系統工程

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系統工程(systems engineering)

目錄

什麼是系統工程

  系統工程是一個用於實現產品的跨學科方法。通過它,您能夠把您的每個產品作為一個整體來理解-更好地構建你的產品規劃、開發、製造和維護過程。企業利用系統工程來對一個產品的需求、子系統、約束和部件之間的交互作用進行建模/分析,併進行優化和權衡-在整個產品生命周期做出重要決策。在整個生命周期,系統工程師利用各種的模型和工具來捕捉、組織、優先分級、交付並管理系統信息。例如,通過QFD質量屋House of Quality)、六個西格瑪設計 (DFSS)、 TRIZ以及其它技術,系統工程能夠在前端就捕捉並對客戶要求進行優先分級;然後,用功能建模面向對象方法狀態圖表等進行上至替代評估,下至功能和物理劃分。

  系統工程是運用系統思想直接改造客觀世界的一大類工程技術的總稱。系統是由互相關聯、互相制約、互相作用的若幹組成部分構成的具有某種功能的有機整體。人們對於系統的認識,即關於系統的思想來源於社會實踐,人們在長期的社會實踐中逐漸形成了把事物的各個組成部分聯繫起來從整體角度進行分析和綜合的思想,即系統思想。系統思想古已有之,但系統工程的誕生卻是近40年來的事。隨著科學技術的迅速發展和生產規模的不斷擴大,迫切地需要發展一種能有效地組織和管理複雜系統的規劃、研究、設計、製造、試驗和使用的技術,即系統工程。

  系統工程是以研究大規模複雜系統為對象的新興邊緣科學,是處理系統的一門工程技術。對新系統的建立或對已建立系統的經營管理,採用定量分析法(包括模型方法、模擬實驗方法或優化方法)或定量分析定性分析相結合的方法,進行系統分析和系統設計,使系統整個系統預定的目標。系統工程的研究範圍已由傳統的工程領域擴大到社會、技術和經濟領域,如工程系統工程、科學系統工程、企業系統工程、軍事系統工程、經濟系統工程、社會系統工程、農業系統工程、行政系統工程、法治系統工程等。各門系統工程除特有的專業學科基礎外,作為系統工程共同的基礎技術科學,有運籌學控制論資訊理論、計算科學和計算技術。相應的基礎科學為系統學。任何一種社會活動都會形成一個系統,這個系統的組織建立、有效運轉就成為一項系統工程。因此,系統工程可以解決的問題涉及到改造自然,提高社會生產力,增強國防力量,直至改造整個社會活動。

  系統工程是關於生產、建設、交通、儲運、通信、商業、科學研究以及人類其他活動的規劃、組織、協調和控制的科學方法。系統工程以系統為對象,從系統的整體觀念出發,研究各個組成部分,分析各種因素之間的關係,運用數學方法,尋找系統的最佳方案,是系統總體效果達到最佳。

  系統工程在我國建設事業、生產管理、商業經營、資源利用、環境保護、經濟體制改革和科學研究等諸多領域均以取得了顯著成效,其重要作用以被人們廣泛認識和接受。

  系統工程的含義

  系統工程在系統科學結構體系中,屬於工程技術類,它是一門新興的學科,國內外有 一些學者對系統工程的含義有過不少闡述,但至今仍無統一的定義。 1978年我國著名學者錢學森指出:"系統工程是組織管理系統的規劃、研究、設計、製造、試驗和使用的科學方法,是一種對所有系統都具有普遍意義的方法"。 1977年日本學者三浦武雄指出:"系統工程與其他工程學不同之點在於它是跨越許多學科的科學,而且是填補這些學科邊界空白的一種邊緣學科。因為系統工程的目的是研製一個系統,而系統不僅涉及到工程學的領域,還涉及社會、經濟和政治等領域,所以為了適當地解決這些領域的問題,除了需要某些縱向技術以外,還要有一種技術從橫的方向把 它們組織起來,這種橫向技術就是系統工程"。 1975年美國科學技術辭典的論述為:"系統工程是研究複雜系統設計的科學,該系統由許多密切聯繫的元素所組成。設計該複雜系統時,應有明確的預定功能及目標,並協調各個元素之間及元素和整體之間的有機聯繫,以使系統能從總體上達到最優目標。在設計 系統時,要同時考慮到參與系統活動的人的因素及其作用。" 從以上各種論點可以看出,系統工程是以大型複雜系統為研究對象,按一定目的進行 設計、開發、管理與控制,以期達到總體效果最優的理論與方法。

系統工程的特點

  系統工程是一門工程技術,用以改造客觀世界並取得實際成果,這與一般工程技術問題有共同之處。但是,系統工程又是一類包括了許多類工程技術的一大工程技術門類,與一般工程比較,系統工程有三個特點:

