第一章系统工程概论第一节系统概述一、系统思想的形成过程系统概念来源于古代人类社会实践。人类自有生产活动以来，无不在同自然系统打交道。管子《地员篇》、《诗经》农事诗《七日》、西汉范胜之著《汇胜之书》等古籍，对农作与种子、地形、土壤、水分、肥料、季节、气候诸因素的关系，都有辩证的论述。春秋战国时代的《孙子兵法》，从道、天、地、将、法五个方面来分析战争全局，指出“凡此五者，将莫不闻，知之者胜，不知者不胜”；齐国名医扁主张按病人气色、声音、形貌综合辨证，用砭法、针灸、汤液、按摩、熨贴多种疗法治病；战国时期秦国李冰父子设计修建的都江堰水利工程，它包括“鱼嘴”眠江分水工程，“飞沙堰”分洪排沙工程，“宝瓶口”引水工程三大主体工程和120个附属渠堰工程，工程之间的联系处理得恰到好处，形成一个有机整体，兼有防洪、排沙、灌溉、漂木、行舟等多种功能，渠道上设置了水尺，根据测得的水位，多级分水，合理控制分水流量，使汹涌急流的岷江化害为利，灌溉了成都平原上14个县的几百万亩粮田。工程完工后，又建立了一套岁修养护制度，每年按规定淘沙修堤，因此，虽然该工程经历2000多年，至今仍发挥着效益，堪称我国古代运用系统思想解决实际问题的典范。又如北宋年间，汴都（今河南开封）的宫室在遭到火灾以后，大臣丁渭奉命修建，修建工程的泥土、石料、本材等建筑材料都需从郊外由旱道运到建筑现场，另外，完工后的建筑废弃物又要从旱道运出城外。这在当时是需要花费大量的人力、物力和财力的。丁渭根据工程实际，设计出了一套方案，就是在工地前面的大街上挖取泥土使用，儿天以后，大街被挖成了巨沟，并通过护城河与汴河相通，河水流人沟中，船只可直接由汁河驶入工地，于是便可从四面八方运来建筑材料，再也不需经过郊区码头起卸，然后用陆运搬到工地的繁重过程了，在工程将要结束时，再把废弃的瓦砾、灰土等投人巨河，平土以后，重新成为大街。这一设计方案由于系统解决了取土、运输、清除废料和修复街道等多项任务，因此节省了大量的人力、物力和财力，并使工程提前完工。这种巧妙解决问题的思路，同样是我国古代运用系统思想解决实际问题的又一光辉范例。朴素的系统概念，不仅表现在古代人类的实践中，而且在古代中国和古希腊的哲学思想中得到了反映。古代中国和古希腊的唯物主义思想家都从承认统一的物质本原出发，把自然界当成一个统一体。古希腊辩证法奠基人之一的赫拉克利特（Heracleitus）在《论自然界》一书中说：“世界是包括一切的整体。”古希腊唯物主义者德谟克利特（Democritus）的一本没有留传下来的.1·
农业系统工程著作名为《宇宙大系统》。公元前6世纪至前5世纪之间，我国春秋末期思想家老子强调自然的统一性；南宋陈亮的理分殊思想，称理一为天地方物的理的整体，分殊是这个整体中每一事物的功能，试图从整体角度说明部分与整体的关系。用自发的系统概念考察自然现象，这是古代中国和古希腊唯物主义哲学思想的一个特征。古代辩证唯物的哲学思想包含了系统思想的萌芽。古代朴素唯物主义哲学思想虽然强调对自然界整体性、统一性的认识，却缺乏对这一整体各个细节的认识能力，因而对整体性和统一性的认识是不完全、不深刻的。15世纪下半叶，近代科学开始兴起，力学、天文学、物理学、化学、生物学等科目逐渐从混为一体的自然哲学中分离出来，获得日益迅速的发展。近代自然科学发展了研究自然界的独特的分析方法，包括实验、解部和观察，把自然界的细节从总的自然联系中抽出来，分门别类地加以研究。这种考察自然界的方法移植到哲学中，就成为形而上学的思维方式。形而上学的出现是有历史根据的，是时代的需要，因为在深人的、细节的考察方面它比古代哲学是一个进步，在300多年的历史时期中，对科学、技术、文化的蓬勃发展起了不可磨灭的重要作用。