系統(tǒng)工程引論（第3版）

　　本書是高等工科院校自動化、計算機、管理科學與工程專業(yè)及理工科各類專業(yè)公共課程使用的“系統(tǒng)工程”教材，也可作為工程技術(shù)與管理人員培訓與自學用書。本書包括系統(tǒng)工程學科的對象和任務、系統(tǒng)工程方法、系統(tǒng)的描述與建模、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型、系統(tǒng)的靜態(tài)分析與優(yōu)化、系統(tǒng)的動態(tài)建模與分析、隨機服務系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、決策分析的概念與方法、系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)的建構(gòu)與集成等內(nèi)容。各章節(jié)可以按照不同的課程要求與學時，靈活組成不同類型的教材結(jié)構(gòu)，以滿足各種類型讀者的要求。 目錄： 第1章系統(tǒng)與系統(tǒng)工程 1.1系統(tǒng) 1.2系統(tǒng)工程 1.3系統(tǒng)工程的應用 1.4系統(tǒng)學科的體系結(jié)構(gòu) 本章小結(jié) 參考文獻 習題 第2章系統(tǒng)工程方法 2.1系統(tǒng)思想 2.2系統(tǒng)工程的方法論和方法 2.3硬系統(tǒng)方法論 2.4軟系統(tǒng)方法論 2.5系統(tǒng)方法論的進一步發(fā)展 2.6問題的確定與目標的確立 2.7方案的生成與未來環(huán)境預測 2.8系統(tǒng)的建構(gòu)2.9建模、分析與優(yōu)化 2.10評價與決策 2.11系統(tǒng)工程中人的因素 2.12系統(tǒng)、信息、控制 本章小結(jié) 參考文獻 習題 第3章系統(tǒng)的描述與模型建立 3.1系統(tǒng)的描述 3.2量化與尺度 3.3數(shù)據(jù)的管理 3.4指標與指標體系 3.5系統(tǒng)的定性描述與知識表示 3.6不確定性描述（一）——隨機性 3.7不確定性描述（二）——模糊性 3.8建模問題 本章小結(jié) 參考文獻 習題 第4章系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)建模 4.1概念模型與結(jié)構(gòu)模型 4.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的分解 4.3索引矩陣與出現(xiàn)矩陣 4.4結(jié)構(gòu)模型的建立（一） 4.5結(jié)構(gòu)模型的建立（二） 4.6層次結(jié)構(gòu)分析 4.7認知圖與思維導圖 本章小結(jié) 參考文獻 習題 第5章系統(tǒng)的靜態(tài)模型與分析 5.1系統(tǒng)的靜態(tài)模型 5.2系統(tǒng)的靜態(tài)分析 5.3系統(tǒng)的靜態(tài)優(yōu)化（一）——線性規(guī)劃問題 5.4系統(tǒng)的靜態(tài)優(yōu)化（二）——非線性規(guī)劃問題 5.5無約束優(yōu)化的近似計算方法 本章小結(jié) 參考文獻 習題 第6章系統(tǒng)的動態(tài)建模與分析 6.1系統(tǒng)的動態(tài)模型 6.2系統(tǒng)動態(tài)模型舉例 6.3線性系統(tǒng)的動態(tài)分析 6.4非線性系統(tǒng)的動態(tài)分析 6.5離散事件動態(tài)系統(tǒng) 本章小結(jié) 參考文獻 習題 第7章隨機服務系統(tǒng) 7.1引言 7.2生滅過程 7.3無限隊長、泊松輸入、指數(shù)服務分布的系統(tǒng) 