系统工程讲义教辅.docx

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系统工程讲义教辅

系统工程导论教辅

（针对1510考期）

德鲁克（项目本）教研组

2015年6月

第一章系统与系统工程2

1.1系统2

1.2管理系统4

1.3系统工程7

第一章系统分析9

2.1系统的环境分析9

2.2系统的目标分析10

2.3系统模型化和最优化12

第二章系统模型14

3.1系统模型概述14

3.2结构模型化技术17

3.3预测模型19

3.4优化模型简介19

3.5系统仿真模型19

第四章系统评价21

4.1系统评价概述21

4.2费用——效益分析法22

4.3关联矩阵法23

4.4层次分析法23

4.5模糊评价法24

第五章系统决策24

5.1系统决策简介24

5.2确定型问题和不确定型问题的决策25

5.3风险型问题的决策26

5.4非结构化问题的决策27

第六章系统工程应用案例（略）29

第一章系统与系统工程

1.1系统

1.系统可被定义为具有一定功能的、相互间具有有机联系的、由许多要素或构成部分组成的一个整体。

系统的概念包括下面五个要点：

（1）由两个或两个以上的元素组成

（2）各元素之间相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用

（3）各元素协同运作，使“系统”作为整体具有各组成元素单独存在时所没有的某种特定功能

（4）系统是运动和发展变化的，是动态的过程

（5）“系统”的运动具有明确的目标

由此可见，一台机器、一个部门、一项计划、一个研究项目、一种组织、一套制度都可看成一个系统。

2.一个形成系统的诸要素的集合体永远具有一定的特性，或者表现为一定的行为，而这些特性和行为是它的任何一个部分都不具备的。

一个系统是一个可以分成许多要素的整体，但从系统功能来看，它又是一个不可分割的整体。

如果硬把一个系统分割开来，那么它将失去其原有的性质

3.从系统的定义可以看出，所有系统都具有以下几个共同特征

（1）层次性

系统作为一个相互作用的诸要素的总体，可以分解为一系列子系统，并存在一定的层次结构。

层次性是系统最基本的特性之一，因为组成系统的每一要素都可看做总系统的一个一级子系统，一级子系统又可进一步细分为二级子系统等。

同时，系统本身又属于另一个更大系统的子系统，这就充分反映了系统所具有的层次性。

系统层次性是系统空间结构的特定形式，在系统层次结构中表述了在不同层次子系统之间的从属关系或相互作用的关系。

（2）整体性

系统是一个由两个或两个以上的可以相互区别的要素构成的整体，因而系统还必须具有整体性。

系统整体性说明，具有独立功能的系统要素以及要素间的相互关系（相关性、阶层性）根据逻辑统一性的要求，协调存在于系统整体之中。

也就是说，任何一个要素不能脱离整体去研究，要素间的联系和作用也不能脱离整体的协调去考虑。

系统不是各个要素的简单集合，否则它就不会具有作为整体的特定功能。

脱离了整体性，要素的机能和要素间的作用便失去了原有的意义，研究任何事物的单独部分不能使你得出有关整体性的结论。

系统的构成要素、要素的机能和要素的相互联系要服从系统整体的目的与功能，在整体功能的基础上展开各要素及其相互之间的活动，这种活动的总和形成了系统整体的有机行为。

在一个系统中，即使每个要素并不很完善，但它们也可以协调、综合成为具有良好功能的系统。

反之，即使每个要素都是良好的，但作为整体却不具备某种良好的功能，也就不能称之为完善的系统。

因此，系统不是各部分的简单组合，而要有统一性和整体性，要充分注意各组成部分或各层次的协调和连接，提高系统的有序性和整体的运行效果。

（3）集合性

集合就是把具有某种属性的一些对象看成一个完整的整体，从而形成一个集合，集合里的各个对象叫做集合的要素（子集）。

系统的集合性表明，系统是由两个或两个以上可以互相区别的要素组成的。

这些要素既可以是具体的物质，也可以是抽象的或非物质的软件、组织等。

如一个计算机系统，一般都是由计算器、存储器、输人与输出设备等硬件组成的，同时，还包含操作系统、程序设计、数据库等软件，从而形成一个完整的集合

（4）相关性

从系统的定义可以看出，系统内部的各个元素都必须相关，它们之间相互联系、相互影响、相互制约，所以说系统还具有相关性。

相关性说明这些要素之间相互联系的特定关系，以及这些关系之间的演变规律。

例如，城市是一个大系统，它由资源系统、市政系统、文化系统、教育系统、医疗卫生系统、商业系统、工业系统、交通运输系统、邮电通信系统等相互联系的部分组成，通过系统内各子系统相互协调的运转去完成城市生活和发展的特定目标

