1、第一章 系统工程概述 第一节：系统工程的产生、发展及应用 第二节：系统工程的研究对象 第三节：系统工程的概念与特点第一章 系统工程概述一、系统思想及系统理论的产生与发展 系统思想的发展经历了三个阶段，即：“只见森林”（朴素的系统思想）阶段“只见树木”阶段“先见森林，后见树木”（科学的系统思想）阶段。古代中国和古希腊在系统思想的产生与早期发展中具有突出地位和贡献。第一节 系统工程的产生、发展及应用类类别别实例实例内容内容对系统论的主要贡献对系统论的主要贡献1.将阴阳与五行结合，并用此表征万物；2.把人作为一个完整的复杂，利用阴阳平衡、天人相应原理解释人体生理现象；3.提出对人的疾病要辨证施治，是
2、传统中医中药学发展的理论基础。诸子百家与著名系统工程案例对军事、自然、社会等现象进行论争，形成了中国独有的军事（孙子兵法）、自然科学（日晷）、道德和社会伦理（儒家等）体系，并将其应用于具体的工程项目（都江堰等）1.世间万物由要素组成，要素之间存在相互联系；2.要素的不同组合、不同结构可以形成世间万物；3.将阴阳平衡思想应用于医学，成功地分析了人的生理系统，发展了中国医学；4.根据对军事对弈中敌我彼此关系的分析，提出的对策直接贡献给了系统科学中的对策理论。中国古代文化的系统思想易经与阴阳八卦用独特的爻卦、阴阳体系表征世间万物并解释世界阴 阳 五 行和皇帝内经泰勒斯认为水是万物之源万物均来自水阿那
3、克西曼德的自然系统世界由水、空气、土和火四个元素组成1.宇宙由火组成；2.提出“一切皆流，一切皆变”、“人不能两次走进同一条河流”。1.数的单位或者分立的微粒是宇宙的基础；2.数为宇宙提供了一个概念的模型，数量和形状决定一切自然物体的形式；3.天体运动必须是均匀的圆周运动。德谟克利特的原子论宇宙万物都由原子组成1.认为哲学家的主要任务是治理人和社会，而不是理解和控制自然；2.用提问法研究伦理。1.系统地发展了辩证法；2.宇宙最初由两个三角形发展而来。1.创造了形式逻辑，系统研究了思维规律；2.提出了三段论和整体论；3.提出运行的天体是物质实体。古希腊哲学中的系统思想赫拉克利特的自然系统毕达哥拉
4、斯的宇宙系统苏格拉底的提问法柏拉图的宇宙观亚里斯多德的三段论和整体论1.提出了各种对宇宙的组成的假设；2.利用数学来描述要素之间的关系；3.发展了一系列科学的研究方法；5.极大地发展了自然科学、社会科学和人类伦理科学；4.发明了一系列自然、社会和人类的规律；6.在系统的要素、要素之间的关系、系统的结构、系统的功能、系统的演化等方面具有丰富而深刻的研究成果。1.对复杂的天体系统有深刻研究；2.提出日心说。1.对科学研究方法有独到研究；2.提出定性归纳推理的研究方法。1.将几何学代数化，创立了解析几何；2.提出了数学演绎的研究方法；3.提出了质量、时间、空间三个基本量纲；4.提出“我思固我在”。1
5、.提出了辩证法和唯物主义；2.提出了辩证法三个规律。1.取得了人类历史上一系列最重大的科学发明；2.创立了物理学、化学、生物学等自然科学及其分支；3.丰富了数学、天文学、哲学理论。培根的新工具论笛卡尔的方法论和解析几何学马克思的系统思想反映系统思想的其他科学成果1.研究的深入导致了自然科学分子的发展，自然科学的整体得到了专业化细分；2.取得了人类对自然系统的组成、要素关系、运行规律等方面认识的突破性成果；3.发展和完善了科学的方法论。近现代西方自然科学的系统思想哥白尼的天体运行论埃及金字塔修建中的谜公元前27世纪，没有采掘机械，没有装卸和运输工具，古埃及人建造了巨大的金字塔。中国长城是如何修建
6、的?近3000年前，中国人花2000多年时间修筑了总长度达50000多公里的长城。中国都江堰水利枢纽工程2500多年前，李冰父子在成都修建了包含鱼嘴、飞沙堰和宝瓶口三个主要工程的都江堰水利枢纽工程。1.泰罗根据“动作研究”的结果发明了“泰罗制”；2.法约尔提出了管理5要素；3.巴拉德第一次明确定义了“管理系统”概念；4.系统论、信息论、控制论、协同论、耗散结构正式提出。管理学及管理工程实践的系统思想管理学理论中的系统思想1.将管理对象、管理过程作为一个整体进行研究，促进了人们对管理系统内组成要素、要素之间关系的认识；2.将理论应用于管理工程实践，创造了人类奇迹；3.系统论及相关理论直接出现。整