7.4有限隊長、泊松輸入、指數(shù)服務分布的系統(tǒng) 7.5泊松輸入、一般服務分布的系統(tǒng) 本章小結(jié) 參考文獻 習題 第8章網(wǎng)絡系統(tǒng) 8.1最短路徑問題 8.2最大流問題 8.3網(wǎng)絡計劃方法 8.4復雜網(wǎng)絡 本章小結(jié) 參考文獻 習題 第9章決策分析基礎 9.1引言 9.2決策過程與步驟 9.3決策問題的基本描述和類型 9.4偏好關(guān)系 9.5效用和效用函數(shù) 9.6主觀概率 本章小結(jié) 參考文獻 習題 第10章決策分析方法 10.1風險型決策分析方法 10.2決策分析中的專家評估法 10.3多準則決策 10.4層次分析法 10.5模糊綜合評價法 10.6決策分析方法的運用 10.7計算機決策支持系統(tǒng) 10.8元決策 本章小結(jié) 參考文獻 習題 第11章系統(tǒng)可靠性 11.1可靠性的一些基本概念和定義 11.2系統(tǒng)可靠性模型與可靠度計算 11.3系統(tǒng)可靠性估計與分配 11.4系統(tǒng)可靠性分析舉例 11.5可維修系統(tǒng)的模型 11.6幾種可維修系統(tǒng)的可用性分析 本章小結(jié) 參考文獻 習題 第12章系統(tǒng)的建構(gòu)與集成 12.1系統(tǒng)的建構(gòu)工作 12.2系統(tǒng)建構(gòu)工作的特點與原則 12.3系統(tǒng)建構(gòu)工作的步驟 12.4系統(tǒng)建構(gòu)工作的方法 12.5系統(tǒng)集成的含義 12.6系統(tǒng)集成的類型 12.7系統(tǒng)集成創(chuàng)新 12.8系統(tǒng)集成創(chuàng)新的方法論 本章小結(jié) 參考文獻 習題前 言 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術(shù)的進步，人類社會出現(xiàn)了越來越多的大型復雜系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、建造、運用需要建立在科學的基礎之上，系統(tǒng)工程作為對系統(tǒng)進行組織管理的技術(shù)也就應運而生了。20世紀的后半葉，系統(tǒng)工程的思想和方法在軍事和民用工業(yè)等各個領(lǐng)域中的應用有了很大發(fā)展，取得了很大成效，而系統(tǒng)工程學科本身也有了很大發(fā)展。我國從20世紀70年代后期開始，在錢學森、許國志等老一輩科學家的領(lǐng)導和指引下，開拓了中國的系統(tǒng)工程研究和應用事業(yè)。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科技、資源、環(huán)境、經(jīng)濟等領(lǐng)域取得了很多成果，產(chǎn)生了很大影響?，F(xiàn)在人們在面臨重大而復雜的任務時，常常會把它看作是一項系統(tǒng)工程，并謀求從整體上綜合而有序地解決問題。特別是當前為了落實科學發(fā)展觀，建立和諧社會，面臨復雜多變的環(huán)境和形勢，需要處理許多帶有全局性、長遠性的問題，更有必要充分利用系統(tǒng)工程的理念和方法。 也正是在20世紀70年代末期，在高等學校的教學計劃中開始出現(xiàn)了系統(tǒng)工程課程，并在研究生培養(yǎng)的學科目錄中出現(xiàn)了系統(tǒng)工程專業(yè)（首先在自動化學科內(nèi)，后來又在管理科學與工程學科及航天工程學科內(nèi)）。近年來，這門課程不僅在自動化、管理類專業(yè)開設，而且已經(jīng)成為理工科院校各類專業(yè)的公共課程。 本書最早是由原電子工業(yè)部自動控制教材編審委員會為自動控制專業(yè)編寫的。