系统工程的理论基础
系统工程导论主观题答案
一．简答题1. 什么是系统？并用一表达式描述，说明其含义。
答：系统是由相互联系、相互作用的许多要素结合而成的具有特定功能的统一体。
S＝{E，R} 或者 {E｜R}其中，S表示系统（system），E表示要素（elements）的集合(first set)，R表示由集合E产生的各种关系(relations)的集合(first set)。
2．什么是系统的涌现性答：系统的涌现性包括系统整体的涌现性和系统层次间的涌现性。
系统的各个部分组成一个整体之后，就会产生出整体具有而各个部分原来没有的某些东西（性质、功能、要素），系统的这种属性称为系统整体的涌现性。
系统的层次之间也具有涌现性，即当低层次上升为高层次时，一些新的性质、功能、要素就会涌现出来。
3．简述系统与环境的关系答：新系统产生于环境；新系统的约束条件决定于环境；决策的依据来自于环境，试制所需资源来自于环境；最后，系统的品质也这能放在环境中进行评价。
系统对环境的依赖性，产生与环境，运行与环境中，适应环境；系统与环境划分的确定性与相对性；系统与环境相互影响，物质、能量、信息交换；系统+环境=更大系统。
4．按钱学森提出的系统新的分类方法，系统如何分类？对每一类系统举一例。
答：1）按照系统规模分为小系统、大系统、巨系统；2）按照系统结构的复杂程度分为简单系统和复杂系统。
一个人可视为简单的小系统，学校为复杂的大系统，社会是开放的复杂巨系统。
5．如果用下面表达式描述某一企业系统S={E，R}Ω{E∣R}，举例说明E和R分别表示那些内容？答：E表示要素的集合，R表示由集合E产生的各种关系的集合。
E－构成企业的各子系统，R－子系统之间、系统与整体之间、整体与环境之间、子系统与环境之间的关系。
6．系统的结构与功能的关系是怎样的？答：结构与功能是系统普遍存在的两种既相互区别又相互联系的基本属性，是系统中要素之间相互联系相互作用所形成的整体性关系问题的两个方面。
区别：系统结构说明的是系统内部状态和内部作用，系统功能说明的是系统外部状态和外部作用。
系统工程导论 第二章系统工程的基础理论与方法论 第一节系统最优化理论
n 。最后，也要考虑到xij
的产品数量属性，即 xij 0,i 1, 2, m, j 1, 2, n ，因此，该运
输方案可由以下模型求解得到：
2.1 系统最优化理论
mn
min
cij xij
i 1 j 1
（2-3）
n
s.t. xij ai ,i 1, 2, m j 1 m xij bj , j 1, 2, n i 1 xij 0,i 1, 2, m, j 1, 2, n
2.1 系统最优化理论
mn
解
首先，在假设运输量为
xij
的条件下其总的运费为 i 1
j 1
cij
xij
。
其次，要考虑到从任意产地运出的量要等于该产地的产量，即
n
xij ai ,i 1, 2,
j 1
m 。第三，还要考虑到运到任意销地的量要等
m
于该销地能销出的量，即 xij bi , j 1, 2, i 1
不同的方案、设计、措施以达到最优目的。（2）目标函数，如例
2-1
中的 max
, 10x1 18x2
例
2-2
中的min
mn
cij xij
。目标函数通常是决策变
i 1 j 1
量的函数，表达了“何为最优”的准则和目标，规定了优化问题
的实际意义。
2.1 系统最优化理论
（3）约束条件，如例 2-1 和例 2-2 中由“s.t”规定的部分。 约束条件指决策变量取值时受到的各种资源和条件的限制，表 达了一种“有条件优化”的概念，通常为决策变量的等式或不 等式方程。如果决策变量的取值是连续的，且目标函数和约束 条件都是决策变量的线性函数，则称为线性规划问题。如果决 策变量的取值为整数点，则称为整数规划问题；如果部分决策 变量取值连续而其余取值为整数，则称为混合整数规划问题； 如果目标函数和约束条件中存在任何的非线性因子，则称为非 线性规划问题。
系统工程理论(1)
