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系统工程基础知识
第一章系统工程概述
第一节系统工程的产生，发展及应用
1、科学系统思想的形成：
古代朴素的系统思想用自发的系统概念考察自然现象，其理论是想象的，有时是凭灵感产生出来。
这种普遍的联系和整体性的思想，就是科学系统思想的实质。
2、系统理论的形成与发展：
从系统思想发展到系统论，控制论、信息论等系统理论。
a）系统论（一般系统论）是研究系统的模式、原则和规律，并对其功能进行数学描述的理论。
代表人物为奥地利理论生物学家贝塔朗菲。
b）控制论是研究各类系统的控制和调节的一般规律的综合性理论，信息与控制等是其核心，他是继承一般系统论之后，有数学家维纳在20实际40年代创立的。
c）信息论是研究信息的提取、变换、存储与流通等特点和规律的理论。
20世纪60年代中国科学家钱学森对系统理论和系统科学的发展有独到的贡献。
第二节系统工程的研究对象
1、系统的概念及特点：
系统工程的研究对象是组织化的大规模复杂系统。
系统作为系统原理论、系统工程和整个系统科学的基本研究对象。
2、系统的定义：
系统由两个以上有机联系、相互作用的要素所组成，具有特定功能、结构和环境的整体。
3、系统的四要素包括：
简称要、环、结、功
a）系统及其要素
b）系统和环境
c）系统的结构
d）系统的功能
4、系统的一般属性简称：
整、关、环、目、层
a）整体性：
是系统最基本、最核心的特性、是系统性最集中的体现。
b）关联性：
构成系统的要素是相互联系、相互作用，所有要素均隶属于系统整体，并具有互动关系，
c）环境适应性：
环境的变化必然会引起系统功能及结构的变化，系统必须首先适应环境的变化，并在基础上使环境得到持续改善。
除了三个基本的属性之外，系统还具有目的性、层次性等特征。
5、大规模复杂系统的特点：
表现在
a）系统的功能和属性多样，
b）系统通常由多维且不同性质的要素所构成
c）一般为人—机系统，而人及其组织或群体表现出固有的复杂性
d）由要素间相互作用关系所形成的系统结构日益复杂化和动态化。
6、系统的类型简称：
自然和人造、实体和概念、动态和静态、封闭和开发
a）自然系统和人造系统：
自然系统是由自然物所自然形成的系统，人造系统是根据特定目标，通过人的主观努力所建成的系统。
b）实体系统和概念系统：
实体系统由矿物、生物、机械和人群等实体为基本要素所组成的系统。
概念系统：
是由概念、原理、原则、方法、制度、程序等概念性的非物质要素所构成的系统。
实体系统是概念系统的物质基础，概念系统往往是实体系统中枢神经，指导实体系统的行动或为之服务。
c）动态系统和静态系统：
动态系统是系统的状态随时间而变化的系统，静态系统则是表征系统运行规律的模型中不含有时间因素
d）封闭系统和开放系统：
封闭系统是指该系统与环境之间没有物质、能量和信息的交换，因而呈一种封闭状态的系统。
开发系统是指系统与环境之间具有物质、能量与信息的交换的系统。
开发系统一般具有自适应和自调节的功能，系统工程研究有特定的输入、输出的相对孤立系统。
7、系统工程是从总体出发，合理开发、运行和革新一个大规模复杂系统所需思想、理论、方法论、方法与技术的总称。
8、系统工程的方法的特点：
系统工程既具有广泛而厚实的理论和方法论基础，又具有明显的适用性特征。
9、在运用系统工程方法来分析与解决实现复杂系统问题时，简称：
确定观点、平衡协调、方法和技术、导向和控制
a）需要确立系统的观点（系统工程工作的前提）
b）总体最优及平衡协调的观点（系统工程的目的）
c）综合运用方法与技术的观点（系统工程解决问题的手段）
d）问题导向和反馈控制的观点（系统工程解决问题的保障）
10、系统工程的特性有：
a）系统工程一般采用先决整体框架，
