘存，清華大

3、學(xué)出版社 1. 系統(tǒng)工程概論，楊家本主編，武漢理工大學(xué)出版社 2. 系統(tǒng)工程原理，譚躍進等，國防科技大學(xué)出版社 3. 系統(tǒng)工程概論，夏紹瑋等編著，清華大學(xué)出版社,四、課件下載,公共郵箱 密碼 syssys 請自行登錄下載郵件附件 請不要刪除郵件，不要修改郵箱密碼！,7,8,第一章 系統(tǒng)科學(xué)與系統(tǒng)工程引論 主要內(nèi)容 1 系統(tǒng)的基本概念 2 系統(tǒng)科學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展,9,1 系統(tǒng)的基本概念 一、系統(tǒng)的定義與屬性 二、系統(tǒng)的分類,一、系統(tǒng)的定義與屬性,1、定義 系統(tǒng)是相互作用的多元素的復(fù)合體（貝塔朗菲） S= 式中：A為系統(tǒng)S的元素集，R為元素間的關(guān)系集 系統(tǒng) 把極其復(fù)雜的研究對象稱為系統(tǒng)，即由相互作用

4、和相互依賴的若干組成部分結(jié)合成具有特定功能的有機整體，而且這個系統(tǒng)本身又是它所從屬的一個更大系統(tǒng)的組成部分。（錢學(xué)森）,10,2、系統(tǒng)的屬性,相關(guān)性 集合性 層次性 整體性 目的性 環(huán)境適應(yīng)性,11,12,13,戰(zhàn)略計劃層（高層）,經(jīng)營管理層,作業(yè)（業(yè)務(wù)）層,層次,職能：生產(chǎn) 銷售 財務(wù) 人事,企業(yè)管理系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)模型,管理跨度,14,二、系統(tǒng)的分類,按自然屬性分： 自然系統(tǒng)、人造系統(tǒng) 按物質(zhì)屬性分： 實體系統(tǒng)、概念系統(tǒng) 按運動屬性分： 靜態(tài)系統(tǒng)、動態(tài)系統(tǒng) 按與環(huán)境關(guān)系分： 開放系統(tǒng)、封閉系統(tǒng) 按人在系統(tǒng)中的工作屬性分：作業(yè)系統(tǒng)、管理系統(tǒng) 按綜合復(fù)雜程度分： 三類九等,15,16,系統(tǒng),輸入

5、,輸出,開環(huán),系統(tǒng),輸入,輸出,閉環(huán),反饋,人類社會及宇宙,生 物,物 理,錢學(xué)森院士的分類方法,按系統(tǒng)規(guī)模分為小系統(tǒng)（little system）、大系統(tǒng)（large system）、巨系統(tǒng)（giant system） 按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度分為簡單系統(tǒng)（simple system）、復(fù)雜系統(tǒng)（complex system）,17,2 系統(tǒng)科學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展,系統(tǒng)科學(xué)的體系結(jié)構(gòu)和地位 古今系統(tǒng)思想 系統(tǒng)科學(xué)的形成和發(fā)展,18,19,一、系統(tǒng)科學(xué)的體系結(jié)構(gòu)和地位,馬克思主義哲學(xué),系統(tǒng)論,（系統(tǒng)觀）,系統(tǒng)學(xué),運籌學(xué),控制論,信息學(xué),哲學(xué),基礎(chǔ)科學(xué),技術(shù)科學(xué),工程技術(shù),專業(yè)系統(tǒng)工程,自動化技術(shù),通信技

6、術(shù),20,系統(tǒng)科學(xué)的內(nèi)容,21,系統(tǒng)概念 即關(guān)于系統(tǒng)的一般思想和理論。 一般系統(tǒng)理論 即用數(shù)學(xué)的形式描述和確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為的純數(shù)學(xué)理論。 系統(tǒng)理論分論 指為了解決各種特點的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和行為的一些專門學(xué)科，如圖論、博弈論、排隊論、控制論、信息論等。 系統(tǒng)方法 即為了對系統(tǒng)對象進行分析、計劃、設(shè)計和運用時所采用的具體應(yīng)用理論及技術(shù)的方法步驟，主要指系統(tǒng)分析和系統(tǒng)工程。 系統(tǒng)方法的應(yīng)用 即將系統(tǒng)科學(xué)的思想和方法應(yīng)用到各個具體領(lǐng)域中去。,22,系統(tǒng)科學(xué)是把事物看作系統(tǒng)，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，系統(tǒng)的演化，研究各學(xué)科的共同規(guī)律 當(dāng)今科學(xué)技術(shù)不斷向微觀深入，又直接走向宏觀系統(tǒng)，更趨復(fù)雜和綜合 宏觀、交叉和復(fù)雜

7、的整體化的趨勢發(fā)展已成為主流 可持續(xù)發(fā)展、經(jīng)濟全球化、現(xiàn)代化、信息化等需要系統(tǒng)科學(xué) 人才市場要求懂得并會運用系統(tǒng)工程,23,二、古今系統(tǒng)思想 系統(tǒng)思想是關(guān)于事物整體性觀念、相互聯(lián)系的觀念、演化發(fā)展的觀念 系統(tǒng)概念源于人類社會實踐 黃帝內(nèi)經(jīng)：強調(diào)人體各器官的有機聯(lián)系、生理現(xiàn)象和心理現(xiàn)象的聯(lián)系、身體健康和自然環(huán)境的聯(lián)系 都江堰工程：魚嘴岷江分水工程、飛沙堰分洪排沙工程、寶瓶口引水工程和120個附屬渠堰工程之間的聯(lián)系處理恰到好處 古希臘：德謨克利特宇宙大系統(tǒng),24,都江堰水利工程,都江堰水利工程在四川都江堰市城西，是全世界至今為止，年代最久、唯一留存、以無壩引水為特征的宏大水利工程。2200多年來，

8、至今仍然連續(xù)使用，仍發(fā)揮巨大效益，不愧為文明世界的偉大杰作，造福人民的偉大水利工程。都江堰渠首的三大主體工程 魚嘴分水堤、飛沙堰溢洪道、寶瓶口進水口三大部分構(gòu)成，科學(xué)地解決了江水自動分流、自動排沙、控制進水流量等問題，消除了水患，使川西平原成為“水旱”的“天府之國”。目前灌溉面積已達40余縣，1998年超過一千萬畝。都江堰水利工程的三個子工程融為一個整體，巧妙配合實現(xiàn)了徹底排沙、最佳水量的自動調(diào)節(jié)的作用。,25,魚嘴分水堤,26,飛沙堰溢洪道,27,28,現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)使系統(tǒng)思想定量化，成為有數(shù)學(xué)理論、能夠定量處理系統(tǒng)各組成部分相互聯(lián)系的科學(xué)方法 計算機技術(shù)的發(fā)展為定量化系統(tǒng)思想的應(yīng)用提供了強有

9、力工具 社會實踐活動的大型化和復(fù)雜化要求系統(tǒng)思想方法定性與定量相結(jié)合 第二次世界大戰(zhàn)是定量化系統(tǒng)方法的“催生婆” 強調(diào)全局觀念、從全局出發(fā)合理使用局部、最終求得全局效果最佳，從而找到精確計算后的獲勝對策,29,綜合起來，系統(tǒng)思想是進行分析與綜合的辯證思維工具，它在辯證唯物主義那里取得了哲學(xué)的表達形式，在運籌學(xué)等學(xué)科那里找到了定量的表達形式，在系統(tǒng)工程這里獲得了豐富的實踐內(nèi)容 系統(tǒng)思想是從經(jīng)驗到哲學(xué)、從思辯到定性再到定量的發(fā)展過程,30,三、系統(tǒng)科學(xué)的形成和發(fā)展 科學(xué)背景 20世紀初，微觀層次建立了統(tǒng)一的量子力學(xué)和原子結(jié)構(gòu)理論 宇宙層次建立了科學(xué)的宇宙結(jié)構(gòu)學(xué)說 特別是綜合了粒子物理成就的宇宙演化

