第1章 系统工程概述
在当今世界，随着经济和科学技术的迅速发展，生产的规模、社会活动的规模、科学研究以及人类文化活动的规模日益扩大，各部门之间的联系日益密切，逐渐形成了一个个有机整体。人类不得不从总体上、从系统上来认识和处理问题，而在人类长期实践中形成的“系统”的概念，便日益引人注意。尤其在现代信息化的时代，人们的活动不知不觉地置身于一个一个的系统中。
1.1 系统工程的产生、发展及应用
1. 系统思想的产生与发展
社会实践的需要是系统工程产生和发展的动因。系统工程作为一门学科，虽形成于20世纪中期，但系统思想及其初步实践可以追溯到古代。了解系统思想的产生与发展过程，有助于加深对系统概念、系统工程产生背景和系统科学全貌的认识。
1)  朴素的系统思想及其初步实践
自从人类有了生产活动以后，由于不断地和自然界打交道，客观世界的系统性便逐渐反映到人的认识中来，从而自发地产生了朴素的系统思想。这种朴素的系统思想反映到哲学上，主要是把世界当做统一的整体。
古希腊的唯物主义哲学家德谟克利特曾提出“宇宙大系统”的概念，并最早使用“系统”一词；辩证法奠基人之一的赫拉克利特认为“世界是包括一切的整体”；亚里士多德的名言“整体大于部分的总和”是系统论的基本原则之一。
虽然古代还没有提出一个明确的系统概念，没有也不可能建立一套专门的、科学的系统方法论体系，但对客观世界的系统性及整体性却有了一定程度的认识，并能把这种认识运用到改造客观世界的实践中去，中国在这方面尤为突出。
中国人做事善于从天时、地利、人和中进行整体分析，主张“大一统”、“和为贵”. 
春秋末期的思想家老子曾阐明了自然界的统一性。
东周时代，出现了世界构成的“五行说”(金、木、水、火、土). 
公元前6世纪，中国著名军事家孙武在他的《孙子兵法》中，阐明了不少朴素的系统思想和运筹方法。该书共13篇，讲究打仗要把道(义)、天(时)、地(利)、将(才)、法(治)等5个要素结合起来考虑。  秦汉之际成书的中国古代最著名的医学典籍《内经》，包含着丰富的系统思想。它根据阴阳五行的朴素辩证法，把自然界和人体看成由金、木、水、火、土五种要素相生相克、相互制约而形成的有秩序、有组织的整体。人与天地自然又是相应、相生而形成的更大系统。《易经》也被认为是朴素系统思想的结晶。
在古代的工程建设上，都江堰最具代表性和系统性。都江堰于公元前256年由蜀郡太守李冰父子组织建造，至今仍发挥着重要作用。该工程由鱼嘴(岷江分流)、飞沙堰(分洪排沙)和宝瓶口(引水)等三大设施组成，整个工程具有总体目标最优化、选址最优、自动分级排沙、利用地形并自动调节水量、就地取材及经济方便等特点。
2)  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的，没有也不可能建立在对自然现象具体剖析的基础上，因而这种关于整体性和统一性的认识是不完全和难以用实践加以检验的。早期的系统思想具有“只见森林”和比较抽象的特点。
15世纪下半叶以后，力学、天文学、物理学、化学、生物学等相继从哲学的统一体中分离出来，形成了自然科学。从此，古代朴素的唯物主义哲学思想就逐步让位于形而上学的思想。这时的系统思想具有“只见树木”和具体化的特点。
19世纪自然科学取得了巨大成就，尤其是能量转化、细胞学说、进化论这三大发现，使人类对自然过程相互联系的认识有了质的飞跃，为辩证唯物主义的科学系统观奠定了物质基础。这个阶段的系统思想具有“先见森林，后见树木”的特点。
辩证唯物主义认为，世界是由无数相互关联、相互依赖、相互制约和相互作用的过程所形成的统一体。这种普遍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
从古希腊和中国古代的哲学家、军事家到近、现代许多伟大的思想家，都有过关于系统思想的深刻论述。但从系统思想发展到(一般)系统论、控制论、信息论等系统理论，是和近代、现代科学技术的兴起与发展紧密联系的。
系统论或狭义的一般系统论，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。其代表人物为奥地利理论生物学家贝塔朗菲。
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”等是其核心概念。它是继一般系统论之后，由数学家维纳在20世纪40年代创立的。
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。
从20世纪60年代中、后期开始，国际上又出现了许多新的系统理论。我国著名的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。
20世纪下半叶以来，系统理论对管理科学与工程实践产生了深刻的影响。系统工程学的创立，则是发展了系统理论的应用研究，它为组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用提供了一种有效的科学方法，又为系统理论的进一步发展提供了丰富的实践材料和广阔的应用天地。
3. 系统工程的发展概况
系统工程从准备、创立到发展的阶段、年代(份)，重大工程实践或事件及重要的理论与方法贡献等如表1-1所示。表1-1 系统工程的产生与发展概况年代（份）重大工程实践或事件重要理论与方法贡献1930年美国发展与研究广播电视系统正式提出系统方法的概念1940年美国实施彩电开发计划采用系统方法，并取得巨大成功第二次世界大战期间英、美等国的反空袭等军事行动产生军事系统工程20世纪40年代美国研制原子弹的“曼哈顿计划”运用系统工程，并推动其发展1945年美国空军建立研究与开发(R＆D) 机构，此即兰德(Rand)公司的前身提出系统分析的概念，强调其重要性20世纪40年代后期到50年代初期运筹学的广泛运用与发展、控制论的创立与应用、电子计算机的出现，为系统工程奠定了重要的学科基础1957年H. Good和R. E. Machol发表名为《系统工程》的著作系统工程学科形成的标志1958年提出PERT（网络优化技术），这是较早的系统工程技术1965年R. E_Machol编著《系统工程手册》表明系统工程的实用化和规范化1961-1972年美国实施“阿波罗”登月计划使用多种系统工程方法并获得巨大成功，极大地提高了系统工程的地位1972年国际应用系统分析研究所(IIASA)在维也纳成立系统工程的应用重点开始从工程领域进入到社会经济领域，并发展到了一个重要的新阶段20世纪60年代开始“两弹一星”工程、三峡工程、高铁工程系统工程在中国的研究与应用达到高潮1.2 系统工程的研究对象
系统工程的研究对象是组织化的大规模复杂系统。而“系统”作为系统理论、系统工程和整个系统科学的基本研究对象，需要正确理解和深刻认识。
1. 系统的定义
系统(system)是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的，具有特定功能、结构和环境的有机整体。
该定义有以下四个要点。
1) 系统及其要素
系统是由两个以上要素组成的整体，构成这个整体的各个要素可以是单个事物(元素)，也可以是一群事物组成的分系统、子系统等。系统与其构成要素是一组相对的概念，取决于所研究的具体对象及其范围。
系统是由一些要素--系统的组成部分结合而成的，这些组成部分可能是一些元件、零件、个体，也可能是子系统(分系统)。小的系统由几个要素组成，一个钟表由几十个零件组成，一架飞机有几十万个零件，一个宇宙飞船有几百万个零部件，一座大城市算起来大约有几亿个要素。随着社会的发展与科学技术的进步，系统总是越来越复杂，组成部分的数量也越来越多。
应注意，往往一个系统作为独立的部分来看，它是一个完整的系统；但对于更大范围或者更高一级来说，它本身又是一个更大系统的一个组成部分。例如，人体中呼吸系统可以看做一个独立系统，而对“人”这样一个更大系统来说又是一个组成部分。常常把这种组成部分叫做“子系统”或者“分系统”. 
