系统工程的基本理论

2.1.1.1　系统的定义与属性

系统工程研究的对象是系统，系统的概念是系统工程的核心和基本的概念。

物质世界是由无数相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的事物和过程所形成的统一体。系统思想是从经验到哲学的科学，它从思辨到定性，再到定量。

1）系统的定义

系统是由若干个可以相互区别、相互联系而又相互作用的要素所组成，在一定的阶层结构形成中分布，在给定的环境约束下为达到整体目的而具有一定功能的有机集合体。

对系统要领的一般认识是系统意识。由若干环节组成的链状事物环环相扣，这些由此及彼的链状事物就是我们所说的系统。认识系统的链和环的关系要考虑对象系统的全部组成环节，这些环节联结部分的形成及特点是影响系统性能的重要因素。系统意识指思考、研究、探索和处理某一事物时，有意识地把它看成一个系统，明确链-环关系，从系统的角度去分析和认识问题。

2）系统的属性

系统的属性包括目的性、集合性、相关性、阶层性、整体性、环境适应性。

目的性是指系统具有明确赋予的、预期的目标；集合性是指组成系统的元素是多个，至少有两个；相关性是指系统组成的元素是相互依存、相互作用、相互制约；阶层性指系统有一定的层次结构，可分解成子系统；整体性是指任何一个元素离开整体功能就失去意义；环境适应性指适应环境系统的变化以获取生存和发展的能力。

2.1.1.2　系统工程的基本概念及发展

1）系统工程的基本概念

系统工程是用系统科学的观点，合理地结合控制论、信息论、经济管理科学、现代数学的最优化方法以及电子计算机和其他有关工程技术，按照系统开发的程序和方法去研究和建造最优化系统的一门综合性的管理工程技术。

系统工程包括系统与工程两个方面。从系统看，工程指的是用系统的观点和方法去解决工程问题，而从工程看，系统是指用工程的方法去建造系统。

系统工程具有高度的综合性，主要体现在研究对象的综合性、应用学科知识的综合性和评价效益的综合性三个方面。系统思想是将研究对象作为系统来考虑，把系统环境作为一个外部系统，通过外部系统的输人，内外的各接口协调，获得系统的最优输出。

2）系统工程的产生及其研究对象

第五次产业革命将人类带人信息时代，科学研究在向大至宇观、胀观，小至徽观、渺观的纵探发展之余，也在古老的宏观层次开掘出一大领域，即诞生于20世纪的系统科学。作为结合理论学科和技术学科的交叉学科群体，系统科学不仅统一于辩证唯物主义哲学范围，而且有着其自身广泛的涵盖面。按照中国著名科学家钱学森提出的基础科学、技术科学和工程技术的层次划分体系，系统科学也有一个从理论到应用的层次结构，这便是以系统论为代表的基础理论，以运筹学等应用数学为代表的技术科学，以及运用系统思想直接改造客观世界的工程实践技术——系统工程。

早在1911年，泰勒在提出科学管理概念的同时就萌发了系统工程的概念。随着运筹学等一系列系统方法的出现，终于在1957年以古德和马克尔的专著《系统工程》的出版正式宣告系统工程学诞生。1965年A·D·霍尔在《系统工程方法论》一书中进一步确定了系统工程的内容、方法和应用途径、范围等问题。应该说，系统工程是应实践的需要并以科技水平及人们的认识水平为条件而产生的。系统工程的发展历史也就是它在实践中推广应用并不断取得成效的历史。其大致经历了以下几个阶段：

（1）20世纪40年代末到20世纪50年代，是系统工程的初创时期；

（2）20世纪60年代，计算机的推广运用使系统工程进人以计算机为主要工具，以现代控制论为基础的多变量最优控制阶段；

（3）20世纪70年代以来，系统工程进人解决各种复杂的社会-技术、社会-经济系统的最优控测、最优管理阶段。

系统工程是一个跨多学科领域的工程，并日益向多种学科渗透和交叉发展。系统工程的大量实践，运筹学、控制论、信息论等学科的迅速发展，以及其他科学技术，特别是物理学、数学、理论生物学、系统生态学、数量经济学、定量社会学等，都有了新的发展和突破，这些不同领域的科学成就，除了具有本学科的特点之外，实际上都在不同程度上揭示了系统的一些性质和规律。

系统工程的对象是大系统。这种大系统的特征就是规模庞大、结构复杂、目标多样、功能综合、因素众多，而且许多因素相互矛盾且有不确定性。对这样的大系统，如果不采取相应的措施，就难以对与其有关的重大问题进行正确的决策。要想对系统进行优化设计，对与系统有关的重大问题作出正确的决策，关键步骤是系统分析。