（5）目的性

系统本身就具有一定目的。

要达到既定的目的，系统必须具有一定功能，而这正是一个系统区别于另一个系统的主要标志，所以说系统具有目的性。

系统的目的一般用更具体的目标来体现，比较复杂的社会经济系统都具有不止一个目标，因此，需要用一套指标体系来描述系统的目标。

比如，衡量一个工业企业的经营实绩，不仅要考核它的产量、产值指标，而且要考核它的成本、利润和质量指标的完成情况。

在指标体系中各个指标之间有时是相互矛盾的，有时是相互消长的，为此，要从整体出发力求获得全局最优的经营效果，这就要求在矛盾的目标之间做好协调工作，寻求平衡或折中方.

（6）环境适应性

任何一个系统和该系统周边的环境之间通常都有物资、能量和信息的交换，外界环境的变化会引起系统特性的改变，相应地引起系统内各部分相互关系和功能的变化。

为了保持和恢复系统原有特性，系统必须具有适应环境的能力，不能适应环境变化的系统是没有持续生命力的。

只有经常与外界环境保持最优适应状态的系统，才能够保持不断发展的势头，使其最终生存下来。

以上是各类系统的共性。

那么，作为系统工程的研究对象，系统应该具备哪些特性呢？

由于系统工程研究系统的目的是认识系统、改造系统，使系统达到最优化，因此，作为系统工程研究的对象，系统还必须具有以下特性

（1）可控性

从系统工程分析系统的目的来看，它所研究的对象必须是一个人工系统（如企业、社会、城市、学校等）或者是一个经过改造的自然系统（如水利系统、国家森林公园等）。

人们必须能够认识它、改造它，否则就失去了意义

（2）动态性

系统工程所研究的系统必须是时刻变化着的。

它由许多分系统组成，系统的动态性使其具有生命周期。

开放系统与外界环境有物质、能量和信息的交换，系统内部结构也可以随时间变化。

一般来讲，系统的发展是一个有方向性的动态过程

（3）复杂性

系统工程研究的对象多属社会系统，这使得其所面临的对象具有比其他类型的系统更加复杂的关系，一方面是系统内部各要素之间的关系，另一方面是系统内部同系统外部之间的关系，这些关系常常具有不确定性和竞争性。

如企业系统，一方面它的内部各生产管理部门之间存在着相互制约、相互协调的复杂关系，另一方面它又必须适应社会环境和市场环境的瞬息万变，同其他同类企业竞争，互相争夺市场，又互相争夺原材料

（4）自律性

自律性应该是社会系统共有的一个特性，表现在系统的各组成部分都是围绕着一个共同的目标，以区别于彼此没有共同目标的一组元素，同时又彼此约束向着共同的目标前进，亦即系统约束自身的能力。

此外，社会系统的有序性，也是系统自律性的一种表现，由于系统的结构、功能和层次的动态演变有某种方向性

1.2管理系统

4.管理系统的特点

管理系统作为社会经济系统的基本组成单元，对社会的发展起到了关键作用。

管理系统除了具有一般系统的特征外，还有如下几个特点

（1）管理系统是一个具有多重反馈结构的社会系统

多重反馈结构是社会系统的一个最基本特征，管理系统作为最常见的社会系统，对这一多重反馈特性表现得更加突出。

特别是现代社会中，信息传递速度的迅速加快，各种因素交织影响、相互作用，系统内部或外部个别因素的变化会导致整个系统各个因素的变化，各个因素的变化将导致整个系统结构的变化，从而使得管理系统具有了多重反馈特性