7、体思想和联系思想是科学系统思想的核心与实质。二、系统工程的理论的形成与发展系统理论包括：1、老三论老三论（形成于二十世纪四十年代）：一般系统论、控制论和信息论。2、新三论新三论（形成于二十世纪七十年代）：耗散结构理论、协同论和突变论。一）控制论（Cybernatics）控制论是用数学工具研究控制机构或控制系统控制论是用数学工具研究控制机构或控制系统运行一般规律的科学运行一般规律的科学 1、控制论的产生与发展 1947年由美国人维纳（Norbert Wiener）创立的控制论（Cybernetics）是一门研究系统的控制的学科。维纳于1948年出版了控制论一书，他对控制论的定义是：“关于动物和机
8、器中控制和通信的科学。”控制论的发展已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，即经典控制理论时期。在这一时期，主要的研究对象是单因素控制系统，即单输入单输出的自动调节系统，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。控制论发展的第二个时期为60年代，即现代控制理论时期。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。以火箭运载的卫星、飞船、导弹等的飞行为例:火箭的质量特性要用变质量力学来描述；控制是在远距离上实现的；火箭的距离、速度、加速度、
9、飞行姿态、多级工作程序等参数都需要控制,因而是一种多输入多输出的多路控制；控制要求高度精确；地面系统复杂而庞大,控制问题复杂。一般认为,现代控制理论的奠基者是匈牙利出生的美国人卡尔曼。进入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。2、控制系统 控制系统由施控器、受控器和控制作用的传递者三者组成，形成一个整体的控制功能和行为，但这又是相对于某种环境而言。因而可以把施控器、受控器和控制作用的传递者三个部分所组成的、相对于某种环境而具
10、有控制功能与行为的系统，称为控制系统。3、控制论对系统工程方法论的启示 黑箱灰箱白箱法 功能模拟法（如：蝇眼照相机）形式化、数量化、最优化方法 举例：恒温箱下图是恒温箱的人工控制系统的结构图。要求恒温箱中的温度保持恒定。为了测量恒温箱中的温度，安装一个温度计来指示恒温箱中的温度，这个温度就是系统的输出量，或称被控制量。操作者始终观察温度计的温度，当小于恒温箱给定时，就增大加热装置的电流；相反当大于恒温箱给定时，就减小电流。这样恒温箱就能保持给定的温度。人在这个系统中有以下的作用：1观察恒温箱中温度。2比较恒温箱中温度与给定温度的差值。3调节加热电流的大小。人工控制系统结构图 了解了人工控制系统
11、的原理，我们只要用一些设备模仿和代替人的智能，就可以把它变成自动控制系统。首先用热电偶来代替温度计来测量温度的值，然后用比较放大电路代替人对温度的比较，用电机代替人手来转动恒温箱的电流调节装置。只要放大电路的极性和电机的转动方向合理选择，就可以完成自动控制恒温箱温度的工作。自动控制系统的结构图下图所示。自动控制系统结构图二）信息论（informatics）1、信息论的基本思想v信息论是一门研究信息传输和信息处理一般规律的学科。v信 息 论 起 源 于 通 讯 理 论，是 美 国 科 学 家 申 农（Shannon）在1948年创立的。v信息论的基本思想和方法完全撇开了物质、能量等各种具体客观形
12、态，而把任何通讯和控制系统都看作是一个信息的传输和加工处理系统，把系统有目的运动抽象为信息变换过程，通过系统内部的信息交流使系统维持正常的有目的的运动。所有系统，在信息论的框架中，是一个进行信息变换和信息处理的机构。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：主要研究通讯问题，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。2、什么是信息v申农对信息的定义：不确定性的减少即：信息量是把某种不确定性趋向于确定
13、的一种度量，信息量的大小取决于消息的不确定减少程度，不确定减少程度越大，则信息量越大；不确定减少程度小则信息量越少。v消息与信息：消息是信息的携带者，但并非每条消息都带有信息，或带有同等信息量的信息。例：到会场找人消息A：某人在会场里消息B：某人在会场的偶数排显然，对找到该人这一目的来说，消息B所含的信息量比消息A大，因为消息B更容易减少不确定性。例：气象预报 甲 乙4/1,4/1,4/1,4/1)(小雨大雨阴晴ypY8/1,8/1,4/1,2/1)(小雨大雨阴晴xpX“甲地晴”比“乙地晴”的不确定性来的小 某一事物状态出现的概率越小，其不确定性越大。某一事物状态出现的概率接近于1,即预料中肯