b）系统工程试图通过将构成事物的要素加以适当配置来提高整体功能，其核心思想是综合即创造
c）系统工程属于软科学：
i.人和信息的作用、
ii.多次反馈和反复协商、
iii.科学性与艺术性的二重性及其有机结合
11、系统工程方法具有比较明显的特点及相应的要求：
a）科学性与艺术性兼容、
b）多领域、多学科的理论、方法与技术的集成，
c）定性分析与定量分析有机结合
d）需要各有关方面的协作。
12、系统工程的应用领域：
a）社会系统工程
b）经济系统工程
c）区域规划系统工程
d）环境生态系统工程
e）能源系统工程
f）水资源系统工程
g）交通运输系统工程
h）农业系统工程
i）企业系统工程
j）工程项目管理系统工程
k）科技管理系统工程
l）教育系统工程
m）军事系统工程
n）信息系统工程
o）物流系统工程
第二章系统工程方法论
第一节系统工程的基本工作过程
1、霍尔三维结构：
是有美国学者霍尔等人在大量工程实践的基础上提出来的于1969年。
集中体现了系统工程方法的系统化、综合化、最优化、程序化和标准化特点，是系统工程方法论的重要基础内容。
2、时间维：
表示系统工程的工作阶段或进程，从规划到更新的整个过程或寿命周期可以分为七个阶段
a）规划阶段：
根据总体方针和发展战略制定规划
b）设计阶段：
根据规划提出具体计划方案
c）分析或研制阶段：
实现系统的研制方案，分析、制定出较为详细而具体的生产计划。
d）运筹或生产阶段：
运筹各类资源及生产系统所需要的全部“零部件”，并提出详细而具体的实施和“安装”计划。
e）系统实施或安装阶段：
把系统“安装”好，制定出具体的运行计划。
f）运行阶段：
系统投入运行，为预期用途服务。
g）更新阶段：
改进或取消旧系统，建立新系统。
3、逻辑维：
是指系统工程每个阶段工作所应遵从的逻辑顺序和工作步骤：
分为7步
a）摆明问题
b）系统设计
c）系统综合
d）模型化
e）最优化
f）决策
g）实施计划
4、知识维或专业维：
是指内容表征从事系统工程所需要的知识（运筹学、控制论、管理科学），也可以反映系统工程的专门应用领域（企业管理系统工程、社会经济系统工程、工程系统工程）。
5、切克兰德方法论：
完全按照解决工程技术问题的思路来解决社会问题或软科学问题，会碰到很过问题，提出的软系统工程的方法论的主要内容和过程包括，认识、根底、概念、比较、选择、设与实、评与反
a）认识问题
b）根底定义
c）建立概念模型
d）比较及探寻
e）选择
f）设计与实施
g）评估与反馈
6、霍尔三维和切克兰德的方法论的比较
a）共同点：
方法论均为系统工程的方法论，均以问题为起点，具有相应的逻辑过程。
b）不同点：
i.霍尔方法论主要以工程系统为研究对象，切克兰德方法论更适合于社会经济和经营管理等“软”系统问题的研究。
ii.霍尔方法论的核心内容是优化分析，切克兰德方法核心内容是比较学习
iii.霍尔方法论更多关注定量分析方法，切克兰德方法比较强调定性或定性与定量有机结合的基本方法。
第二节系统分析原理
1、系统分析的定义及内容：
运用建模及预测、优化、仿真、评价等技术对系统的各有关方面进行定性与定量相结合的分析，为选择最优或满意的系统方案提供决策依据的分析研究过程。
2、系统分析的6个基本要素：
问题、目的及目标、方案、模型、评价、决策者
a）问题
b）目的及目标
c）方案
d）模型
e）评价
f）决策者
3、应用系统分析的原则：
分析系统适应实际问题的需要：
坚持问题导向、着眼整体、权衡优化、方案集成等原则。
a）坚持问题导向：
系统分析是一种处理问题的方法，有很强的针对性，其目的在于寻求解决特定问题的最优或满意方案。
b）以整体为目标：
系统分析是把问题作为一个整体来处理，全面考虑各主要因素及其相互影响，强调以最少的综合投入和最良好的总体效果来完成预定任务。