（2）管理系统往往是一个非线性的系统

与大多数自然系统、工程系统相比，管理系统中变量之间的关系极为复杂，一方面其变量之间的关系呈现复杂的非线性关系，另一方面其变量之间的关系有时也难以描述。

例如，企业的投入与产出之间很难找到一种可以描述的变量关系。

这种非线性因素极大地限制了控制理论在经济管理系统中的应用范围,使得管理系统的分析与研究需要一种新的方法，系统工程便是解决这一问题的行之有效的科学方法。

（3）管理系统中各变量之间存在着长时滞

自然系统和工程系统中原因和结果之间的关系比较直接。

原因和结果之间即使存在延迟，其延迟时间亦很短，一般以微秒、毫秒或秒为计量单位。

然而，在管理系统中，变量之间的时间滞后却要长得多，通常以周、月甚至年来计算。

例如，收到订货单到发货的延迟以日计，气候对农作物产量的影响以月计，而出生人口到死亡人口的变化则长达数十年

（4）管理系统中原因和结果具有一定的分离性

管理系统中任意一种现象的产生都必定有其原因。

如果没有原因，也不会产生相应的结果。

这种原因和结果的联系在时间和空间上都是可以相脱离的。

例如，当今工业生产和交通中使用大量的煤和石油将会影响几十年以后的气候；中东的石油产量会严重影响世界经济的增长。

（5）管理系统具有明显的组织结构特性

管理与组织是密切相关的。

管理系统本身就需要一种组织结构。

管理系统的物质流动和信息流动，与系统的组织结构有密切的关系。

例如，一个工业企业是由一些车间和管理部门组成的，各部门之间按照一定的组织功能运转，同时各部门间进行着一定的物质和信息交换.

由于管理系统是非线性的，因此用传统的理论和方法来描述管理系统是困难的。

另外，由于管理系统中的多重反馈和长时滞，要想依靠直接经验来掌握和跟踪管理系统的发展和变化也非常困难。

系统工程根据管理系统的特点，为管理系统提供了一套解决问题的方法论，充分考虑了管理系统中人的因素，将定性分析与定量分析方法结合起来创造性地解决管理问题

5.现代工业企业的系统特征

从经营决策的角度来看，这个大系统表现出以下特征：

（1）工业企业系统是一个人一机系统

任何一个工业企业都是由组成劳动力的人和形成劳动手段的设备构成的.人是该系统的主体，在研究企业中的各类问题时，都要把人和工作联系起来作为一个不可分割的整体加以观察，而且始终要把如何发挥人的主观能动作用当做首要任务来完成。

（2）工业企业系统是一个可分系统

一个实际的工业企业，无论它的规模多么庞大，都是由若干个相互关联的工厂、车间、班组组成的。

换言之，工业企业系统是由相互关联的许多分系统组成的。

其相互关联的形式有两种：

一种为经营目标的关联，另一种为经营模型的关联

1）所谓经营目标的关联，即分系统与总系统之间或分系统与分系统之间在总任务、总利润或产品总技术经济指标等方面的相互关联。

这种关联比较容易分析和综合，同时也比较易于以目标函数和数学模型来描述

2）所谓经营模型的关联，即分系统与总系统或分系统与分系统之间在时间、空间、资源利用方面的关联，如生产流程的连续性、产品加工与分配的合理性、资源利用的经济性等。

这种关联比较难于分析与综合，也比较难于用目标函数和数学模型来描述

（3）工业企业是_个具有自适应能力的动态系统

一个具体的工业企业又是社会大系统中的一个分系统，社会需求的变化、资源的波动、科技的发展、相关企业的协作等都在随时随地影响企业的生产经营活动。

所以，工业企业应是一个具有自适应能力的动态系统。

这就要求对企业生产经营活动进行闭环管理和有效控制，注重信息反馈，以保持企业外部环境、内部条件和经营目标三者之间的动态平衡。

工业企业的动态特征使得工业企业的管理问题处理起来更加复杂。

它必须满足市场环境及科技发展变化的要求，以使自身能够生存下来并得以发展壮大

（4）工业企业是一个投入产出系统

工业企业生产的基本含义就是把生产要素转换为社会财富，从而产生效益的过程。

企业生产经营管理就是对企业投人、转换、产出全过程的筹划与管理

（5）工业企业是一个开放系统

企业的生存和发展与企业所处的环境息息相关，其生产经营活动要能主动适应外部环境的变化，特别应注意在市场化与国际化的进程中培育自己的核心竞争能力.

