第一章系统工程概论用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的方法。综合上述各种定义，系统工程是以系统思想为指导，定性、定量相结合，各种理论、方法与技术综合集成，以系统整体最优为目的来研究系统的规划、设计、开发、生产、组织、管理、调整、控制与评价等问题的一门交叉科学。它是由一般系统论及其发展、大系统理论、经济控制论、运筹学、管理科学等学科相互渗透、交叉发展而形成的。（二）系统工程的特点系统工程作为一门边缘交叉学科，它与各类专门的工程学（如机械工程、电气工程）等相比，具有明显的特点，主要有：1.系统工程研究问题一般采用先决定整体框架，后进人详细设计的程序，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。所谓的逻辑思维过程总体设计是指在提出任务的前提下，综合构思研究的内容、方法、人员、进度等问题使系统能够更好地达到预期效果的一种创造性劳动过程。逻辑思维过程总体设计的成果，一般用逻辑思维过程总体设计框图来表示，这个框图是进行研究的指导性文件，它设计的合理与否直接关系到研究的成败。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、系统的分析、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。在研究过程中，既重视整体，也强调系统的分解与深化，各子系统在研究过程中始终保持信息联系，各子系统的研究成果需经过系统组装、协调与优化后再补充、修改、发展和完善。各部分的研究形成一个有机联系的整体。5.系统工程研究强调多学科协作，根据研究问题涉及的学科和专业范围，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。三、系统工程的理论和技术基础系统工程是一门交叉学科，有其宽广的理论和技术基础。它们主要是一般系统论、信息论控制论、运筹学、耗散结构理论、协同学、突变论等，通常把一般系统论、信息论、控制论称为“老三论”，而把耗散结构理论、协同学、突变论称为“新三论”。下面就这些方面的内容简要阐述如下。（一）一般系统论一般系统论（GeneralSystemTheory，简称GST）是由奥地利理论生物学家贝塔朗菲（1901一1972）首先提出并发展的，早在20世纪20年代他就提出“机体生物学”观点，用以反对生物学研究中的“机械论”和“活力论”，主张把一切有机体都作为一个整体、一个系统来研.11
农业系统工程究。1937年他首次提出一般系统论的基本思想，1945年正式发表了“关于一般系统论”的著作，但当时并没有引起人们的重视。20世纪50年代，他和不同学科但具有相同学术思想的学者创建了“一般系统论研究会”，并出版了“系统年鉴”，这时一般系统论才得到承认。20世纪60年代，一般系统论的影响不断扩大，其理论体系本身也逐步完善和发展，并开始在各个领域广泛应用而产生社会效益。1968年，他积数十年研究心得写成并发表了《一般系统论的基础、发展、应用》（GeneralSystemTheoryFoundation，Development，Applications）一书，进一步表述了一般系统论所包含的主要内容和基本观点。1.系统的整体性系统的整体性是系统最本质的属性。贝塔朗菲指出：“一般系统论是对整体和完整性的科学探索。”系统的整体性，根源于系统的有机性和系统的组合效应。系统整体性原理的基本内容可以概括为以下几个方面：①要素和系统不可分割。凡系统的组成要素都不是杂乱无章的偶然堆积，而是按照一定的秩序和结构形成的有机整体。系统与要素、整体与部分，这种“合则两存”、“分则两亡”的性质，就是系统的有机性。②系统整体的功能不等于各组成部分的功能之和。在系统论中1加1不等于2，这是贝塔朗菲著名的“非加和定律”。系统的这种非加和性又可以分为两种情况：一是“整体大于部分之和”，这种现象称为系统整体功能放大效应。二是“整体小于部分之和”，这种现象称为系统整体功能缩小效应。③系统整体具有不同于各组成部分的新功能，具有构成该整体的各个部分自身所没有的新的性质或功能，也就是说，系统整体的质不同于部分的质。2.系统的开放性生物系统本质上是开放系统，不同于封闭的物理系统，有其特殊性。贝塔朗菲认为，一切有机体之所以有组织地处于活动状态并保持其活的生命运动，是由于系统与环境处于相互作用之中，系统与环境不断进行物质、能量和信息的交换，这就是所谓的开放系统。正是由于生命系统的开放性，才使这种系统能够在环境中保持自身有序、有组织的稳定状态。他提出等因果律原理，用一组联立微分方程对开放系统进行数学描述，从数学上证明了开放系统的稳态，并不以初始条件为转移，指出了开放系统可以显示出异因同果律。3.系统的动态相关性任何系统都处在不断发展变化之中，系统状态是时间的函数，这就是系统的动态性。系统的动态性，取决于系统的相关性。系统的相关性是指系统的要素之间、要素与系统整体之间、系统与环境之间的有机关联性。它们之间相互制约、相互影响、相互作用，存在着不可分割的有机联系。相关就是联系。系统论的相关性原则与唯物辩证法普遍联系的原则是一致的。动态相关性的实质是揭示要素、系统和环境三者之间的关系及其对系统状态的影响。4．系统的层次等级性系统是有结构的，而结构是有层次、等级之分的。系统由子系统构成，底一级层次是高一级层次的基础，层次越高越复杂，组织越有序，并且系统本身也是另一系统的一个组成要素。系统中的不同层次及不同层次等级的系统之间是相互制约、相互关联的。自然系统、社会系统都有层次结构。等级层次结构存在于一切物质系统，因而人们对事物的认识也只是某一层面的认识。5．系统的有序性系统的有序性可从两方面理解。其一，是系统结构的有序性。若结构合理，则系统的有序程度高，有利于系统整体功效的发挥。其二，是系统发展的有序性。系统在变化发展中从低级结构向高级结构的转变，正体现了系统发展的有序性，这是系统不断改造自身、适应环境的结果。系统结构的有序性体现的是系统的空间有序性，系统发展的有序性体现的是系：12：
第一章系统工程概论统的时间有序性，两者共同决定了系统的时空有序性。（二）信息论信息论于20世纪40年代末产生，其主要创立者是美国的数学家申农（C.E.Shannon）和维纳。信息论是一门研究信息的获取、传送和处理等一般规律的科学。起初，信息论仅局限于通信领域，以应用概率论和数理统计方法研究信息处理和信息传递。它的基本内容是研究信源、信宿、信道及编码等问题。在此期间，申农提出了信息摘的数学公式，解决了信息的度量问题，建立了信息量的概念，以及提出了通信系统模型和编码定理等问题，初步解决了如何利用信道容量等问题。后来，信息论为控制论所采用，用以研究通信和控制系统中普遍存在着的信息传递的共同规律，同时用来研究如何提高信息传输系统的有效性和可靠性。在此期间，维纳建立了著名的维纳滤波理论、信号预测理论。人们根据不同的研究内容，把信息论分成三种不同的类型。狭义信息论：即申农信息论。主要研究消息的信息量、信道（传输消息的通道）容量以及消息的编码问题。一般信息论：主要研究通信问题，但还包括噪声理论、信号滤波与预测、调制、信息处理等问题。广义信息论：不仅包括前两项的研究内容，而且包括所有与信息有关的领域。进人20世纪70年代以后，信息概念和方法广泛渗透到各门科学领域，为了有效地开发和利用信息资源，追切要求突破申农的信息论的范围，把它发展成为处理人类活动中所碰到的一切信息问题的理论。早在申农信息论刚刚诞生时，曾与申农合作过的魏沃尔（W.Wearer）就指出了其局限性。他认为申农信息论只能解决信息传输的技术问题，而不能解决信息的语义（含义、内容）问题和信息的有效性（主观价值）问题。在这一时期，一方面，信息论在解决技术问题即信息的传输方面取得了新的进展；另一方面，对信息概念的扩展也取得了很大的成就。如，提出“语义信息”、“无概率（主观）信息”、“相对信息”、“有效信息”的概念，推广了“广义有效信息”、建立了“模糊信息论”、“算法信息论”等等。当前，信息的概念和方法已经广泛应用于物理学、化学、生物学、心理学、经济学、哲学等学科中。一门以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机、光导纤维为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要研究目标的信息科学正在形成。信息论中运用信息的观点，把系统看作是借助于信息的获取、传达、加工、处理而实现其有目的性的运动的一种研究方法。图1-3便是信息方法的图示。信息信息信息输人信息存储信息处理信息输出信息反馈图1-3信息方法信息方法以信息为基础，把系统有目的的运动抽象为一个信息变换过程。这与传统方法不.13
农业系统工程同，传统方法注重的是物质和能量在事物运动变化中的作用，而信息方法是以信息的运动作为分析和处理问题的基础，在分析和处理问题时，它完全撇开系统的具体运动状态，把系统的有目的的运动抽象为信息变换过程。如在对企业进行信息系统设计时，要摆脱信息系统对组织机构的依从性，着眼于企业过程，而不是围绕每一个部门来进行，这样设计出来的信息系统具有高的应变能力。传统方法在研究问题时，主要运用剖析法，这不利于掌握事物间的内在联系，甚至以孤立、静止的方法来研究事物，忽视事物的整体性。可见，传统方法对于复杂的系统，特别是活的有机体，往往显得无能为力。信息方法是用联系、转化的观点，综合研究系统运动的信息过程。在对复杂事物进行研究时，不对事物的整体结构进行析，而是从其信息流程加以综合考察，获取关于整体的性能和知识。这是一种新的认识问题、解决问题的方法。信息方法的意义就在于它揭示了机器、生物系统的信息过程，揭示了不同系统的共同信息联系；指示了某些事物的运动规律，如遗传现象、生物解体等活动规律；有利于管理、决策科学化，信息是管理、决策的基础，现代化管理、决策系统必须有信息系统功能；指明了信息沟通的重要性，在信源、信道、信宿间要有效地沟通。（三）控制论1947年由美国人维纳创立控制论，他对控制论的定义是：“关于动物和机器中控制与通信的科学。”维纳于1948年出版了《控制论》一书，明确地指明这门新科学既突破了动物和机器的界限，又突破了控制工程与通信工程的学科界限。维纳的控制论阐述了两个根本观念：①一切有生命、无生命系统都是信息系统。控制的过程也可以说是信息运动的过程。无论是机器还是生物，在构成控制系统的前提下，都存在着对信息进行接收、存取和加工的过程。②一切有生命、无生命系统都是控制系统。一个系统一定有它的特定输出功能，而要具有这种输出功能，必须有相应的一套控制机制。控制必须要有目标，没有目标，则无所谓控制。通过一系列有目的的行为及反馈使系统受到控制。人们根据维纳的定义形成的比较公认的看法是：“控制论是以研究各种系统共同存在的控制规律为对象的一门科学。”钱学森认为相对论、量子论、控制论是20世纪上半叶最伟大的三项理论。控制论的发展大致经历了三个时期。从20世纪40年代末到50年代是第一个时期，即经典控制论理论时期。在这一时期，主要的研究对象是单因素控制系统，重点是反馈控制，借以实现的工具是各种各样的自动调节器、伺服机构及其有关的电子设备，着重解决单机自动化和局部自动化问题。如用自动调节器来控制锅炉水位，用伺服机构使雷达自动跟踪目标，控制火炮自动瞄准等。但是这些都是单变化自动控制，只解决单输人与单输出系统的控制问题，在应用上有一定局限性。控制论发展的第二个时期为20世纪60年代，即现代控制理论时期。随着导弹系统，人造卫星，航天系统等科学技术的迅速发展，提出了多输人、多输出、高精度和参数时变系统的分析和设计问题，以往经典控制论已不能满足需要，因而这一时期控制论的主要研究对象就成了多因素控制系统，研究重点是“最优控制”，研究借助的工具是电子计算机。美国科学家卡尔曼等人将量子力学等内容引人到了控制论中，扩展了经典控制论的内容，将控制论从“经典控制论”推向“现代控制论”，从单变量的自动调节发展到多变量的最优控制。.14·
