《系统工程》教案 谢家贵 模块1--4 系统工程概述---系统规划.docx

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1、系统工程教案课程信息课程名称系统工程授课专业交通运输类课程类型必修课公共课（）；专业基础课（）；专业课（ ）；选修课限选课（）；任选课（）；专业拓展课（）授课方式讲授（V）；实践课（）；其它（）考核方式考试（）；考查（V）课程教学总学时数32学时学分数2学分教材名称系统工程作者谢家贵、马悦出版社西安电子科技大学出版社书号978-7-5606-6788-1出版时间2023.3 （ 2023.4 重印）班级课程名称系统工程授课教师授课课时4学习课题系统工程概述教学基本 要求(1)了解系统的产生与发展；(2)理解系统的含义、特征以及分类；(3)理解系统要素及其作用关系；(4)理解系统工程的含义、基础

2、理论；(5 )了解系统工程的核心内容；(6 )掌握霍尔三维结构方法论。教学重点、难点(1)系统的含义、特征；(2)系统工程的含义；(3 )系统工程的基础理论；(4 )霍尔三维结构方法论。教学方法、手 段案例导入法、讲授法、小组讨论法教学过程设计导入专题讲解问题分析讨论练习归纳总结参考案例来自教材、相关参考书教具、教材教学课件PPT、教学录像片教师学期授课教案授课提纲及重难点分析教学方法设计时间 分配 及旁 注L案例引入约IOmi n任务一系统的认识一、系统科学的产生与发展作为人类知识总体系的一部分，系统工程直接用于改造客观世界的实 践活动，用于解决实际问题。国内外系统工程的思想方法和实际应用源

3、远 流长，最早可以追溯到远古时代，在我国系统工程发展的历史长河中更是 形成了万里长城和都江堰等一系列伟大成就。近代以来，随着工业、国防 和科学技术的发展，各类复杂的大系统以及巨系统不断增多，系统工程这 门综合性交叉学科更是得到了全面、迅速的发展。系统工程是一门方法性学科，主要研究如何建立系统、进行系统分析 和系统设计，以及为了实现系统的目的和功能所必需的各种思想、技术方 法和理论。随着近代工业、国防和科学技术的迅速发展，出现了许多规模庞大、 构造复杂、影响因素众多的大系统(如钢铁、石油、化工、机械制造等生 产系统，电力系统，交通运输系统，通信情报系统和军事指挥系统等)， 这些大系统往往是多级分

4、层决策的多输入多输出系统，系统输入的信息绝 大多数是随机的，并且这些系统往往需要同时具有控制功能和管理功能， 即这些系统是能够完成多种功能的人机系统、社会经济系统和环境生态系 统等。因此，系统工程作为一门综合性的交叉学科，在国内外都有了较大 发展。二、系统的含义系统(system) 一词源于拉丁文,表示群体、集合等。本书中引用钱学 森对系统的定义：系统是由相互作用而又相互依赖的若干组成部分结合的约60mi n具有特定功能的有机整体。该定义指出了系统的三个基本属性,它们是不同 系统的共同属性。第一,系统是由两个以上要素组成的整体。要素是构成系统的最基本部 分,没有要素就无法构成系统,单个要素也无

5、法构成系统。第二,系统的诸要素之间、要素与整体之间以及整体与环境之间存在着 一定的有机联系。若系统的诸要素之间没有任何联系和作用，则不能称其为 系统。第三,系统要素之间的联系与相互作用,使系统作为一个整体具有特定 的功能或效能,这是各要素个体所不具备的功能。（一）边界边界是指人们在认识事物时对所要认识问题划出的一个范围。为了对 问题进行有效的思考和控制，人们通常要将问题从无限的联系中割离出来， 形成一个与人类能力相匹配的范围。边界是在思考问题时产生的，对于不 同的思考者来说，同一问题可能呈现不同的边界。（二）串联串联是指人们在同一时间只能考虑一个方面的问题。这一特征体现了 人类思维的局限性，思