10、模型的建立，從根本上為科學(xué)的系統(tǒng)演化理論的形成和發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ) 在這樣的背景下，人們開始重點集中于以人為尺度的宏觀層次，尋求這個層次的事物的產(chǎn)生、發(fā)展和演化的共性規(guī)律 反映這一趨勢的代表：薛定諤（1943）在愛爾蘭的報告“生命是什么：活細胞的物理學(xué)觀” 20世紀出現(xiàn)了許多大型、復(fù)雜的工程技術(shù)和社會經(jīng)濟問題，要求從整體上加以優(yōu)化解決,31,發(fā)展過程,32,發(fā)展過程 直接把系統(tǒng)作為研究對象：貝塔朗菲（1901-1972）的一般系統(tǒng)論（1937、1945） 他認為：現(xiàn)實是一個有組織的由實體構(gòu)成的遞階秩序，在許多層次的疊加中從物理、化學(xué)系統(tǒng)引向生物、社會系統(tǒng)，不能把分割的部分行為拼加成整體，必須

11、考慮各個子系統(tǒng)和整個系統(tǒng)之間的關(guān)系，才能了解各部分的行為和整體 20世紀30年代末，戰(zhàn)爭需要，研制雷達系統(tǒng)，產(chǎn)生運籌學(xué) 運籌學(xué)的貢獻：把系統(tǒng)有效運行的制約因素和要實現(xiàn)的目標這一共性，概括成一種數(shù)學(xué)模式：聯(lián)立約束方程和目標函數(shù)并求解 運籌學(xué)的成熟標志：瓦格納（1969）運籌學(xué)原理和對管理決策的應(yīng)用,33,發(fā)展過程 控制論（維納，1894-1964）：關(guān)于動物和機器中控制和通信的科學(xué)，基礎(chǔ)是自動控制技術(shù)和統(tǒng)計數(shù)學(xué) 它對系統(tǒng)科學(xué)的貢獻：提煉出了包括生物系統(tǒng)和人工系統(tǒng)的共性和規(guī)律，提煉出的概念：目的、行為、通信、輸入、輸出、反饋、控制等，及在這些概念上的模型，聯(lián)系著理論與應(yīng)用 信息學(xué)（香農(nóng)，1948）

12、：對系統(tǒng)的信息傳遞和處理過程規(guī)律 計算機技術(shù)（1948）：不單是威力巨大的計算手段，標志著人類對信息處理本質(zhì)的認識，即人的智能機理，實現(xiàn)了人的信息處理的智能可以部分由人造物代替,34,發(fā)展過程 運籌學(xué)、控制論和信息論的成就，把科學(xué)的定量的系統(tǒng)思想適用范圍，從自然物擴展到人工物，從物理擴展到事理，為系統(tǒng)科學(xué)橫斷自然科學(xué)、社會科學(xué)和工程技術(shù)的基本特征的形成奠定了基礎(chǔ) 系統(tǒng)工程概念提出：美國貝爾電話公司，20世紀40年代 1957年，古德和麥考爾出版了系統(tǒng)工程 泰勒（1856-1915）：由科學(xué)管理發(fā)展到管理科學(xué) 系統(tǒng)工程的成功范例：阿波羅飛船登月成功（1969） 1972年成立國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究

13、所 20世紀70-80年代：建立系統(tǒng)自組織理論,35,發(fā)展過程 耗散結(jié)構(gòu)理論（普利高津，1969）：在開放且遠離平衡情況下，系統(tǒng)通過和環(huán)境進行物質(zhì)與能量交換，一旦某個參量變化達到一定的閾值，就可能從原來的無序狀態(tài)自發(fā)轉(zhuǎn)變到在時間、空間和功能上的有序狀態(tài) 協(xié)同學(xué)理論（哈肯，1969）：一個系統(tǒng)從無序到有序的關(guān)鍵不在于系統(tǒng)是平衡或非平衡，也不在于離平衡有多遠，而是通過系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間的非線性相互作用，在一定條件下，能自發(fā)產(chǎn)生在時間、空間和功能上穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)，這就是自組織 哈肯還指出：系統(tǒng)在臨界點附近的行為僅由少數(shù)慢變量決策，系統(tǒng)的快變量由慢變量（序參量）支配，即役使原理 1979年，艾根吸取