14、定会出现的事件，那它的不确定性就接近于零。3、信息的度量信息熵设描述某一事件的消息源可能发出的消息分为x=(x,x xn)而各可能消息是否会发出的概率为p,p,pn，并满足归一性条件：pppn1按以上概率从消息源中随机地发送消息，形成一个消息序列。定义一：若某事件出现概率为p，则这一事件所具有的信息量为：pplog1log定义二：可能消息集合X的整体平均信息量称为信息熵，简称为熵。公式为：iniippHlog1思考：一场球赛，双方势均力敌与双方实力悬殊，哪一种更吸引观众（信息量大）？信息论研究运用了类比方法和统计方法 信息论运用了科学抽象和类比方法，将消息、信号、情报等不同领域中的具体概念，进
15、行类比，抽象出了信息概念和信息论模型。针对信息的随机性特点，运用统计数学（概率论与随机过程），解决了信息量问题，并扩展了信息概念，充实了语义信息、有效信息、主观信息、相对信息、模糊信息等方面的内容。三）一般系统论1、一般系统论的产生 背景：本世纪初，物理学、力学、化学等已得到深入发展、学科体系已趋于完整。生物学却仍处于一种想象，试验的阶段。例如，生命的起源、生命的本质等问题，就存在两种激烈争论的观点：机械论与活力论。v 机械论：认为生物体应像机械体一样服从物理学、化学所阐明的各种规律，也就是说，把生命问题简化为物理和化学问题，纯粹用物理原因和化学原因来说明一切生命的生理现象和心理过程。所以无法
16、说明生命体的统一性。v 活力论：认为不能把生命现象简单地归结为物理与化学过程，但却用“超自然的活力”来解释生命现象，认为有机界和无机界之间有一道不可逾越的鸿沟，支配生物体的是一种超物质力量。美藉奥地利生物理论专家贝塔朗菲等人不满于机械论和活力论的解释，提出有有机体概念，强调要从整体关联角度看问题。后来，“有机体”概念被进一步发展为“一般系统论”。现代系统论的发展有两个主要线索：一个是从研究生物有机体角度产生的一般系统论，另一个是从研究技术工程及劳动管理角度产生的系统工程学。2、一般系统论的基本观点系统的整体性系统的开放性系统的动态相关性系统的多级递阶性系统的有序性3、对系统方法论及系统方法的启
17、示四）耗散结构理论、协同学、突变论原理等新 的系统理论及其启示耗散结构理论耗散结构理论(dissipative structure theory)1969；比利时统计物理学家I.普利高津 研究远离平衡态的开放系统从无序到有序研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论的演化规律的一种理论协同学协同学(synergetics)70年代初，联邦德国理论物理学家 H.哈肯 研究协同系统从无序到有序的演化规律的研究协同系统从无序到有序的演化规律的新兴综合性学科新兴综合性学科突变论突变论(catastrophe theory)60年代末，法国数学家 R.托姆 研究不连续现象的一个新兴数学分支
18、，也研究不连续现象的一个新兴数学分支，也是一般形态学的一种理论，能为自然界中形是一般形态学的一种理论，能为自然界中形态的发生和演化提供数学模型态的发生和演化提供数学模型五）运筹学 运筹学是用数学方法研究系统最优化问题的学科，运筹学着重于发挥现有系统的效能，通过建立系统的数学模型，求出合理运用人力、物力和财力的最优方案。应用运筹学处理问题的一般步骤：运筹学与系统工程运筹学与系统工程运筹学和系统工程可以看作是属于一个领域中的两个姐妹学科，都是系统思想方法定量化的实际应用研究。运筹学发展成为一个专门的数学分支，由数学家进行专门研究，并为系统工程提供最重要的方法和理论基础。运筹学的目的：增加现有系统效
19、率的分析工作，通常涉及现已存在系统的运营情况，如工厂、市场等系统；以专业技术为导向，分析程序由下而上（战术）系统工程：对若干可供选择的执行特定任务的系统方案进行选择比较；以问题状况为导向，分析程序由上而下（战略）三、系统工程的发展概况阶段阶段年代（份）年代（份）重大工程实践或重大工程实践或事件事件重要理论与方法贡献重要理论与方法贡献I1930美国发展与研究美国发展与研究广播电视广播电视正式提出系统方法（正式提出系统方法（Systems approach）的概念的概念1940美国实施彩电开美国实施彩电开发计划发计划采用系统方法，并取得巨大成采用系统方法，并取得巨大成功功美国美国Bell电话公司电