6、想的串联给我们思考整体与联系带来了很大困难， 但更强调了联系与整体观念的必要性。（三）整合整合也称集成或综合，是指将在不同时间思考的问题联系起来进行考 虑。这是人脑具备的基本功能之一。例如，通过将某零件的三个平面视图 联系起来，可以整合得出该零件 的立体图形。系统思维的训练实际上就是 要强化整合能力。三、系统的特征系统的特征主要是指系统在一般意义上的本质特性。介绍系统的本质 特性有助于读者进一步理解系统的概念。一般系统所具有的特征主要表现 为系统的集合性、整体性、相关性、层次性、目的性和环境适应性等六个 方面。（一）集合性将具有某种属性的一些对象看作一个整体，就形成了一个集合。集合 里的各个对

7、象称为集合的要素。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所组成的。（二）整体性系统的整体性可以直观地理解为系统是一个整体的对外联系的单元， 系统内部的各组成要素只有在整体中才具有意义。（三）相关性相关性是指组成系统的各要素之间是相互联系、相互作用的。 它用来说明这些要素之间的特定关系。如果各基本要素只是彼此孤立地堆 积在一起，相互之间没有任何联系或相互作用，则构不成系统。（四）层次性物质运动总是以特殊的时空来表现的，而时空是有层次的。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，子系统还可进 一步分解为更低一级的子系统，并存在一定的层次结构，这是系统时空结

8、 构的特定形式。（五）目的性通常系统都具有某种目的。要达到某种既定的目的，系统就必须具有 一定的功能。系统的目的和功能正是一个系统与另一个系统区别的标志。 系统的目的性在行为层次上指一定范围内的输入可能产生相同的输出， 如稳压器。（六）环境适应性任何一个系统都存在于一定的外部环境之中。系统是作为一个整体与 外部环境发生联系和作用的。在这个联系和作用的过程中，系统必然要与 外界环境产生物质的、能量的和信息的交换。四、系统的分类由系统的概念可知，系统是非常普遍的，不同的系统可以不同的形态 存在。根据系统形成的原因、系统的存在方式等，可以对系统进行多种分 类。下面介绍几种常见的系统分类。（一）自然系

9、统与人造系统按照系统形成的原因，系统可分为自然系统和人造系统。自然系统是 由自然过程产生的系统。这类系统是以自然物为要素所形成的系统，如海 洋系统、生态系统、太阳系等。人造系统则是人们将有关元素按其属性和 相互关系组合而成的系统，或者说是对自然要素加以人工利用所形成的系 统。例如，人类通过对自然物质进行加工和利用，构造出各种工程系统、 运输系统等。区分自然系统和人造系统有助于提示人们在认识不同系统时应该有不 同的切入点。人造系统主要是为了实现某种特定功能而创造的系统，因此 它是功能需求的产物，而自然系统并不是人类功能需求的产物。（二）实体系统与概念系统按照系统的存在方式，系统可分为实体系统与概

10、念系统。凡是以矿物、 生物、机械等有物理意义的实体为构成要素的系统称为实体系统。凡是由 概念、原理、方法、制度、程序等不具备物理属性的非实体物质所构成的 系统称为概念系统。例如，太阳系是一个实体系统，而人们对太阳系的描 述则是一个概念系统，管理系统、社会系统也属于概念系统。在实际生活中，实体系统和概念系统在多数情况下是结合在一起的。 实体系统是概念系统的物质基础,而概念有时需要以实体为载体反映出来, 概念系统往往是实体系统的抽象和简化。人造系统中一般先有概念系统， 再有实体系统。（三）动态系统和静态系统按系统的形态是否随时间而变化，系统可分为动态系统和静态系统。 随时间而变化的系统是动态系统；

