| 词条 | 系统工程史 |
| 释义 | xitong gongchengshi 系统工程史(卷名：自动控制与系统工程) history of systems engineering 系统工程是运用系统思想直接改造客观世界的一大类工程技术的总称。系统是由互相关联、互相制约、互相作用的若干组成部分构成的具有某种功能的有机整体。人们对于系统的认识，即关于系统的思想来源于社会实践，人们在长期的社会实践中逐渐形成了把事物的各个组成部分联系起来从整体角度进行分析和综合的思想，即系统思想。系统思想古已有之，但系统工程的诞生却是近40年来的事。随着科学技术的迅速发展和生产规模的不断扩大，迫切地需要发展一种能有效地组织和管理复杂系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的技术，即系统工程。美国贝尔电话公司在建成美国微波中继通信网后,于1951年正式提出系统工程这个名词。1972年，历时11年的美国载人登月的阿波罗工程自始至终运用系统工程取得了圆满成功。此后，系统工程被世界各国普遍接受。它的应用范围也逐渐地从军事系统和工程系统扩展到经济系统、生态系统和社会系统等，并从解决部门和国家范围内的问题进展到探讨全球性的重大问题。 系统思想的形成 系统思想的形成可追溯到古代。中国古代著作《易经》、《尚书》中提出了蕴含有系统思想的阴阳、 五行、 八卦等学说。中国古代经典医著《黄帝内经》把人体看作是由各种器官有机地联系在一起的整体，主张从整体上研究人体的病因。古希腊哲学家赫拉克利特在《论自然界》一书中指出：“世界是包括一切的整体。”古希腊哲学家德谟克利特认为一切物质都是原子和空虚组成的。他的《世界大系统》一书是最早采用系统这个名词的著作。古希腊哲学家亚里士多德提出整体大于部分之和的观点。古代系统思想还表现在一些著名的古代工程中。埃及的金字塔和中国的长城、大运河、都江堰以及《梦溪笔谈》中叙述的皇宫重建工程无不体现朴素的系统思想(见中国古代系统思想)。古代系统思想常用猜测的和臆想的联系代替尚未了解的联系，是自然哲学式的。 16世纪，近代自然科学兴起。在当时的条件下难以从整体上对复杂的事物进行周密的考察和精确的研究。因此，近代自然科学的研究方法是把整体的系统逐步地分解,研究每个较简单的组成部分,排除臆想的东西。这种方法后来被称为还原论和机械唯物论。但是，在当时这种方法还是先进的。它的进步作用曾得到F.恩格斯的肯定。到19世纪，科学的系统思想才逐渐形成。恩格斯在《路德维希·费尔巴哈和德国古典哲学的终结》一文中指出：“一个伟大的基本思想，即认为世界不是一成不变的事物的集合体，而是过程的集合体。其中各个似乎稳定的事物以及它们在我们头脑中的思想反映即概念，都处在生成和灭亡的不断变化中。在这种变化中，前进的发展，不管一切表面的偶然性，也不管一切暂时的倒退，终究会给自己开辟出道路。”恩格斯的这段话标志着科学的现代系统思想的产生。系统思想在历史上的发展贯穿于从自然哲学到辩证唯物主义的发展过程中。 系统工程的萌芽 19世纪末，电力、石油等新能源的开发大大促进了工业的发展。电气化工业和化学工业的出现又使生产技术设备日趋复杂，并进一步促使交通和通信系统大规模扩建。同时,物质的生产开始丰富,市场的需求成为制约生产发展的重要因素，企业间的竞争开始出现。在这种情况下，人们开始重视生产与经营之间的协调和综合，即开始运用系统思想来研究这类问题。另一方面，经典物理学的最终完成使人们认识到，只有通过对客观事物的数学描述才能深入分析事物的本质、了解它的构成机理和各种变异。人们开始用数学模型和分析的方法去研究工程、经济、生物、军事和社会等方面的系统。 排队论的产生 1910年，丹麦数学家A.K.