14、進化論和自組織理論的思想，提出了超循環(huán)原理,36,發(fā)展過程 20世紀80年代以來，非線性科學(xué)和復(fù)雜性理論得到發(fā)展 非線性是數(shù)學(xué)概念，是相互作用的數(shù)學(xué)表達，一個系統(tǒng)不僅是其部分的總和，就意味著疊加原理的失敗，在數(shù)學(xué)上就是非線性的 非線性科學(xué)研究各門科學(xué)中有關(guān)非線性的共性問題：一個系統(tǒng)的性能如何隨時間變化？有沒有穩(wěn)定的終態(tài)？在非線性動力學(xué)中，就是定常狀態(tài)、分岔、不動點、振蕩、混沌問題 復(fù)雜性研究開始的標志：圣菲研究所，美國新墨西哥州，1984 事物的復(fù)雜性是從簡單發(fā)展來的，是在適應(yīng)環(huán)境過程中產(chǎn)生的，反映的是科學(xué)技術(shù)的綜合趨勢和不同領(lǐng)域的共識,系統(tǒng)論思想發(fā)展2件重要的事實,“一般系統(tǒng)論”思想的提出

15、系統(tǒng)工程學(xué)概念的提出,37,推薦一本書,系統(tǒng)科學(xué)大學(xué)講稿 苗東升 編著 中國人民大學(xué)出版社，2007.11,38,39,3 系統(tǒng)的基本概念與方法 1、基本概念 2、結(jié)構(gòu)、層次 3、環(huán)境、功能 4、形態(tài)、狀態(tài) 5、系統(tǒng)模型,1、基本概念,系統(tǒng)是相互作用的多元素的復(fù)合體（貝塔朗菲） S= 式中：A為系統(tǒng)S的元素集，R為元素間的關(guān)系集 系統(tǒng) 把極其復(fù)雜的研究對象稱為系統(tǒng)，即由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合成具有特定功能的有機整體，而且這個系統(tǒng)本身又是它所從屬的一個更大系統(tǒng)的組成部分。,40,組分、部分、元素、要素 組分與部分 結(jié)構(gòu)意義 元素與要素,41,42,系統(tǒng)的整體涌現(xiàn)性 加和性整體 組合

16、性整體 整體涌現(xiàn)性：組分效應(yīng)、規(guī)模效應(yīng) 結(jié)構(gòu)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng),43,系統(tǒng)的規(guī)模 系統(tǒng)組分的多少 占據(jù)的空間大小、地域分布范圍廣狹 規(guī)模是形成系統(tǒng)整體涌現(xiàn)性的必要根據(jù),44,2、結(jié)構(gòu)、層次 結(jié)構(gòu)：組分之間的關(guān)聯(lián)方式（系統(tǒng)把其元素整合為統(tǒng)一整體的模式）的總和 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類方式很多，一般從框架結(jié)構(gòu)與運行結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)與時間結(jié)構(gòu)兩方面進行分類 框架結(jié)構(gòu):當(dāng)系統(tǒng)處于尚未運行或停止運行狀態(tài) 時，各組分之間的直接聯(lián)接方式 運行結(jié)構(gòu):系統(tǒng)處于運行過程中所體現(xiàn)出來的組 分之間相互依存、相互支持、相互制 約的方式,子系統(tǒng) 當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模太大時，必須對元素進行“分片”管理，因而把系統(tǒng)分成若干子系統(tǒng)，但不同子系統(tǒng)具有相同