2) 系统和环境
任一系统是它所从属的一个更大系统(环境或超系统)的组成部分，并与其相互作用，保持较为密切的输入输出关系。系统连同其环境一起形成系统总体。系统与环境也是两个相对的概念。
3) 系统的结构
在构成系统的诸要素之间存在着一定的有机联系，这样在系统的内部形成一定的结构和秩序。结构即组成系统的诸要素之间相互关联的方式。
例如，钟表由齿轮、发条、指针装配而成，但随便把一堆齿轮、发条、指针放在一起不能构成钟表，必须按各零件间的一定的结合关系装配起来才行。我国古代谚语“三个臭皮匠，顶个诸葛亮”，这是说几个平凡人组织起来集思广益的集体智慧是超过单独的几个人的简单相加的。但俗话又说： “一个和尚挑水喝，两个和尚抬水喝，三个和尚没水喝”，为什么同样是三个平凡人，结果会如此迥异呢？这里的关键在于是否有组织。所以，系统是按照一定的组织方式结合的。
4) 系统的功能
任何系统都有其特定的功能。系统功能的实现受到其环境和结构的影响。
2. 系统的一般属性
1) 整体性
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。
具有相对独立功能的系统要素以及要素间的相互关联，是根据系统功能依存性和逻辑统一性的要求，协调存在于系统整体之中。系统的构成要素和要素的机能、要素的相互联系和作用要服从系统整体的目的和功能，在整体功能的基础上展开各要素及相互之间的活动，这种活动的总和形成了系统整体的有机行为。在一个系统整体中，即使每个要素并不都很完善，但它们也可以协调、综合成为具有良好功能的系统；反之，即使每个要素都是良好的，但作为整体却不具备某种良好的功能，也就不能称之为完善的系统。任何一个要素不能离开整体去研究，要素间的联系和作用也不能脱离整体的协调去考虑。
2) 关联性
构成系统的要素是相互联系、相互作用的；同时，所有要素均隶属于系统整体，并具有互动关系。关联性表明这些联系或关系的特性，并且形成了系统结构问题的基础。
3) 环境适应性
系统的开放性及环境影响的重要性是当今系统问题的新特征，日益引起人们的关注。任何一个系统都存在于一定的环境之中，并与环境之间产生物质、能量和信息的交流。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，并在此基础上使环境得到持续改善。管理系统的环境适应性要求更高，通常应区分不同的环境类(技术环境、经济环境、社会环境等)和不同的环境域(外部环境、内部环境等). 
系统的不断变化也是为了适应外界环境的变化，所以，环境适应性也可以算做系统的一个特征。
4) 系统的层次性
一个复杂的系统是由许多子系统(或者分系统)组成的，子系统可能又分为许多子系统。也就是说，系统是有层次的。例如，生命体就有细胞、组织、器官、系统(例如，生殖系统、消化系统、呼吸系统等)和生物体这几个层次，生态系统也有个体、种群、生物群落等层次，这就是系统的“层次性”. 
除以上四个基本属性之外，很多系统还具有目的性等特征。
根据系统的属性，可以归纳出若干系统的思想或观点。比如，综合系统的整体性和目的性，可以归纳出整体最优的思想等。
3. 系统的类型
认识系统的类型，有助于在实际工作中对系统工程对象的性质有进一步的了解和分析。
1) 自然系统与人造系统
自然系统是主要由自然物(动物、植物、矿物、大气、水资源等)所自然形成的系统，像海洋系统、矿藏系统等；人造系统是根据特定的目标，通过人的主观意愿所建成的系统，如生产系统、管理信息系统等。实际上，大多数系统是自然系统与人造系统的复合系统。近年来，系统工程越来越注意从自然系统的关系中探讨和研究人造系统。
2) 实体系统与概念系统
凡是以矿物、生物、机械和人群等实体为基本要素所组成的系统称为实体系统；凡是由概念、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称为概念系统。在实际生活中，实体系统和概念系统在多数情况下是结合在一起的。实体系统是概念系统的物质基础；而概念系统往往是实体系统的中枢神经，指导实体系统的行动或为之服务。系统工程通常研究的是这两类系统的复合系统。
3) 动态系统和静态系统
动态系统就是系统的状态随时间而变化的系统；而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，即模型中的量不随时间而变化，它可视做动态系统的一种特殊情况，即状态处于稳定的系统。实际上多数系统是动态系统，但由于动态系统中各种参数之间的相互关系非常复杂，要找出其中的规律性有时是非常困难的，这时为了简化起见而假设系统是静态的，或使系统中的各种参数随时间变化的幅度很小，而视同稳态的。也可以说，系统工程研究的是在一定时期、一定范围内和一定条件下具有某种程度稳定性的动态系统。
4) 封闭系统与开放系统
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；开放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。这类系统通过系统内部各子系统的不断调整来适应环境变化，以保持相对稳定状态，并谋求发展。开放系统一般具有自适应和自调节的功能。
1.3 系统工程的概念与特点
1. 系统工程的概念
用定量与定性相结合的系统思想和方法处理大型复杂系统的问题，无论是系统的设计或组织建立，还是系统的经营管理，都可以统一地看成一类工程实践，统称为系统工程(systems engineering). 
钱学森曾指出： “系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统具有普遍意义的科学方法。" “系统工程是一门组织管理的技术。" 
美国切斯纳(Chestnut)指出： “系统工程认为虽然每个系统都是由许多不同的特殊功能部分所组成，而这些功能部分之间又存在着相互关系，但是每一个系统都是完整的整体，每一个系统都要求有一个或若干个目标。系统工程则是按照各个目标进行权衡，全面求得最优解(或满意解)的方法，并使各组成部分能够最大限度地互相适应。" 
一般来说，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，属于一门综合性的工程技术。它是按照问题导向的原则，根据总体协调的需要，把自然科学、社会科学、数学、管理学、工程技术等领域的相关思想、理论、方法等有机地综合起来，应用定量分析和定性分析相结合的基本方法，采用现代信息技术等技术手段，对系统的功能配置、构成要素、组织结构、环境影响、信息交换、反馈控制、行为特点等进行系统分析，最终达到使系统合理开发、科学管理、持续改进、协调发展的目的。
2. 系统工程是一门交叉学科
系统工程是一门工程技术，但它与机械工程、电子工程、水利工程等其他工程学的某些性质不尽相同。各门工程学都有其特定的工程特质对象，而系统工程的对象，则不限定于某种特定的工程物质对象，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、经营管理系统等。由于系统工程处理的对象主要是信息，并着重为决策服务，国内外很多学者认为系统工程是一门“软科学”. 
系统工程在自然科学与社会科学之间架设了一座沟通的桥梁。现代数学方法和计算机技术等，通过系统工程为社会科学研究增加了极为有用的量化方法、模型方法、模拟方法和优化方法。系统工程也为从事自然科学的工程技术人员和从事社会科学的研究人员相互合作开辟了广阔的道路。
钱学森曾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几个层次： 首先是工程技术这一层次，其次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。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(如运筹学、大系统理论)等一类技术科学组成的新兴科学。  
人们比较一致的看法是，系统工程学是以大规模复杂系统问题为研究对象，在运筹学、系统理论、管理科学等学科的基础上逐步发展和成熟起来的一门交叉学科。系统工程的理论基础是由一般系统论及其发展、大系统理论、经济控制论、运筹学、管理科学等学科相互渗透、交叉发展而形成的。
3. 系统工程的特点
系统工程既具有广泛而厚实的理论和方法论基础，又具有很明显的实用性特征。
在运用系统工程方法来分析与解决现实复杂系统问题时，需要确立系统的观点(系统工程工作的前提)、总体最优及平衡协调的观点(系统工程的目的)、综合运用方法与技术的观点(系统工程解决问题的手段)、问题导向和反馈控制的观点(系统工程有效性的保障)。这些集中体现了系统工程方法的思想及应用要求。 
系统工程的特点主要有：
 (1)  系统工程一般采用先决定整体框架，后进入内部详细设计的程序。
 (2)  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”. 
 (3)  系统工程属于“软科学”。软科学的基本特征是： 人(决策者、分析人员等)和信息的重要作用；多次反馈和反复协商；科学性与艺术性的二重性及其有机结合等。
总体来看，系统工程方法具有如下比较明显的特点及相应的要求： 科学性与艺术性兼容，这与系统工程主要作为组织管理的方法论和基本方法，在逻辑上是一致的；多领域、多学科的理论、方法与技术的集成；定性分析与定量分析相结合；需要各有关方面(人员、组织等)的协作。
4. 系统工程的应用领域
目前，系统工程的应用领域已十分广阔，主要有如表1-2所示的几个方面。表1-2 系统工程的应用领域与主要研究内容应 用 领 域主要研究内容社会系统工程它的研究对象是整个社会，是一个开放的复杂巨系统。它具有多层次、多区域、多阶段的特点，如社会经济系统的可持续协调发展总体战略研究经济系统工程运用系统工程的方法研究宏观经济系统的问题，如国家的经济发展战略、综合发展规划、经济指标体系、投入产出分析、积累与消费分析、产业结构分析、消费结构分析、价格系统分析、资源合理配置、经济政策分析、综合国力分析、世界经济分析等区域规划系统工程运用系统工程的原理和方法研究区域发展战略、区域综合发展规划、区域城镇布局、区域资源合理配置、城市资源规划、城市公共交通规划与管理等环境生态系统工程研究大气生态系统、大地生态系统、流域生态系统、森林与生物生态系统、城市生态系统等系统分析、规划、建设、防治等方面的问题，以及环境检测系统、环境计量预测模型等问题能源系统工程研究能源合理结构、能源需求预测、能源开发规模预测、能源生产优化模型、能源合理利用模型、电力系统规划、节能规划、能源数据库等问题水资源系统工程研究河流综合利用规划、流域发展战略规划、农田灌溉系统规划与设计、城市供水系统优化模型、水能利用规划、防污指挥调度、水污染控制等问题交通运输系统工程研究铁路、公路、航运、航空综合运输规划及其发展战略、铁路调度系统、公路运输调度系统、航运调度系统、空运调度系统、综合运输优化模型、综合运输效益分析等续表
应 用 领 域主要研究内容农业系统工程研究农业发展战略、大农业及立体农业的战略规划、农业投资规划、农业综合规划、农业区域规划、农业政策分析、农产品需求预测、农产品发展速度预测、农业投入产出分析、农作物合理布局、农作物栽培技术规划、农业系统多层次开发模型等工程项目管理系统工程研究工程项目的总体设计、可行性、工程进度管理、工程质量管理、风险投资分析、可靠性分析、工程成本效益分析等科技管理系统工程研究科学技术发展战略、科学技术预测、优先发展领域分析、科学技术评价、科技人才规划等人口系统工程研究人口总目标、人口系统数学模型、人口系统动态特性分析、人口结构分析、人口区域规划、人口系统稳定性等教育系统工程研究人才需求预测、人才与教育规划、人才结构分析、教育政策分析、学校系统化管理等
1.4 体系与体系工程
体系的基本含义是由系统组成的系统。英文包括System of Systems (SOS) 、Super-System、Meta-System等。从20世纪80年代以来，随着现代信息技术的迅速发展，各式各样由多个系统组成的更大的系统，在实际应用中快速发展起来，这就产生了体系的概念。如卫星对地观测体系、因特网体系、智能交通体系以及企业信息网体系等等。体系考虑问题的视野是系统之上的系统，包含本系统而比本系统更大的系统。系统概念的产生不仅适应了信息化社会发展的进程，同时也引起了相关领域人类活动方式的深刻变化。由于体系重要性的日渐突出，体系特性及其相关规律的研究引起人们重视，出现了把体系作为专门领域进行多学科交叉研究的趋向。
1. 体系的定义
体系尽管作为由系统组成的更高层次系统所带来的新现象得到普遍承认和重视，但至今仍没有一个普遍接受的明确定义。