与一般工程比较，系统工程有以下三个特点：

（1）研究对象广泛，包括人类社会、生态环境、自然现象和组织管理等。

（2）系统工程是一门跨学科的边缘学科。其不仅涉及数学、物理、化学、生物等自然学科，还涉及社会学、心理学、经济学、医学等与人的思想、行为、能力等有关的学科，是自然科学和社会科学的交叉。因此，系统工程形成了一套处理复杂问题的理论、方法和手段，使人们在处理问题时，有系统的整体观点。

（3）在处理复杂的大系统时，常采用定性分析和定量计算相结合的方法。因为系统工程所研究的对象往往涉及人，这就涉及人的价值观、行为学、心理学、主观判断和理性推理，因而系统工程所研究的大系统比一般工程复杂得多，处理系统工程问题时不仅要有科学性，而且要有艺术性和哲学性。

系统工程的理论基础及工具的框架大致如图2-1所示。

系统工程的本质是为了解决工程进人系统发展时代所产生的系统性问题而发展起来的一门学科，是以过去发展起来的许多科学技术和管理技术为基础发展起来的，并且它把这些科学技术从横的方面联系起来而形成一门高度综合的科学。系统工程的特点包括：①研究思路的整体化；②应用方法的综合化；③组织管理的科学化；④管理工具的现代化。

2.1.1.3　系统工程的方法论及系统分析

系统方法主要是系统分析与设计的方法，包括系统模型与优化方法，预测和决策方法等。工程的方法是处理具体工程问题时的科学方法，包括构思（结构与原理）、原则（技术的、经济的、政治的和和社会的）、计算（对某关键部分的原理性和整体输出）、试验（结构、材料和参数）和设计等环节。

图2-1　系统工程理论基础及工具的框架

1）系统工程的方法论

系统工程的方法是指运用系统工程研究问题的程序，也就是为了达到系统的目标，运用系统工程的思想及其技术内容，解决问题的工作步骤。系统工程的方法论一般可以用时间维、逻辑维和实施维“三维结构”来描述。

时间维就是工作阶段，依时间的先后顺序排列，每个阶段都有相对独立性和不同的中心任务，对一个具体的工程项目，从规划起一直到更新一般可分成规划阶段、方案设计阶段、研制阶段（系统开发）、生产阶段、安装阶段、运行阶段和更新阶段这7个工作阶段。

逻辑维指思维过程，在使用系统工程方法来思考和解决问题时，可以将每一个阶段分为若干逻辑步骤，通常它可以分为提出并明确问题、选择目标并设计系统指标、系统方案综合、系统分析、系统选择和评价、方案决策这6个步骤。对于软系统方法论解决问题可分为问题现状说明、弄清问题的关联因素、建立概念模型、改善概念模型、概念模型与现实系统的比较、系统更新等步骤。

实施维就是实施计划，根据最后选定的方案，具体实施整个计划，如果实施过程比较顺利或者遇到的困难不大，略加修改即可实施，那么整个步骤即告一段落。若遇到较多的问题，就有必要回到前面所述的逻辑步骤重新做起。

系统工程的基本原理包括反馈控制原理、最优化原理、协调原理等，系统工程的主要工具包括运筹学、建模、电子计算机。这里不再展开论述。

2）系统分析

（1）系统分析的基本概念。

系统分析就是为了使系统的目的能最好地实现，而对系统应如何构成进行的分析。具体地说，系统分析是从系统的长远和总体的最优目标出发，在选定系统目标和评价准则的基础上，分析组成系统的各个层次的分系统的功能和相互关系，以及系统与环境的相互影响。在调查研究、收集资料和系统思维推理的基础上，产生对系统的输人、输出及转换过程的种种假设；在确定和不确定的条件下利用定性和计量方法，探索若干可能互相替代的方案，并建立模型或用模拟方法分析对比各个不同的方案，同时研究探讨可能产生的效果，综合资源配备最佳的方案，为决策者提供判断最优系统方案所需的信息和资料。

系统分析着重研究系统建立的一些基本问题，如系统的目的、功能、环境、费用、效益、可靠程度等，尤其应着眼于未来的目的和政治经济形势的变化，以及未来科学技术的发展，在此基础上研究一个或几个组合目标。对于涉及社会、经济因素等更复杂系统的系统分析，其环境的约束条件也是变化的，因而应将系统的未来目的当作一个变量看待。

总的来说，系统分析是从系统的角度出发，对需要改进的已有系统或准备建立的新系统进行定性和定量的理论分析或实验研究，从而完成系统目的的重审、系统结构的分析、系统性能的估计、系统效益的评价、系统和环境的相互影响的分析以及系统发展的预测，为系统综合、系统规划设计、系统协调、系统优化控制和系统管理提供理论和实验依据。

