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系統工程

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1.什么是系統工程

系統工程是一個用于實現產品的跨學科方法。通過它,您能夠把您的每個產品作為一個整體來理解-更好地構建你的產品規劃、開發、制造和維護過程。企業利用系統工程來對一個產品的需求、子系統、約束和部件之間的交互作用進行建模/分析,并進行優化和權衡-在整個產品生命周期做出重要決策。在整個生命周期,系統工程師利用各種的模型和工具來捕捉、組織、優先分級、交付并管理系統信息。例如,通過QFD、質量屋(House of Quality)、六個西格瑪設計 (DFSS)、 TRIZ以及其它技術,系統工程能夠在前端就捕捉并對客戶要求進行優先分級;然后,用功能建模、面向對象方法、狀態圖表等進行上至替代評估,下至功能和物理劃分。

系統工程是運用系統思想直接改造客觀世界的一大類工程技術的總稱。系統是由互相關聯、互相制約、互相作用的若干組成部分構成的具有某種功能的有機整體。人們對于系統的認識,即關于系統的思想來源于社會實踐,人們在長期的社會實踐中逐漸形成了把事物的各個組成部分聯系起來從整體角度進行分析和綜合的思想,即系統思想。系統思想古已有之,但系統工程的誕生卻是近40年來的事。隨著科學技術的迅速發展和生產規模的不斷擴大,迫切地需要發展一種能有效地組織和管理復雜系統的規劃、研究、設計、制造、試驗和使用的技術,即系統工程。

系統工程是以研究大規模復雜系統為對象的新興邊緣科學,是處理系統的一門工程技術。對新系統的建立或對已建立系統的經營管理,采用定量分析法(包括模型方法、仿真實驗方法或優化方法)或定量分析和定性分析相結合的方法,進行系統分析和系統設計,使系統整個系統預定的目標。系統工程的研究范圍已由傳統的工程領域擴大到社會、技術和經濟領域,如工程系統工程、科學系統工程、企業系統工程、軍事系統工程、經濟系統工程、社會系統工程、農業系統工程、行政系統工程、法治系統工程等。各門系統工程除特有的專業學科基礎外,作為系統工程共同的基礎技術科學,有運籌學、控制論、信息論、計算科學和計算技術。相應的基礎科學為系統學。任何一種社會活動都會形成一個系統,這個系統的組織建立、有效運轉就成為一項系統工程。因此,系統工程可以解決的問題涉及到改造自然,提高社會生產力,增強國防力量,直至改造整個社會活動。

系統工程是關于生產、建設、交通、儲運、通信、商業、科學研究以及人類其他活動的規劃、組織、協調和控制的科學方法。系統工程以系統為對象,從系統的整體觀念出發,研究各個組成部分,分析各種因素之間的關系,運用數學方法,尋找系統的最佳方案,是系統總體效果達到最佳。

系統工程在我國建設事業、生產管理、商業經營、資源利用、環境保護、經濟體制改革和科學研究等諸多領域均以取得了顯著成效,其重要作用以被人們廣泛認識和接受。

系統工程的含義

系統工程在系統科學結構體系中,屬于工程技術類,它是一門新興的學科,國內外有 一些學者對系統工程的含義有過不少闡述,但至今仍無統一的定義。 1978年我國著名學者錢學森指出:"系統工程是組織管理系統的規劃、研究、設計、制造、試驗和使用的科學方法,是一種對所有系統都具有普遍意義的方法"。 1977年日本學者三浦武雄指出:"系統工程與其他工程學不同之點在于它是跨越許多學科的科學,而且是填補這些學科邊界空白的一種邊緣學科。因為系統工程的目的是研制一個系統,而系統不僅涉及到工程學的領域,還涉及社會、經濟和政治等領域,所以為了適當地解決這些領域的問題,除了需要某些縱向技術以外,還要有一種技術從橫的方向把 它們組織起來,這種橫向技術就是系統工程"。 1975年美國科學技術辭典的論述為:"系統工程是研究復雜系統設計的科學,該系統由許多密切聯系的元素所組成。設計該復雜系統時,應有明確的預定功能及目標,并協調各個元素之間及元素和整體之間的有機聯系,以使系統能從總體上達到最優目標。在設計 系統時,要同時考慮到參與系統活動的人的因素及其作用。" 從以上各種論點可以看出,系統工程是以大型復雜系統為研究對象,按一定目的進行 設計、開發、管理與控制,以期達到總體效果最優的理論與方法。

2.系統工程的特點

系統工程是一間工程技術,用以改造客觀世界并取得實際成果,這與一般工程技術問題有共同之處。但是,系統工程又是一類包括了許多類工程技術的一大工程技術門類,與一般工程比較,系統工程有三個特點:

(1)研究的對象廣泛,包括人類社會、生態環境、自然現象和組織管理等。

(2)系統工程是一門跨學科的邊緣學科。不僅要用到數、理、化、生物等自然科學,還要用到社會學、心理學經濟學、醫學等與人的思想、行為、能力等有關的學科,是自然科學 和社會科學的交叉。因此,系統工程形成了一套處理復雜問題的理論、方法和手段,使人們 在處理問題時,有系統的整體的觀點。

(3)在處理復雜的大系統時,常采用定性分析和定量計算相結合的方法。因為系統工程所研究的對象往往涉及到人,這就涉及到人的價值觀、行為學、心理學、主觀判斷和理性推理,因而系統工程所研究的大系統比一般工程系統復雜得多,處理系統工程問題不僅要 有科學性,而且要有藝術性和哲理性。

3.系統工程的產生與發展

系統工程作為一間科學技術雖然形成于本世紀中葉,但系統工程的思想方法和實際應用可追溯到遠古時代。中華民族的祖先在了解和改造自然的辛勤實踐和大量的社會活動中,早有許多樸素的系統概念和應用實例。在軍事方面,早在公元前500年的春秋時期,就有著名的軍事家孫武寫出了"孫子兵法"十三篇,指出戰爭中的戰略和策略問題,如進攻與防御、速決和持久、分散和集中等之間的相互依存和相互制約的關系,并依此籌劃戰爭的對策,以取得戰爭的勝利。其著名論點,"知已知彼,百戰不殆","以我之長,攻敵之短"等,不僅在古代,而且在當代的戰爭中都有指導意義,在當今激烈的國際市場競爭和社會經濟各個領域的發展中,這些論斷也有現實意義。戰國時期,著名軍事家孫臏繼承和發展了孫武的學說,著有"孫臏兵法",在齊王與田忌賽馬中,孫臏提出的以下、上、中對上、中、下對策,便處于劣勢的田忌戰勝齊王,這是 從總體出發制定對抗策略的一個著名事例。在水利建設方面,戰國時期,秦國太守李冰父子主持修建了四川都江堰工程。這一偉大水利工程巧妙地將分洪、51水和排沙結合起來,使各部分組成一個整體,實現了防洪、灌溉、行舟、漂木等多種功能,至今,該工程仍在發揮著重大的經濟效益,是我國古代水利建 設的一大杰出成就。在建設施工方面,北宋真宗年間,皇城失火,宮殿燒毀,大臣丁謂主持了皇宮修復工程。他采用了一套綜合施工方案,先在需要重建的通衢大道上就近取土燒磚,在取土后的通衢深溝中引入汴水,形成人工河,再由此水路運人建筑材料,從而加快了工程進度。皇宮修復后,又將碎磚廢土填入溝中,重修通衢大道。使燒磚、運輸建筑材料和處理廢墟三項繁重工程任務協調起來,從而在總體上得到了最佳解決,一舉三得,節省了大量勞力、費用和時間。在醫學、農業等方面,我國古代也有許多著名學者用樸素的系統思想和方法取得了偉大成就,這些都為我們今天研究和發展系統工程的理論體系,提供了寶貴的借鑒和重要的 啟示。近代科學技術的發展,特別是計算機的出現和廣泛使用,使系統工程在世界范圍內迅 速發展起來,許多國家有不少成功的重大研究成果。

第一次提出"系統工程"這一名詞的是1940年在美國貝爾電話公司試驗室工作的E.C·莫利納(E·C·Molina)和在丹麥哥本哈根電話公司工作的A·K,厄朗(A·K,Erlang),他們在研制電話自動交換機時,意識到不能只注意電話機和交換臺設備技術的研究,還耍從通信網絡的總體上進行研究。他們把研制工作分為規劃、研究、開發、應用和通用工程等 五個階段,以后又提出了排隊論原理,并應用到電話通信網絡系統中,推動了電話事業的飛速發展。

系統工程的萌芽時期可追溯到本世紀初的泰勒系統(F·W·Taylor),為了提高工效,泰勒研究了合理工序和工人活動的關系,探索了管理的規律,1911年他的 "科學管理的原理"一書問世后,工業界出現了"泰勒系統"。在第二次世界大戰時期,一些科學工作者以大規模軍事行動為對象,提出了解決戰爭問題的一些決策和對策的方法和工程手段,出現了運籌學。當時英國為防御德國的突然空襲,研究了雷達報警系統和飛機降落排隊系統,取得了很多戰果。在這一時期中,英、美等國在反潛、反空襲、商船護航、布置水雷等項軍事行動中,應用了系統工程方法,取得了良好的效果。