以上五项特性，从客观上要求现代工业企业的经营决策观念应具备目标性、整体性和适应性。

而目标性、整体性和适应性又均融于企业的全面计划管理、全面质量管理、全面经济核算和全面人员培训之中。

现代工业企业自身的特性及管理科学的发展使得人们的管理观念发生了变化’按照目前的分析，其总的趋向是：

（1）经营观念上的外向化与主动化。

所谓外向化，是指经营的未来趋向越来越重视对企业外部环境的研究，如经济预测、技术预测、需求预测等。

而主动化则为企业必须主动地创新与发掘社会需要

（2）企业价值的社会化。

即企业从事决策的价值观念应将社会的使用成本与社会的使用效益都包括在内，而不仅从本企业的利益出发

（3）管理观念的系统化。

企业本身是一个大系统，同时，又可将其看做社会大系统的一个分系统。

因此，在企业的决策上，如整体规划、管理信息以及系统分析等，都应与社会的大系统综合起来考虑，以寻求整体效益的最优化

（4）决策原理的通用化。

决策问题是各行各业都面临的一个共同问题，一种新的决策观念及决策方法的产生实际上应该带有一定的普遍意义。

从这个角度来说，决策观念及决策方法的应用应该有其共同之处

（5）决策方法的数量化。

决策方法的数量化是现代决策技术最基本的特征。

数学理论、运筹学和计算机技术的高速发展，使得管理问题的定量化描述及演算成为可能，定量和定性方法的有效结合也是系统工程所具有的特色之一

6.企业的系统模型

企业系统是一个承受扰动作用，具有输入、处理、输出三个环节，并通过反馈措施不断改善自身品质的“自适应”体系。

在应用模型分析研究工业企业的实际问题时，应注意以下几点：

（1）环境与界限

（2）投入性质

（3）流量与流向

（4）转换过程

（5）产出的形式

1.3系统工程

7.系统工程的三维结构分析

三维结构分析是A.D.霍尔提出的系统工程处理问题的基本框架结构，它由时间维、逻辑维和知识维构成：

（1）时间维

时间维反映系统实现的过程，它将系统从规划到使用、更新的全过程按时间分为7个阶段，即：

1）规划阶段。

主要按照设计要求提出系统目标，制定规划和政策

2）拟定阶段。

完成的任务是提出具体的方案，进行系统的初步设计

3）分析阶段。

对所设计的方案进行分析、比较

4）运筹阶段。

方案的综合选优，确定最优实施方案

5）实施阶段。

系统的设计、安装和调试等

6）运行阶段。

按照系统预定的用途工作

7）运行阶段。

按系统要求实施，取消旧系统，代之以新系统，对系统进行改进

（2）逻辑维

逻辑维表示系统工程方法思考问题和解决问题的思维步骤与基本过程。

其有7个步骤：

1）明确问题。

了解问题所处的环境，收集有关数据和资料，主要目的是弄清问题

2）设计系统指标。

确定所要解决问题的目标和相应的评价准则

3）系统方案综合。

为实现预期目标，拟订所需采取的策略和应选择的方案