系统工程理论第一节系统科学的学科体系我国著名科学家钱学森提出了一个清晰的现代科学技术的体系结构，认为从应用实践到基础理论，现代科学技术可以分为四个层次：首先是工程技术这一层次，然后是直接为工程技术提供理论基础的技术科学这一层次，再就是基础科学这一层次，最后通过进一步综合、提炼达到最高概括的马克思主义哲学。
如图2-1所示。
在此基础上他又进一步提出了一个系统科学的体系结构。
他认为系统科学是由系统工程这类工程技术，系统工程的理论方法（像运筹学、大系统理论等）这一类技术科学（统称为系统学），以及它们的理论基础和哲学层面的科学所组成的一类新兴科学。
如图2-2所示。
图2-1现代科学技术体系系统学主要研究系统的普遍属性和运动规律，研究系统演化、转化，协同和控制的一般规律、系统间复杂关系的形成法则、结构和功能的关系、有序、无序状态的形成规律以及系统的仿真的基本原理等，随着科学的发展，它的内容也不断在丰富。
由于其尚属于起步阶段，还不够成熟，因而学者们对系统科学的学科体系的认识仍有较大差异。
系统工程是从实践中产生的，它用系统的思想与定量和定性相结合的系统方法处理大型复杂系统的问题，它是一门交叉学科。
系统工程是把自然科学和社会科学的某些思想、理论、方法、策略和手段等根据总体协调的需要，有机地联系起来，把人们的生产、科研、经济和社会活动有效地组织起来，应用定量和定性分析相结合的方法和计算机等技术工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目的，以便最充分地发挥人力、物力和信息的潜力，通过各种组织管理技术，使局部和整体之间的关系协调配合，以实现系统的综合最优化。
系统工程是一门工程技术，但它与机械工程、电子工程、水利工程等其它工程学的某些性质不尽相同。
上述各门工程学都有其特定的工程物质对象，而系统工程则不然，任何一种物质系统都能成为它的研究对象，而且还不只限于物质系统，它可以包括自然系统、社会经济系统、经营管理系统、军事指挥系统等等。
基于系统工程理论视野的课程整合探索 系统工程理论基础
基于系统工程理论视野的课程整合探索系统工程理论基础问题分析信息技术与学科课程的整合在经验了剧烈的理论研讨和小范围的实践尝试，经验了各地各学校通过开展整合课题探究和优秀整合课的展示推广活动以后，在进入主流教学活动过程中时,却明显放慢了节奏。
依据各地中小学反映的问题，结合何克抗教授关于课程整合的目标与内涵的观点，可以看出目前课程整合存在如下主要问题。
1.缺乏系统、长远的思索学校管理者仅仅片面地从教学领域以及基于短期效应来思索问题，没有将课程整合与学校的组织管理的优化、教学将来规划、将来教育的开展趋势严密结合起来。
虽然实践中在教学质量的提高、学生成果的上升方面可能取得了短暂性的突破，但是学校综合竞争力的提升、素养教育目标的实现却绝非一朝一夕的事情。
2.技术主义导向泛滥以“技术主义”为导向表此时此刻：其一，技术条件热，即片面地、不切实际地强调技术条件，仅仅热衷于对计算机数量的投入、宽带校内网的建立以及课件的开发与运用，这在课程整合的开展初期尤为明显；其二，技术意识热，即片面地从技术层面、从技术人员的思维视野来思索问题，没有结合素养教育与创新教育的要求，没有努力挖掘学校组织管理、教学体制等方面存在的漏洞与缺乏。
3.课程整合范围过于狭隘课程整合不应当仅仅停留在课堂中，课前打算、课后复习、学生沟通等，也应当纳入课程整合中去，这样才能到达完整的、深层次的课程整合。
4.缺乏系统的考核与评估对课程整合所起的作用，缺乏系统的考核与评估。
首先，很多学校还仅仅以学校配置的计算机数量、上网的速度、学生的计算机技能、老师运用课件的质量与数量等技术的指标作为考核绩效的标准，而无视了课程整合应当以提高素养教育与创新教育水平为根本启程点与落脚点。
其次，考核与评估机制没有制度化、科学化，过于随意化与主观化。
5.缺乏系统的反应与不断改良没有从根本上相识到课程整合是一个螺旋上升的过程，企图“毕其功于一役”，缺乏不断改良的相识。
针对如技术导向的思维方式及带来的弊端等课程整合的缺乏之处，缺乏刚好的反应。