Eisner［1991］等人认为体系是： ①系统耦合既非完全依赖也非完全独立，而是相互依存的； ②单个系统从体系角度看是单一功能的； ③每一系统的最优化并不保证整个整个体系的最优； ④系统的联合运作提供对整个使命的满足。Shenhar［1994］给出了一个简明的定义： 体系是大范围分布系统的集合或系统的网络，这些系统一起工作达到共同目的。Maier［1998］给出的定义是： 体系是组分的集合物，这些组分单个可作为系统并具有以下特性： ①组分独立工作； ②组分的管理独立性。组分系统实际上是独立运行的。另外，他还指出，体系具有渐进开发与整体涌现的行为特性。Sage［2001］等人认为，体系必须满足五个主要特征： 组分系统独立运行；组分系统独立管理；组分系统分布在不同地点，它们之间仅有信息交互；可以涌现任何组分系统不具备的新行为或新功能；不断发展进化。体系永远不会停止进化，随着时间的推移，体系在不断地增加、减少、进化或产生新的功能和用途。2002年10月，Old Dominion大学的Keating等人在倡议成立国家体系工程中心（NCSOSE）论文中，认为应把体系定义为由多个自治的嵌入式复杂系统组成的元系统（Meta Systems) ，这些组分系统在技术、背景、运作、地理及概念框架等方面表现出多样性。张最良等人［2005］认为，体系是能得到进一步“涌现”性质的关联或联结的独立系统集合。这个定义说明体系的三个基本要素： ①系统独立可用； ②相互关联或联结； ③能得到进一步的涌现性质。也有人认为，体系是由若干可以作为系统看待的组分构成的集合，并且每个组分具有两个额外的特性： 即使用上的独立性和管理上的独立性。
体系定义的多样性，一方面说明体系问题的普遍性，各领域和专业都基于各自的背景提出自己的定义；另一方面也说明关于体系问题的研究尚处于初期，以至于还不能有一个共同接受的看法。事实上，系统和体系的概念有时是可以互换的两个概念，但它们既有相同之处，也有不同之处。一般来说，系统的概念比较泛一些，即可以指由众多系统组成的大系统，系统内部的各系统既可以是合作关系，也可以是对抗关系。体系虽然是由系统组成的，但体系中的各系统一般都为合作关系。因此，体系也是一种系统，但它是一种特殊的系统。
2. 对体系概念的理解
 (1)  体系是一类特殊的系统。说体系是系统，就应该具备系统的一般性特征，包括结果、组成、环境、运行等，体系也可以是复合的，即体系中可以包含体系或系统，而且也可以是分层的。说体系是特殊的系统，其特殊性主要体现在： 一是体系属于高层的概念，例如，国家体系，一般不会去指那些低层的事物；二是体系内部组分系统可能有竞争关系但不会产生对抗关系，而更多的是合作关系；三是体系属于整体的概念，体系的任何局部都不能代表体系的本身，体系必须通过整体才能体现。体系的任何一部分的缺失，都会导致体系能力或性能的严重退化，这时也就不成为体系了，至少不是现在这个体系了。
 (2)  体系内各系统松散耦合，独立运行，相互依存。体系的内部组分系统联系是松散的，不像系统内部连接非常紧密，总是要通过最小（信息流）方式连接，以保证其运行的独立性。但体系内各组分系统又相互依存，以确保共同去完成体系的使命。
 (3)  体系渐进成型，效果整体涌现。体系形态是一个不断变化的过程，由于其组分系统不断变化，体系本身也在不断地改变，逐步成型。即使成型后，也会随着系统的老化又不断衰退，除非又重新改进。这样体系就一定有一个从形成到衰退的生命周期。但如果不断改变更新，体系就会长期存在，但其内部系统的生命周期仍然会存在。体系成型结果最好的时候就是体系能力发挥最好的时候，这时体系将因为系统之间的相互作用而形成最好的涌现效果，也是体系效能最高的时候。涌现性是体系最重要的特征之一，是决定是否形成了体系的重要标准。没有涌现性，体系只能说是一组系统的集合。涌现性是指整体具有而部分不具有的东西，从层次结构的角度看，涌现性是指那些高层次具有而还原到低层次就不再存在的属性、行为、特征、功能。通俗地说，就是 "1+1>2" , “整体大于部分之和”, “多来自少”, “复杂来自简单”等。
