第一章系统工程概论课件.ppt

1,农业系统工程,普通高等教育“十一五”国家级规划教材全国高等农林院校“十一五”规划教材,王福林 主编,点击此处输入相关文本内容,总体概述,点击此处输入相关文本内容,3,第一节 系统概述 第二节 系统工程概述 第三节 系统科学的学科体系 第四节 农业系统 第五节 农业系统工程,第一章 系统工程概论,4,一、系统思想的形成过程,第一节 系统概述,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。,我国古代就有许多运用系统思想解决实际问题的例子，如：,1. 都江堰水利工程 2. 丁渭主持皇宫修复,实例,实例,5,案例1：都江堰水利工程,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”岷江分水工程，“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，虽然该工程经历二千多年，至今仍发挥着效益，该工程堪称我国古代运用系统思想解决实际问题的典范。,6,案例2：丁渭主持皇宫修复,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、木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、物力和材力的，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，几天以后，大街被挖成了巨沟，并通过护城河与汴河相通，河水流入沟中，船只可直接由汴河驶入工地，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手续了，在工程将要结束时，再把废弃的瓦砾、灰土等投入巨河，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。,7,一、系统思想的形成过程,第一节 系统概述,系统思想的萌芽,近代形而上学自然观,19世纪的辩证唯物主义自然观,8,一、系统思想的形成过程,第一节 系统概述,现代科学技术对系统思想方法的贡献,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电子计算机。这两大贡献都是在20世纪中期实现的。,9,一、系统思想的形成过程,第一节 系统概述,系统思想从经验到哲学到科学，从思维到定性到定量的发过程，大致可分为四个阶段，即：,第一阶段: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）；,第二阶段: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）；,10,一、系统思想的形成过程,第一节 系统概述,第三阶段: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）；,第四阶段: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；,11,一、系统思想的形成过程,第一节 系统概述,系统思想形成过程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近代形而上学自然观 19世纪的辩证唯物主义自然观 二十世纪中期形成的系统观现代系统理论五个阶段。,12,二、系统的概念、环境、结构与功能,第一节 系统概述,1.系统的概念,“系统”一词由来已久，可以说目前到处都在使用。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。,13,二、系统的概念、环境、结构与功能,第一节 系统概述,1.系统的概念,（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。,14,二、系统的概念、环境、结构与功能,第一节 系统概述,1.系统的概念,（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。,15,二、系统的概念、环境、结构与功能,第一节 系统概述,1.系统的概念,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。,系统概念中包含有如下几个要点：,16,二、系统的概念、环境、结构与功能,第一节 系统概述,1.系统的概念,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。,17,二、系统的概念、环境、结构与功能,第一节 系统概述,1.系统的概念,系统的数学模型表示如下：,式中： S 代表系统； E 代表系统中各元素的集合； R 代表系统中各元素之间的关系集。,（1-1）,18,二、系统的概念、环境、结构与功能,第一节 系统概述,2.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。