系统工程导论复习资料
系统工程导论复习资料一、系统工程基础理论1. 什么是系统？系统的特性有那些？答：系统是由相互制约、相互作用的一些组成部分组成的具有某种功能的有机整体。
系统的特点有：整体性、集合性、层次性、相关性、目的性、环境适应性。
2. 什么是系统工程？系统工程的特点是什么？系统工程方法的特征是什么？系统工程的理论基础有哪些？什么是系统工程方法论答：系统工程是从整体出发合理开发、设计、实施和运用系统技术从而达到全局最优的一门工程技术，它是系统科学中直接改造世界的工程技术。
系统工程具有三个基本特点：整体性、综合性、最优性。
系统工程方法的特征：先总体后详细的设计程序、综合即创造的思想、系统工程的“软科学”性。
系统工程的理论基础：系统论、信息论、控制论以与运筹学等。
控制论的发展经历了：经典控制论、现代控制论、大系统控制论三个时期。
控制论最重要的观点是：反馈和信息。
系统工程方法论是分析和解决系统开发、运作与管理实践中的问题所应遵循的工作程序、逻辑步骤和基本方法，是系统工程考虑和处理问题的一般方法和总体框架。
3. 作为系统工程重要基础的信息论可分为哪三种不同的类型？答：狭义信息论、一般信息论、广义信息论。
4. 霍尔系统工程方法论和切克兰德系统工程方法论的核心是什么？其方法和步骤各有什么特点?二者有何区别和联系？霍尔三维体系结构的具体内容？霍尔三维集中体现了系统工程方法的哪些特点？答：霍尔系统工程方法论的核心是“最优化”，切克兰德系统工程方法论的核心是“比较”和“学习”。
霍尔系统工程方法论的步骤为：弄清问题→目标选择→方案设计→建立数学模型→最优化→决策→实施。
切克兰德系统工程方法论的步骤为：问题现状说明→弄清关联因素→概念模型→改善概念模型→比较→实施。
霍尔的三维体系结构指的是知识维、时间维和逻辑维。
霍尔三维结构集中体现了系统工程方法的系统化综合化最优化、程序化、标准化等特点。
5. 什么是系统的生命周期？系统生命周期的阶段是怎样划分的？答：从提出或建立一个系统到该系统停止运行或为其他系统代替的这段时间，称为系统的生命周期。
第2章 系统工程基本理论
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北京物资学院信息学院
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2.2 系统论基础
2.2.2 系统的环境、行为和功能 3. 系统的功能
功能是指系统与外部环境相互联系和相互作用中表现 出来的性质、能力和功效。功能是刻画系统行为，特别是系 统与环境关系的重要概念。
结构是功能的基础，功能依赖于结构；结构决定功能， 功能对结构具有一定的反作用。
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2.2 系统论基础
2.2.4 系统论的方法
2. 定性描述与定量描述相结合
对任何事物都可以从定性与定量两个方面加以描述。
定性特性多数情况下表现了事物的本质属性，是定量描述 的基础；在定性描述的同时，我们也必须借助于定量描述， 给出定性描述的具体特性，使定性描述更加客观和精确。定 性描述与定量描述相互结合，正是系统论研究问题的基本方 法之一。
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2.2 系统论基础
2.2.4 系统论的方法
1. 还原论与整体论相结合
整体论强调的是整体地把握对象，还原论则主张把整体 分解为部分来研究。
系统论正是通过综合整体论的思想、改进还原论的局限 性而发展起来的。它在了解事物各部分精细结构的基础之上 ，再从整体上来认识和处理问题。这样，一方面克服了还原 论零碎地认识事物的片面性，另一方面也更正了古代整体论 的直观性和笼统性，真正地达到了科学地把握全局。
第二次世界大战在客观上大大促进了科学的进步、技术 的发展，特别是与作战有关的科学技术。
2. 理论渊源