  (1)研究的對象廣泛,包括人類社會、生態環境、自然現象和組織管理等。

  (2)系統工程是一門跨學科的邊緣學科。不僅要用到數、理、化、生物等自然科學,還要用到社會學、心理學經濟學、醫學等與人的思想、行為、能力等有關的學科,是自然科學 和社會科學的交叉。因此,系統工程形成了一套處理複雜問題的理論、方法和手段,使人們 在處理問題時,有系統的整體的觀點。

  (3)在處理複雜的大系統時,常採用定性分析和定量計算相結合的方法。因為系統工程所研究的對象往往涉及到人,這就涉及到人的價值觀、行為學、心理學、主觀判斷和理性推理,因而系統工程所研究的大系統比一般工程系統複雜得多,處理系統工程問題不僅要 有科學性,而且要有藝術性和哲理性。

系統工程的產生與發展

  系統工程作為一門科學技術雖然形成於本世紀中葉,但系統工程的思想方法和實際應用可追溯到遠古時代。中華民族的祖先在瞭解和改造自然的辛勤實踐和大量的社會活動中,早有許多朴素的系統概念和應用實例。在軍事方面,早在公元前500年的春秋時期,就有著名的軍事家孫武寫出了"孫子兵法"十三篇,指出戰爭中的戰略和策略問題,如進攻與防禦、速決和持久、分散和集中等之間的相互依存和相互制約的關係,並依此籌劃戰爭的對策,以取得戰爭的勝利。其著名論點,"知已知彼,百戰不殆","以我之長,攻敵之短"等,不僅在古代,而且在當代的戰爭中都有指導意義,在當今激烈的國際市場競爭和社會經濟各個領域的發展中,這些論斷也有現實意義。戰國時期,著名軍事家孫臏繼承和發展了孫武的學說,著有"孫臏兵法",在齊王與田忌賽馬中,孫臏提出的以下、上、中對上、中、下對策,便處於劣勢的田忌戰勝齊王,這是 從總體出發制定對抗策略的一個著名事例。在水利建設方面,戰國時期,秦國太守李冰父子主持修建了四川都江堰工程。這一偉大水利工程巧妙地將分洪、51水和排沙結合起來,使各部分組成一個整體,實現了防洪、灌溉、行舟、漂木等多種功能,至今,該工程仍在發揮著重大的經濟效益,是我國古代水利建 設的一大傑出成就。在建設施工方面,北宋真宗年間,皇城失火,宮殿燒毀,大臣丁謂主持了皇宮修複工程。他採用了一套綜合施工方案,先在需要重建的通衢大道上就近取土燒磚,在取土後的通衢深溝中引入汴水,形成人工河,再由此水路運人建築材料,從而加快了工程進度。皇宮修複後,又將碎磚廢土填入溝中,重修通衢大道。使燒磚、運輸建築材料和處理廢墟三項繁重工程任務協調起來,從而在總體上得到了最佳解決,一舉三得,節省了大量勞力、費用和時間。在醫學、農業等方面,我國古代也有許多著名學者用朴素的系統思想和方法取得了偉大成就,這些都為我們今天研究和發展系統工程的理論體系,提供了寶貴的借鑒和重要的 啟示。近代科學技術的發展,特別是電腦的出現和廣泛使用,使系統工程在世界範圍內迅 速發展起來,許多國家有不少成功的重大研究成果。

  第一次提出"系統工程"這一名詞的是1940年在美國貝爾電話公司試驗室工作的E.C·莫利納(E·C·Molina)和在丹麥哥本哈根電話公司工作的A·K,厄朗(A·K,Erlang),他們在研製電話自動交換機時,意識到不能只註意電話機和交換台設備技術的研究,還需從通信網路的總體上進行研究。他們把研製工作分為規劃、研究、開發、應用和通用工程等 五個階段,以後又提出了排隊論原理,並應用到電話通信網路系統中,推動了電話事業的飛速發展。

  系統工程的萌芽時期可追溯到本世紀初的泰勒系統(F·W·Taylor),為了提高工效,泰勒研究了合理工序和工人活動的關係,探索了管理的規律,1911年他的 "科學管理的原理"一書問世後,工業界出現了"泰勒系統"。在第二次世界大戰時期,一些科學工作者以大規模軍事行動為對象,提出瞭解決戰爭問題的一些決策和對策的方法和工程手段,出現了運籌學。當時英國為防禦德國的突然空襲,研究了雷達報警系統和飛機降落排隊系統,取得了很多戰果。在這一時期中,英、美等國在反潛、反空襲、商船護航、佈置水雷等項軍事行動中,應用了系統工程方法,取得了良好的效果。