,系统,环境,系统的边界,19,二、系统的概念、环境、结构与功能,第一节 系统概述,2.系统的环境及其相互关系,系统与环境的关系： 区别：二者的定义。联系：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。,20,二、系统的概念、环境、结构与功能,第一节 系统概述,2.系统的环境及其相互关系,为了使系统与环境相应，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。,21,二、系统的概念、环境、结构与功能,第一节 系统概述,3.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。,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。,22,二、系统的概念、环境、结构与功能,第一节 系统概述,3.系统的结构,（1）框架结构与运行结构,（2）空间结构与时间结构,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联接方式，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。,23,二、系统的概念、环境、结构与功能,第一节 系统概述,3.系统的结构,（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。,24,二、系统的概念、环境、结构与功能,第一节 系统概述,4.系统的功能与结构的关系,系统的功能实际就是指系统的功用和效能。,系统的功能与结构的关系：,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。,25,三、系统的分类和特征,第一节 系统概述,1.系统的分类,（1）按系统是如何生成的来划分可分为自然系统与人工系统。,（2）按组成系统的要素的属性不同来划分可分为实体系统与概念系统。,（3）按系统与环境的关系来划分可分为开放系统与封闭系统。,（4）按系统的状态与时间的关系来划分可分为静态系统与动态系统。,26,三、系统的分类和特征,第一节 系统概述,1.系统的分类,（5）按照人们对信息系统的掌握程度来划分可分为白色系统、黑色系统与灰色系统。,27,三、系统的分类和特征,第一节 系统概述,2.系统特征,目的性（或目的指向性）,整体性,关联性,内部关联,外部关联,层次性,可控性,动态性,环境的适应性,层次结构图,28,第一节 系统概述,全球,大洲,国家,地区,经济企业单位,生态系统,群落,种群,有机体,组织,细胞内含物,政治学,社会学,经济学,生物学,图1-2 全球生太系统层次结构,29,一、系统工程的发展过程,第二节 系统工程概述,1. 1930年前后，一般系统论的创始人贝塔朗菲指出了自然界和社会的各种表面上极不相同的领域中存在着某种共性，提出了一般系统论，为系统工程的产生作好了准备。,2. 二十世纪40年代，美国贝尔电话公司在发展微波通讯网络时首先应用系统方法，并提出了“系统工程”这个名词。,30,一、系统工程的发展过程,第二节 系统工程概述,3.进入70年代后，由于电子计算机的迅速发展和普及，系统工程得到了广泛地应用。世界上许多国家，都程度不同的应用系统工程来解决本国的问题。这就进一步促进了系统工程的发展。,4.系统工程在我国的发展。,31,二、系统工程的概念和特点,第二节 系统工程概述,1. 系统工程定义,系统工程这个词来源于英文“System Engineering” 系统工程是在系统科学结构体系中，它是一门新兴的学科，是以系统为研究对象的工程技术，国内外有一些学者对系统工程的含义有过不少的阐述。现列举一些国内外学者对系统工程所作的解释。,32,二、系统工程的概念和特点,第二节 系统工程概述,1. 系统工程定义,（1）1975年美国科学技术辞典注释系统工程是研究许多密切联系的元素所组成的复杂系统设计的科学。,（2）1977年日本学者三浦武雄指出系统工程与其它工程学的不同之点在于它是跨越许多学科的科学，而且是填补这些学科边界空白的一种边缘学科。,33,二、系统工程的概念和特点,第二节 系统工程概述,1. 系统工程定义,（3）日本工业标准“运筹学术语”中的定义系统工程是为了最优地达到系统目标而对系统的构成要素、组织结构、信息流通和控制机构进行分析的技术。,（4）我国学者钱学森认为 系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验与使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的方法。,34,二、系统工程的概念和特点,第二节 系统工程概述,1. 系统工程定义,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。,35,二、系统工程的概念和特点,第二节 系统工程概述,2. 系统工程的特点,（1）系统工程研究问题一般采用先决定整体框架，后进入详细设计的程序，一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。