第1版于1984年由電子工業(yè)出版社正式出版（在此之前的1981年，曾由國防工業(yè)出版社以《系統(tǒng)工程學》為書名出版過內(nèi)部發(fā)行版）。第2版（修訂本）于1991年出版。先后兩版曾長期作為自動化類本科生與研究生教材使用。由于系統(tǒng)工程作為一門通用性的學科，在許多理工科院校為廣大高年級本科生和研究生開設，因此，需要更為通用的教材，有必要對本教材再加修訂，以適應更廣泛的教學要求。 本次修訂首先將這本教材定位于理工科院校的工程技術(shù)類及與技術(shù)有關(guān)的管理類的各專業(yè)所開設的系統(tǒng)工程通用教材，內(nèi)容著重于系統(tǒng)工程的理念和方法論，因為這些概念是系統(tǒng)工程學科的最根本的內(nèi)容；其次是定性和定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析和綜合方法。為適應更廣泛的教學要求，將一些計算細節(jié)加以壓縮，而擴大了系統(tǒng)工程理念和方法的闡述。 本書第1章介紹了系統(tǒng)和系統(tǒng)工程的概念。首先對系統(tǒng)的含義、屬性和特征做了介紹，闡述了系統(tǒng)的分類。介紹了系統(tǒng)工程的兩種含義：一種含義是指那些規(guī)模龐大、涉及因素眾多的任務、項目，它們需要從整體上加以把握，綜合地進行處理；另一種含義是指處理上述任務或項目所應用的思想、方法所構(gòu)成的學科。接著闡明了系統(tǒng)工程學科的定義和特征。本章還論述了系統(tǒng)工程的原則和國內(nèi)外系統(tǒng)工程的廣泛應用。 第2章是本教材的重點，闡述了系統(tǒng)工程的方法論和工程方法。本章首先介紹了系統(tǒng)思想的發(fā)展和主要理念，從系統(tǒng)的整體性、功能和結(jié)構(gòu)及自組織特性來具體研究系統(tǒng)思想的含義。其次說明了方法論和方法的關(guān)系，介紹了硬軟兩種系統(tǒng)工程方法論，以及方法論的進一步發(fā)展。接著依次討論了問題和目標的確定，方案的生成，系統(tǒng)的建構(gòu)，以及建模、分析與優(yōu)化、評價與決策。最后討論了系統(tǒng)工程中人的因素問題和系統(tǒng)、信息、控制三者之間的關(guān)系問題。 第3章介紹的是系統(tǒng)的描述和模型建立問題。這里所說的描述，包括從開始確定問題時所寫的問題剖析報告，直到具體的數(shù)學模型公式或計算機程序。本章首先從量化和尺度開始，接著研究了數(shù)據(jù)和指標體系。為系統(tǒng)建立模型，實際上就是對系統(tǒng)的某些屬性加以描述，特別是用符號語言來描述。本章最后一節(jié)講述了建模的共性問題，特別強調(diào)了結(jié)構(gòu)模型的重要性，為后幾章講述各類數(shù)學模型的建立做準備。 第4章講述了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型。首先介紹怎樣從描述問題的概貌和系統(tǒng)輪廓的結(jié)構(gòu)模型過渡到描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)的結(jié)構(gòu)模型，闡明了結(jié)構(gòu)模型的特點是描述系統(tǒng)各組成部分之間及它們與外界環(huán)境之間的關(guān)系（這里所謂關(guān)系，既包括因果關(guān)系、順序關(guān)系、聯(lián)系關(guān)系、隸屬關(guān)系，也包括優(yōu)劣對比關(guān)系等）。本章強調(diào)結(jié)構(gòu)模型乃是從系統(tǒng)的概念模型過渡到定量分析的中介，而且即使對那些難以量化的系統(tǒng)來說也可以建立結(jié)構(gòu)模型，用來深化對系統(tǒng)的認識。