20、话公司开发微波通讯系开发微波通讯系统统正式使用系统工程（正式使用系统工程（Systems Engineering）一词一词II第二次世界第二次世界大战期间大战期间英、美等国的反英、美等国的反空袭等军事行动空袭等军事行动产生军事运筹学（产生军事运筹学（Military Operations Research）,也即军也即军事系统工程事系统工程本世纪本世纪40年年代代美国研制原子弹美国研制原子弹的的“曼哈顿计划曼哈顿计划”运用运用SE，并推动了其发展并推动了其发展1945美国空军建立兰美国空军建立兰德（德（RAND）公司公司曾经提出系统分析（曾经提出系统分析（Systems analysis）概念
21、，强调了其重要概念，强调了其重要性性III40年代后期到年代后期到50年代初期年代初期运筹学的广泛运用与发展、控制论的创立运筹学的广泛运用与发展、控制论的创立与应用、电子计算机的出现，为与应用、电子计算机的出现，为SE奠定了奠定了重要的学科基础重要的学科基础IV1957H.Good和和 R.E.Machol发表第一发表第一部名为系统工程部名为系统工程的著作的著作系统工程学科形成的标志系统工程学科形成的标志1958美国研制北极星导弹美国研制北极星导弹潜艇潜艇提出提出PERT（网络优化技网络优化技术），这是最早的系统工术），这是最早的系统工程技术之一。程技术之一。1965R.E.Machol编著系
22、编著系统工程手册统工程手册表明系统工程的实用化和表明系统工程的实用化和规范化规范化美国自动控制学家美国自动控制学家L.A.Zedeh提出提出“模模糊集合糊集合”概念概念为现代为现代SE奠定了重要的数奠定了重要的数学基础学基础1961-1972美国实施美国实施“阿波罗阿波罗”登月计划登月计划使用了多种使用了多种SE方法，其成方法，其成功极大地提高了功极大地提高了SE的地位的地位IV1957H.Good和和 R.E.Machol发表第发表第一部名为系统工程的著一部名为系统工程的著作作系统工程学科形成的标志系统工程学科形成的标志1958美国研制北极星导弹潜艇美国研制北极星导弹潜艇提出提出PERT（网
23、络优化技术），网络优化技术），这是最早的系统工程技术之一。这是最早的系统工程技术之一。1965R.E.Machol编著系统工程编著系统工程手册手册表明系统工程的实用化和规范化表明系统工程的实用化和规范化美国自动控制学家美国自动控制学家L.A.Zedeh提出提出“模糊集合模糊集合”概念概念为现代为现代SE奠定了重要的数学基础奠定了重要的数学基础1961-1972美国实施美国实施“阿波罗阿波罗”登月计登月计划划使用了多种使用了多种SE方法，其成功极大方法，其成功极大地提高了地提高了SE的地位的地位V1972国际应用系统分析研究国际应用系统分析研究所（所（IIASA）在维也纳在维也纳成立成立SE的应
24、用开始从工程领域的应用开始从工程领域进入到社会经济领域，并进入到社会经济领域，并发展到了一个重要的新阶发展到了一个重要的新阶段。段。70年代年代SE的广泛应用在国际上达到高潮的广泛应用在国际上达到高潮VI80年代年代SE在国际上稳定发展、在中国的研究与应用达到高在国际上稳定发展、在中国的研究与应用达到高潮潮四、系统工程在中国的发展及应用 上世纪上世纪5050至至6060年代，我国的一些研究机构和年代，我国的一些研究机构和著名学者为著名学者为SESE的研究与应用作了理论上的探讨、的研究与应用作了理论上的探讨、应用上的偿试和技术方法上的准备。其主要标志应用上的偿试和技术方法上的准备。其主要标志和集
25、中代表是和集中代表是钱学森的工程控制论、华罗庚钱学森的工程控制论、华罗庚的统筹法和许国志的运筹学。的统筹法和许国志的运筹学。我国大规模地研究与应用我国大规模地研究与应用SESE是从是从7070年代末、年代末、8080年代初开始的。年代初开始的。1978 1978年年9 9月月2727日，日，钱学森、许国志、王寿云在文钱学森、许国志、王寿云在文汇报发表题为汇报发表题为“组织管理的技术组织管理的技术系统工程系统工程”的的长篇文章；长篇文章；从从19781978年起，年起，西安交大、天津大学、清华大学、华西安交大、天津大学、清华大学、华中理工大学、大连理工大学等国内著名大学开始招收中理工大学、大连理