（1）数学和物理学为控制论的产生提供了数量计算和演 化机制分析的基础。
（2）生命科学为控制论的产生提供了可供类比的对象。 （3）计算机科学和逻辑学的发展与控制论的产生和发展 互为因果、相互促进。
控制系统工程基础理论的发展历程
控制系统工程基础理论的发展历程控制系统工程是现代工业和科学领域中重要的学科之一，它涵盖了从电子设备到机械装置的广泛范围，并且在实践应用中具有不可或缺的作用。
控制系统工程的基础理论是该领域的重要组成部分，在过去的几十年里，经历了许多重大的发展和演变过程。
本文将探讨控制系统工程基础理论的发展历程，从最早的原始控制方法到现代的自动控制理论。
1. 原始控制方法的出现在人类对物质世界进行改造的过程中，人们开始意识到需要对工业和科学过程进行控制。
最早的控制方法可以追溯到古代，例如古代埃及人使用水门控制尼罗河水位的高低。
这些原始的控制方法主要基于观察和经验，并没有严格的理论基础。
2. 数学控制理论的崛起随着数学的发展，控制理论的研究也逐渐变得形式化和系统化。
17世纪的牛顿和拉格朗日等人为控制理论的发展奠定了基础，他们的工作使得控制系统的运动方程可以用数学公式来描述。
这为控制系统的分析和设计提供了数学工具。
3. 反馈控制理论的提出20世纪初，美国数学家诺伯特·维纳提出了反馈控制理论的概念。
他认识到，通过引入一个反馈环路，可以将控制系统的输出与期望的输入进行比较，并根据误差来调节系统的行为。
这个概念引发了对控制系统稳定性和性能的深入研究，为自动控制领域的发展铺平了道路。
4. 现代自动控制理论在二十世纪中叶，自动控制理论取得了巨大的发展，并成为控制系统工程的核心领域。
现代自动控制理论以数学和工程学为基础，利用信号处理、系统建模、控制器设计等方法来实现对系统的稳定性、鲁棒性和性能的优化。
在这一时期，频域分析、时域分析、根轨迹方法和状态空间方法等工具被广泛应用于控制系统工程。
5. 新兴领域的发展随着科学技术的进步和应用需求的不断变化，控制系统工程也在不断发展。
例如，现代网络和通信技术的出现为分布式控制系统提供了新的机会和挑战。
同时，智能控制、自适应控制和模糊控制等新兴领域也逐渐崭露头角，并且对控制系统工程的发展起到了积极的推动作用。
第二章系统工程的基础理论与方法论
(0,2)
S
o
x1 4x2 z, z 0
图 2-1
z减少方向
图解法求解线性规划
(4,0)
x1
x1 x2 4
2.1 系统最优化理论
2.1.2 整数规划 许多实际问题的求解中，都要求部分甚至全部决策变量取整数 值，如一台设备、五个人等，这类数学规划问题称为整数规划， 其中，要求全部决策变量都必须取整数值的称为纯整数规划；部 分决策变量取整数值的称为混合整数规划。有时，要求决策变量 为只能取 0 或 1 的逻辑变量，则称为 0－1 规划。
0.2
(2-17)
2.1 系统最优化理论
目前，线性规划问题的求解基本采用两种方法：低维线性规划（如两个 决策变量）问题的图解求法和高维线性规划（三个决策变量以上）问题的 单纯形求法，并且随着计算机软件技术的迅速发展，已有许多性能优良的 商品化单纯形算法软件。
一般，不论是线性规划还是下面将要讨论的整数规划、非线性规划，满
解在可行域内使目标函数具有最小值，所以让等值线x1 4x2 z
沿 z 减小的方向在可行域内尽量平行移动，直到图中 x1 1, x2 3
的位置，如果再移动就移出了可行域 s。于是，点（1，3）即为 问题的最优解，目标函数的最优值为－13。
2.1 系统最优化理论
x2
x1 x2 2
(1,3)
问在工厂现有资源条件下，应如何安排生产，才使工厂 获得最大利润。
2.1 系统最优化理论
解 设安排 A1、A2 产品的产量分别为x1 千克和x2 千克，则产 品的总利润为10x1 18x2 元。然而，产量x1 和x2 不能无限制扩大，要 考虑到仓库中原料存量的限制。就原料 B1 来说，生产x1 千克 A1
系统工程的理论与实践研究