  1940年至1945年,美國製造原子彈的"曼哈頓"計劃,由於應用了系統工程方法進行協調,在較短的時間內取得了成功。1945年,美國建立了蘭德公司(RAND Corp.),應用運籌學等理論方法研製出了多種應用系統,在美國國家發展戰略、國防系統開發、宇宙空間技術以及經濟建設領域的重大決策中,發揮了重要作用,"蘭德"又被譽為"思想庫" 和"智囊團"。

  50年代後期和60年代中期,美國為改變空間技術落後於蘇聯的局面,先後制定和執行了北極星導彈核潛艇計劃和阿波羅登月計劃,這些都是系統工程在國防科研中取得成果的著名範例。阿波羅登月計劃是一項巨大的工程,從1961年開始,持續了U 年。該工程有三百多萬個部件,耗資244億美元,參加者有兩萬多個企業和120個大學與研究機構。整個工程在計划進度、質量檢驗可靠性評價和管理過程等方面都採用了系統工程方法,並創造了"計劃評審技術(PERT)"和"隨機網路技術"[又稱"圖解評審技術(GERT)"],實現了時間進度、質量技術與經費管理三者的統一。在實施該工程的過程中及時向各層決策機構提供信息和方案,供各層決策者使用,保證了各個領域的相互平衡,如期完成了總體目標。電腦的迅速發展,為該複雜大系統的分析提供了有力的 工具。

  70年代以來。隨著微型電腦的發展,出現了分級分佈控制系統和分散信號處理系統,擴展了系統工程理論方法的應用範圍。近年來,社會、經濟與環境綜合性的大系統問題日益增多,如環境污染、人口增長、交通事故、軍備競賽等。許多技術性問題也帶有政治、經濟的因素,如北歐跨國電網的供電問題。這個電網有水、火、核等多種能源形式,規模龐大,電網調度本身在技術上已相當複雜,而且還要受到各國經濟利益衝突、地理條件限制、環境保護政策制約和人口遷移狀況的影響,因此,負荷調度的目標和最佳運行方式的評價標準十分複雜,涉及多個國家社會經濟因素。該電網的系統分析者要綜合這些因素,對4500 萬千瓦的電力做出合理的並能被接受的調度方案,提交各國討論、協調和決策,這是個典 型的系統工程問題。我國近代的系統工程研究可追溯到50年代。

  1956年,中國科學院錢學森許國志教授的創導下,建立了第一個運籌學小組;60年代,著名數學家華羅庚大力推廣了統籌法優選法;與此同時,在著名科學家錢學森領導下,在導彈等現代化武器的總體設計組織方面,取得了豐富經驗,國防尖端科研的《總體設計部"取得顯著成效。1977年以來,系統工程的推廣和應用出現了新局面,1980年成立了中國系統工程學會,與國際系統工程界進行了廣泛的學術交流。近年來,系統工程在各個領域都取得了許多成果。

系統思想的形成

  系統思想的形成可追溯到古代。中國古代著作《易經》、《尚書》中提出了蘊含有系統思想的陰陽、 五行、 八卦等學說。中國古代經典醫著《黃帝內經》把人體看作是由各種器官有機地聯繫在一起的整體,主張從整體上研究人體的病因。古希臘哲學家希拉克利特在《論自然界》一書中指出:“世界是包括一切的整體。”古希臘哲學家德謨克利特認為一切物質都是原子和空虛組成的。他的《世界大系統》一書是最早採用系統這個名詞的著作。古希臘哲學家亞里士多德提出整體大於部分之和的觀點。古代系統思想還表現在一些著名的古代工程中。埃及的金字塔和中國的長城、大運河、都江堰以及《夢溪筆談》中敘述的皇宮重建工程無不體現朴素的系統思想(見中國古代系統思想)。古代系統思想常用猜測的和臆想的聯繫代替尚未瞭解的聯繫,是自然哲學式的。

  16世紀,近代自然科學興起。在當時的條件下難以從整體上對複雜的事物進行周密的考察和精確的研究。因此,近代自然科學的研究方法是把整體的系統逐步地分解,研究每個較簡單的組成部分,排除臆想的東西。這種方法後來被稱為還原論和機械唯物論。但是,在當時這種方法還是先進的。它的進步作用曾得到F.恩格斯的肯定。到19世紀,科學的系統思想才逐漸形成。恩格斯在《路德維希·費爾巴哈和德國古典哲學的終結》一文中指出:“一個偉大的基本思想,即認為世界不是一成不變的事物的集合體,而是過程的集合體。其中各個似乎穩定的事物以及它們在我們頭腦中的思想反映即概念,都處在生成和滅亡的不斷變化中。在這種變化中,前進的發展,不管一切錶面的偶然性,也不管一切暫時的倒退,終究會給自己開闢出道路。”恩格斯的這段話標志著科學的現代系統思想的產生。系統思想在歷史上的發展貫穿於從自然哲學到辯證唯物主義的發展過程中。