然后介紹各種結(jié)構(gòu)模型的形式和建立方法。 第5章講述系統(tǒng)的靜態(tài)建模、靜態(tài)分析與優(yōu)化，從最簡單的靜態(tài)模型的建立開始，依次介紹靜態(tài)分析與優(yōu)化的方法。雖然系統(tǒng)工程的核心部分是它的理念和方法論，以及概念模型的建立，但是一些基本的數(shù)學模型的建立和定量分析方法還是很重要的，因為通過這些方法可以更深入地掌握系統(tǒng)的特性。與前兩版相比，這一版對許多靜態(tài)優(yōu)化的具體計算方法進行了刪節(jié)，因為那些是運籌學、優(yōu)化方法等課程的內(nèi)容。 第6章講述系統(tǒng)的動態(tài)建模和動態(tài)分析。這里同樣從最簡單的動態(tài)模型建立開始，逐步引述系統(tǒng)的動態(tài)性能與特點。本章的一個重點是對非線性系統(tǒng)的動態(tài)分析作了闡述，因為隨著系統(tǒng)復雜性的增加，非線性因素的作用和影響是不能忽視的。在這一章中特別對種群的動力學形態(tài)作了一些分析，因為種群的概念不僅限于自然生態(tài)系統(tǒng)，現(xiàn)在工業(yè)生態(tài)、信息生態(tài)的研究也提到日程上來了。此外還提到了正反饋在系統(tǒng)中的作用。 第7章研究了隨機服務系統(tǒng)。這類系統(tǒng)大量存在于各種服務業(yè)（運輸、通信、商業(yè)、銀行等）之中，其中接受服務者的到來時刻和服務者進行服務的時間，都隨時機和條件而變化。因此，服務系統(tǒng)的狀況也是隨機的，是隨時機與條件而變化的。本章介紹了幾類典型的服務系統(tǒng)的分析方法和系統(tǒng)的特點。 第8章則是有關(guān)網(wǎng)絡系統(tǒng)的分析。這類系統(tǒng)由許多節(jié)點通過線路連成網(wǎng)絡。在線路中，有物料、能量或信息在流動，例如運輸網(wǎng)、信息網(wǎng)等。有一些工作計劃，也是按相互的關(guān)系繪制成網(wǎng)絡形式的，可以認為是沿時間展開的網(wǎng)絡。本章介紹了各類網(wǎng)絡的分析方法。近年來復雜網(wǎng)絡的研究為系統(tǒng)復雜性研究開辟了一條新的道路，它的應用不僅限于實際的物理網(wǎng)絡，而且會延伸到像企業(yè)集群、知識傳播和集成、科研合作等問題的分析研究之中。因此在這一版中特地增加了有關(guān)復雜網(wǎng)絡的內(nèi)容。 第9章開始討論決策分析的問題。人類的決策活動有著悠久的歷史。開始時只能憑借經(jīng)驗來進行決策，等到積累了大量的成功和失敗的正反面經(jīng)驗，借助于各類科學的理念、方法和數(shù)學與計算機工具，逐步形成一些決策科學方法。但是決策本身，特別是大型復雜決策問題本身涉及因素過多（尤其是一些心理和行為因素），決策又是一項創(chuàng)新性很強的工作，目前還難以形成普遍的規(guī)律。因此，人們更重視所謂“決策分析”這一學科，它主要是指可以用于實際生活的一些理性決策的理論與方法。本章將介紹有關(guān)決策分析的一些基本概念，決策分析過程和步驟，以及在決策分析過程中人們對決策結(jié)果的滿意程度的一些基本度量方法。 第10章講的是決策分析的一些具體方法，包括最常使用的風險型決策分析方法、專家評估法、多準則決策的概念和層次分析法、模糊綜合評價法等。探討了決策分析方法的應用，簡單地介紹了決策支持系統(tǒng)。最后講述了元決策的概念。 第11章是關(guān)于系統(tǒng)可靠性的研究。任何系統(tǒng)要想發(fā)揮它的效用，首要條件是能可靠地工作。因此，在設計、研制和運用一個系統(tǒng)時，必須考慮系統(tǒng)的可靠性問題。這一章介紹系統(tǒng)可靠性與可用性的分析方法。