埃尔朗受热力学统计平衡理论的启发而建立了电话系统统计平衡模型。1925年，美国电话电报公司成立贝尔电话实验室时，就在该室内设立了系统开发部。贝尔电话实验室发展了埃尔朗的电话系统模型，创造了一套电话系统分级复联的科学方法，并利用概率模拟装置，经过理论计算和实验验证来求出最佳通话服务方式。30年代，瑞典数学家巴尔姆和苏联数学家欣钦又对电话呼叫过程进行深入的数学分析，提出呼叫过程的普遍性、平稳性、有限性和无后效性等4个特征,奠定了关于系统中随机聚散现象的基本理论──排队论的理论基础。在近代工程技术中对系统工程的产生和发展影响最大的首推电话通信工程。 企业管理的早期研究 美国管理学家F.W.泰勒继承前人对劳动工时的研究，从系统的角度来研究提高劳动生产率。他通过实验发现减轻劳动强度能使生产量成倍增长以及计件工资和超产奖励的优点，并在此基础上制定劳动定额、合理安排工序。1911年，泰勒发表《科学管理》一书,创立了著名的泰勒制。1939年,苏联数学家Л.В.康托罗维奇发表《生产组织与计划的数学方法》。他认为提高工业生产率的途径除改进技术（即改进设备、工艺和寻找优质原料等）外，还需要在生产组织计划方面寻求改进，即正确分配设备、订货、原料和燃料等。他采用了与经典数学分析求解极值迥然不同的解乘数法。这些工作与运筹学结合起来为现代管理科学的形成创造了条件。 经济系统建模的早期工作 19世纪出现的埃杰维斯合同曲线和瓦尔拉经济系统平衡模型是运用数学研究经济的早期尝试。1936年，W.列昂捷夫把瓦尔拉供求模型的平衡方程应用到集中计划经济的情况，提出了投入产出模型。此后投入产出模型成为系统工程应用于经济分析和经济预测的重要工具。30年代初，荷兰物理学家J.廷伯赫等人将建模和数学方法引入经济学，建立了计量经济学。1928年,数学家J.von诺伊曼在与维也纳经济学家讨论经济问题中竞争现象的博弈对策时，完成了对策论（又称博弈论）的奠基性工作。1944年诺伊曼和经济学家O.莫根施特恩合作发表了对策论的专著《竞赛理论与经济行为》。1936年诺伊曼和瓦尔德先后发表了关于经济平衡方程与不动点原理的文章，为瓦尔拉模型建立了严谨的数学基础。这项工作后来被发展成数理经济学。 一般系统论、信息论和控制论 30年代，生物学界提出了生命有机体论，把生命看成是一个有机整体用以解释复杂的生命现象。 L.von贝塔朗菲用协调、有序、目的性等概念来研究生命有机体，并把系统定义为相互作用的诸要素的复合体，具有特殊的整体水平的功能和属性。他还提出开放系统概念，认为要从有机体与环境的相互作用来说明生命的本质。1937年，贝塔朗菲首先提出一般系统论的原理，并于1945年发表《关于一般系统论》。他指出这个理论属于逻辑和数学的领域，任务是建立适用于系统的一般原则。40年代以来，随着通信技术的发展和工业自动化的兴起，出现了研究系统中信息和控制的基本规律的信息论和控制论。N.维纳提出的控制论和C.E.香农提出的信息论几乎是与一般系统论同时出现的。一般系统论提出的对系统的描述性的研究方法为后来系统学的形成做了先导。而信息论和控制论则为系统工程的发展提供了养分。 军事系统模型和运筹学 在第一次和第二次世界大战期间，军事上的需要促使人们去研究提高作战指挥能力和武器效能的方法。1914年～1916年期间，英国F.W.兰彻斯特提出描述作战双方兵力变化过程的数学方程式，后称兰彻斯特方程。30年代后期，英国成立了世界上第一个运筹学研究小组，研究雷达配置和高炮效率。后来又在陆、海、空三军分别设置研究组织，研究雷达的合理配置和运用、飞机出击时间和队形编列的效能以及有效的后勤保障等问题。美国和加拿大等国也相继成立运筹学研究组织。