系统工程

第1章 系统与系统工程概述 1.1.1 系统的定义及属性 1．系统的定义 1.1 系统概述 “系统”是系统理论、系统工程和整个系统科学的基本研究对象。从自然界到人类社会存在着各种各样的系统，如生物系统、经济系统、管理信息系统、水力发电系统、机械传动系统等。“系统”已成为人们熟悉并广泛应用的词汇。各种系统的组成与功能虽然完全不同，但若抛开它们的具体物质组成、运动形态和功能，从整体和部分间的关系与作用来看，则又存在着普遍的共性，而这些共性构成了一般系统论的研究基点。 1967年，日本JIS 工业标准中对系统的定义是：许多组成要素保持有机的秩序，向同一目的行动的东西。1968年，一般系统论的奠基者L．V.贝塔朗费给系统作m明确定义：相互作用的诸要素的综合体。1972年，美国著名学者阿柯夫(R．L．Ackoff)认为：系统是由两个或两个以上相互联系的任何种类的要素所构成的集合。我国著名科学家钱学森院士在回顾研制“两弹一星”的工作历程时说：“我们把极其复杂的研制对象称为‘系统’，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体，而且这个‘系统’本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。” 上述走义虽有不同，但均从不同角度描述了系统的共性。在此，本书引用汪应洛院士在《系统工程》一书中给出的定义：系统是由两个以上有机联系、相互作用的要素所组成的，是具有特定功能、结构和环境的整体。该定义有四个要点： (1)系统及其要素。系统是由两个以上要素组成的整体，构成这个整体的各个要素可以是单个事物（元素），也可以是一群事物组成的分系统或子系统等。系统与其构成要素是相对的概念，取决于所研究的具体对象及其范围。图1-1为制造系统的构成要素，由生产者、生产方法、物料、机器及工具、生产环境组成。 图1-1 制造系统的构成要素 (2)系统和环境。任一系统又是它所从属的一个更大系统（环境或超系统）的组成部分，并与其相互作用，保持较为密切的输入输出关系。系统连同其环境（或超系统）一起形成系统总体。系统与环境也是两个相对的概念。 (3)系统的结构。在构成系统的诸要素之间存在着一定的有机联系，这样在系统的内部形成一定的结构和秩序。结构，即组成系统的诸要素之间相互联系的方式。 图1-2为一个制造系统的层级式组织结构。 图1-2 制造系统的层级式组织结构 (4)系统的目的和功能。任何系统都应有其存在的作用与价值，有其运作的具体目的，也即有其特定的功能。图1-3为制造系统的功能构成。以实现产品设计与制造功能为主线，制造系统具有产品开发、工艺规划、制造、库存、装配、包装、发货、运输、售后服务和回收利用功能。以实现对企业进行经营管理功能为主线，制造系统主要执行计划管理、生产控制、财务管理、销售管理、后勤管理、质量管理等功能。 图1-3 制造系统的功能构成 2．系统的属性 基于上述定义，系统具有如下重要属性。 1)整体性 系统的整体性又称为系统的总体性、全局性，是系统*基本、*核心的属性。整体性是指系统中具有独立功能的要素围绕系统的整体目标相互联系、相互作用，从逻辑上统一和协调为系统的整体行为。其整体功能不等于各个要素的功能之和，而是具有不同于各组成要素的新功能。在一个系统整体中，即使每个要素都不是*优，但通过协调、综合可以成为具有良好功能的整体系统；反之，即使每个要素都达到了*优，但组成整体的各要素无法协调运行，也就不能构成功能良好的整体系统。因此，系统整体性要求我们不能离开整体去考虑系统的构成要素及其联系，必须在实现系统目标的前提下，使系统的总体结合效果*佳。 2)相关性 系统的相关性是指系统各要素之间、系统与要素之间、系统与环境之间是相互联系、相互作用的。