但是，形而上学撒开总体的联系来考察事物和过程，蕴含着极大的局限性，随着人们对客观事物认识的不断扩展和深化，这种局限性就日益显露出来，并阻碍堵塞了人们从了解部分到了解整体，从分析具体细节到洞察普遍联系的道路。19世纪上半叶，自然科学取得了-系列伟大成就。特别是能量转化、细胞和进化论的发现，使人类对自然过程的相互联系的认识有了很大提高。恩格斯（FEngels）指出：由于这三大发现和自然科学的其他巨大进步，我们现在不仅能够指出自然界中各个领域内的过程之间的联系，而且总的说来也能指出各个领域之间的联系了，这样，我们就能够依靠自然科学本身所提供的事实，以近乎系统的形式描绘出一幅自然界联系的清晰图画。描绘这样一幅总的图画，在以前是所谓自然哲学家的任务。而自然哲学只能这样来描绘：用观念的、幻想的联系来代替尚未知道的现实的联系，用想像来补充缺少的事实，用纯粹的想来填补现实的空白，它在这样做的时候提出了一些天才的思想，预测到一些后来的发现，但是也发表了十分荒唐的见解，这在当时是不可能不这样的。今天，当人们对自然研究的结果只要辩证地即从它们自身的联系进行考察，就可以制成一个在我们这个时代是令人满意的“自然体系”的时候，当这种联系的辩证性质，甚至违背自然研究者的意志使他们受过形而上学训练的头脑不得不承认的时候，自然哲学就最终被排除了。对于19世纪的自然科学，恩格斯认为：“本质上是整理材料的科学，是关于过程、关于这些事物的发生和发展以及关于联系—把这些自然过程结合为个大的整体一的科学。”这样的自然科学，为唯物主义自然观建立了更加坚实的基础，为马克思主义哲学提供了丰富的材料。马克思、恩格斯的辩证唯物主义认为，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整体。辩证唯物主义体现的物质世界普遍联系及其整体性的思想，也就是系统思想。由此可以看出，在近代科学技术和文化发展的基础上，到了19世纪，系统思想进一步从经验上升为哲学，从思辨进展到定性论述。科学的定量的系统思想，是在现代科学、技术、文化发展的基础上形成的。现代科学技术对于系统思想方法来说，第一个贡献在于使系统思想定量化，成为一套具有数学理论、能够定量处.2
第一章系统工程概论理系统各组成部分相互联系的科学方法；第二个贡献在于为定量化系统思想的实际应用提供了强有力的计算工具一电子计算机。这两大贡献都是在20世纪中期实现的。科学的定量的系统思想的形成，又根本上来源于社会实践的需要。社会实践活动的大型化和复杂化，要求系统思想方法不仅能定性，而且能定量。解决现代社会种种复杂的系统问题，对材料的定量要求越来越强烈，这尤其表现在军事活动中，因为战争中决策的成败关系到国家民族的生死存亡。第二次世界大战是定量化系统方法发展的催生婆。这次战争在方法和手段上的复杂程度较以往的战争有很大增长，交战双方都需要在强调全局观念、从全局出发合理使用局部、最终求得全局效果最佳的目标下，对拟采取的措施和反措施进行精确的定量分析，才有希望在对策中取胜。这样一种强烈的需要，以极大的力量把一大批有才干的科学工作者吸引到拟定与评价战争计划、改进作战技术与军事装备使用方法的研究工作中，其结果就是定量化系统方法及强有力的计算工具一一电子计算机的出现，并成功地应用于作战分析。战后，定量化系统方法开始广泛地用来分析工程、经济、社会领域的大型复杂系统问题。一旦有了数学表达形式和计算工具，系统思想方法就从一种哲学思维发展成为专门的科学。概括地说，系统思想是进行分析与综合的辩证思维工具，它在辩证唯物主义那里取得了哲学的表达形式，在运筹学等学科那里取得了定量的表述形式，在系统工程那里获得了丰富的实践内容。