美国数学家用概率论和数理统计方法研究反潜问题，提出了舰艇躲避或攻击潜艇的最优战术。第二次世界大战以后，运筹学迅速推广到经济管理部门，为制定政策提供依据，取得了良好的经济效果。1951年，美国P.M.莫尔斯和G.E.金布尔合著《运筹学》一书的出版标志着运筹学的成熟。 在第二次世界大战结束前的半个世纪中，数学家、物理学家、工程师、经济学家、生物学家们所作的大量开创性和学科交叉性的工作，为系统工程的诞生准备了充分的条件。其中特别是运筹学的产生更具有重要意义。运筹学研究实际系统的有效运用问题，可为系统优化提供一整套定量研究方法。运筹学后来成为系统工程方法论最主要的思想和方法的源泉。 系统工程的产生 第二次世界大战以来，科学技术迅猛进步，社会经济空前发展，同时资源和生态环境也严重恶化。人们面临着越来越复杂的大系统的组织、管理、协调、规划、计划、预测和控制等问题。这些问题的特点是在空间活动规模上越来越大，时间上变化越来越快，层次结构上越来越复杂，后果和影响上越来越深远和广泛。要解决这样高度复杂的问题，单靠人的经验已显得无能为力，需要采用科学的方法。信息科学和计算机的发展又大大提高了信息的收集、存储、传递和处理的能力，为实现科学的组织和管理提供了强有力的手段。系统工程正是在这样的情况下，首先从军事和大型工程系统的研制中产生和发展起来的。 美国微波中继通信网 美国贝尔电话实验室在1940年开始建立横跨美国东西部的微波中继通信网时就充分利用当时的科学技术成就来规划和设计新系统。这项工作因第二次世界大战而停顿。战后分别于1947年和1951年完成该网的TD-X和TD-2系统，并投入使用。贝尔电话实验室遂于1951年正式把研制微波通信网的方法命名为系统工程。 兰德公司和系统分析 1945年，美国国防部和科学研究开发署与道格拉斯飞机公司订立了称为兰德计划的合同，为美国空军研究洲际战争，并提出有关技术和设备的建议。1947年，在福特基金会的支持下，成立了兰德公司，继续为战后美国空军的发展战略和规划提供咨询服务。50年代以后，扩大了工作范围，成为一个非营利的咨询机构。兰德公司在多年积累的研究经验的基础上创立了系统分析。系统分析的目的是根据系统目标和评价指标来寻求最优方案。系统分析几乎是同系统工程并行地发展起来的，这两个名词之间也常出现混用现象。兰德公司创造的系统分析以及规划计划预算编制法（见规划计划预算系统）、特尔斐法、社会实验法等方法丰富了系统工程方法论。 网络技术和系统管理 50年代末，为了管理大型工程项目，在线条图的基础上发展了用于系统管理的网络技术。1957年，美国杜邦公司发展了协调大企业内各部门工作的关键路线法。1958年，美国海军特别计划局在执行“北极星”导弹核潜艇计划中发展了控制工程进度的新方法──计划协调技术，使“北极星”导弹提前两年研制成功。这些方法用网络技术来进行系统管理，可在不增加人力、物力和财力的情况下使工程进度提前、成本降低。 阿波罗工程 美国1961年开始进行的阿波罗工程，由地面、空间和登月三部分组成，于1972年成功结束。在工程高峰时期有两万多家厂商、 200余所高等院校和80多个研究机构参予研制和生产,总人数超过30万人,耗资255亿美元。完成阿波罗工程不仅需要火箭技术,还需要了解宇宙空间和月球本身的环境。为此又专门制定了“水星”计划和“双子星座”计划，以探明人在宇宙空间飞行的生活和工作条件。为了完成这项庞大和复杂的计划，美国航空航天局成立了总体设计部以及系统和分系统的型号办公室，以对整个计划进行组织、协调和管理。在执行计划过程中自始至终采用了系统分析、网络技术和计算机仿真技术，并把计划协调技术发展成随机协调技术。由于采用了成本估算和分析技术，使这项无前例的庞大工程基本上按预算完成。