系统的相关性构成了系统结构问题的基础。以人体系统为例，每一个器官或小系统都不能离开人体这个整体而存在，各个器官或小系统的功能与行为影响着人体整体的功能和行为，而且它们的影响都不是单独的，而是在与其他要素的相互关联中影响整体。如果不存在相关性，众多要素就如同一盘散沙，只是一个集合，而不是一个系统。例如，计算机CPU，只有茌主板等其他元件的协同下，才能发挥其计算的功能。因此，相关性是分析系统和改进系统必须考虑的重要问题。 3)环境适应性 任何系统都存在于一定的环境中，并与环境之间产生物质、能量和信息的交换。环境的变化必定对系统及其要素产生影响，从而引起系统及其要素的变化。系统要获得生存与发展，必须适应外部环境的变化，这就是系统的环境适应性。系统这种白动调节白身结构、活动以适应环境变化的特性，又称为系统的白组织性。 系统的环境适应性提示我们，研究系统时必须注重系统的环境，只有在一定的环境中考察系统，才能明晰系统的全貌；只有立足于一定的环境中去研究系统，才能有效地解决系统中的问题。例如，对于企业管理系统，必须针对企业当前所处的技术环境、经济环境、社会环境进行系统分析才能对系统进行有效的改善。 系统的环境适应性除了系统要适应环境的变化外，还包括系统对环境的改变作用。因此，系统的构造和运行必须考虑其对环境的影响，使系统和环境均维持良好的状态，才能实现二者的可持续发展。例如，绿色制造系统就是考虑系统对环境的影响，尽量使制造过程的资源消耗和废弃物减少。 4)目的性 系统的目的性是指系统整体的特定功能，它提供了设计、建造或改造系鲩的目标与依据，反映了系统整体行为的方向性。一个系统必须具有它作为一个整体所体现的目的与功能，才具有存在的意义。因此，明确系统的目的是设计、建造或改造系统的首要工作。需要指出的是，系统整体功能的目的不仅取决于现有状态，而且也依赖于系统未来的终极状态，并受其制约。例如，战争中交战双方的行为与决策不仅要考虑现有状态，而且更须服从“取胜”这个终极状态，“不争一城一地的得失，消灭敌人有生力量”的战略思想便是从目的性出发的范例。此外，一般系统大都是多目标系统，它们具有多层次的目标体系，因此要区分主要目标与次要目标。例如，企业的运行与决策不应只考虑经济利益这**目标，更要围绕可持续发展这个长远目标，追求股东、客户、员工、环境等多方利益的平衡与多目标优化，图1-4为制造系统的六角形决策目标框架，包括交货期更短( time)、质量更高(quality)、成本更低(cost)、服务更好(service)、柔性更高(flexiblity)，环境性更友好(environment)。 图1-4 制造系统的六角形决策日标 5)层次性 一个复杂系统通常包含许多层次，上下层次之间具有包含与被包含，或者是控制与被控制的关系。一个系统可以分解为若干子系统，子系统又可再分成更小的子系统直至要素，而每一个系统又往往隶属于一个更大的系统。例如，有机生命系统是按照严格的等级组织起来的，包括“生物细胞大细胞器官生理子系统个体群体生态系统”；行政系统包括“国务院省（白治区、直辖市） 市 县（旗） 乡镇（苏木）”；高校系统包括“大学学院 系 班级”。图1-5为一个企业管理系统的层次结构，可分为战略计划层、经营管理层、作业（业务）层。 图1-5 企业管理系统的层次结构 系统的层次性表明，研究分析一个系统应明确系统的等级及其内部结构，使系统具有合理的层次结构。 1.1.2 系统的分类 按照不同的标准，可以将千差万别的系统进行如下分类。 1．按自然属性分类 系统按自然属性可分为自然系统与人造系统。自然系统的构成要素是自然物和自然现象，如太阳系、海洋、气象、地质构造、原始森林。人造系统又称为社会系统，它的要素是人造的或其是在人的参与下形成的系统，它具有人为的目的性与组织性。