（2）系统分析的内容、准则和程序。

系统分析的主要内容包括阐述系统的目标、调查系统的环境、调查系统的资源、研究系统的要素、实行系统的管理五个方面。

系统分析的准则包括四个方面，它们是系统要素同外部环境相结合、当前利益和长远利益相结合、分系统的利益和整个系统的利益相结合、定量分析与定性分析相结合。在系统分析过程中通常应考虑目标、替代方案、指标、模型、标准和决策六个要素。标准是评价方案优劣的尺度，它必须具有明确性、可计量性和敏感性。

系统分析方法不同于一般的技术经济分析，它应当从系统的总体最优考虑，采用各种分析工具和方法对系统进行定性和定量分析。系统分析不仅分析技术经济方面的有关问题，而且还分析政策、机制和信息等方面的问题。系统分析没有一组特定的技术方法，因为它必须随分析对象的不同、分析问题的不同而异。一般来说，系统分析的程序大致为划定问题的范围、设立目标、收集资料、建立模型、分析替代方案的效果、综合分析与评价。

系统目的的分析与确定包括对象系统的分析与确定、对象系统的结构分析（含系统要素集分析、系统相关性分析、系统阶层性分析和系统整体性分析）、对象系统的环境分析（包括物理和技术环境分析、社会环境分析、经济和经营管理环境分析以及系统与环境的边界分析）、系统目的和目标的分析与确定、系统功能的分析、系统成功的可能性分析。

用系统工程方法研究问题时，由于系统规模太太，或者太复杂，往往无法直接分析和试验，故一般利用模型来代替真实系统，通过对模型的分析来求得问题的解决。同时由于模型比现实系统容易操作，建立系统的模型后，只要改变模型中的某些参数值就可以计算出系统的某种结果，这比在真实系统中进行试验要容易得多。通过建立系统的模型可以对影响系统的主要因素了解得更清楚。有些变量在现实系统中要很长时间才能看出变化情况，但用模型研究时可以很快看出变化规律，从而能迅速地抓住其本质特征。

系统模型化是系统分析过程中的重要一环。对模型的一般要求有现实性（即在一定程度上能够确切反映系统的客观实际情况）、简洁性（尽量使模型简单明了，以节约模型建立和计算的时间）、适应性（随着模型建立时的具体条件的变化，要求模型具有一定的适应能力）。建立模型就是找出说明系统功能的要素及其相互关系，即系统的输人、输出和转换关系以及系统的目标和约束条件等。由于表达方式不同，模型一般可以有图式模型、数学解析模型、实体模型和仿真模型等。

系统模型化时大致遵循如下步骤：①分析模型的使用目的和要求，并确定模型的功能；②根据目的要求，从时间和空间等方面来明确系统和环境的边界条件；③确定构成系统功能的最小单元，也就是说根据模型的使用目的把系统划分成若干可以模型化的单元或分系统；④分析和掌握模型化对象的特点、主要因素和逻辑结构，最后建立模型，建立模型时常用直接分析法、模拟法、数据分析法、概率统计分析法、试验分析法、想定法等。

当问题比较简单时，按问题的性质和范围直接做出模型，这就是直接分析法；有些模型的结构性质虽已清楚，但对该模型进行数量描述及求解却很困难，用构造类似的模型的方法处理会使问题变得简单，此法就叫模拟法；通过分析描述系统功能的数据来搞清楚系统的结构模型，这种建模的方法称为数据分析法，如回归分析等；利用概率统计的基本知识和方法分析问题并建立模型称为概率统计分析法，如排队问题的建模；当现有数据分析不能确定个别因素（变量）对系统工作指标的影响时，有时有必要在系统上做局部试验以搞清哪些是本质的变量及其对指标的影响，如环行交叉口通行能力分析时采用的阻车观测法；有些系统的结构并不很清楚，又没有很多的现成数据可以利用，也不允许在系统上做试验，如想研究的系统是未来的、复杂的、涉及人的因素的大系统，这些系统中很多因素不确定，而又想通过模型来预测这类系统的一些数量行为，这时可以采用想定法，它的思路是人为科学地设想一些情况，也就是事先设定的一些不定情况，再用前述的方法构造出一些模型，推出一些结果，然后根据这些结果进行讨论，分析其是否可行，如果不行再重新想定或者以后在过程中不断修改，这种构模法往往不是一次成功，需要多次迭代进行。

系统模型化是为了系统优化。系统优化是建立在系统模型的基础之上的。系统最优化的方法很多，随所建立模型的不同而异。在道路交通工程系统中，有许多最优化问题及相应的方法，如道路网规划中有最短路问题、最大流问题、最小费用最大流问题；在交通管理系统中有随机服务系统的优化问题；在道路施工管理中有材料的最优分配问题等。进行系统最优化时，首先必须根据问题的性质，探讨最优化方法的应用。对于一些确定型问题，可以采用数学规划理论和方法进行优化；对于路网规划和施工技术管理中的优化问题一般可以用图论和网络技术进行优化。