c）多方案模型分析和优化：
根据实际问题的需要和系统目标的要求收集各种信息，寻找多个方案，并对其进行模型化及优化或仿真计算，尽可能求得定量化的分析结果。
d）定量分析与定性分析相结合：
系统分析采用定量分析与定性分析相结合的基本方法，
e）多次反复进行：
对复杂系统问题的分析，往往不是一次可以圆满完成的，是通过反复与决策者对话，适时、不断地修正分析的过程及其结果，这是系统分析成功的重要保障。
4、提问法：
是针对需要研究的对象，列出有关的问题，形成检核表，然后一个个来核对讨论，从而发掘出解决问题的重大设想的创造行技术。
a）5W1H：
Why、What、When、Where、Who、How、
b）产品设计用检核表法。
5、头脑风暴：
是针对一定问题，召集有关人员参加的小型会议，在融洽轻松的会议气氛中，与会者敞开思想，各抒己见，自由联想，畅所欲言，互相启发，互相激励，是创造性设想起连送反应，从而获得众多解决问题的方法。
a）头脑风暴有两个基本的原则：
一是推迟判断、二是数量提供质量
6、德尔菲法：
是为消除成员间的互相影响，运用匿名的方式反复多次征询专家的意见和进行背靠背的交流，以充分发挥专家的智慧、知识和经验、最后汇总得出一个能比较反映群体意志的预测结果。
其特点是：
专家匿名表示意见、多次反馈和统计汇总的特点。
7、德尔菲法的一般程序：
a）确定调查目的、拟定调查提纲
b）选择一批经验丰富而有熟悉该专题的专家（10-20人）
c）以通信的方式选定各个专家发出调查表，征询意见。
d）经过一轮德尔菲活动后，汇总反馈，在进行汇总分析，然后转入下一轮活动，多次反复意见比较集中后得出结果。
8、群体决策支持系统：
能让分散在不同地方的决策只在同一时间通过远程电视会议系统，面对面地在一起讨论某些重大的决策。
这种决策模式得以实现的基础被称为群件的工具。
群件是帮助群组协同工作的软件，他帮助人们以三中不同的方式，即任务共享、环境共享、以及时间与地点共享来进行决策。
9、帮助进行群体决策的技术较多，其中帮助工作小组实现时间与地点共享的技术主要表现在
a）会议技术：
电话会议和电视会议可以帮助克服空间问题，但是必须在同一时间参加交流。
b）布告栏技术：
能够解决时间和距离两个方面的问题，但是信息是被动，需要用户积极参与，主动获取信息。
c）存储与转发技术：
能够解决时间和空间的分离问题，这种系统具有动性，系统能够主动发出各种提示，提醒用户采取行动，控制处理流程。
10、情景分析法：
是在专家集体推测的基础上，对可能的未来情景的描述。
情景分析的步骤包括
a）建立信息库
b）确定主题目标
c）分析并构造影响区域
d）确定描述影响区域的关键变量
e）探寻各种可能的未来发展趋势
f）选择并解释环境情景
g）引入“突发事件”，检验其对未来情景的影响
h）详细阐明主题情景。
11、系统创新思维辅助工具：
是由英国托尼.巴赞在20世纪60年代初期所创，它是一种将放射性思维具体化的方法。
第三章系统模型与模型化
第一节系统及模型化的定义
1、模型应反映出系统的主要组成部分，各部分之间的相互作用，以及在运用条件下的因果作用及相互关系。
模型是实现系统的理想化抽象或简洁表示。
2、模型的三个特征：
a）它是实现世界部分的抽象或模仿，
b）它是由那些与分析的问题有关的因素构成的，
c）它表明了有关因素间的相互关系。
3、模型化是描述系统的构成和行为，对实体系统的各种因素进行适当筛选，用一定方式表达系统实体的方法，简言之是构成模型的过程。
4、模型化的本质、作用及地位
a）本质：
利用模型与原型之间某方面的相似关系，在研究过程中可以用模型来代替原型，通过对模型的研究得到关于原型的一些信息。
b）作用：
模型本身是人们对客体系统一定程度研究结果的表达
c）模型提供了脱离具体内容的逻辑演绎和计算的基础，这会导致对科学规律、理论、原理的发现。
