系统工程

历史

它产生第二次世界大战以后。为适应社会化大生产和复杂的科学技术体系的需要．逐步把自然科学与社会科学中的某些理论和策略、方法联系起来．应用现代数学和电子计算机等工具．解决复杂系统的组织、管理相控制问题，以达到最优设计、最优控制和最优管理的目标。系统工程是一门高度综合性的管理工程技术，涉及自然科学棚社会科学的多门学科。构成系统工程的基本要素是：人、物、财、目标、机器设备、信息等六大因素。各个因素之间是互相联系、互相制约的关系。系统工程大体上可分为系统开发、系统制造和系统运用三个阶段，每个阶段又可划分为若干小阶段或步骤。系统工程的基该方法是：系统分析、系统设计相系统的综合评价。具体地说，就是用数学模型和逻辑模型来描述系统，通过模拟反映系统的运行、求得系统的最优组合方案和最优的运行方案。70年代以来，系统工程已广泛地应用于交通运输、通讯、企业生产经营等部门，在体育领域亦有应用价值和广阔的前景。它的基本特点是：把研究对象作为整体看待，要求对任一对象的研究都必须从它的组成、结构、功能、相互联系方式、历史的发展和外部环境等方面进行综合的考察．做到分析与综合的统一。最常用的系统工程方法，是系统工程创始人之一霍尔创立的，称为三维结构图：1.时间维。对一个具体工程，从规划起一直到更新为止．全部程序可分为规划、拟定方案、研制、生产、安装、运转和更新七个阶段。2.逻辑维。对一个大型项目可分为明确目的、指标设计、系统方案组合、系统分析、最优化、作出决定和制定方案七个步骤。3.知识维。系统工程需使用各种专业知识，霍尔把这些知识分成工程、医药、建筑、商业、法津、管理、社会科学和艺术等，把这些专业知识称为知识维。^[1]

系统工程(Systems Engineering)是系统科学的一个分支，实际是系统科学的实际应用。可以用于一切有大系统的方面，包括人类社会、生态环境、自然现象、组织管理等，如环境污染、人口增长、交通事故、军备竞赛、化工过程、信息网络等。系统工程是以大型复杂系统为研究对象，按一定目的进行 设计、开发、管理与控制，以期达到总体效果最优的理论与方法。系统工程是一门工程技术，但是，系统工程又是一类包括了许多类工程技术的一大工程技术门类，涉及范围很广，不仅要用到数、理、化、生物等自然科学，还要用到社会学、心理学、经济学、医学等与人的思想、行为、能力等有关的学科。系统工程所需要的基础理论包括，运筹学、控制论、信息论、管理科学等。20世纪80-90年代，中国科学与哲学界翻译出版了系列国外系统科学、系统哲学与系统工程名著，举办了系列科学学、科学史与经济系统管理等学术探讨，从1983年到1993年在生物物理学和心理生物学等领域的系统论探讨中产生了系统生物工程等概念与原理等。90年代以来，系统工程在与企业发展结合、与现代信息技术结合、与实施可持续发展战略结合、与思维科学结合等方面已具有初步结果和强劲势头。

系统工程的应用领域十分广阔。主要有：

①工程系统：研究大型工程项目的规划、设计、制造和运行。

②社会系统：研究整个国家和社会系统的有关问题，如人口系统等。

③经济系统：研究宏观经济发展战略、经济目标体系、宏观经济政策、投入产出分析等。

④农业系统：研究农业发展战略、农业结构、农业综合规划等。

⑤企业系统：研究工业结构、市场预测、新产品开发、生产管理系统、全面质量管理等。　

⑥科学技术管理系统：研究科学技术发展战略、预测、规划和评价等。

⑦军事系统：研究国防总体战略、作战模拟、情报通讯指挥系统、参谋指挥系统和后勤保障系统等。

⑧环境生态系统：研究环境系统和生态系统的规划、建设、治理等。

⑨人才开发系统：研究人才需求预测、人才结构分布、教育规划、智力投资等。

⑩运输系统：研究铁路、公路、航运、空运等的运输规划、调度系统、运输效益分析、城市交通网络优化模型等。

(11)能源系统：研究能源合理结构、能源需求预测、能源发展战略等。

(12)区域规划系统：研究区域人口、经济协调发展规划、区域资源最优利用、区域经济结构等。此外，还有信息系统、水资源系统等。 

步骤和方法 

系统工程的步骤和方法因处理对象不同而异。对一般步骤和方法的研究比较有影响的是美国贝尔电话公司系统工程师A·D·Hall于1969年提出的三维空间法：(一)时间维。表示工程活动从规划到更新阶段按时间顺序安排的7个阶段，即规划阶段;拟定计划方案阶段;研制阶段(并制订生产计划);生产阶段(生产系统零件、提出安装计划);安装阶段;运动阶段;更新阶段。(二)逻辑维。指完成上述7个阶段工作的思维程序。包括：明确问题，即搜集本阶段资料，提供目标依据;系统指标设计，即提出目标的评价标准;系统综合，即设计出所有待选方案或对整个系统进行综合;系统分析，即运用模型比较方案，进行说明;实行优化，即从可行方案中选优;进行决策;实施计划。(三)知识维。完成各步工作需要的各种知识、技能。^[2]

 这一方法，在逻辑上，把运用系统工程解决问题的整个过程分成问题阐述、目标选择、系统综合、系统分析、最优化、决策和实施计划七个环环紧扣的步骤;在时间上，把系统工程的全部进程分为规划、设计、研制、生产、安装、运行和更新七个依次循进的阶段;在专业知识上，运用系统工程除需要某些共性知识外，还需要使用各科专业知识，如工程、医药、建筑、商业、法律、管理、社会科学和艺术等等。与此同时，在系统工程发展中还确立了一系列系统技术方法。主要有：模拟技术、最优化技术、评价技术和计算机技术。 ^[3]

三维结构图法：一、逻辑维(解决问题的逻辑过程)。在使用系统工程方法解决问题时，可按下述七个步骤进行;(一)提出问题;(二)选择目标;(三)系统综合;(四)系统分析;(五)选择解决问题的最佳方案;(六)决策;(七)实施计划。二、时间维(工作阶段)。对一个具体工程，从规划到更新，全部程序分为：(一)规划制定阶段，指调研、程序设计等;(二)初步设计阶段，即具体计划阶段;(三)研制阶段，即系统开发阶段;(四)生产阶段;(五)安装阶段;(六)运行阶段;(七)更新阶段。三、知识维(专业学科知识)。系统工程除有某些共性知识外，还涉及各种专业知识，这些专业知识称为知识维。

系统工程的基本方法是：系统分析、系统设计与系统的综合评价（性能、费用和时间等）。系统工程的应用日趋广泛 ，至20世纪70年代已发展成许多分支，如经营管理系统工程、后勤系统工程、行政系统工程、科研系统工程、环境系统工程、军事系统工程等。

用定量和定性相结合的系统思想和方法处理大型复杂系统的问题，无论是系统的设计或组织建立，还是系统的经营管理，都可以统一的看成是一类工程实践，统称为系统工程。^[4]

系统工程方法的主要特点是：一、把研究对象作为一个整体来分析，分析总体中各个部分之间的相互联系和相互制约关系，使总体中的各个部分相互协调配合，服从整体优化要求;在分析局部问题时，是从整体协调的需要出发，选择优化方案，综合评价系统的效果;二、综合运用各种科学管理的技术和方法，定性分析和定量分析相结合;三、对系统的外部环境和变化规律进行分析，分析它们对系统的影响，使系统适应外部环境的变化。^[4]

 从系统观念出发，以最优化方法求得系统整体的最优的综合化的组织、管理、技术和方法的总称。钱学森教授在1978年指出：“‘系统工程’是组织管理‘系统’的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有‘系统’都具有普遍意义的科学方法。”(《论系统工程》，1982年)^[2]

系统工程尽管经历了半个多世纪的发展，但它仍然是一门年轻的科学，还在不断地发展中。它的普遍适用

性吸引了许多原来从事不同学科的学者来研究它，并做出了各自的贡献，于是，系统工程出现了不同的流派。其中主要的流派有两个：管理流派和自动化流派。

系统工程的主要任务是根据总体协调的需要 ，把自然科学和社会科学中的基础思想、理论、策略和方法等从横的方面联系起来，应用现代数学和电子计算机等工具 ，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等功能进行分析研究，借以达到最优化设计，最优控制和最优管理的目标。

系统工程的研究对象是复杂的大系统。系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分或要素结合成的、具有特定功能的有机整体。系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。系统的组成部分称为该系统的子系统。

系统的复杂性主要体现在：

①构成系统的要素本身就是一个系统，从而体现了系统的多层次；

②系统涉及的因素是多维的；

③系统是由不同质的要素集合而成的；

④系统可以是包含人在内的人机系统。如阿波罗工程这个大系统是由确定登月方案，四项辅助计划，研制“土星”号运载火箭，试验飞行，研制“阿波罗”号飞船，实现载人飞行这6个子系统组成,其目的是把人送上月球。它们之间既有着相互支持的关系，又有着相互制约的关系。例如，为了增加飞船的可靠性而采用的冗余技术，势必增加飞船重量，因而需要增加火箭的推力。所以飞船重量受到火箭推力的制约。

系统工程与一般工程技术的区别是：系统工程不仅研究物质系统，也研究非物质系统，如教育、文化、新闻宣传等系统，应用广泛;而一般工程技术以具体的物质系统为对象。系统工程从全局、整体上处理系统。要以系统论、控制论、信息论为理论基础，又必须具备每一类系统工程的专业理论;而一般工程技术主要处理具体技术门类，以专业理论为主。系统工程工作者是系统工程师，是决策人的委托人、参谋、助手，为社会服务;而一般工程师是专门技术人员。二者有不同的业务素质要求。 ^[2]

系统工程大致可分为系统开发、系统制造和系统运用等3个阶段，而每一个阶段又可分为若干小的阶段或步骤。

1．系统工程研究问题一般采用先决定整体框架，后进入详细设计的程序，一般是先进行系统的逻辑思维过程总体设计，然后进行各子系统或具体问题的研究。

2．系统工程方法是以系统整体功能最佳为目标，通过对系统的综合、系统分析构造系统模型来调整改善系统的结构，使之达到整体最优化。

3．系统工程的研究强调系统与环境的融合，近期利益与长远利益相结合，社会效益、生态效益与经济效益相结合。

4．系统工程研究是以系统思想为指导，采取的理论和方法是综合集成各学科、各领域的理论和方法。

5．系统工程研究强调多学科协作，根据研究问题涉及到的学科和专业范围，组成一个知识结构合理的专家体系。

6．各类系统问题均可以采用系统工程的方法来研究，系统工程方法具有广泛的适用性。

7．强调多方案设计与评价。^[5]

1．[美]切斯纳 (1967)

虽然每个系统都是由许多不同的特殊功能部分所组成，而这些功能部分之间又存在着相互关系，但是每一个系统都是完整的整体，每一个系统都有一定数量的目标。

系统工程则是按照各个目标进行权衡，全面求得最优解的方法，并使各组成部分能够最大限度地相互协调。

2． 日本工业标准JIS8121(1967)

系统工程是为了更好地达到系统目的，对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机构等进行分析与设计的技术。

3． [美]莫顿(1967）

系统工程是用来研究具有自动调整能力的生产机械，以及像通讯机械那样的信息传输装置、服务性机械和计算机械等的方法，是研究、设计、制造和运用这些机械

4. 美国质量管理学会系统委员会(1969)

系统工程是应用科学知识设计和制造系统的一门特殊工程学。

5． [日]寺野寿郎(1971）

系统工程是为了合理进行开发、设计和运用系统而采用的思想、步骤、组织和方法等的总称，基础工程学。

大英百科全书-系统工程6． 大英百科全书(1974)

系统工程是一门把已有学科分支中的知识有效地组合起来用以解决综合化的工程技术。

7． 苏联大百科全书英百科全书(1976)

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。

8． [日]三浦武雄(1977)

系统工程与其他工程不同之点在于它是跨越许多学科的科学，而且是填补这些学科边界空白的一种边缘科学。因为系统工程的目的是研制系统，而系统不仅涉及到工程学的领域，还涉及到社会、经济和政治等领域，为了适当解决这些领域的问题，除了需要某些纵向技术以外，还要有一种技术纵横的方向把他们组织起来，这种横向技术就是系统工程。

9． 钱学森(1978)

系统工程是组织管理的技术。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成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。……系统工程则是组织管理这种系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。

系统工程的第一次应用并提出这个名词是在1940年，美国贝尔实验室研制电话通信网络时，将研制工作分为规划、研究、开发、应用和通用工程等五个阶段，提出了排队论原理。1940年美国研制原子弹的曼哈顿计划应用了系统工程原理进行协调。自觉应用系统工程方法而取得重大成果的两个例子是美国的登月火箭阿波罗计划和北欧跨国电网协调方案。

系统工程还可以用于化工生产设计过程优化控制、信息网络运筹等多个方面，目前有的大学已开设系统工程专业。

系统工程的目的是解决总体优化问题，从复杂问题的总体入手，认为总体大于各部分之和，各部分虽较劣但总体可以优化。有的问题，如电话网络，不能只研究个别电话的质量问题，必须从总体网络入手，这种思路是和笛卡儿的方法论相左的。