阿波罗工程的圆满成功使世界各国开始接受系统工程。 系统工程方法论的形成 1957年，美国的H.H.古德和R.E.麦克霍尔合作发表了第一本完整的系统工程教科书──《系统工程》。麦克霍尔又于1965年发表了《系统工程手册》一书。这两本书以丰富的军事素材论述了系统工程的原理和方法。1962年，A.D.霍尔发表的《系统工程方法论》一书反映了作者长期从事通信系统工程的成果，内容涉及系统环境、系统要素、系统理论、系统技术、系统数学等方面。A.D.霍尔还于1969年提出著名的霍尔三维结构，即系统工程形态图。60年代末关于军事和工程等硬系统的系统工程方法论已臻于完善。 系统工程教育 系统工程教育始于50年代。当时已开始在高等院校开设有关专业课，成立系统工程系或者在公司企业内部办培训班来培养人才。60年代以来，许多国家已开始大量培养系统工程师、系统分析师和系统科学家。 系统工程的发展 70年代以来，系统工程发展的趋势是应用领域继续向社会、经济、生态等方面扩展和发展应用于软系统工程的方法论。1972年在一些国家科学院的倡议下，在维也纳成立了国际应用系统分析研究所。它是一个用系统工程方法研究复杂的社会、经济、生态等问题的国际性研究机构。该所先后选择了能源、环境、生态、城市建设、资源开发、医疗、工业生产等研究课题，在推动系统工程的发展和应用方面产生了重要影响。 系统建模和系统仿真 系统工程作为一门定量技术，可概括为系统建模、系统仿真、系统分析和系统优化 4个方面。系统建模是将一个实际系统的结构、输入输出关系和系统功能用数学模型加以描述。系统仿真是在计算机上对系统模型进行实验和研究。系统仿真便于改变模型参数以获得各种方案，以便选择最优方案和设计最合理的系统。随着系统工程应用领域的扩展，首先需要发展系统建模和系统仿真，这项工作需要融合多学科的知识和不同领域的专家通力合作。60年代提出的模糊子集合理论，70年代出现的大系统理论、队决策理论和以前建立的运筹学、对策论、控制论、现代控制理论、信息论以及有关应用领域的学科都可为系统建模提供素材、方法和原理。 1952年，J.廷伯赫提出了适用于静态和平稳经济结构的线性镇定策略理论。1953年，A.塔斯庭首先采用自动控制理论的观点来解决经济问题。1954年，A.W.菲利普斯又采用 PID（比例-积分-微分）控制原理来改善经济政策的稳定性。50年代中期，H.A.西蒙等人研究了宏观经济的最优控制问题。60年代，美国麻省理工学院教授J.W.福雷斯特应用控制理论和计算机仿真研究复杂系统时创立了系统动力学。它是一种适用于长期预测的建模和仿真方法，可用于对社会、经济等复杂系统进行初步的研究。1965年，罗马尼亚出版了《经济控制论》一书。1978年,在第4届国际控制论和系统大会上讨论了控制论和社会的关系，提出了社会控制论。在经济方面的主要建模方法已有投入产出模型、计量经济模型、系统动力学模型和经济控制论模型等。由于人们对经济规律的掌握还不很充分，经济系统建模尚处在初级阶段。70年代以来，人们试图对世界范围内的资源、生态环境和经济发展模式等重大问题进行定量研究和预测，构造了大量模型。J.W.福雷斯特和D.梅多斯分别在1971年和1972年提出著名的世界模型Ⅱ和世界模型Ⅲ。此后，不少国家的学者纷纷提出各种世界模型，诸如生存战略模型、发展新景世界模型、重建新秩序世界模型、世界经济模型、人类发展目标世界模型等。 在社会、经济、管理等有人参与的复杂系统中，人的行为受心理、经验等因素偶然变化的影响，使系统有很大的不确定性。人的思维本身也具有模糊性，需要用模糊子集合描述。在现代社会中，人类活动范围日益广阔，制定完善策略所需知识和信息迅速增加，已经达到任何一个决策人或机构无法完全收集和处理的程度。