,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。,36,二、系统工程的概念和特点,第二节 系统工程概述,2. 系统工程的特点,（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。,37,二、系统工程的概念和特点,第二节 系统工程概述,2. 系统工程的特点,（5）系统工程研究强调多学科协作，根据研究问题涉及到的学科和专业范围，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。,38,三、系统工程的理论和技术基础,第二节 系统工程概述,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”。,1. 一般系统论,一般系统论是由奥地利理论生物学家贝塔朗菲（19011972）首先提出并发展的，,39,三、系统工程的理论和技术基础,第二节 系统工程概述,1. 一般系统论,一般系统论所包含的主要内容和基本观点有：,系统的整体性,系统的开放性,系统的动态相关性,系统的层次等级性,系统的有序性,40,三、系统工程的理论和技术基础,第二节 系统工程概述,2. 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。,人们根据不同的研究内容，把信息论分成三种不同类型。,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。,41,三、系统工程的理论和技术基础,第二节 系统工程概述,2. 信息论,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。,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。,42,三、系统工程的理论和技术基础,第二节 系统工程概述,2. 信息论,信 息,信 息,信息反馈,信息输入,信息存储,信息处理,信息输出,图1-3 信息方法,43,三、系统工程的理论和技术基础,第二节 系统工程概述,3. 控制论,1947年美国人维纳创立了控制论。,维纳的控制论阐述了两个根本观念：,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。,44,三、系统工程的理论和技术基础,第二节 系统工程概述,3. 控制论,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。,45,三、系统工程的理论和技术基础,第二节 系统工程概述,3. 控制论,控制论的发展大致经历了三个时期，即,经典控制论理论时期,现代控制理论时期,大系统控制理论时期,46,三、系统工程的理论和技术基础,第二节 系统工程概述,4. 运筹学,运筹学的定义,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”。,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。”,47,三、系统工程的理论和技术基础,第二节 系统工程概述,4. 运筹学,运筹学的发展大致可分为三个阶段：, 从1945年到20世纪50年代初被称为创建时期。, 20世纪50年代初期到20世纪50年代末期，被认为是运筹学的成长时期。, 自60年代以来，被认为是运筹学开始普及和迅速发展的时期。,48,三、系统工程的理论和技术基础,第二节 系统工程概述,5. 耗散结构理论,比利时布鲁塞尔自由大学教授普里高津在1969年一次理论物理和生物学国际学术会议上作了题为结构、耗散和生命的报告，提出了耗散结构理论。,6. 协同学,协同学是20世纪70年代后期由原西德理论物理学家哈肯创立的。,7. 突变论,突变论是法国数学家勒内托姆于1972年创立的。,49,四、系统工程的应用领域,第二节 系统工程概述,1. 社会系统工程,2. 经济系统工程,3. 区域规划系统工程,4. 环境生态系统工程,5. 能源系统工程,6. 水资源系统工程,7. 交通运输系统工程,8. 农业系统工程,9. 农业系统工程,50,四、系统工程的应用领域,第二节 系统工程概述,10. 工程项目管理系统,11. 科技管理系统工程,12. 教育系统工程,13. 人口系统工程,14. 军事系统工程,15. 信息系统工程,16. 物流系统工程,51,现代科学技术的发展，已经取得了巨大成就。今天人类正探索着从渺观、微观、宏观、宇观直到胀观5个层次时空范围的客观世界，如图1-4所示。,第三节 系统科学的学科体系,52,第三节 系统科学的学科体系,典型尺度1040米=1024光年,1021米=105光年,102 米,生物,人类,人类社会,10-15厘米,10-34厘米,胀观（膨胀理论）,宇观（相对论）,宏观（牛顿力学）,微观（量子力学）,渺观（超弦理论）,图1-4 客观世界的时空范围,53,钱学森提出了现代科学体系矩阵式结构，结构如图1-5所示。