第二节
系统工程

一、概念

系统工程中最基本的概念是“系统”，它源于人类长期的社会实践，但目前未形成统一的定论。下面列举几种常见的定义。

(1)一般系统论的创始人奥地利理论生物学家贝塔朗菲(Bertalanffy)认为系统是相互作用的诸多要素的综合体。

(2)日本工业标准将系统定义为许多组成要素保持有机的秩序，是向同一目的行动的集合体。

(3)钱学森则认为，系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体，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。

尽管对系统定义的表述不尽相同，但从上述定义中可以看出系统的基本特征：首先，系统是由两个或两个以上元素组成的；其次，系统的各个元素之间存在有机的联系；第三，系统具有特定的功能；第四，系统具有层次性；第五，系统具有环境适应性。

建立系统时，需要考虑系统的这些特征，遵循一定的开发程序和组织原则，应用一些特有的技术方法，设计各个子系统并把它们组织起来，以达到系统设想的功能，这些内容就是系统工程。目前国内外对于系统工程也存在多种认识，下面列举一些国内外学者对系统工程所做的解释。

(1)《美国科学技术词典》将系统工程解释为“系统工程是研究复杂系统设计的科学。系统由许多密切联系的元素所组成。设计该复杂系统时，应有明确的预定功能及目标，并协调各元素之间及元素和总体之间的有机联系，以使系统能从总体上达到最优目标。在设计系统时，要同时考虑到参与系统的人的因素及其作用”。

(2)日本学者三浦武雄提出，系统工程的目的是研制一个系统，而系统不仅涉及工程学的领域，还涉及社会、经济和政治等领域，所以为了适当地解决这些领域的问题，除了需要某种纵向技术，还需要一种技术从横向将它们组织起来，这种横向的技术就是系统工程。

(3)钱学森认为，系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具普遍意义的科学方法。

从上述定义可以看出，系统工程是一种实现目的的手段。为取得合理的结果而选取合理的手段，这本是工程学所具有的思想。从这个意义上讲，系统工程是具有普遍意义的工程学。而系统工程作为一门工程技术，用以改造客观世界并取得实际效果，与常规工程相比，具有以下特征：

(1)用最优的方法使系统达到最佳；

(2)与具体的环境和条件、事物本来的性质和特征密切相关；

(3)系统工程着眼于整体的状态和过程，它表现出系统最佳途径并不需要赋予所有子系统都具有最佳的特征；

(4)它包含着深刻的社会性，涉及组织、政策、管理、教育等上层建筑的因素；

(5)系统科学是软技术，即在科学技术领域，由重视有形产品转向更加重视无形产品带来的效益。

总之，系统工程是以复杂系统为研究对象，以组织协调系统内部各要素的活动，使各要素为实现整体目标发挥适当作用，以实现整体目标最优化为研究目标的一项工程技术。

二、起源与发展

系统工程起源于工程设计，内容早于名称的确立。系统工程的发展大致可以分为萌芽、发展和初步成熟三个时期。

(一)萌芽时期

在古代，人们就有了系统工程的思想萌芽。我国战国时期的都江堰水利工程就孕育着系统工程的一些思想。1940年美国贝尔电话公司在研制电话自动交换机时，提出了电话运行网络的研究比电话机本身的研究更为重要。他们认为不能只注重电话机和交换台等设备的技术研究，更需要从整个系统来研究。在研究发展微波通信网时，提出了系统处理和系统思考的科学工作方法，并取得了一定的成效。

在第二次世界大战期间，由于军事上的需要，人们提出并发展了运筹学。1945年，美国成立了兰德公司，利用数学方法解决军事活动中的决策、实施等问题。此后，美国对国防系统、宇航系统以及交通、电力、通信等大规模的系统进行了研究开发，取得了很多成果。在20世纪40年代后期，控制论、信息论以及世界上第一台电子计算机的出现都为系统工程的发展奠定了基础。

(二)发展时期

1957年，美国的古德和麦克豪尔(Harry H.Goode &Robert E.Machol)合著出版了《系统工程》( Systems Engineering )一书，该书对系统工程的理论和方法作了初步阐述，从此，系统工程作为专业术语沿用至今。