26、工大学等国内著名大学开始招收了第一批了第一批SESE专业硕士研究生；专业硕士研究生；19801980年年1111月，月，中国系统工程学会在北京成立；中国系统工程学会在北京成立；19801980年年1010月至月至19811981年年1 1月，月，中国科协、中央电视台会中国科协、中央电视台会同中国系统工程学会、中国自动化学会联合举办同中国系统工程学会、中国自动化学会联合举办“系系统工程电视普及讲座（统工程电视普及讲座（4545讲）讲）”，取得了良好的社会，取得了良好的社会效果。效果。70 70年代末以来，年代末以来，应用应用SESE理论和方法来研究与解决理论和方法来研究与解决我国的重大现实问题，
27、在许多领域和方面取得了较好我国的重大现实问题，在许多领域和方面取得了较好的效果，如：的效果，如：人口问题的定量研究及应用（始于人口问题的定量研究及应用（始于19781978年）、年）、20002000年中国的研究年中国的研究(1983(1983至至19851985年）、全国和地区能源规划（始于年）、全国和地区能源规划（始于19801980年）、年）、全国人才和教育规划（始于全国人才和教育规划（始于19831983年）、农业系年）、农业系统工程（始于统工程（始于19801980年）、区域发展战略（始于年）、区域发展战略（始于19821982年）、投入产出表的应用（始于年）、投入产出表的应用（始于
28、6060年代和年代和19761976年）、军事系统工程（始于年）、军事系统工程（始于19781978年）、水年）、水资源的开发利用（始于资源的开发利用（始于19781978年）等。年）等。90 90年代以来，年代以来，系统工程在与企业发展结合、与现系统工程在与企业发展结合、与现代信息技术结合、与实施可持续发展战略结合、与思代信息技术结合、与实施可持续发展战略结合、与思维科学结合等方面已具有初步结果和强劲势头。维科学结合等方面已具有初步结果和强劲势头。第一章:系统工程概述第二节 系统工程的研究对象一一.系统的概念系统的概念 1.1.系统的定义：系统的定义：系统是由两个以上相互联系系统是由两个以上
29、相互联系的要素所构成，且具有特定功能、结构、环境的的要素所构成，且具有特定功能、结构、环境的整体。整体。S1 S2 S4 S3 系统输入 系统输出 S1，S2，S3，S4系统部件 系统结构 系统周界 系统环境 系统的基本概念图系统的基本概念图 原材料 生产车间 办公室 成品库 商品销售系统 社会供应系统 物质流 信息流 指令流 工厂生产系统 成品输出 原材料等输入 外界社会系统环境 2.2.系统的属性：系统的属性：整体性整体性 如：拿破仑的系统思想拿破仑的系统思想 三个和尚没水吃1+12 三个臭皮匠，胜过诸葛亮1+12 田忌赛马关联性关联性 要素之间存在复杂的相互关系，要素之间的联系不是简单的
30、叠加，而是以一定的组织形式结合。系统结构决定系统工程系统结构决定系统工程环境适应性环境适应性 系统不能脱离环境而存在；系统要适应环境，并可以对环境产生影响。集合性 系统是由若干可以相互区别的要素组成，这些要素可以是实体也可以是非实体。制造系统=工作机，操作者，工具，图纸.;工厂=设备，原材料，经营，人员.目的性目的性 目的性是系统设计的出发点，它决定了系统的基本功能；系统的目的是通过实现一系列的目标来实现的。这些目标有时可能是矛盾的，但要在整体上达到协调；系统的目标是通过一系列功能来实现的，而功能是通过同时或顺次完成一系列任务来达到的。如：建造房屋层次性层次性 系统要素作为一个整体有一定的层次
31、结构；人类社会系统：阶级，管理的层次等。如：教育系统 下面，我们来看一个实例：城市交通综合系统 城市交通综合系统是一个庞大的动态系统，它本身的状态是随时间变化而变化的。其结构如下图所示：城市交通综合系统 交通环境条件 道路交通条件路段交通系统路口交通系统交通设施系统行人交通系统公共交通系统交通管理系统公共场所分布居民住宅分布公交站点分布停车场分布企事业单位分布第三产业网点分布二二.SESE的研究对象是大规模复杂系统的研究对象是大规模复杂系统 该类系统的主要特点有：该类系统的主要特点有：规模庞大、规模庞大、结构复杂、属性及目标多样、一般为人结构复杂、属性及目标多样、一般为人-机系统、经济性突出等