d）利用模型可以进行“思想”试验
5、地位：
模型的本质决定了它的作用的局限性，不能代替对客观系统内容的研究。
6、模型的分类：
a）概念模型：
是通过人们的经验、知识和知觉形成的
b）符号模型：
用符号来代表系统的各种因素和他们之间相互关系。
通常采用图示或数学形式，一般分为结构模型和数学模型。
c）仿真模型：
用计算机对系统进行仿真时所使用的模型
d）形象模型：
是把现实的东西的尺寸进行改变后表示。
模型有物理模型和图像模型。
7、构造模型的一般原则：
a）建立方框图
b）考虑信息相关性
c）考虑准确性
d）考虑结集性
8、建模的基本步骤
a）明确建模的目的和要求，以便使模型满足实际要求，不致产生太大偏差
b）对系统进行一般语言描述
c）弄清系统中主要因素及其相互关系，以便使模型准确地表示现实系统。
d）确定模型的结构
e）估计模型的参数
f）实验研究
g）必要修改
9、模型化的基本方法：
a）分析法：
分析解剖问题，深入研究客体系统内部的细节，利用逻辑演绎方法，从公里、定律导出系统模型。
b）实验法：
通过对实验结果的观察和分析，利用逻辑归纳法导出系统的模型。
c）综合法：
即重视实验数据又承认理论价值，将实验数据与理论推导统一于建模之中。
d）老手法（经验法）：
通过专家之间启发式的讨论，逐步完善对系统的认识，构造出模型来。
e）辩证法:
系统是一个对立统一体，是由矛盾的两个方面构成的，矛盾双方相互转化与统一乃是真实情景。
10、模型的简化：
a）减少变量，减去次要变量
b）改变变量性质
c）合并变量
d）改变函数关系
e）改变约束条件。
第二节系统结构模型化技术
1、系统结构模型化基础：
结构分析的概念和意义
a）任何系统都是由两个以上有机联系，相互作用的要素组成的，是具有特定功能与结构的整体，结构即组成系统诸要素之间相互关联的方式。
b）结构模型是定性表示系统结构要素以及它们之间存在着的本质上相互依赖、相互制约和关联情况的模型。
c）结构分析是一个实现系统结构模型化并加以解释的过程.
2、系统结构的基本表达方式：
a）可以采用集合、有向图和矩阵等三种相互对应的方式来表达。
b）二元关系：
是根据系统的性质和研究的目的所约定的一种需要讨论的，存在于系统中的两个要素之间的关系，通常有影响关系、因果关系、包含关系、隶属关系以及各种可能比较的关系。
二元关系有传递性
3、系统结构的有向图表达
c）有向图是由点和连接各点的有向弧组成的，可以用来表达系统的结构，具有方法是：
用节点表示系统的各构成要素，有方向弧表示要素之间的二元关系。
4、系统结构的矩阵表达
a）邻接矩阵
b）可达矩阵
c）其他矩阵
i.缩减矩阵
ii.骨架矩阵
5、常用系统结构模型化技术：
常用的系统结构模型化技术有：
关联树法、解释结构模型化技术、系统动力学结构模型化技术，其中解释结构模型化技术是最基本和最具特色的结构模型化技术。
第三节主成分分析及聚类分析
1、主要成分也称主要分量分析或矩阵数据分析，它通过变量变换的方法把相关的变量为若干不相关的综合指标变量。
2、聚类分析：
按照事物属性的内在联系规律和一定的要求，对事物进行分类研究的方法。
3、聚类分析的过程包括
a）首先应对原始数据进行处理
b）对原始数据进行标准化变换
c）计算样本之间的距离方式
d）按照距离由小到大逐步归类
第四节状态空间模型
1、系统的状态和状态变量
a）状态是指为完全描述t>=t0时系统行为所需变量的最小集合，该集合构成状态空间。
完全描述的条件：
1已知系统t>=t0时的输入，2已知t0时刻集合中所有变量的值（初始条件）。
第五节系统工程模型技术的新进展
1、模糊逻辑：
a）模糊逻辑二值逻辑，可以具有无穷多个中间状态，是处理不精确性和不确定性的有效工具，
b）模糊技术以模糊逻辑为基础，从人类思维中的模糊性出发，对于模糊信息进行量化，其中重要的一步是利用专家的知识和实际经验来定义相应模糊集的隶属函数，
c）隶属函数是最基本的研究对象，它的全确定主要是靠专家的知识和实际经验。
d）模糊集反映了人脑的四位特征，而使得模糊理论在许多以人为主要对象的领域得到成功的应用。
e）模糊控制是基于模糊集的一种软控制，相应的控制算法则是人脑思维的量化模拟，所以模糊集及模糊控制理论是智能信息处理，软计算技术的基础。
2、人工神经网络：
是模仿人脑生理特性的新型智能信息处理系统，它以模拟生物神经元为基础，是系统具有自适应性、自组织性、容错性等，通过优化网络拓扑结构、设计网络连接权的学习算法来改善系统的各种性能，即使一个给定的网络也具有很强的映射能力，所以神经网络是进行曲线拟合、近似实现各种非线性复杂系统的有效工具。
人工神经网络开创了用已知的非线性系统去近似实现实际应用中的复杂系统，甚至是黑箱的典型范例，由于神经网络从另一个方面反映了人脑的特性，所以它也是构成软计算的基础。
3、禁忌搜索算法（TS）：
是模拟智能过程而提出的一种具有记忆功能的全局逐步优化算法，TS的核心在于对搜索过程使用短期记忆和中长期记忆，以令搜索具有广泛性和集中性，其基本思想是搜索可行的解空间，在当前解的邻域中找到另一个更好的解。
TS算法可以地使用禁止表记录搜索过程，从而搜索既能找到局部最优解，同时又能越过局部极值得到更优的解。
4、模拟退火算法（SA）：
是基于蒙特卡洛迭代求解的一种全局概率型搜索算法，SA是一种全局优化方法，通过人为地引入噪声，使得算法陷入局部最优的陷阱时，能制造从该陷阱中逃脱的条件，从而逐步减小噪声，以使得算法能停留在全局最优点。
5、遗传算法（GA）：
是研究自然遗传现象与人工系统的自适应行为时，借鉴优胜劣汰的生物进化与遗传思想而提出的一种全局性并行。
是一个群体优化过程，为了得到目标函数的最小（大）值，我们不是从一个初始值出发，而是从一组初始值出发进行优化，这一组初始值好比一个生物群体，优化过程就是一个群体繁衍，竞争和遗传变异的过程。
6、蚂路算法（AS）：
是一种源于大自然中生物世界的新的放生类算法，作为通用型随机优化方法，他吸收了昆虫王国蚂蚁的行为特性，通过其内在的搜索机制，在一系列困难的组合优化问题求解中取得了成效。
生物世界中的蚂蚁有能力在没有任何可见提示下找出从其窝巢至实物源的最短路径，并能随环境的变化而变化，适应性的搜索新的路径，产生新的选择。
作为昆虫的蚂蚁在寻找食物源时，能再其走过的路径上释放一种蚂蚁特有的分泌物（信息激素）。
7、蚂蚁算法显著特征:
a）能察觉小范围区域的状况并判断出是否有实物或其他同类的信息素轨迹，
b）能释放自己的信息素，
c）所遗留的信息素数量会随时间而逐步减少。
第四章系统仿真及系统动力学方法
第一节系统仿真概述
1、系统仿真：
是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程，且具有一定逻辑关系或数学方程的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。
2、系统仿真的实质：
a）它是一种对系统问题求数值解的计算技术，
b）仿真是一种认为的实验手段
c）仿真可以比较真实地描述系统的运行，演变及其发展过程。
3、系统仿真的作用：
a）系统的过程也是实验的过程，而且还是系统地收集和积累信息的过程。
b）对于一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统，以通过仿真模型来顺利解决预测，分析和评价等系统问题。
c）通过系统仿真，可以把一个复杂系统降价成若干字系统，以便分析
d）通过系统仿真，不仅能启发新的思想或产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏的一些问题，以方便及时解决。