系統工程的萌芽

  19世紀末,電力、石油等新能源的開發大大促進了工業的發展。電氣化工業和化學工業的出現又使生產技術設備日趨複雜,併進一步促使交通和通信系統大規模擴建。同時,物質的生產開始豐富,市場的需求成為制約生產發展的重要因素,企業間的競爭開始出現。在這種情況下,人們開始重視生產與經營之間的協調和綜合,即開始運用系統思想來研究這類問題。另一方面,經典物理學的最終完成使人們認識到,只有通過對客觀事物的數學描述才能深入分析事物的本質、瞭解它的構成機理和各種變異。人們開始用數學模型和分析的方法去研究工程、經濟、生物、軍事和社會等方面的系統。

  一、排隊論的產生

  1910年,丹麥數學家A.K.埃爾朗受熱力學統計平衡理論的啟發而建立了電話系統統計平衡模型。1925年,美國電話電報公司成立貝爾電話實驗室時,就在該室內設立了系統開發部。貝爾電話實驗室發展了埃爾朗的電話系統模型,創造了一套電話系統分級復聯的科學方法,並利用概率模擬裝置,經過理論計算和實驗驗證來求出最佳通話服務方式。30年代,瑞典數學家巴爾姆和蘇聯數學家欣欽又對電話呼叫過程進行深入的數學分析,提出呼叫過程的普遍性、平穩性、有限性和無後效性等4個特征,奠定了關於系統中隨機聚散現象的基本理論 ──排隊論的理論基礎。在近代工程技術中對系統工程的產生和發展影響最大的首推電話通信工程。

  二、企業管理的早期研究

  美國管理學家F.W.泰勒繼承前人對勞動工時的研究,從系統的角度來研究提高勞動生產率。他通過實驗發現減輕勞動強度能使生產量成倍增長以及計件工資和超產獎勵的優點,併在此基礎上制定勞動定額、合理安排工序。1911年,泰勒發表《科學管理》一書,創立了著名的泰勒制。1939年,蘇聯數學家Л.В.康托羅維奇發表《生產組織與計劃的數學方法》。他認為提高工業生產率的途徑除改進技術(即改進設備、工藝和尋找優質原料等)外,還需要在生產組織計劃方面尋求改進,即正確分配設備、訂貨、原料和燃料等。他採用了與經典數學分析求解極值迥然不同的解乘數法。這些工作與運籌學結合起來為現代管理科學的形成創造了條件。

  三、經濟系統建模的早期工作

  19世紀出現的埃傑維斯合同曲線瓦爾拉經濟系統平衡模型是運用數學研究經濟的早期嘗試。1936年,W.列昂捷夫瓦爾拉供求模型的平衡方程應用到集中計劃經濟的情況,提出了投入產出模型。此後投入產出模型成為系統工程應用於經濟分析經濟預測的重要工具。30年代初,荷蘭物理學家J.廷伯赫等人將建模和數學方法引入經濟學,建立了計量經濟學。1928年,數學家J.von諾伊曼在與維也納經濟學家討論經濟問題中競爭現象的博弈對策時,完成了對策論(又稱博弈論)的奠基性工作。1944年諾伊曼經濟學家O.莫根施特恩合作發表了對策論的專著《競賽理論與經濟行為》。1936年諾伊曼瓦爾德先後發表了關於經濟平衡方程與不動點原理的文章,為瓦爾拉模型建立了嚴謹的數學基礎。這項工作後來被髮展成數理經濟學

  四、一般系統論、資訊理論和控制論

  30年代,生物學界提出了生命有機體論,把生命看成是一個有機整體用以解釋複雜的生命現象。 貝塔朗菲(L.von Ludwig von Bertalanffy) 百用協調、有序、目的性等概念來研究生命有機體,並把系統定義為相互作用的諸要素的複合體,具有特殊的整體水平的功能和屬性。他還提出開放系統概念,認為要從有機體與環境的相互作用來說明生命的本質。1937年,貝塔朗菲首先提出一般系統論的原理,並於1945年發表《關於一般系統論》。他指出這個理論屬於邏輯和數學的領域,任務是建立適用於系統的一般原則。40年代以來,隨著通信技術的發展和工業自動化的興起,出現了研究系統中信息和控制的基本規律的資訊理論和控制論。N.維納提出的控制論和C.E.香農提出的資訊理論幾乎是與一般系統論同時出現的。一般系統論提出的對系統的描述性的研究方法為後來系統學的形成做了先導。而資訊理論和控制論則為系統工程的發展提供了養分。

  五、軍事系統模型和運籌學

  在第一次和第二次世界大戰期間,軍事上的需要促使人們去研究提高作戰指揮能力和武器效能的方法。1914年~1916年期間,英國F.W.蘭徹斯特提出描述作戰雙方兵力變化過程的數學方程式,後稱蘭徹斯特方程。30年代後期,英國成立了世界上第一個運籌學研究小組,研究雷達配置和高炮效率。後來又在陸、海、空三軍分別設置研究組織,研究雷達的合理配置和運用、飛機出擊時間和隊形編列的效能以及有效的後勤保障等問題。美國和加拿大等國也相繼成立運籌學研究組織。美國數學家用概率論數理統計方法研究反潛問題,提出了艦艇躲避或攻擊潛艇的最優戰術。第二次世界大戰以後,運籌學迅速推廣到經濟管理部門,為制定政策提供依據,取得了良好的經濟效果。1951年,美國P.M.莫爾斯G.E.金布爾合著《運籌學》一書的出版標志著運籌學的成熟。

  在第二次世界大戰結束前的半個世紀中,數學家、物理學家、工程師、經濟學家、生物學家們所作的大量開創性和學科交叉性的工作,為系統工程的誕生準備了充分的條件。其中特別是運籌學的產生更具有重要意義。運籌學研究實際系統的有效運用問題,可為系統優化提供一整套定量研究方法。運籌學後來成為系統工程方法論最主要的思想和方法的源泉。

系統工程的產生

  第二次世界大戰以來,科學技術迅猛進步,社會經濟空前發展,同時資源和生態環境也嚴重惡化。人們面臨著越來越複雜的大系統的組織、管理、協調、規劃、計劃、預測和控制等問題。這些問題的特點是在空間活動規模上越來越大,時間上變化越來越快,層次結構上越來越複雜,後果和影響上越來越深遠和廣泛。要解決這樣高度複雜的問題,單靠人的經驗已顯得無能為力,需要採用科學的方法。信息科學和電腦的發展又大大提高了信息的收集、存儲、傳遞和處理的能力,為實現科學的組織和管理提供了強有力的手段。系統工程正是在這樣的情況下,首先從軍事和大型工程系統的研製中產生和發展起來的。

  一、美國微波中繼通信網

  美國貝爾電話實驗室在1940年開始建立橫跨美國東西部的微波中繼通信網時就充分利用當時的科學技術成就來規劃和設計新系統。這項工作因第二次世界大戰而停頓。戰後分別於1947年和1951年完成該網的TD-X和TD- 2系統,並投入使用。貝爾電話實驗室遂於1951年正式把研製微波通信網的方法命名為系統工程。

  二、蘭德公司和系統分析

  1945年,美國國防部和科學研究開發署與道格拉斯飛機公司訂立了稱為蘭德計劃的合同,為美國空軍研究洲際戰爭,並提出有關技術和設備的建議。1947年,在福特基金會的支持下,成立了蘭德公司,繼續為戰後美國空軍的發展戰略和規劃提供咨詢服務。50年代以後,擴大了工作範圍,成為一個非營利的咨詢機構。蘭德公司在多年積累的研究經驗的基礎上創立了系統分析。系統分析的目的是根據系統目標和評價指標來尋求最優方案。系統分析幾乎是同系統工程並行地發展起來的,這兩個名詞之間也常出現混用現象。蘭德公司創造的系統分析以及規劃計劃預算編製法特爾斐法社會實驗法等方法豐富了系統工程方法論。

  三、網路技術和系統管理

  50年代末,為了管理大型工程項目,在線條圖的基礎上發展了用於系統管理的網路技術。1957年,美國杜邦公司發展了協調大企業內各部門工作的關鍵路線法。1958年,美國海軍特別計劃局在執行“北極星”導彈核潛艇計劃中發展了控制工程進度的新方法──計劃協調技術,使“北極星”導彈提前兩年研製成功。這些方法用網路技術來進行系統管理,可在不增加人力、物力和財力的情況下使工程進度提前、成本降低。