古代农事、工程、医药、天文方面的实践成就，以及建立在这些成就之上的古代中国和古希腊朴素的唯物主义自然观（以抽象的思辨原则来代替自然现象的客观联系）；近代自然科学的兴起，以及由此产生的形而上学自然观（把自然界看作彼此不相依赖的各个事物或各个现象的偶然堆积）；19世纪自然科学的伟大成就，以及建立在这些成就基础之上的辩证唯物主义自然观（以实验材料来说明自然界是有内部联系的统一整体，其中各个事物、现象是有机地相互联系、相互依赖、相互制约着的）；20世纪中期现代科学技术的成就，为系统思想提供了定量方法和计算工具。这就是系统思想如何从经验到哲学到科学、从思辨到定性到定量的大致发展情况。从系统思想形成过程的简略考察中，可以看出，这一过程也就是人类认识客观世界的一个否定之否定的发展过程。迄今为止，这个过程可以大致地概括为：古代朴素的唯物主义自然观一→近代形而上学自然观→19世纪的辩证唯物主义自然观→20世纪中期形成的系统观→现代系统理论五个阶段。二、系统的概念、环境、结构与功能（一）系统的概念“系统”一词由来已久，目前可以说到处都在使用。例如，国民经济系统、军事系统、政法系统、文教系统、工交系统、农业系统、工业系统等等。可以说系统无处不有，无时不在，大至无穷，小至微粒。但是，在系统理论的形成和发展初期，其定义不尽相同，下面列举出其中几个有代表性的定义：1.在韦氏大辞典中，系统一词被解释为：有组织的和被组织化了的整体；结合着的整体所形成的各种概念和原理的综合；由有规则、相互作用、相互依赖的诸要素形成的集合等等。2.奥地利生物学家，一般系统论的创始人贝塔朗菲把系统定义为：相互作用的诸要素的综·3:
农业系统工程合体。3.日本工业标准“运筹学术语”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标行动的体系。4.我国著名科学家、系统工程的倡导者钱学森认为：系统是由相互作用、相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机体，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。综合各种定义，我们认为：系统是由若干个（两个或两个以上）相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的元素组成的具有某种特定功能的有机整体。在这个定义中，通过分析可以得出系统概念中包含有如下几个要点：第一，系统是由两个或两个以上可以相互区别的元素组成的，单个元素构不成系统：第二，系统中的各元素相互间具有联系，彼此独立的各元素不能称其为系统；第三，系统是一个有机整体；第四，系统具有某种特定的功能系统除了可以用文字表述外，还可以用数学模型来表示，对于任何一个确定的系统，都可以用下式来描述，即S=(E,R)(1 - 1)式中：S一代表系统；E—代表系统中各元素的集合；R一一代表系统中各元素之间的关系集。由式（1-1）可以看出，系统是由元素集和关系集共同决定的。系统实际是一个相对概念。例如，在研究畜牧业发展时，畜牧业便是一个系统，当我们在研究农业时，整个农业是一个系统，而畜牧业则是农业系统中的一个元素，或称其为子系统。当研究国民经济发展时，农业便是国民经济系统中的一个子系统。一般我们把有相对独立性的研究整体看成一个系统。（二）系统的环境及其相互关系系统的环境就是系统外部整体，或者说包围系统的整个空间。如图1-1所示。图中M表示物质，I表示信息，E表示能量。