系统工程的理论与实践研究一、什么是系统工程系统工程，又称为系统工学、系统科学和系统论，是一门以系统为研究对象，通过总体性思维方法，综合运用各种途径，对资源、制造、服务等流程进行管理，以达到最优解决方案的一门学科。
自从20世纪50年代起，系统工程便成为了一门研究如何在诸多不确定因素下，在复杂的组织和技术环境中设计和开发可行的方案的学科。
系统工程的范畴非常广泛，并且在多个学科的交叉部分产生。
可以简单地将其定义为运用跨学科知识、原则、方法和工具，在合理的约束条件下，系统地和综合地设计、实现和管理可靠的、有效的产品、过程和服务。
二、它的基础理论1. 系统论系统论是系统工程的基础理论，是揭示系统一系列基本概念、方法和原则的研究领域，包括了从系统的概念、属性、模型、结构、函数、演化、控制等各方面的研究。
系统工程中主要运用系统论来描述问题状况、设计方案以及量化分析等方面。
2. 线性系统理论线性系统理论是指在系统运行过程中输出量与输入量之间的线性关系。
这个理论是系统工程中的基础，因为绝大部分的系统都可以用线性模型来描述。
线性系统理论包括线性代数、矩阵理论和控制理论等方面。
3. 博弈论博弈论是以解决问题中不确定性因素的作用为研究对象的学科。
在系统工程中，博弈论主要研究冲突、协作和组织关系等问题，为解决冲突和谈判提供了一种新颖的思维方式。
三、系统工程的应用系统工程的应用具有非常广泛的范畴，并且在多个领域上有不可替代的意义。
1. 制造业在制造业中，系统工程的应用主要包括生产流程、供应链、质量控制和在制品管理等方面。
通过对制造流程的优化，系统工程帮助企业降低了成本、提高了产量，并提供更好的服务。
2. 航空航天在航空航天领域中，系统工程起着至关重要的作用。
这个领域的复杂性和难度要高于其他许多制造业，因此需要对整个生产过程进行严格的跟踪和管理。
3. 交通运输在交通运输领域中，系统工程的应用主要包括交通控制和安全管理。
这种管理在控制流量和优化运输产能方面非常重要，同时还需要保障运输的安全性。
第二单元 系统工程的基础理论与方法论
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5、系统方案的优化选择 在系统的数学模型和目标函数已经建立的情况下，可用最 优化方法选择便目标值最优的控制变量值或系统参数。所 谓优化，就是在约束条件规定的可行域内，从多种可行方 案或替代方案中得出最优解或满意解。实践中要根据问题 的特点选用适当的最优化方法，目前应用最广的仍是线性 线性 规划、动态规划 非线性规划、大系统优化的分解协调算 动态规划、非线性规划 规划 动态规划 非线性规划 分解协调算 组合优化适用于离散变量，整数规划 整数规划中的分枝定界法 分枝定界法， 法。组合优化 组合优化 整数规划 分枝定界法 逐次逼近法等的应用也很广泛。多目标优化 多目标优化问题的最优解 逐次逼近法 多目标优化 处于目标空间的非劣解集上，可采用人机交互的方法处理 所得的解，最终得到满意解。多目标问题也可用加权的方 法转换成单目标来求解，或按目标的重要性排序，逐次求 解，例如目标规划法。
决 策 层
优 化 层
控 制 层
复杂工业过程
5
大系统理论
• 多级递阶结构：考虑各子系统的关联性，把决策问题横 向分解。 决策单元处在不同级别，只有上下级才能交换信息，同 级之间不交换信息，目标之间的冲突通过上一级协调解 决。
6
大系统理论
分散结构 各子系统独立工作，整个系统不存在协调器，个子 系统只拥有局部系统，只能通过各自系统之间的信 息交换来调整总体目标。
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信息论
• 信息熵性质： 对称性 非负性 确定性 最大熵原理
H ( p1 , p2 ) = H ( p2 , p1 )
H ( p1 , p2 ,... pn ) = −∑ pi log 2 pi ≥ 0
i=1 n
H (1, 0) = H (1, 0, 0) = ... = H (1, 0,..., 0) = 0