4、系统仿真的方法：
分为两大类：
连续系统仿真法和离散系统仿真法
a）连续系统仿真法：
是指系统中的状态变量随时间连续地变化的系统。
b）离散系统是指离散事件动态系统的简称，是指系统状态变量只在一些离散的时间点上发生变化的系统
5、系统动力学是一种对社会经济问题进行系统分析的方法论和定性与定量相结合的分析方法，目的在于综合控制论，信息论和决策论的成果，以计算机为工具，分析研究信息反馈系统的结构和行为。
6、系统动力学研究对象：
主要是社会（经济）系统
7、系统动力学的工作程序：
a）认识问题
b）界定系统
c）要素及其因果关系分析
d）建立结构模型
e）建立量化分析模型
f）仿真分析
g）比较与评价
h）政策分析
第二节系统动力学结构模型化原理
1、SD的基本原理
a）SD的四个基本要素：
状态或水准、信息、决策或速率、行动或实物流
b）SD的两个基本变量，水准变量、速率变量
c）SD的一个基本思想，反馈控制
2、因果关系图和流程图
a）因果箭：
连接因果要素的有向线段
b）因果链：
因果关系具有传递性
c）因果（反馈）回路：
原因和因果的相互作用形成因果回路。
因果反馈环是社会系统中各要素的因果关系本身所固有的，正反馈回起到自我强化的作用，负反馈回路具有“内部稳定器”的作用。
d）多重因果（反馈）回路：
社会系统的动态行为是有系统本身存在着的许多正反馈和负反馈回路决定，从而形成多重反馈回路。
3、流（程）图的各要素构成：
a）流：
是系统中的活动和行为，通常指区分出实体流和信息流
b）水准：
它是系统中子系统的状态，是实物流的积累，
c）速率：
他表示系统中流的活动状态，是流的时间变化
d）参数量：
它是系统中各种常数
e）辅助变量：
f）源：
g）信息：
h）滞后或延迟
4、SD结构模型的建模步骤（一般过程）
a）明确系统边界，即确定对象系统的范围
b）阐明形成系统结构的反馈回路
c）确定反馈回路中的水准变量和速率变量。
d）阐明速率变量的子结构或完善，形成各个决策函数，建立起SD结构模型。
第五章系统评价方法
第一节系统评价原理
1、系统评价就是全面评定系统的价值：
系统评价的问题是由以下组成
a）评价对象（What）
b）评价主体（Who）
c）评价目的（Why）
d）评价时期（When）
e）评价地点（Where）
f）评价方法（How）
2、评价对象是指接受评价的事物、行为或对象系统。
3、评价主体是评定对象系统价值大小的个人或集体。
评价主体根据个人的性格特点以及当时的环境，评价对象的性质以及对未来的展望等因素，对于某种利益和损失有自己独到的感觉和反应，这种感觉和反应就是效用。
4、效用值与效益值间的对应关系可用效用曲线来刻画，效用曲线因人而异。
5、评价目的即系统评价所要解决的问题和所能发挥的作用。
6、评价时期即系统评价在系统开发全过程中所处的阶段
a）期初评价
b）期中评价
c）期末评价
d）跟踪评价
7、评价地点：
a）评价对象所涉及的及其占有的空间或评价的范围。
b）评价主体观察问题的角度和高度或评价的立场。
第二节关联矩阵法
1、关联矩阵法是常用的系统综合评价法，它是用矩阵的形式来表示各替代方案有关评价指标及其重要度与方案关于具体指标的价值评定量之间的关系。
2、应用关联矩阵评价方法的关键：
a）在于确定个评价指标的相对重要度，
b）根据评价主体给定的评价指标的评价尺度
c）确定方案关于评价指标的价值评定量
d）计算平均和
3、逐对比较法：
是确定评价指标权重的简便方法之一，基本的做法是：
a）对各替代方案的评价指标进行逐对比较，对相对重要的指标给予较高得分，据此可得到各评价项目的权重W，
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