17、的結(jié)構(gòu) 子系統(tǒng)的特點： 局域性 系統(tǒng)性 可分性 相對獨立性,45,46,層次 整體思想是系統(tǒng)論最核心的觀點，系統(tǒng)科學(xué)是關(guān)于整體性的科學(xué) 涌現(xiàn)性的另一種解釋是高層次具有低層次沒有的特性 層次是系統(tǒng)由元素整合為整體過程中涌現(xiàn)等級，不同性質(zhì)的涌現(xiàn)形成不同的層次，不同層次表現(xiàn)不同性質(zhì)的涌現(xiàn)性 層次提供一個參照系，出現(xiàn)新的涌現(xiàn)性不一定產(chǎn)生新的層次,47,3、環(huán)境、行為、功能 系統(tǒng)的環(huán)境 一個系統(tǒng)之外的一切與它相關(guān)聯(lián)的事物構(gòu)成的集合 系統(tǒng)與環(huán)境之間的關(guān)系是系統(tǒng)的外部規(guī)定性 環(huán)境也是決定系統(tǒng)整體涌現(xiàn)性的重要因素 環(huán)境意識是系統(tǒng)思想的另一個基本點,48,系統(tǒng)的邊界 把系統(tǒng)與環(huán)境分開來的東西 邊界的存在是客觀的

18、 邊界存在的相對性 開放性與封閉性 開放性：系統(tǒng)能夠同環(huán)境進行交換的屬性 封閉性：系統(tǒng)阻止自身同環(huán)境進行交換的屬性 開放越充分有效，越利于系統(tǒng)的生存發(fā)展,49,系統(tǒng)的行為 系統(tǒng)相對于環(huán)境所表現(xiàn)出來的任何變化 行為屬于系統(tǒng)自身的變化，是系統(tǒng)特性的表現(xiàn)，但又同環(huán)境有關(guān)，反映了環(huán)境對系統(tǒng)的作用或影響 不同的系統(tǒng)有不同的行為，同一系統(tǒng)在不同情況下也有不同行為 系統(tǒng)行為包括：維生，學(xué)習(xí)，適應(yīng)，演化，自組織、平衡、非平衡、穩(wěn)定、動態(tài)等,50,系統(tǒng)的功能 系統(tǒng)行為所引起的、有利于環(huán)境中某些事物乃至整個環(huán)境存續(xù)與發(fā)展的作用 凡系統(tǒng)都有功能，功能具有整體特性 系統(tǒng)是由相互制約的各部分組成的具有一定功能的整體 子

19、系統(tǒng)的功能是指子系統(tǒng)對整系統(tǒng)存續(xù)發(fā)展所負責(zé)任、所作貢獻 把功能子系統(tǒng)的劃分及其相互關(guān)聯(lián)方式稱為系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu),51,4、狀態(tài)、演化、過程 系統(tǒng)狀態(tài) 是指系統(tǒng)的那些可以觀察和識別的狀況、態(tài)勢、特征等 用來表述系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)字變量，稱為狀態(tài)變量 狀態(tài)變量的選擇要求：（1）完備性，可以全面反映系統(tǒng)的狀態(tài)過程；（2）獨立性，任一狀態(tài)變量都不能表示為其它狀態(tài)變量的函數(shù) 存在一定的狀態(tài)空間和狀態(tài)轉(zhuǎn)移 動態(tài)系統(tǒng)的特點是在狀態(tài)空間中從一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移不可能瞬間完成，需要耗費一定的時間，呈現(xiàn)出狀態(tài)隨時間變化的特征,52,系統(tǒng)的演化 指系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、特性、行為、功能等隨著時間的推移而發(fā)生的變化 系統(tǒng)演化存在狹義與廣義兩種基本方式：狹義演化是系統(tǒng)由一種結(jié)構(gòu)或形態(tài)向另一種結(jié)構(gòu)或形態(tài)的轉(zhuǎn)變；廣義演化包括從無到有、從不成熟至成熟、一種結(jié)構(gòu)到另一種結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的老化或退化、從有到無的消失等 系統(tǒng)演化的動力源于系統(tǒng)內(nèi)部或外部 系統(tǒng)演化的方向有兩種：低 高,高 低,53,系統(tǒng)與過程 凡演化都有發(fā)生、發(fā)育、相變、老化、消亡等過程 過程是在時間維中展開的，時間是一種算子，一切事物都是它的運算對象 對象不同，時間可能具有方向性，即時間反號能否改變運動方程符號 系統(tǒng)分類：連續(xù)過程與離散過程、線性過程與非線性