  四、阿波羅工程

  美國1961年開始進行的阿波羅工程,由地面、空間和登月三部分組成,於1972年成功結束。在工程高峰時期有兩萬多家廠商、 200餘所高等院校和80多個研究機構參予研製和生產,總人數超過30萬人,耗資255億美元。完成阿波羅工程不僅需要火箭技術,還需要瞭解宇宙空間和月球本身的環境。為此又專門制定了“水星”計劃和“雙子星座”計劃,以探明人在宇宙空間飛行的生活和工作條件。為了完成這項龐大和複雜的計劃,美國航空航天局成立了總體設計部以及系統和分系統的型號辦公室,以對整個計划進行組織、協調和管理。在執行計划過程中自始至終採用了系統分析、網路技術和電腦模擬技術,並把計劃協調技術發展成隨機協調技術。由於採用了成本估算和分析技術,使這項無前例的龐大工程基本上按預算完成。阿波羅工程的圓滿成功使世界各國開始接受系統工程。

系統工程方法論的形成

  1957年,美國的H.H.古德R.E.麥克霍爾合作發表了第一本完整的系統工程教科書── 《系統工程》。麥克霍爾又於1965年發表了《系統工程手冊》一書。這兩本書以豐富的軍事素材論述了系統工程的原理和方法。1962年,A.D.霍爾發表的《系統工程方法論》一書反映了作者長期從事通信系統工程的成果,內容涉及系統環境、系統要素、系統理論、系統技術、系統數學等方面。A.D.霍爾還於 1969年提出著名的霍爾三維結構,即系統工程形態圖。60年代末關於軍事和工程等硬系統的系統工程方法論已臻於完善。

  系統工程教育

  系統工程教育始於50年代。當時已開始在高等院校開設有關專業課,成立系統工程系或者在公司企業內部辦培訓班來培養人才。60年代以來,許多國家已開始大量培養系統工程師、系統分析師和系統科學家。

系統工程的發展

  70年代以來,系統工程發展的趨勢是應用領域繼續向社會、經濟、生態等方面擴展和發展應用於軟系統工程的方法論。1972年在一些國家科學院的倡議下,在維也納成立了國際應用系統分析研究所。它是一個用系統工程方法研究複雜的社會、經濟、生態等問題的國際性研究機構。該所先後選擇了能源、環境、生態、城市建設、資源開發、醫療、工業生產等研究課題,在推動系統工程的發展和應用方面產生了重要影響。

  一、系統建模和系統模擬

  系統工程作為一門定量技術,可概括為系統建模、系統模擬、系統分析和系統優化 4個方面。系統建模是將一個實際系統的結構、輸入輸出關係和系統功能用數學模型加以描述。系統模擬是在電腦上對系統模型進行實驗和研究。系統模擬便於改變模型參數以獲得各種方案,以便選擇最優方案和設計最合理的系統。隨著系統工程應用領域的擴展,首先需要發展系統建模和系統模擬,這項工作需要融合多學科的知識和不同領域的專家通力合作。60年代提出的模糊子集合理論,70年代出現的大系統理論、隊決策理論和以前建立的運籌學、對策論、控制論、現代控制理論、資訊理論以及有關應用領域的學科都可為系統建模提供素材、方法和原理。

  1952年,J.廷伯赫提出了適用於靜態和平穩經濟結構的線性鎮定策略理論。1953年,A.塔斯庭首先採用自動控制理論的觀點來解決經濟問題。 1954年,A.W.菲利普斯又採用 PID(比例-積分-微分)控制原理來改善經濟政策的穩定性。50年代中期,H.A.西蒙等人研究了巨集觀經濟的最優控制問題。60年代,美國麻省理工學院教授J.W.福雷斯特應用控制理論和電腦模擬研究複雜系統時創立了系統動力學。它是一種適用於長期預測的建模和模擬方法,可用於對社會、經濟等複雜系統進行初步的研究。1965年,羅馬尼亞出版了《經濟控制論》一書。1978年,在第4屆國際控制論和系統大會上討論了控制論和社會的關係,提出了社會控制論。在經濟方面的主要建模方法已有投入產出模型計量經濟模型系統動力學模型經濟控制論模型等。由於人們對經濟規律的掌握還不很充分,經濟系統建模尚處在初級階段。70年代以來,人們試圖對世界範圍內的資源、生態環境和經濟發展模式等重大問題進行定量研究和預測,構造了大量模型。J.W.福雷斯特D.梅多斯分別在1971年和1972年提出著名的世界模型Ⅱ和世界模型Ⅲ。此後,不少國家的學者紛紛提出各種世界模型,諸如生存戰略模型、發展新景世界模型、重建新秩序世界模型、世界經濟模型、人類發展目標世界模型等。