,第三节 系统科学的学科体系,在钱学森提出的现代科学体系结构中，所科学技术部门划分为11个大的科学技术部门，即自然科学、社会科学、数学科学、系统科学、思维科学、人体科学、地理科学、军事科学、行为科学、建筑科学、文艺理论,54,图1-5 现代科学技术体系结构,第三节 系统科学的学科体系,马克思主义哲学 认识客观和主观世界的科学,文艺活动,美学,建筑哲学,人学,军事哲学,地理哲学,人天观,认识论,系统论,数学哲学,唯物史观,自然辩证法,文艺理论,文艺创作,建筑科学,行为科学,军事科学,地理科学,人体科学,思维科学,系统科学,数学科学,社会科学,自然科学,性 智,量 智,实践经验知识库和哲学思维,不成文的实践感受,桥梁,基础理论,技术科学,应用技术科学,前科学,哲学,55,基于马克思主义哲学和科学技术的这种关系，钱学森还提出了上述11个大科学技术部门通向马克思主义哲学的11座“桥梁”，它们属于哲学范畴，即：自然科学过渡到马克思主义哲学的桥梁是自然辩证法，社会科学的过渡桥梁是历史唯物主义，数学科学的桥梁是数学哲学，系统科学的桥梁是系统论（或称系统观），思维科学的桥梁是认识论，人体科学的桥梁是人天观，行为科学的桥梁科学是人学，地理科学的桥梁是地理哲学，军事科学的桥梁是军事哲学，建筑科学的桥梁是建筑哲学，文艺理论的桥梁是美学。,第三节 系统科学的学科体系,56,综合以上所述，从感性知识和经验知识，到科学知识（现代科学技术体系），再到哲学，这样3个层次的知识，就构成了人类的整个知识体系。,第三节 系统科学的学科体系,把上述科学技术体系结构用于系统科学，在钱学森提出的系统科学体系结构的基础上，经过分析归纳总结，可得如下系统科学体系结构，如图1-6所示。,57,第三节 系统科学的学科体系,系统论,（系统观）,基础科学,技术科学,工程技术,哲学,历史唯物主义,社会科学,数学哲学,数学科学,自然辩证法,自然科学,马克思主义哲学,系统学,控制论,运筹学,信息论,各门系统工程,自动化技术,通信技术,图1-6 系统科学体系结构,58,在系统科学体系结构中，系统学是研究系统构成要素及要素与系统间复杂关系的形成法则，系统的普遍属性，系统的演化、运动、发展、有序、无序状态的形成，系统与环境的相互关系，系统的结构与功能的相互关系以及系统的转化、协同、控制和优化的一般规律的科学。,第三节 系统科学的学科体系,系统工程在自然科学与社会科学之间架设了一座沟通的桥梁。现代数学方法和计算机技术，通过系统工程，为社会科学研究提供了极为有用的定量方法模型方法、模拟试验方法和优化方法。系统工程为从事自然科学的工程技术人员和从事社会科学的研究人员的相互合作开辟了广阔的道路。,59,一、农业系统及其内在联系,第四节 农业系统,1.农业系统,由绿色植物、动物、微生物和人（包括生产工具）组成，通过劳动，转化和积蓄太阳能，生产出人们所需要的食物、生物能源和工业原料的物质生产部门叫农业系统。,农业系统是一个自然生态、社会经济和科学技术有机联系的复杂系统，有其一定的内在联系和规律。具体表现在以下几个方面：,2.农业系统的内在联系,60,一、农业系统及其内在联系,第四节 农业系统,表现在动植物和人类之间建立起来的“食物链”上。,动植物进行物质交换和能量转化，不仅表现在它们之间的“食物链”上，而且还表现在它们对自然界的作用和影响上。,农业结构内部进行的物质交换和能量转化，还表现在农业和社会经济的相互作用上。,2.农业系统的内在联系,61,一、农业系统工程及其形成与发展,第五节 农业系统工程,农业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，以农业系统总体最优为目标来研究农业系统的规划、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。,国外农业系统工程概况,我国农业系统工程发展概况,62,二、农业系统工程的特点,第五节 农业系统工程,以农业领域中的系统性问题为研究对象，善于解决 复杂问题 。,强调综合观念，注重协调局部关系，以获得整体最优化为目标。,采用现代化的研究方法和技术手段 。,农业系统工程的价值观,农业系统工程的人才观,63,三、农业系统工程研究应注意的问题,第五节 农业系统工程,输出无害,整体最优,结构第一,组装配套,起点非零,实践为主,64,四、农业系统工程人员的合理知识构成,第五节 农业系统工程,农业系统工程人员的知识构成应包括系统科学、经济学、生态学和农事学等方面的知识。其中系统科学是主导（思想和方法）、农事学是基础，而经济学和生态学则是进行系统分析的手段和评价的依据。,总之，农业系统工程人员知识构成是复合型的，必须具有坚实的系统科学和农事学的理论基础，掌握经济学和生态学的基本原理和方法，具有运用经济学和生态学进行系统分析和评价的能力。,Q|A,您的问题是？善于提问,勤于思考,问答环节,结束语感谢参与本课程，也感激大家对我们工作的支持与积极的参与。课程后会发放课程满意度评估表，如果对我们课程或者工作有什么建议和意见，也请写在上边,感谢您的观看与聆听,本课件下载后可根据实际情况进行调整,