32、。机系统、经济性突出等。三三.系统的类型系统的类型 自然系统与人造系统 实体系统与概念系统 动态系统与静态系统 封闭系统与开放系统 主要明确主要明确SESE研究什么样的系统问题研究什么样的系统问题管理系统问题举例国家政策市场研究技术经济预测竞争状况企业能力资金来源资源条件社会需求生产可能生产组织与控制物、财、人、信息生产控制库存控制质量控制成本控制资金回收产品销售服务调查经 营 目 标产 品 开 发经 营 计 划生产技术准备技术文件劳动力劳动手段劳动对象环境分析经营决策与计划投入转换产出图11工业企业生产经营活动过程示意图 第三节 SE的内容与特点 所谓所谓SESE，是用来开发、运行、革新一个
33、是用来开发、运行、革新一个大规模复杂系统所需大规模复杂系统所需思想、程序、方法思想、程序、方法的总的总和（或总称）。和（或总称）。SESE强调以下基本观点：强调以下基本观点：(1)(1)整体性和系统化观点（前提）整体性和系统化观点（前提）(2)(2)总体最优或平衡协调观点（目的）总体最优或平衡协调观点（目的）(3)(3)多种方法综合运用的观点（手段）多种方法综合运用的观点（手段）(4)(4)问题导向及反馈控制观点（保障）问题导向及反馈控制观点（保障）系统工程案例 丁渭修宫 都江堰水利工程 阿斯旺(Aswan)大坝 阿波罗登月计划 北宋末年皇城失火，一夜之间皇城变成断壁残垣；皇帝诏令大臣丁渭组织
34、民工限期修复烧毁的宫殿。背景资料：北宋：公元9601127 年；皇宫位于河南开封，近汴河。丁渭修宫当时，使丁渭头痛的三个主要问题是：1.京城内烧砖无土，2.大量建筑材料很难运进城内，3.清墟时无处堆放大量的建筑垃圾。如何在规定时间内按圣旨完成皇宫修复任务，做到又快又好呢？丁渭经过反复思考，终于想出了一个巧妙的施工方案，不但提前完成了这项修筑工程，而且“省费以亿万计”节省了大量金银。丁渭修宫丁渭修宫一举三得背景：岷江是长江上游的一条较大的支流，发源于四川北部高山地区。每年春夏季节山洪暴发，江水奔腾而下，从灌县进入成都平原，由于河道狭窄，古时常常引起洪灾。洪水一退，又是沙石千里。灌县岷江东岸的玉垒
35、山又阻碍江水东流，造成东旱西涝，东部地区土地干裂，民不聊生。秦昭襄王五十一年(公元前256年)，李冰任蜀郡太守(太守相当于现在的专员或大于专员，小于省长)，他为民造福，主持修建了著名的都江堰水利工程，排除洪灾之患。都江堰工程岷江内江外江都江堰市都江堰工程思考1 作为一项系统工程，鱼嘴、飞沙堰和宝瓶口是都江堰渠首工程的三大主体工程，请你利用系统结构功能相关规律来说明这三者是如何协作，从而起到清除泥沙和防御洪水的作用的？2 在当代，很多水利工程都采用拦江修建大坝的方式来调配江水，可是都江堰却没有拦断江水，只是在岷江中修建了一座像鱼一样的大堤，既起到了大坝和水闸所具有的作用，又没有任何人为因素干涉，
36、从而保持了这一方水土的自然天成。两千多年来，都江堰没有对生态环境产生一丝负面影响，却给予了蜀地万民长久的安康富足。请你说说系统的开放性原理在这项工程中得到的体现。答案要点1、（1）系统的结构与功能相互联系原理。（2）都江堰的鱼嘴、飞沙堰和宝瓶口具有不同的结构，因此表现出来的功能也不具相同，三者相辅相成，从首部、中后部、尾部对水量和沙石量进行调节，共同实现这个水利工程的最终目的。2、（1）系统必须保持开放，不断与外界环境交换物质、能量、信息，从而保证系统的稳定性并不断地发展演化，封闭的系统是不存在的，也必将走向灭亡。（2）鱼嘴把岷江分为内、外二江，根据季节变化来调整两江的流量，使得两江在不断平衡
37、中达到稳定；当江水通过鱼嘴进入内江时，如果内江水量过大时，洪水就会翻越飞沙堰，通过外江排走，带走多余沙石，实现内、外二江物质、能量的交换，使得内江系统的稳定；当江水到达宝瓶口时，若内江流量较大，洪水就通不过狭窄的宝瓶口，多余的岷江水被拒之门外，迅速回流入外江，再次与外江进行能量的交换。由此可见，整个都江堰工程是个开放的系统工程，内、外江之间不断地进行各自所需物质、能量的交换和调整，从而保证整个系统的稳定发展。世界上的诸多水利工程 水利工程作为一项重大的系统工程，并非只是简简单单的主体工程建设的问题，要考虑到周边的生态环境、地形等众多因素，因此，人们对此都抱着非常谨慎的态度。兴建一个良好的水利工