第一章系统工程概论进人20世纪70年代以后，是大系统控制理论时期。在这一时期，主要研究对象是因素众多的大系统，重点是大系统多级递阶控制，借助的工具是电子计算机联机和智能机器，应用领域主要为社会系统、经济系统、生态系统、管理系统、环境系统等。这些大系统是大规模复杂系统，其规模庞大、结构复杂、环节数量大或层次较多，其间关系错综复杂，影响因素众多，并常带有随机性。研究大系统的结构方案、稳定性、最优化、建立模型与模型简化等问题成为大系统理论的主要内容。分解与协调的方法是大系统优化的基本方法。（四）运筹学运筹学一词起源于20世纪30年代。据《大英百科全书》释义，“运筹学是一门应用于管理有组织系统的科学”，“运筹学为掌管这类系统的人提供决策目标和数量分析的工具”。中国大百科全书的释义为：运筹学“用数学方法研究经济、民政和国防等部门在内外环境的约束条件下合理分配人力、物力、财力等资源，使实际系统有效运行的技术科学，它可以用来预测发展趋势，制定行动规划或优选可行方案”（自动控制与系统工程卷，1991年版）。《辞海》（1979年版）中有关运筹学条目的释义为：运筹学“主要研究经济活动与军事活动中能用数量来表达有关运用、筹划与管理方面的问题，它根据问题的要求，通过数学的分析与运算，作出综合性的合理安排，以达到较经济较有效地使用人力物力”。《中国企业管理百科全书》（1984年版）中的释义为：运筹学“应用分析、试验、量化的方法，对经济管理系统中人、财、物等有限资源进行统筹安排，为决策者提供有依据的最优方案，以实现最有效的管理”。运筹学一词在英国称为operationalresearch，在美国称为operationsresearch（缩写为O.R.），可直译为“运用研究”或“作业研究”。由于运筹学涉及的主要领域是管理问题，研究的基本手段是建立数学模型，并比较多地运用各种数学工具。从这点出发，有人将运筹学称做“管理数学”。1957年我国从“夫运筹惟之中，决胜千里之外”（见《史记·高祖本记》）这句古语中摘取“运筹”，将O.R，正式译作运筹学，包含运用筹划，以策略取胜等意义，比较恰当地反映了这门学科的性质和内涵。朴素的运筹学思想在我国古代文献中就有不少记载。例如齐王赛马和丁滑主持皇宫的修复等事。齐王赛马是说一次齐王和田忌赛马，规定双方各出上、中、下三个等级的马各一匹。如果按同等级的马比赛，齐王可获全胜，但田忌采取的策略是以下马对齐王的上马，以上马对齐王的中马，以中马对齐王的下马，结果田忌反以二比一获胜。但运筹学这个名词的正式使用是在1938年，当时英国为解决空袭的早期预警，做好反侵略战争准备，积极进行“雷达”的研究。但随着雷达性能的改善和配置数量的增多，出现了来自不同雷达站的信息以及雷达站同整个防空作战系统的协调配合问题。1938年7月，波得塞（Bawdsey）雷达站的负责人罗伊（A.P.Rowe）提出立即进行整个防空作战系统运行的研究，并用“operational research”一词作为这方面研究的描述，这就是0.R.（运筹学）这个名词的起源。1940年9月英国成立了由物理学家布莱克特（P.M.S.Blackett）领导的第一个运筹学小组，后来发展到每个英军指挥部都成立运筹学小组。1942年美国和加拿大也都相继成立运筹学小组，这些小组在确定扩建舰队规模、开展反潜艇战的侦察和组织有效的对敌轰炸等方面作了大量研究，为取得反法西斯战争的胜利及运筹学有关分支的建立作出了贡献。1939年前苏联学者康托洛维奇（JI.B.KaHTOpOBHy）出版了《生产组织与计划中的数学方法》一书，对列宁格勒胶合板厂的计划任务建立了一个线性规划的模型，并.15·