4）系统分析。

深入了解所提出的政策措施和解决方法，分析这些措施、方法在实施中的预期效果

5）系统优化。

用数学规划等定量的优化方法判别各种方案的优劣，以进行方案选择

6）决策。

以指标体系为评价准则，在考虑决策者的偏好等问题的基础上，选择最优方案

7）实施。

按决策结果制订实施方案和计划。

（3）知识维

知识维是指各工作步骤所需的各门专业知识。

由于系统工程是综合性的交叉学科，在上述各阶段中，执行任何一步都会涉及多种专业技术，如社会科学、工程技术、法律、商业、医药和艺术等。

三维结构分析形象地描述了系统工程研究的框架。

对其中任何一个阶段和每一个步骤，又可进一步展开，形成了分层次的树状体系，几乎覆盖了系统工程理论方法的各个方面。

8.系统工程的软科学性

软科学作为综合解决问题的方法有以下特点：

（1）所要处理的对象没有限制，但以人和社会问题为主，且将对象作为系统对待的意识较强

（2）所要处理的问题多数是带有政策性的，同时多数带有探讨未来的性质，所以十分关心未来的不定因素

（3）所要处理的问题包括了大量事实上不明确的东西，因此在分析中不仅要重视客观上可量化的问题，而且还要了解直观性和含混不清之处

（4）从发现问题到最后实施解决方案期间，多数情况下要充分利用模型。

但是，所关心的不是“是否精确”，而是该模型是否与目标相符，是否有用

（5）软科学所处理的问题跨学科的性质很强。

为了解决问题，应积极利用现有社会科学与自然科学的成果，而且要求有关专家在广泛的领域内进行合作

鉴于软科学的上述特征，它不仅适宜于决策重大政策性课题，对于技术预测、需求预测，制定长期远景规划以及进行非结构化问题的决策方面，也有实际意义。

9.系统工程的方法论

（1）阐明问题

1）问题的性质的范围

2）问题的目标

3）环境和条件

4）评价指标

5）收集和分析资料

（2）谋划备选方案

1）方案的提出

2）方案的筛选

（3）预测未来环境

1）确定预测内容

2）准备数据资料

3）确定预测方法，建立数学模型

4）计算预测值，分析预测误差

（4）建模和预计后果

（5）评比备选方案

第一章系统分析

2.1系统的环境分析

10.从系统分析的角度来看，对系统环境的分析有以下实际意义：

（1）环境是提出系统工程课题的来源。

这说明一旦环境发生某种变化，如某种材料、能源出现短缺，或者出现了新材料、新能源，为了适应环境的变化，就会引出系统工程的新课题

（2）系统边界的确定要考虑环境因素。

这说明在系统边界的确定过程中，要根据具体的系统要求划分系统边界，如有无外协要求或者技术引进问题

（3）系统分析与决策的资料取决于环境。

这是至关重要的，因为系统分析和决策所需的各种资料，如市场动态资料、其他企业的新产品发展情况，对于一个企业编制产品开发计划起着重要的作用，其相关资料都必须依赖环境而提供