  在社會、經濟、管理等有人參與的複雜系統中,人的行為受心理、經驗等因素偶然變化的影響,使系統有很大的不確定性。人的思維本身也具有模糊性,需要用模糊子集合描述。在現代社會中,人類活動範圍日益廣闊,制定完善策略所需知識和信息迅速增加,已經達到任何一個決策人或機構無法完全收集和處理的程度。信息和決策功能的分散化勢在必行。社會系統是迄今為止最複雜的系統。1972年,何毓琦祝開景把隊決策理論的研究範圍從靜態推廣到動態情況。隊決策理論可為大型分散控制(管理)系統的信息結構(即信息在處於不同層次和空間位置上的決策人之間的分配)和相應的控制(管理)策略提供設計的參考。對策論與決策論行為科學等結合起來在主從對策(又稱斯塔克爾貝格對策) 和激勵對策方面的研究,提供了一種適用於社會、經濟和管理系統的建模方法。這種建模方法反映了系統中的層次結構,可用於巨集觀控制政策的制定。對策論就理論框架而言,是研究社會系統的理想工具。但是,對策論把人的社會性、複雜性、心理和行為的不確定性大大簡化了。對策論目前的成就還不能處理社會系統的複雜性問題。對於社會系統,需要採用定性和定量相結合的系統研究方法(見系統學)。

  二、軟系統工程方法論

  70年代以來,人們開始重視對軟系統的系統工程方法論的研究。霍爾的系統工程方法論來源於硬系統。硬系統或稱良結構系統是指機理清楚,能用明確的數學模型描述的系統,如物理系統和工程系統。對於硬系統已有較好的定量研究方法,可以計算出系統行為和最優的結果。軟系統或稱不良結構系統是指機理不清,很難用明確的數學模型描述的系統,如社會系統和生物系統。軟系統的系統工程方法論一般處理較粗的信息,而且以定性為主。80年代,英國系統科學家P.B.切克蘭德提出了一套以學習、調查過程為主的軟系統工程方法論。常用軟系統工程方法有特爾斐法智暴想定情景法生活質量法層次分析法等。此外,模糊子集合理論對策論系統動力學和[[聚類分析]、相關分析等數理統計方法以及心理學和社會學中的不少方法都可借鑒使用。

  三、系統工程應用軟體

  70年代以來,電腦技術,特別是軟體工程的發展促進了系統工程的發展。人工智慧的發展,特別是專家系統決策支持系統的出現為系統工程的定性和定量研究方法提供了有力的工具。現在已出現許多高效率的系統工程演算法和軟體。例如,已有線性規劃非線性規劃動態規劃、排隊排序、庫存管理計劃協調技術關鍵路線法、計劃協調實時控制、系統建模、實時模擬、作戰模擬、決策支持系統、決策室等成套應用軟體和完整的系統作為商品出售。系統工程採用網路技術並配以大屏幕圖形顯示和實時控制系統,可以顯示全部或局部網路,還可以實時地用光筆修改,經電腦網路把修改過的網路計劃傳送給各個執行單位。這種系統是上級部門進行決策和指揮協調的有力工具。

  四、系統科學體系的形成

  70年代以來,一批數學家、物理學家、化學家、生物學家和電腦科學家從不同的側面研究系統的演化規律,取得了豐碩的成果。其中較有代表性的是70年代初聯邦德國理論物理學家H.哈肯創立的協同學,1969年比利時統計物理學家I.普里戈金創立的耗散結構理論和1971年聯邦德國生物物理學家M.艾根提出的超迴圈理論。這些理論和早在30年代由貝塔朗菲(L.von)創立的一般系統論以及60年代由法國數學家R.托姆建立的突變論一起為系統學的建立提供了初步基礎。

  1979年,中國科學家錢學森提出建立系統科學體系的完整思想。他認為系統科學是以系統為研究和應用對象的一個科學技術部門。如同自然科學和社會科學一樣,它是由三個層次組成的,即:

  ①系統工程,它是系統科學的下層技術層次,是用系統思想直接改造客觀世界的技術;

  ②系統科學的技術科學層次,包括運籌學、控制論、資訊理論等;

  ③系統學,是系統科學的基礎科學。系統學是研究系統一般演化規律的學科,目前尚處於形成階段。系統科學與哲學之間的橋梁則稱為系統論或系統觀,它為發展和深化馬克思主義唯物辯證法提供素材。系統科學體系的形成標志著系統工程已經逐步成熟。

系統工程過程[1]

  系統開發過程也是對系統的認識不斷深化的過程。人們不可能一開始就對系統所涉及的專業技術,各部分之間的信息、能量、物質溝通關係有清晰的認識,所以必須遵循分析-實踐-再分析-再實踐的反覆認識過程。這裡的實踐常常是指對分析結論的驗證試驗。開發過程中分析、綜合的思維過程和系統工程活動如下圖所示,常稱為系統工程過程(SEP)。