1958年美国在研制北极星核潜艇时提出了“计划评审技术”，有效地推进了计划管理，成为系统工程中一个重要方法。

从20世纪60年代开始，计算机在西方的普遍使用，为系统工程的发展与应用提供了强有力的手段。1962年，时任美国国防部长提出了“计划规划预算系统”(PPBS)的设想，主要解决盟国海陆空三军在研制、生产新武器时互相争夺预算的矛盾。兰德公司根据他的设想设计出了具体的PPBS系统软件，大大节约了军费。后来这种方法又推广到企业活动分析上，进一步促进了系统工程的发展。

(三)初步成熟时期

1965年美国出版了《系统工程手册》，内容包括系统工程理论、系统环境、系统部件以及一些数学基础。该书基本概括了系统工程各方面的内容，使系统工程形成了比较完整的体系，是系统工程基本成熟的重要标志。此后，许多学者著书立说，使系统工程逐渐趋于完善。

我国近代的系统工程研究可以追溯到20世纪50年代。1954年，钱学森所著的《工程控制论》出版，首先把控制论推广到工程技术领域；1956年，中国科学院力学研究所在钱学森、许国志的倡导下成立了我国第一个运筹学小组；1960年成立了运筹学研究室。20世纪60年代初期，华罗庚就开始在我国推广“运筹学”“优选法”，并取得了显著的成就。与此同时，钱学森积极倡导在军事系统中设立总体设计部，把技术与管理、设计与使用结合起来。并在导弹研制、人造地球卫星、航天武器等大而复杂的工程项目中进行了尝试，也取得了显著的成就。

我国大规模的研究与应用系统工程是从20世纪70年代末开始的。1978年，钱学森、许国志、王寿云发表题为《组织管理技术——系统工程》的长篇文章；1979年，系统工程学术讨论会在北京召开。会上，钱学森、关肇直等21名科学家联合向中国科协倡议并筹备成立中国系统工程学会；1980年，成立了中国系统工程学会，与国际系统界进行了广泛的学术交流。近年来，电力系统规划、能源规划、区域经济规划等领域都相继实施了系统工程，并取得较大成果。

三、理论基础与方法论

(一)系统工程的理论基础

系统工程作为一门综合性的交叉学科，它与主要学科间有着密切的联系(见图1-1)。系统工程的发展离不开一般系统论、运筹学、控制论、信息论等其他学科理论的支持，这些学科理论的不断发展与渗透，构成了系统工程的理论基础。

1．一般系统论

1925年，美籍奥地利生物学家贝塔朗菲首次提出了系统论的思想。之后又建立了一般系统论，为系统工程奠定了重要的理论基础。贝塔朗菲提出了生物学中“有机体”的概念，强调必须把有机体当作一个整体或系统来研究，才能发现不同层次上的组织原理。随后，他又提出了用数学模型来研究生物学的方法和机体系统论的概念，把协调、有序、目的性等概念用于研究有机体，形成研究生命体的三个基本观点，即系统观点、动态观点和层次观点。贝塔朗菲的思想构筑了一般系统论的基本内核，并逐步形成了系统论的纲领。

2．运筹学

运筹学首次出现于第二次世界大战期间，由于军事上的需要，人们提出并发展了运筹学。运筹学一般通过构建、求解数学模型与规划、优化有限资源的合理利用为科学决策提供量化依据的知识体系。 运筹学为系统工程解决复杂问题提供了一系列的优化技术与实现手段。迄今为止，运筹学中的许多内容仍然是系统工程工作者所关注的重要方面。

3．控制论

控制论是研究生命系统和非生命系统以及与两者均有关的社会经济系统内部通信、控制、调节、组织、平衡、稳定、计算及其周围环境相互作用或反馈的各种自然科学和社会科学的统一的科学方法论。控制论的基本和核心概念是反馈，控制系统分为闭环控制系统和开环控制系统两大类。控制论研究的重点是具有反馈回路的闭环控制系统，反馈分为正反馈和负反馈。正反馈的作用是用来放大某种作用或效应，使有直接关联的系统相互促进，快速发展；负反馈的作用是保持系统行为的稳定，使系统的行为方向趋向一个目标。系统稳定机制中的基本机制是负反馈。因此，一切有目的的行为都可以看作是需要反馈的行为。