人造系统（或人工系统、社会系统）按其研究对象，可以分为经济系统、教育系统、行政系统、医疗卫生系统、交通运输系统、科技系统、军事系统等。其中，经济系统又可以进一步细分为工业系统、农业系统、服务行业系统等。人造系统通常都具有经济活动，所以又常常称为社会经济系统。系统工程所研究的大多数系统是自然系统和人造系统的复合系统。这两类系统是相互依存、相互制约的。一方面，自然系统及其规律是人造系统的基础，影响和制约人造系统；另一方面，人造系统常常导致自然系统的破坏，造成各种公害，如环境污染、生物多样性破坏、温室效应、大气层空洞等。科学地处理两者之间的关系（如控制环境污染、保护生态环境）是当代系统工程的重要课题。 2.按物质属性分类 系统按其物质属性可分为实体系统和概念系统。实体系统是由各类物质实体组成的系统，如生物、建筑物、电子计算机、通信网络等；概念系统是由人的思维创造的，它由非物质的观念性东西（原理、概念、方法、程序等）所构成，如法律系统、信息系统、知识系统等。实体系统可以是自然系统，也可以是人造系统，而概念系统一定是人造系统。人们有时也将实体系统称为硬系统，而将概念系统称为软系统，如将一台机械传动装置称为硬系统，而将计算机控制程序称为软系统。 3．按运动属性分类 系统按其运动属性可分为静态系统和动态系统。所谓静态系统是指其状态参数不随时间显著改变的系统，没有输入与输出，如静止不动的机器设备、停工待料的生产线等。如果系统内部的结构参数随时间而改变，具有输入、输出及其转化过程，则称该系统为动态系统，如正在行驶的汽车、升放的服务系统、活的生命系统等均是动态系统。系统的静态与动态是相对划分的，严格地说，静态系统是难以找到的，但如果在我们所考察的时间范围内，系统受时间变化的影响很小，为研究问题方便起见，忽略系统内部结构与状态参数的改变，可将其近似地当做静态系统看待。 4．按系统与环境的关系分类 根据系统与环境的关系，系统可分为开放系统和封闭系统。当系统与外界环境之间存在着物质、能量、信息流动与交换时，则称系统为开放系统。如果系统与环境之间无明显的交互作用，则称系统为封闭系统。严格的封闭系统是难以找到的，但当上述的交互作用很弱，以至可以忽略时，则视系统为封闭系统。因此，封闭系统是开放系统的某种近似或简化，目的是便于分析研究。 开放系统又可分为开环系统和闭环系统，如果系统的输出能反过来影响系统的输入，则该系统具有反馈特性。能增强原输入作用的反馈称正反馈；而削弱原输入作用的反馈称负反馈。没有反馈的系统称为开环系统，而具有反馈特性的系统称为闭环系统，如图1-6所示。开放系统是动态的、“活的”系统，封闭系统是僵化的、“死的”系统。系统由封闭走向开放，就可以激发系统活力。 图1-6 开环与闭环系统 5．按系统的复杂性分类 我国著名科学家钱学森院士提出，按照系统结构的复杂程度可以将系统分为简单系统和复杂系统。复杂系统可分为大系统和巨系统，其中，根据系统规模、开放性和复杂性，巨系统又可分为一般复杂巨系统和特殊复杂巨系统。 1.1.3 系统的结构与功能 1．系统的结构 系统的结构是指系统内部各组成部分之间在空间、时间等方面的有机联系，包括相互作用的组织机构、方式和秩序。显然，系统不是要素的简单组合，要素间只有存在一定的相互关系（结构）才能构成系统。 各种系统的具体结构是大不一样的，许多系统的结构是很复杂的。从一般意义上说，系统的结构可以用以下式子表示为 (1-1) 其中，S表示系统( system)，E表示要素(elements)的集合，R表示建立在集合E上的各种关系( relations)的集合。 由式(1-1)可知，作为一个系统，必须包括要素的集合与关系的集合，两者缺一不可。只有把两者结合起来，才能决定一个系统的具体结构与特定功能。 要素集合E可以分为若干子集E，如一个企业，其要素