  Image:系统工程过程.jpg

  系統工程過程是一個自頂層開始,依次反覆應用於開發全過程的、規範化的問題解決過程,它把要求逐步轉化為系統規範和一個相應的體繫結構。

  1.在系統研製過程中始終要保持對要求的跟蹤。系統工程過程的第一步是任務分析。任務分析活動是要澄清和確認用戶的需求和工作的目標,明確限制條件,然後依此提出對系統的功能和性能要求。

  通過任務分析得到的共識是後續成功的功能和物理設計的基礎。

  2.經過任務分析得到的系統級功能和性能,通過功能分析和分配活動進一步分解成為低層次功能。結果得到的是對一個系統功能的全面描述,即系統的功能結構。這個功能結構不僅描述了必須具有的全部功能,還反映了各種功能和性能要求之間的邏輯關係。

  3.設計綜合或稱系統設計,是按照從功能分析與分配過程中得到的系統功能和性能描述,在綜合考慮各種相關工程技術的基礎上發揮工程創造力,研製出一個能夠滿足要求的、優化的系統物理結構。

  4.驗證活動的目的是確認所設計的各個層次的系統物理結構滿足系統要求,保證能夠在預定的性能指標下實現所要求的功能。

  驗證方法包括分析(建模和模擬)、演示驗證和試驗。

  系統工程過程的每一個步驟都可以是一個迴圈過程,對前一個步驟進行重新訪問。系統工程過程的輸出是一套明確定義系統設計、研製和試驗的文件。

系統工程的案例分析[2]

  鐵道部《改善鐵路內部經濟管理機制的研究》課題研究,在研究中,發現鐵路多種經營企業存在選擇生產方案不合理的問題,影響到企業的利潤下降,採用系統工程方法中的線性規劃法對以上問題進行定量分析,解決如何進行生產管理中的優化問題,為決策者尋求最優決策方案提供科學依據。

  例如:經市場調查研究,鐵路下屬一工廠決定生產A、B兩種產品,它們的生產條件、經濟指標見表1所示,求工廠取得最大利潤的生產方案。

  Image:产品资源需求和利润.jpg

  1.建立數學模型。設該工廠生產A、B兩種產品的計劃產量分別為X1X2件,它們必須滿足約束條件:鋼材的限制情況X_1+X_2\ge 300;人力的限制情況為:2X_1+X_2\ge 400;預測市場銷售限制情況X_2\ge 250;X1X2必須為非負。其目標函數式可表達為:maxZ = 50X1 + 100X2。經整理上述的線性規劃問題可建立如下的數學模型:

  目標函數  maxZ = 50X1 + 100X2

  約束條件\begin{cases} X_1+X_2\le 300 \\ 2X_1+X_2\le 400 \\ X_2\le 250 \\ X_1\ge 0,X_2\ge 0\end{cases}

  2.用單純性求解。將上述模型變形為標準形式:

  目標函數maxZ = 50X1 + 100X2 + 0X3 + 0X4 + 0X5

\begin{cases} X_1+X_2+X_3=300 \\ 2X_1+X_2+X_4=40 \\ X_1+X_2=250 \\X_j\le 0 (j=1,2,3,4,5) \\ X_3,X_4,X_5\end{cases}

約束條件

為鬆弛變數

  3.建立初始單純性表,如下表所示,進行迭代,求得最優解。

  Image:单纯性表.jpg

  解單純形表的步驟:先計算初始表的檢驗數Cj = CjCbaj並找出關鍵列(↑)。關鍵列應找檢驗數行絕對值最大的值數。從本例初始表中看出,X2是關鍵列,X2應調入到Xb欄(基本變數欄)的變數。再找出關鍵行(←)。關鍵行由常數項列與關鍵列數值的最小比值(Q)決定,見表右端。關鍵行上的變數就是調出的變數。從初始表中看出X5是應調出的變數。經迭代,在極大化問題中,當檢驗數行的數值均為零或正值;在極小化問題中,當檢驗數行的數值均為零或負值,表明最優解已找到,本案例是經過二次迭代之後找到最優解的。

  4.結論

  通過以上分析得最優解為:X1 = 50,X2 = 250,最優目標函 數值Z=27500(元)。

參考文獻

  1. 郭寶柱.再談系統工程方法.航天工業管理.2007年05期
  2. 傅莉萍;.系統工程方法在企業管理中應用的探討.商場現代化.2006年29期
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評論(共2條)

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210.32.3.* 在 2013年12月8日 16:44 發表

hahao

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175.167.138.* 在 2015年11月5日 12:09 發表

210.32.3.* 在 2013年12月8日 16:44 發表

hahao

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