11、系统行为、状态与时间无关的是静态系 统，即处于稳定状态的系统。例如，江河上的一座桥梁可以看作一个静态 系统，其构成要素及其关联不随时间而变化。但是，从严格意义上来说， 实体系统中是不存在静态系统的，因为任何系统都有其寿命周期。（四）封汛系统和开放系统按系统是否与外界环境有物质、能量或信息的交换，系统可分为封闭 系统和开放系统。封闭系统是指与外界环境不发生任何形式交换的系统。 它既不向外界环境输出，也不从外界环境输入。开放系统是指与环境有相 互关联，能从外界环境得到输入，并向外界环 境产生输出的系统。一个系统如果不是开放系统，就是封闭系统，二者必居其一。大部分人造系统属 于开放系统，如社会系统、

12、经济系统。研究开放系统的意义在于可以通过 系统与环境的关系来研究系统的结构及演变特征。五、系统要素及其作用关系（一）系统要素的描述系统要素是构成系统的具有一定独立性的组成单元，进行系统结构分 析时，可给予每个要素一个特定的名称或代号。由于系统是有层次的，因 此系统结构也具有层次性，这种层次性体现为系统要素的时空联系方式。（二）要素之间的关联及描述要素之间的关联是指要素之间的相互联系或作用。按照不同的分类标 准，关联可划分为不同的类型。例如，按照要素之间关系明确与否，关联 可划分为下面三种：（I）确定性关联。确定性关联中，要素之间的关联是受确定的规律支 配的。（2）不确定性关联。不确定性关联中，

13、要素之间是随机，如统计学中 所揭示的关联大多属于这一类。（3）确定性关联与不确定性关联的混合。对要素之间的关联进行描述，本质上就是建立模型。而每一种描述关 联的方法都多少存在着局限性。一般而言，我们按照因果关系、过程顺序 或职能结构的方式对关联进行简单描述。因果描述就是根据人们对因果的 思考结果画出要素之间的关联。（三）系统要素的作用关系描述要素之间的关系时，通常以要素某种状态变化对其他要素状态变 化的影响作为基本出发点，先分析由两个要素构成的最简单的系统。例如， 某系统由Sl和S2两个要素构成，两要素间的作用关系有三种类型。（四）系统要素的冲突与集成根据系统的定义，组成系统的各要素之间存在着

14、有机联系，这种联系 实际上就是要素之间冲突与协同的综合表现。协同是以冲突为前提的，冲突推动着系统向协同、集成的方向发展。 系统中不同的要素具有各自的目标，这些不同要素的目标之间可能存在相 互矛盾、相互冲突的地方。比如，物流系统中运输要素与仓储要素的目标 就存在冲突，要想少批次、多批量地运输以降低运输成本，必定会导致库 存增加，从而使得仓储成本增加，如果想要分别降低运输成本和仓储成本， 这显然是冲突的。认识系统内部要素目标之间的冲突现象，有助于寻找要 素间协调的方法，以便使系统的总体目标最优化。任务二系统工程的认识一、系统工程的含义系统工程（System Engineering）是以研究大型复杂

15、的人造系统和复 合系统为对象的一门交叉科学，对数学要求高，离不开计算机。系统工程 既是一个技术过程，又是一个管理过程，它的定义有很多种，钱学森教授 说它是一种科学方法，美国学者说它是一门科学，还有人说它是一门特殊 工程学，但大多数科学家认为它是一种管理技术。系统工程的特点主要体现在以下5个方面：（1）研究对象是工程系统；约50mi n（2）研究目标是让系统达到最优；（3）系统工程学是工业工程学的发展，应用广泛，而工业工程学只适 用于中小规模；（4）是横跨许多技术的交叉科学；（5）对数学要求高，离不开计算机。系统工程解决系统问题的总体思路如下：（1）确定一个或多个目标；（2）确定达到目标需要的资源与条件；（3）确定可达到目标的备选方案；（4）对各个方案在达到目标与所需资源、条件等方面进行综合分析与 评估；（5）根据一定的标准，判别各个方案优劣的次序；（6）选择最终实施的方案。（一）典型定义从学科发展和学术研究的角度看，系统工程是一门新兴的交叉学科， 尚处于发展阶段，至今还没有统一的定义。国内外许多