38、程将是一项功在当代、利在千秋的大事情，以都江堰为例，两千多年来，它促进了整个成都平原生态环境的协调发展和社会经济效益的提高。与此相反，世界上不乏有很多工程完工之后却带来了很多意想不到的灾难。20世纪30年代，美国人建造了巨大的胡佛水坝和米德湖水库，然而水库建成后三年间，这个历史上从没有地震记录的地区发生了数百次小地震。20世纪60年代初，印度人为向孟买及其周边地区提供充足的水源，修建了弋伊纳水库，但建成一年后，水库储水的重量导致下面的岩层内应力升高，地震便开始在这个历史上无地震的区域频繁发生，并于1967年12月10日，造成177人死亡、2300余人受伤的惨剧。20世纪70年代初，埃及的阿斯旺
39、水坝竣工，虽然这座水坝给埃及人带来了廉价的电力，控制了水旱灾害，灌溉了农田，但是也带来诸多环境和生态问题。2019年，美国缅因州的Edwards坝在工作了162年后被反对者说服当局拆除，原因是大坝破坏了大西洋鲑鱼、条纹石酯和鲟鱼的生存环境。阿斯旺(Aswan)大坝 背景:大坝兴建于20世纪50年代，埃及人口增长很快，年增长率达到百分之三，可利用的自然资源却非常有限。埃及政府希望通过修建尼罗河高坝，开发新的资源以推动经济发展。当时的埃及政府和水利专家们认为，修建尼罗河高坝是一箭数雕的高明之举：即可控制河水泛滥，又能储水、以便在枯水季节灌溉；可以大幅度扩大可灌溉的耕地面积，以适应增长的人口；产生巨
40、大的发电能力，为工业化提供充裕而廉价的能源；修造大坝所形成的巨大水库及对下游水位的调节，可以发展淡水养殖及内河航运。大坝建设过程 1960年破土动工，五年后大坝合龙，1967年大坝工程正式完工。阿斯旺大坝是当时世界上最大的高坝工程。它高112米、长5公里，将尼罗河拦腰切断，在高坝内形成了一个长650公里、宽25公里的巨大水库纳赛尔湖。1970年，大坝内安装的十二部水利发电机组全部投入运转。大坝建成后的效益 调节了下游流量，防止了洪水泛滥；利用蓄积的水量扩大了灌溉面积，近100万公顷的沙漠得以被开垦成可耕地；大坝电站每年发电80亿千瓦时，解决了埃及的能源短缺问题；可以说，当时埃及政府修建阿斯旺大
41、坝的预期目标，全部实现了。大坝对生态和环境的破坏 大坝工程造成了沿河流域可耕地的土质肥力持续下降,沿尼罗河两岸出现了土壤盐碱化。由于河水不再泛滥，不再有雨季的大量河水带走土壤中的盐分，而不断的灌溉又使地下水位上升，把深层土壤内的盐分带到地表，再加上灌溉水中的盐分和各种化学残留物的高含量，导致了土壤盐碱化。库区水质恶化，附近居民的健康受到危害。库区水的大量蒸发是水质变化的一个重要原因；土地肥力下降迫使农民不得不大量使用化肥，化肥的残留部分随灌溉水又回流尼罗河。大坝对生态和环境的破坏(续)河水性质的改变使水生植物及藻类到处蔓延，不仅蒸发掉大量河水，还堵塞河道灌渠。每年由于水生杂草的蒸腾损失的水量就
42、达到可灌溉用水的百分之四十。尼罗河下游的河床遭受严重侵蚀，尼罗河出海口处海岸线内退。大坝建成后的十二年中，从阿斯旺到开罗，河床每年平均被侵蚀掉2厘米；一位原埃及士兵说，他曾站过岗的灯塔现在已陷入海中，距离目前的海岸竟然有一到二公里之遥。大坝利弊的综合评估 阿斯旺大坝建成后陆续出现的生态和环境问题 有些是设计时预料到、但无法避免或无力解决的；有些是有所预料、但对其后果的严重性估计不足的；还有些问题是完全没有预料到的。直到今天，人们仍然认为，要精确地预测大坝对生态和环境的影响还是相当困难的。目前很多国家的公众舆论和学者专家们往往对超大型水利设施的建设持反对或谨慎的态度。思考 阿斯旺水坝受到的争议颇
43、多，不过很多人认为尽管这项工程导致生态环境的恶化，可是却具有防止尼罗河泛滥成灾，在大旱时期提供充足的水源，为埃及供应廉价的电力资源等等益处，利大于弊，因而不失为一项成功的水利工程。请你利用系统的目的性原理来分析一下这项系统工程的成与败？答案要点（1）系统的目的是多元化的有时还是冲突的。要对系统的不同目的进行协调和权衡，对最初可能是自相矛盾的系统的目的必须归为统一，让系统的目标一致起来，同时，还要对系统所包含的要素的目的进行优化。（2）建成的埃及阿斯旺水坝具有多项功能，通过不同功能的实现从而会达到不同的目的。如果从提供充足的水源、廉价的电力资源来看，它的建造是成功的；如果从改善生态环境来看，它是
44、失败的。这两个目标是有冲突的，因此有必要对系统的不同目的进行协调和权衡，调整系统的结构，对阿斯旺水坝所涉及的要素进行优化，实现目的性的统一，即在改善生态环境的基础上提高埃及人的生活水平，促进埃及经济的发展。70阿波罗登月计划阿波罗登月计划:系统工程发展的里程碑目标：在10年内将人送上月球，并使其安全地返回地球经费：250亿美元 1969年7月，阿波罗飞船登上月球，标志着系统工程及其在装备研制中应用的日趋成熟。“阿波罗”登月计划阿波罗计划顺利实施，是现代系统科学研究的成功典范。此项工程组织了2 万多个公司、120 多所大学，动用了42 万人参加，投入了300 亿美元的巨资，用了近10 年的时间，