首先介紹可靠性的基本概念，然后介紹可靠性模型與可靠度計算及系統(tǒng)可靠性估計與分配。最后介紹可維修系統(tǒng)模型與可用度計算。 第12章講述了系統(tǒng)建構(gòu)與集成問題。這是關(guān)乎系統(tǒng)開發(fā)的兩項重要工作。按照本書作者的看法，這兩項乃是系統(tǒng)工程學科本身所獨具的方法和技術(shù)（按照一般說法，系統(tǒng)工程除了方法論外，許多方法和技術(shù)都是從其他學科（如運籌學、控制理論等）借用過來的，還沒有自己獨特的方法和技術(shù)）。由于在已有的系統(tǒng)工程教材中還缺乏這方面的論述，所以本書特辟專章來加以研究。系統(tǒng)建構(gòu)可以認為是系統(tǒng)工程中怎樣把系統(tǒng)的要求落實到構(gòu)建一個前所未有的系統(tǒng)上的過程和任務。本章首先介紹建構(gòu)工作的一般原則和特點，然后講述建構(gòu)的步驟和方法。關(guān)于系統(tǒng)集成，首先介紹它的含義和類型，然后圍繞著當前舉國上下所關(guān)心的自主創(chuàng)新中的系統(tǒng)集成創(chuàng)新，探討系統(tǒng)集成的各種形式及集成創(chuàng)新的特點，最后以系統(tǒng)集成創(chuàng)新的方法論的研究作為對系統(tǒng)集成研究的實際應用。 前面曾經(jīng)提到，本書是按照理工科院校的工程技術(shù)類（如自動化、信息工程、計算機、機械制造等）專業(yè)及與技術(shù)有關(guān)的管理類（如系統(tǒng)工程、工程管理、信息管理、工業(yè)工程、項目管理等）專業(yè)所開設的系統(tǒng)工程課程通用教材的要求編寫的，著重系統(tǒng)工程的理念、方法論和系統(tǒng)分析與綜合方法的介紹。至于在各行各業(yè)的應用，希望學生在學完本課程后主動聯(lián)系自己的專業(yè)實際，進行有機的結(jié)合。 本教材可作為高年級與研究生的系統(tǒng)工程課程的教科書或教學參考書，可按不同的教學要求與學時數(shù)靈活安排。 如果需要完整而深入地掌握系統(tǒng)工程的理念和方法而課時數(shù)在40～50學時之間，可以全面講授本書各章內(nèi)容（其中第4章與第9章后面的幾節(jié)可視需要與學生的基礎加以刪節(jié)）。 如果學時數(shù)在30～40之間，則可略去第4章的后幾節(jié)和第9章的后半部分。至于第7、第8和第11章，則可按照專業(yè)需要選講，或作簡要的概念性介紹。 對于學時更少的短期課程或者培訓課程來說，可以只選第1章到第3、第12章的全部，第9和第10章的有關(guān)概念的幾節(jié)，以及第4、第5、第6章的開頭部分，至于第7、第8、第11章，則按照課程對象有選擇地加以簡介。 本書也可供廣大的工程技術(shù)人員、科研人員和管理人員自學參考。希望他們首先閱讀第1、第2、第3、第9章的前面部分和第12章，然后再按照工作需要選讀其余各章。 由于系統(tǒng)工程是一門方法性的學科，為了適應更多的專業(yè)使用，本書無法一一列舉更多的實例。所以建議讀者在讀到每一部分時都能聯(lián)系自己的工作經(jīng)驗和見聞，考慮系統(tǒng)思想和方法的應用。 作者 2006年4月

　　王眾托：大連理工大學教授，中國工程院院士。長期從事系統(tǒng)工程與信息技術(shù)應用的教學與科學研究工作。曾撰寫過《系統(tǒng)工程學》、《系統(tǒng)管理》、《分布式計算機控制與管理系統(tǒng)》、《網(wǎng)絡計劃技術(shù)》、《計算機決策支持系統(tǒng)》、《計算機在經(jīng)營管理中的應用：新的系統(tǒng)構(gòu)成》、《企業(yè)信息化與管理變革》、《知識系統(tǒng)工程》等教材和專著，以及9種譯著。目前從事知識系統(tǒng)工程學科的創(chuàng)建。