系统与环境的交界，称为系统的边界。任何系统都是处于一定的环境之中，超越环境环境的系统是不存在的。但是，有些环境对系统影响很小，对于这样的环境在研究系统时可以不予考虑。系统既然系统是处于环境之中，那么系统与环境就存在一定的联系，一般这种联系主要表现在物质、信息和能量的流动上，这种流动又叫物质流、信息流和能量流。一般来讲，系统与环境是相互作用的，环境对系统而言，一方面提供条件（如资源、市场等），以维持系统功能的正常发挥；另一方面图1-1系统与环境的关系又作为约束，制约系统的发展；系统对环境而言，一方面输出环境所需要的产品，同时还输出破坏环境的污染物。当系统与环境相适应时，系统则能很好地发展，当系统与环境不相适应时，则系统的发展就会受到制约，系统的功能就不能够充分发挥。为了使系统与环境相适应，可通过两个途径来实现，一是可以调节系统内部结构，使其适应变化:4
第一章系统工程概论了的环境；二是可以创造条件改变环境，使其满足系统发展的要求。（三）系统的结构系统的结构是指构成系统的元素及元素间关联方式的总和。在系统元素不变的情况下，往往把元素间的关联方式就称为结构。在对系统进行研究时，必须对系统结构进行分析。结构分析的重要内容是划分子系统，分析各个子系统的结构（元素及其关联方式和关联力），阐明不同子系统之间的关联方式。一般来说，同一系统可以按照不同标准划分子系统，以便从不同侧面了解系统结构，按照同一标准划分出来的子系统有可比性，按照不同标准划分出来的子系统没有可比性，把按照不同标准划分得到的子系统并列起来，是概念混淆的重要原因。系统的结构方式无穷无尽，目前尚无完备的结构分类方法。一般情况下，应注意从以下两方面对系统作结构分类。1.框架结构与运行结构当系统处于尚未运行或停止运行的状态时各元素之间的基本连接方式，称为系统的框架结构。系统处于运行过程中相互依存、相互支持、相互制约的方式，称为系统的运行结构。2.空间结构与时间结构元素在空间的排列或配置方式，称为系统的空间结构。元素在时间流程中的关联方式，称为系统的时间结构。有些系统主要呈现空间结构，有些系统主要呈现时间结构，有些系统兼而有之，后者称为时空结构。（四）系统的功能及与结构的关系凡系统都具有功能。发动机的功能是为车辆或飞行器提供推力。学校的功能是为社会培养人才和提供科研成果。系统的功能实际就是指系统的功用和效能。系统的功能是系统的一种整体特性，只要把元素整合为系统，就具有元素总和没有的功能。功能的概念也常用于子系统，它是指子系统对系统持续发展所起的作用和贡献。如果子系统是按照它们在系统中的不同功能划分出来的，按照各自的功能相互关联、相互作用、相互制约，共同维持系统整体的生存发展，就把功能子系统的划分及其相互关联方式称为系统的功能结构。系统的功能与结构关系密切，结构决定功能，但功能对结构也有重要影响，只有系统的结构合理，系统才有可能发挥出最佳功能。另外，系统的功能不仅取决于结构，它还取决于系统所处的环境及其组织管理水平。系统结构相同，由于所处的环境和组织管理水平的不同，可能表现出不同的功能，同时结构不同的系统，也可能表现出相同的功能。也就是说，系统的功能是由系统的结构、所处的环境和组织管理与生产水平等共同作用决定的。三、系统的分类和特征（一）系统的分类世界上的系统千差万别，可以从不同的角度将它们分为不同的类别。1.自然系统与人工系统这是按系统是如何生成的来划分的。凡是由自然力形成的系统都称为自然系统。如银河系、太阳系等各种天体系统；山川河海及各种矿藏所构成的地理系统；各种原生物、植物、动物、微生物构成的生物系统等等。自然系统都按自身的特定规律运行，自然.5: