第11章 系统工程(1)
10.系统工程概述
10.1一门新型的组织管理技术
1）系统工程的含义
我国学者钱学森等指出：“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。”（钱学森等著.论系统工程.湖南科学技术出版社，1982年：第12页）由此可见，系统工程属工程技术范畴，主要是组织管理的技术。
这种技术具有普遍的适用性。
系统工程中的“工程”是指把各种科学理论和基础知识的概念和原理用于研究、创造和设计各种系统。从系统看工程，指用系统的观点和方法解决工程问题。从工程看系统，指的是用工程的方法去建立系统和解决系统问题。系统和工程的结合，使系统的方法和工程的方法融为一体，使传统的工程概念增加了新内容。系统的方法主要是系统分析和系统设计的方法。工程的方法是处理工程问题的办法，包括原理应用和结构的构思，确定技术、经济原则，对结构材料、参数和整体进行计算。系统和工程的结合，使人们能在系统思想指导下以工程的方法作为工具，从定量角度描述系统元素间的关系，去设计、建造和管理人们需要的系统。
2）要技术更需要策略——系统工程与一般工程
（1）从研究对象看。一般工程如机械工程、土木工程等，有自己特定的研究对象，这些对象局限于一定范围。一般工程处理的对象是物质、能量等“硬”的东西。系统工程的研究对象是规模巨大而复杂的系统，不仅包括机械、电路等对象，而且包括各种社会系统和自然系统等复杂对象。与一般工程不同，系统工程侧重于协调各种对象之间的关系，以处理信息为主。系统的任务其实就存在于一般工程之中，如发展战略导弹武器系统。这显然是一项巨大的、社会性的、需要多项技术性的工程，但如果不从系统工程来考虑，那么能组织好那么多的人力和单位吗？能够协调数以万计的研究课题到一个统一的目标上吗？能够完成导弹的生产和顺利的发射吗？如果不从系统工程出发，仅发挥一般工程的作用，那么不但不能发挥一般工程的作用，还可能在解决一个问题时给另一个问题带来更大的困难。这样的例子在实际生活中有很多，如某地先后建成了十多万平方米的住宅楼，由于事先没有从系统的观念全局考虑，在实施过程中没有与水源工程配套，导致其建成后三年多还不能住人，问题是不仅没有建水泵房和输水管道，更严重的是还涉及到自来水公司的建设和该地区的水源问题。自来水公司的日供水能力只有17万吨，而目前该地区的需水量已达到25万吨，当然就顾不上这批新建的住宅了。若增加水井的话，该地区地下水源又不足，这样就成了一个大难题，现在每月房租一项就使国家蒙受数万元的损失。这就是没有运用系统工程来解决问题所带来的负面效应。
（2）从研究内容看。一般工程的理论内容限于特定的研究对象，着眼于技术合理性的考察，如技术性能、结构、设备效率等。系统工程则从总体的优化出发，考虑功能、协调、规划、总体效率等组织管理问题和社会总体效果。其理论内容包括系统工程的基本概念、系统模型技术、优化技术、预测决策技术、网络分析技术、信息技术、控制技术、可靠性技术、人—机工程等。这些理论内容，都贯穿着系统工程从整体上综合地研究和解决问题的基本思路。
（3）从涉及的学科知识看，一般工程需要的是逻辑思维和普遍科学定律加上专业工程知识。系统工程则是由系统观点，科学知识、现代科学方法、数学方法、电子计算机技术和传统工程技术相互渗透综合而形成的一大门类的工程技术。系统工程解决问题时广泛运用各种知识，从整体上研究由许多部分构成的系统所具有的各种不同目标之间的相互协调，最大限度地发挥系统各组成部分的功能并达到整体最优功能。
10.2系统工程的学科基础
系统工程是在系统思想指导下，由数学方法、电子计算机技术和特定的工程知识结合而成的组织管理技术。有关系统思想的理论、数学方法和电子计算机技术是系统工程的学科基础。
1）系统思想
系统思想是以20世纪40年代产生的一般系统论、控制论、信息论为代表的，这三个理论从不同角度突出了系统的整体性问题。
（1）一般系统论。20世纪20年代由美籍奥地利生物学家贝塔朗菲在研究生物机体基础上首先提出。他认为，机体这类活的东西的基本特征是组织和整体，传统的研究方法割裂整体和部分的关系而不能反映问题的全貌。所以，应把协调、目的、秩序等概念引入生物学。他提出了系统观点、动态观点和等级观点。继贝塔朗菲之后，许多学者从不同角度提出了许多系统理论。这些理论的核心是系统观点。
（2）控制论。其研究对象侧重于控制系统的状态、功能、行为方式及变化趋势，同时还研究系统状态的稳定性及控制机制。其基本思想是把控制系统整体的运动抽象为一个有目的的变化过程，将反馈机制赋予系统使其具备实现目的的能力。系统工程的对象一般具有目的性，故控制论是系统工程的基础之一。
（3）信息论。其中心概念是信息。信息论把信息的产生、传递、加工处理和接收作为一个整体进行研究。信息是系统维持稳定和实现控制的必要条件，是系统相互作用的重要媒介。系统的规划、研究、设计、控制和管理都涉及到信息。系统工程的应用离不开信息论的理论和方法。
此外，20世纪60年代以来产生的耗散结构理论、协同学、突变论也从不同角度为系统工程提供了新的思路和研究方法。
2）数学方法
系统工程应用的数学方法主要是运筹学。运筹学是近40年来兴起的数学应用学科，是研究系统在给定条件下，通过统筹规划、合理安排以求得最佳效果的数学方法。运筹学在解决问题上有两个特点：一是从全局出发；二是通过建立模型对问题进行计算以求得精确的结果。
系统工程应用的主要运筹学分支如下：
（1）规划论。研究对象是计划管理中有关安排和估值问题，解决的主要问题是在给定的条件下按某一衡量指标寻找安排的最优方案。
包括线性规划、非线性规划和动态规划。
（2）排队论。研究具有随机性的拥挤现象。日常生活和社会活动中都存在排队现象。排队就会产生等待，等待就会拥挤。解决拥挤就必须研究队的长度、等待时间出现的平均数和分布情况，由此设计服务系统实现合理安排。排队论在经济管理、物资储运，机构设置、军事对抗中广泛应用。
（3）对策论。它是用数学方法研究有利害冲突的双方在竞争性活动中是否存在制胜的最优策略以及如何找出这些策略的问题。对策论在经济、军事、管理等活动中都有应用。
（4）图论。图是由若干点和连接这些点中的某些点对的连线组成的图形。通信、供电、交通网络和工程过程都可以抽象为图。图论将庞大复杂的工程系统和管理问题用图描述，以解决工程设计和管理决策的优化问题。常见的网络图、最短路问题、最大流问题、关键路线法、计划评审技术都与图论有关。
此外，运筹学的分支还有存储论、决策论、质量控制、优选法、统筹法等。
3）电子计算机技术
电子计算机的基本功能是信息的存储和加工处理。要把现实问题抽象为计算机能加工处理的形式，涉及到系统模拟和计算机软件技术。
这是应用系统工程量化现实问题必不可少的。此外，由人和计算机组成的系统，要考虑人机功能的最佳分配，确定适当的人机接口，这也涉及到电子计算机的软件和硬件技术。
除了上述的学科外，具体应用系统工程还涉及到许多具体学科知识。系统工程就是系统思想、数学方法、电子计算机技术和具体学科知识的有机结合。
10.3系统工程的发展
1）系统工程产生的客观基础
新兴学科的产生有其历史必然性。系统工程的产生源于人类千百年来的社会实践。早在公元前250年，中国古代就有了朴素的系统工程思想和最初的系统工程实践，如运用系统工程的思想兴建了驰名中外的都江堰，达到了分洪、灌溉、排沙的整体最优效果。这是古代人民对工程中复杂的系统问题进行总体优化解决的范例。都江堰工程体现了人们解决复杂问题的整体最优要求。随着社会生产力的发展和技术进步，当代社会发展具有日益复杂化的趋势。这种趋势主要表现在下面几个方面：
（1）社会生产的职能分工越来越细，生产社会化程度越来越高，生产过程的协作配合关系越来越重要。自给自足的小生产被日益社会化的专业化大生产所取代，生产过程的多维联系导致现代社会生产的复杂化。
（2）社会活动的规模越来越大。环境保护、人口控制、大型企业、经济过程等人类实践活动已超越远古时代狭窄的时空跨度，跨地区、跨行业、跨学科界限在社会生活的全方位展开。任何人类活动涉及大量的人力、物力、财力和信息，它们之间呈现复杂的组合关系。