45、终于实现了人类征服地球引力，遨游太空，登上月球探险的梦想。整体阿波罗登月计划之所以能如期完成，关键在于运用系统方法进行有效的组织管理。72阿波罗登月中的创建性工作:方案的开发和选择 详尽而明确的研制规划制定 总体性能指标的控制 解决系统内部接口问题 系统分析与管理的新方法73 方案开发和选择登月方案登月方案几十个几十个筛选比较筛选比较 直接登月直接登月 地球轨道交会地球轨道交会 月球轨道交会月球轨道交会月球轨道交会方案月球轨道交会方案论证论证计算计算74系统总目标系统总目标 详尽而明确的研制规划 功能分析功能分析 工作分解结构工作分解结构月球月球轨道轨道交会交会方案方案具具体体化化技术目标技术
46、目标技术活动技术活动75 20次飞行试验次飞行试验详细规划四大系统四大系统运载火箭系统运载火箭系统载人飞船系统载人飞船系统跟踪和数据系统跟踪和数据系统发射和飞行指挥系统发射和飞行指挥系统六项辅助计划六项辅助计划水星计划水星计划双子星座计划双子星座计划飞马座计划飞马座计划徘徊者计划徘徊者计划勘察者勘察者计划计划月球轨道月球轨道环行器环行器水星号水星号阿波罗飞船的登月成功，还证实了系统科学一个重要的命题“综合即创造”。负责阿波罗计划实施的总指挥韦伯先生说过：“阿波罗计划中没有一项新发明的自然科学理论和技术，全部工作都是现有技术的运用。关键在于综合。”系统工程的一个重要任务，就是综合运用现代科学技术
47、各个领域的学术成果，如运用控制论、信息论以及工程技术、经济学、心理学等各方面的理论与应用研究成果为己所用。系统方法通常只不过是平凡的常识，每个概念、每个步骤在常识上都是合理可行的。系统方法的价值就在于它使你能够把所有这些常识性的思想汇集起来，协调一致，集中解决复杂环境中的复杂问题。拿破仑的系统思想拿破仑的系统思想法国著名的政治家、军事家拿破仑（17691821）给人讲述过这样一段故事：历史上曾有A、B 两国交战，相互动用了凶猛强悍的骑兵。其中A 国骑兵骑术高明，剑法高超，最善于单个格斗，他们的缺点是纪律涣散，配合不佳；B 国骑兵虽然骑术并不娴熟，剑法也不甚精湛，然而他们纪律严明，步调一致，行动
48、如一人。这样，尽管单个的B 国的骑兵根本不是A 国骑士的对手，但如果1000 个B 国骑兵联合作战，则可以打败1500 个A 国骑士组成的联队。建造一幢房屋，总是有其特殊的功能即一定的目的。像建医院，就是用来治病救人，救死扶伤；建商店，就是用来出售商品，搞活流通，繁荣市场，发展经济；建学校则是为了教书育人，培养人才；建住宅，是为了给人们的生活、学习提供一个宁静、温馨的环境 尽管医院、商店、学校、住宅都是房屋建筑，但由于它们的功能作用不同，其系统内部元素之间的联系也就不同。在建筑房屋时就必须依据这个“系统”的功能，在房屋的组合方式“结构”上作些调整、考虑与安排，依据系统的目的性开展项目的建设。如
49、建医院，就必须建病房、候诊室、手术室、药房；建商店，就必须建柜台、仓库；建学校，须建教室、教研室、阅览室、操场；建住宅，就必须建卧室、客厅、厨房、厕所，相互之间不可错乱。从上述例子可以知道系统内各元素的组织（联系）方式是按照系统的不同功能（目的）要求而建立的。石墨与金刚石。虽然这两种物质都是由碳原子组成，但由于其碳原子的排列结构不同，两种物质的性质迥然不同。金刚石由于碳原子的排列组合方式使得碳原子间分布均匀，结合紧密，成为一种无色透明、外形为八面体的十分坚硬的硬质晶体；而石墨却因为碳原子的另一方式的排列组合使得碳原子层与层之间的间距大，组合力弱，形成一种软质鳞片状晶体，其强度、塑性和韧性都接近于零。两种物质虽然都是由碳原子组成，但由于碳原子的排列秩序不同，则一“硬”一“软”，材料的功能与作用相去甚远。一本书如果一页一页拆开，然后打乱原有次序乱七八糟地重新装订，尽管书的单元保留无余，但由于书的结构被破坏了，就成了一堆废纸。战国时，大臣田忌与齐威王赛马，各出3匹，输一马付千金。田忌的三等马每一等都不如齐威王的马好。田忌的谋士孙膑给田忌出了一个主意使得田忌取胜。是什么主意？头等马（田）对阵图中等马（田）下等马（田）头等马（齐）中等马（齐）下等马（齐）