信息和决策功能的分散化势在必行。社会系统是迄今为止最复杂的系统。1972年，何毓琦和祝开景把队决策理论的研究范围从静态推广到动态情况。队决策理论可为大型分散控制（管理）系统的信息结构（即信息在处于不同层次和空间位置上的决策人之间的分配）和相应的控制（管理）策略提供设计的参考。对策论与决策论和行为科学等结合起来在主从对策(又称斯塔克尔贝格对策)和激励对策方面的研究，提供了一种适用于社会、经济和管理系统的建模方法。这种建模方法反映了系统中的层次结构，可用于宏观控制政策的制定。对策论就理论框架而言，是研究社会系统的理想工具。但是，对策论把人的社会性、复杂性、心理和行为的不确定性大大简化了。对策论目前的成就还不能处理社会系统的复杂性问题。对于社会系统，需要采用定性和定量相结合的系统研究方法（见系统学）。 软系统工程方法论 70年代以来，人们开始重视对软系统的系统工程方法论的研究。霍尔的系统工程方法论来源于硬系统。硬系统或称良结构系统是指机理清楚，能用明确的数学模型描述的系统，如物理系统和工程系统。对于硬系统已有较好的定量研究方法，可以计算出系统行为和最优的结果。软系统或称不良结构系统是指机理不清，很难用明确的数学模型描述的系统，如社会系统和生物系统。软系统的系统工程方法论一般处理较粗的信息，而且以定性为主。80年代，英国系统科学家P.B.切克兰德提出了一套以学习、调查过程为主的软系统工程方法论。常用软系统工程方法有特尔斐法、智暴、想定情景法、生活质量法、层次分析法等。此外，模糊子集合理论、对策论、系统动力学和聚类分析、相关分析等数理统计方法以及心理学和社会学中的不少方法都可借鉴使用。 系统工程应用软件 70年代以来，计算机技术，特别是软件工程的发展促进了系统工程的发展。人工智能的发展，特别是专家系统和决策支持系统的出现为系统工程的定性和定量研究方法提供了有力的工具。现在已出现许多高效率的系统工程算法和软件。例如，已有线性规划、非线性规划、动态规划、排队排序、库存管理、计划协调技术／关键路线法、计划协调实时控制、系统建模、实时仿真、作战模拟、决策支持系统、决策室等成套应用软件和完整的系统作为商品出售。系统工程采用网络技术并配以大屏幕图形显示和实时控制系统，可以显示全部或局部网络,还可以实时地用光笔修改,经计算机网络把修改过的网络计划传送给各个执行单位。这种系统是上级部门进行决策和指挥协调的有力工具。 系统科学体系的形成 70年代以来,一批数学家、物理学家、化学家、生物学家和计算机科学家从不同的侧面研究系统的演化规律，取得了丰硕的成果。其中较有代表性的是70年代初联邦德国理论物理学家H.哈肯创立的协同学，1969年比利时统计物理学家I.普里戈金创立的耗散结构理论和1971年联邦德国生物物理学家M.艾根提出的超循环理论。这些理论和早在30年代由 L.von贝塔朗菲创立的一般系统论以及60年代由法国数学家R.托姆建立的突变论一起为系统学的建立提供了初步基础。 1979年，中国科学家钱学森提出建立系统科学体系的完整思想。他认为系统科学是以系统为研究和应用对象的一个科学技术部门。如同自然科学和社会科学一样，它是由三个层次组成的，即：①系统工程，它是系统科学的下层技术层次，是用系统思想直接改造客观世界的技术；②系统科学的技术科学层次，包括运筹学、控制论、信息论等；③系统学，是系统科学的基础科学。系统学是研究系统一般演化规律的学科，目前尚处于形成阶段。系统科学与哲学之间的桥梁则称为系统论或系统观，它为发展和深化马克思主义唯物辩证法提供素材。系统科学体系的形成标志着系统工程已经逐步成熟。 |
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