（4）系统的外部约束通常来自环境。

这是环境对系统发展目标的限制

（5）系统分析的好坏最终需要系统环境的检验与评价。

从系统分析的结果实施过程来看，环境分析的正确与否将直接影响到系统方案实施的效果，只有充分把握未来环境的系统分析才能取得良好的结果。

这说明环境是系统分析质量好坏的评判基础

11.环境因素的分析

从系统的观点看，环境可划分为物理和技术环境、经济和经营管理环境以及社会环境三大类。

（1）物理和技术环境

物理和技术环境是系统得以存在的基础,它是由事物的属性产生的联系而构成的因素和处理问题中的方法性因素，主要包括：

1）现存系统。

现存系统的现状和有关知识对于系统分析是必不可少的，因为任何一个新系统的分析与设计都必须与现存系统结合起来

2）技术标准。

技术标准之所以成为物理和技术环境因素，是因为它对系统分析和系统设计具有客观约束性质

3）科技发展因素估量。

科技发展因素的估量分析对于系统的分析与设计是至关重要的。

只有在对现有科技的发展充分了解的基础上才能使设计的系统发挥较高的效率，才能避免使设计的新系统在投产前就巳过时

4）自然环境。

与自然环境之间保持正确的适应关系是任何系统分析得以成功的基础，从某种意义上说，人类的全部创造都是在利用和征服自然环境的条件下取得的

（2）经济和经营管理环境

1）宏观经济环境。

宏观经济环境是任何管理系统分析的基础，经济的增长与萧条对于系统的开发与运行有着直接的影响，系统的效益在很大程度上受到宏观经济水平的影响

2）政策。

政策对于系统的开发起到指导性的作用，它是一种最为重要的经济和经营管理环境。

在某种意义上是政策指出了企业的经营发展方向，政策影响着企业追求目标上的判断

3）外部组织结构。

外部组织结构与所设计系统的未来行为总会发生直接或间接的关系，它包括同类企业、供应企业、用户_、协作单位、上级组织等

4）经营活动。

经营活动通常指与商品生产、市场销售、原材料采购和资金流通等有关的全部活动，它的目的是获取最大的经营效果，不断促进企业发展壮大

5）产品系统及其价格结构。

产品系统反映了社会的总需求及其供给情况，产品价格结构取决于国家的政策和市场供求关系，即经济和经营环境是确定产品系统及其价格结构的出发点

（3）社会环境

社会环境是系统得以生存的基本依据，主要包括把社会作为一个整体考虑的大范围的社会因素和把人作为个体考虑的小范围的作用因素

1）大范围的社会因素。

大范围的社会因素主要考虑人口潜能和城市形式两个方面的因素

2）人（个体）的因素。

在系统分析中，人的因素主要考虑两个方面：

一个方面是人对需求的反应而作用于创造过程和思维过程的因素，另一方面是人或人的特性在系统开发、设计、运用中应予以考虑的因素

2.2系统的目标分析

12.系统目标的定义：

系统目标指的是系统发展要获得的结果。

一般来说，系统目标决定了系统的发展方向，它对系统的发展起到决定性的作用。

系统目标一旦确定，系统将朝着系统目标规定的方向发展。

13.在系统分析中，系统的目的、目标、属性有不同的含义。

下面分别加以说明：

1）目的

目的是指通过努力系统达到某一水平的标志。

例如，我国政府确定的到2050年使我国的整体发展水平达到中等发达国家的标准就是一个最根本的目的

2）目标

目标是指系统实现目的过程中的努力方向。

例如，建设某一项目，建设过程中要求它投资要省，建设速度要快，建成后的经济效益要好，对环境破坏要小等，这些都属于系统的目标。

当然，在实际问题中，多目标之间往往是矛盾的、冲突的。

例如，对于上面所说的工程项目，当压缩投资后，就可能因资金不足而采用较落后的设备和工艺，从而使建成后的效益变差

3）属性

属性是指对目标的度量。

例如，衡量投资、成本、利润等用“万元”，衡量寿命、建设周期等用“年”。

但是在分析处理目标的属性时，会遇到一个困难，就是有的因素难以度量，如产品的外观、人们对某一政策的承受能力等。

然而，在进行系统的分析时一般要求量化，那么如何去度量这些因素呢？

有两种方法。

一种方法是采用间接的方法或代用指标，尽量做出客观的度量和评判。

例如，利用婴儿出生死亡率来反映某一地区的医疗状况水平。

另一种方法是用“满意度”的概念或者应用模糊集合论的方法将其量化

14.总目标分解的主要原则是：

1）按目标的性质将目标子集进行分类，把同一类目标划分在同一目标子集内

2）目标的分解要考虑系统管理的必要性和管理能力

3）要考虑目标的可度量性

15.系统目标分析的目的和作用

目的：

系统目标是系统分析与系统设计的出发点，是系统目的的具体化

作用：

系统目标分析的作用就是经过分析和论证，说明总目标建立的合理性，确定系统建立的社会价值。

这样可防止系统建立时的盲目性，避免可能出现的各种损失和浪费，提高系统开发的效率

16.系统目标分析中的要求

为了使制定的目标合理，在目标的制定和分析过程中应该满足以下几个方面的要求：

1）制定的目标应当是稳妥的。

制定的目标要符合实际，是可以实现的，这可以用系统方案的可行性来加以判断

2）要考虑目标可能起到的各种作用。

一般来说，一个系统方案能够起到的作用是多方面的，但是制定目标时人们往往只注意到其中某一方面，而忽略了其他作用，这一点在目标分析时应当特别注意。

这就要求在对实现目标的方案进行分析时，既要看到其积极的一面，又要注意其消极的一面。

例如，化工企业和制药厂的建立往往会导致环境的恶化，这是必须考虑的问题