1940年至1945年,美國制造原子彈的"曼哈頓"計劃,由于應用了系統工程方法進行協調,在較短的時間內取得了成功。1945年,美國建立了蘭德公司(RAND Corp.),應用運籌學等理論方法研制出了多種應用系統,在美國國家發展戰略、國防系統開發、宇宙空間技術以及經濟建設領域的重大決策中,發揮了重要作用,"蘭德"又被譽為"思想庫" 和"智囊團"。

50年代后期和60年代中期,美國為改變空間技術落后于蘇聯的局面,先后制定和執行了北極星導彈核潛艇計劃和阿波羅登月計劃,這些都是系統工程在國防科研中取得成果的著名范例。阿波羅登月計劃是一項巨大的工程,從1961年開始,持續了U 年。該工程有三百多萬個部件,耗資244億美元,參加者有兩萬多個企業和120個大學與研究機構。整個工程在計劃進度、質量檢驗、可靠性評價和管理過程等方面都采用了系統工程方法,并創造了"計劃評審技術(PERT)"和"隨機網絡技術"[又稱"圖解評審技術(GERT)"],實現了時間進度、質量技術與經費管理三者的統一。在實施該工程的過程中及時向各層決策機構提供信息和方案,供各層決策者使用,保證了各個領域的相互平衡,如期完成了總體目標。計算機的迅速發展,為該復雜大系統的分析提供了有力的 工具。

70年代以來。隨著微型計算機的發展,出現了分級分布控制系統和分散信號處理系統,擴展了系統工程理論方法的應用范圍。近年來,社會、經濟與環境綜合性的大系統問題日益增多,如環境污染、人口增長、交通事故、軍備競賽等。許多技術性問題也帶有政治、經濟的因素,如北歐跨國電網的供電問題。這個電網有水、火、核等多種能源形式,規模龐大,電網調度本身在技術上已相當復雜,而且還要受到各國經濟利益沖突、地理條件限制、環境保護政策制約和人口遷移狀況的影響,因此,負荷調度的目標和最佳運行方式的評價標準十分復雜,涉及多個國家社會經濟因素。該電網的系統分析者要綜合這些因素,對4500 萬千瓦的電力做出合理的并能被接受的調度方案,提交各國討論、協調和決策,這是個典 型的系統工程問題。我國近代的系統工程研究可追溯到50年代。

1956年,中國科學院在錢學森、許國志教授的創導下,建立了第一個運籌學小組;60年代,著名數學家華羅庚大力推廣了統籌法優選法;與此同時,在著名科學家錢學森領導下,在導彈等現代化武器的總體設計組織方面,取得了豐富經驗,國防尖端科研的《總體設計部"取得顯著成效。1977年以來,系統工程的推廣和應用出現了新局面,1980年成立了中國系統工程學會,與國際系統工程界進行了廣泛的學術交流。近年來,系統工程在各個領域都取得了許多成果。

4.系統工程過程[1]

系統開發過程也是對系統的認識不斷深化的過程。人們不可能一開始就對系統所涉及的專業技術,各部分之間的信息、能量、物質溝通關系有清晰的認識,所以必須遵循分析-實踐-再分析-再實踐的反復認識過程。這里的實踐常常是指對分析結論的驗證試驗。開發過程中分析、綜合的思維過程和系統工程活動如下圖所示,常稱為系統工程過程(SEP)。

Image:系統工程過程.jpg

系統工程過程是一個自頂層開始,依次反復應用于開發全過程的、規范化的問題解決過程,它把要求逐步轉化為系統規范和一個相應的體系結構。

1.在系統研制過程中始終要保持對要求的跟蹤。系統工程過程的第一步是任務分析。任務分析活動是要澄清和確認用戶的需求和工作的目標,明確限制條件,然后依此提出對系統的功能和性能要求。

通過任務分析得到的共識是后續成功的功能和物理設計的基礎。

2.經過任務分析得到的系統級功能和性能,通過功能分析和分配活動進一步分解成為低層次功能。結果得到的是對一個系統功能的全面描述,即系統的功能結構。這個功能結構不僅描述了必須具有的全部功能,還反映了各種功能和性能要求之間的邏輯關系。

3.設計綜合或稱系統設計,是按照從功能分析與分配過程中得到的系統功能和性能描述,在綜合考慮各種相關工程技術的基礎上發揮工程創造力,研制出一個能夠滿足要求的、優化的系統物理結構。

4.驗證活動的目的是確認所設計的各個層次的系統物理結構滿足系統要求,保證能夠在預定的性能指標下實現所要求的功能。

驗證方法包括分析(建模和仿真)、演示驗證和試驗。

系統工程過程的每一個步驟都可以是一個循環過程,對前一個步驟進行重新訪問。系統工程過程的輸出是一套明確定義系統設計、研制和試驗的文件。

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