（3）社会活动的影响因素越来越多。伴随着生产过程的复杂化和社会活动规模增大产生的复杂制约关系，使任何一项社会活动所受到的影响因素越来越多。同时，每一项人类社会活动对社会其他部分产生的影响也越来越大。这种影响和被影响的相互作用关系表现了当代社会普遍联系的复杂性。
（4）社会生活的变化越来越快。当代通信技术和交通工具的发展改变着人们旧时的时空观念。信息的快速传递和运载工具速度的提高，加强了不同地域人们的社会联系，增强了世界范围内各种因素的相互影响，加剧了社会生活各个方面的相互作用，导致社会生活变化节奏的加快。人类活动在短时间内可能表现出后果的消极方面，迫切要求人们对复杂多变的社会生活进行可靠的预测。
社会复杂化的客观条件要求人们研究复杂的系统整体问题，寻求实现整体最优的理论和方法。这种必然要求是系统工程产生的客观基础。当代数学特别是运筹学的发展、电子计算机的出现和电子计算机技术的发展，又为系统工程实现定量研究和精确的数据处理提供了可靠有效的数学方法和运算工具。第二次世界大战中解决复杂的军事运筹和计算问题的迫切要求促进了运筹学的发展和电子计算机的产生。
2）系统工程的发展
系统工程的思想具有悠久的历史。完整的系统工程理论则是20世纪40年代产生于美国。几十年来大体经历了三个发展阶段。
（1）第一阶段为萌芽时期。系统工程限于个别研究和特殊应用领域。1940年，美国贝尔电话试验室第一次提出系统工程名称，在电话机应用研究中总结出“系统接近法”，按时间顺序把工作分为规划、研究、发展、工程应用研究和通用工程五个阶段。后来该公司成立了系统工程研究部。第二次世界大战中，英国军方研究和应用运筹学理论解决机场飞机占用跑道的排队问题、防空雷达的配置问题和飞机为商船护航的效率问题。这些实际应用项目的成功为后来系统工程理论的形成和普及提供了实践基础。
（2）第二阶段为发展时期。系统工程应用于许多重要工程项目，其理论和方法都得到发展。1957年，美国海军特种计划局研制北极星导弹，创造了计划评审技术。利用这一技术筹划生产发射导弹的核潜艇，结果比原计划提前两年完成任务。后来，计划评审技术在各国得到普及，成为系统工程的一种有效方法。1963年，美国亚利桑大学设立系统工程系，其他许多大学也开设了这方面的专业课。
（3）第三阶段为基本成熟时期。系统工程的理论逐步完善，应用范围不断扩大，并在各个社会实践领域得到普及。1965年，美国出版了《系统工程手册》，该手册阐述了系统工程的理论、系统技术、系统数学、系统环境、系统元件等，基本概括了系统工程各方面的内容。这标志着系统工程理论的成熟。1972年，成立了“国际应用系统分析研究所”，由美国、前苏联、日本等十多个国家组成。该所的研究对象是：人口、资源、能源、粮食、环境保护和国土开发等。
我国早在1956年就成立了运筹学研究室，开始了系统工程基础理论的研究。1963年推广计划评审技术获得成效。1965年开始，数学家华罗庚推广优选法和统筹法，从数学角度应用系统工程收到一定成效。
1979年，在北京召开了我国第一次系统工程学术会议。1980年成立了中国科学院系统工程研究所，同年成立了“中国系统工程学会”，出版了刊物《系统工程的理论与实践》，举办了大量电视讲座普及系统工程知识。系统工程的许多技术，如全面质量管理、计划评审技术、库房管理、价值工程等方法已在我国广泛应用并取得显著效果。特别是我国搞的人口100年规划，即人口系统工程，受到国际上的重视和好评。
11.系统工程的基本原理
系统工程所涉及的各种具体方法很多，与不同问题结合又具有不同的特点和要求。但是都贯穿着系统工程的基本指导思想，这就是从系统观点出发，依据特定的原则，遵循程序化的研究步骤，采用各种具体的分析和计算方法进行系统研究，以求得最好的效果并可靠地达到所选择的目的。
11.1系统工程的原则
运用系统工程研究和解决问题时，为了体现系统思想的基本要求，就需要提出一些带指导性的原则作为研究问题的出发点。这些原则是对客观系统问题规律性认识的体现。从不同角度可以概括出适用于系统工程的不同层次的原则。从基本要求看，整体性、综合性和最优化原则是系统工程中层次最高、最重要的原则。
1）整体性原则