4．信息论

信息论是用数学方法研究信息的计量、传递、变换和储存的一门学科。信息论为系统工程对系统的研究提供了新的有效方法，信息已成为系统控制及与外界相互作用、交换的重要资源。可通过对信息的获取、传递、加工、处理，对系统的运动进行研究。利用信息方法，将对信息的运动分析作为处理系统有关问题的基础。

(二)系统工程的方法论

各个学科根据自身的特点，形成了各个学科的方法论。系统工程的研究对象是复杂系统，具有结构复杂、层次多、多目标、人为参与、不确定性等特点，因此，解决系统工程问题需要独特的思考问题和处理问题的方法。数学描述、逻辑推理、工程技术规范、社会科学艺术性共同组成了系统工程独特的思想方法、基本程序和方法步骤。常见的系统工程方法论有以下三种。

1．霍尔的“三维结构”

霍尔“三维结构”是由美国学者霍尔(Arthur D.Hall)等人在大量工程实践的基础上，于1969年提出的。霍尔“三维结构” 是将系统工程整个活动过程分为前后紧密衔接的七个阶段和七个步骤，同时还考虑了为完成这些阶段和步骤所需要的各种专业知识和技能。这样，就形成了由时间维、逻辑维和知识维所组成的三维空间结构(见图1-2)。其中，时间维表示系统工程活动从开始到结束按时间顺序排列的全过程，分为规划、拟订方案、研制、生产、运行、更新六个时间阶段。逻辑维是指每个阶段需进行的工作步骤，是运用系统工程方法进行思考、分析和解决问题应遵循的一般程序，包括明确问题、选择目标、系统综合、系统分析、优化、决策、实施七个逻辑步骤。知识维是指完成上述各阶段和各步骤所需要的各种专业知识和管理知识，包括环境科学、社会科学、工程技术、计算机科学、管理科学、经济与法律等方面的知识。

2．切克兰德的“调查学习”模式

彼得·切克兰德(Peter Checkland)于1981年提出了“调查学习”模式 ——一种软系统方法论。与“硬方法”可以求出最佳定量结果不同的是，“软方法”的目的是得出可行的满意解。

系统工程常常把所研究的系统分为良结构系统与不良结构系统，由于它们具有不同的特点，故分别采取不同的解决方法，见表1-1。

“软方法”是针对不良结构问题而提出的，这类问题通常只能用半定量、半定性甚至只能用定性的方法来处理。切克兰德的“调查学习”的核心是“调查、比较”，根据模型和现状的比较结构，学习改善现存系统的方法和途径。与硬系统方法论一样，“调查学习”模式也要遵循一定的逻辑程序。大体上来说，它包含六个步骤——系统现状说明：通过现存系统的调查分析，说明系统的现状；弄清关联因素：初步弄清与现状有关的各种因素及其相互关系；建立概念模型：用结构模型或语言模型来描述系统的现状；改善概念模型：进一步用更合适的模型或方法改进上述概念模型；比较：将概念模型与现状进行比较，找出符合决策者需求且具有可行性的方案；实施：对提出的方案进行实施。

3．钱学森的综合集成工程方法

1987年，钱学森提出了定性和定量相结合的系统研究方法，并把处理复杂巨系统的方法命名为“从定性到定量综合集成方法”，把它表述为从定性到定量的综合集成技术。1992年，他又提出从定性到定量综合集成研讨厅体系(见图1-3)，进而把处理开放复杂巨系统的方法与使用这种方法的组织形式有机结合起来，将其提升到了方法论的高度。

综合集成方法论(见图1-4)实质是将专家群体、统计数据和信息资料三者有机结合起来，构成一个高度智能化的人机交互系统，具有综合集成的各种知识，从感性上升到理性，实现从定性到定量的功能。综合集成方法论主要有以下特点：(1)定性研究与定量研究有机结合；(2)科学理论与经验知识结合；(3)应用系统思想把多种学科结合起来进行综合研究；(4)根据复杂巨系统的层次结构，把宏观研究与微观研究统一起来；(5)必须有大型计算机系统支持，不仅有管理信息系统、决策支持系统等功能，而且还要有综合集成的功能，应用系统思想把多种学科结合起来进行综合研究。