3. 体系的结构及优化
体系的结构指的是体系的组成要素及内部结构关系，还包含了组成要素与环境之间的相互关系。这个结构反映了体系的组成和运行。结构决定功能。
体系结构的优化，是针对体系的需求和全寿命管理的需要，在一定经济和技术可行性等约束条件下，通过综合运用系统分析、建模仿真、系统优化等方法，对数量规模、质量性能、经费投入等方面的权衡分析和综合论证，对提出的备选方案进行对比分析、综合评价、寻求最佳体系建设方案和整体最优效能的全过程。
体系结构具有层次性和动态性等主要特征，反映了体系是由多层次组成、在发展过程中会不断演化等特点。因此，一方面，对于体系的优化必须从多个层次运行；另一方面，体系结构的优化还要根据演化过程中不同的情况进行。
4. 体系工程
体系工程（SOS Engineering) ，概括地说，就是采用系统思想和体系的观点，以整体优化为目标，对体系进行规划、研究、设计、实施、试验和使用的科学方法和工程技术活动。体系工程是学科交叉、系统交互的过程，体系工程提供体系的分析支持，包括系统交叉的某一时间阶段内在资源、性能和风险上的最佳平衡，以及体系的灵活性和健壮性的分析。从问题求解的角度，系统工程与体系工程需要的解决问题相比，其区别如表1-3所示。表1-3 体系工程与系统工程的对比问题元素系 统 工 程体 系 工 程问题元素系 统 工 程体 系 工 程焦点单个复杂系统集成多个复杂系统问题规定的 涌现的   目标最优化   满意      分析技术主导背景影响主导途径过程    方法学     边界固定的 不固定的  期望解决方案  初始响应       (1)  系统工程解决的问题是通过定义分析、设计实施等活动，开发单一复杂系统使之满足特定应用的需求。相反，体系开发的是要把已有系统、新设计的系统等集成为一个整体，形成由多个复杂系统组成的体系，以满足凸现的需要或使命要求。这是体系工程与传统系统不同的重要出发点。
 (2)  系统工程的主要目标是性能最优，而体系工程更着重于性能满意。满意意味着体系由于未来条件的不确定和复杂，在单一最好结构意义上，不存在最优性。当然，这并不表明在体系内没有局部严格最优化问题，也不意味着着力改善系性能的优化不可能实现。
 (3)  解决系统问题工程的途径是确定过程。所谓过程是达到最终结果所采取的一系列行动步骤。但系统工程过程的结构化和条理化探究，对于解决体系问题过于限制。解决体系问题主要是方法论，过程是次要的。方法论提供指导，它比理论更具体但尚未规定为方法。这样能使体系工程保持灵活性，适应问题背景和条件变化。体系工程也必须有结构化的探究，但其形式应是动态的并适合于可能迅速变化的体系工程条件。
 (4)  系统工程传统上是作出一个系统来解决问题，所以努力的预期是问题的解决。相反，体系工程必须面对的复杂问题，不可能期望有最终的解。关注点必须放在初始响应的展开上。这个看法反映了体系工程问题由于时间压力或体系进化式开发而产生的需求。所以有人认为，体系工程与系统工程最大的不同，就是体系工程承认体系是可以进化的。
 (5)  传统系统工程问题有清楚的定义，比较清楚的目标，可以用已有的理论和知识去解决。然而，体系工程的问题往往是新出现的，问题背景变化迅速，导致体系也在不断地调整目标。目前尚没有系统的途径去解决这个问题。
 (6)  在解决问题的途径上，传统系统工程强调简化，重在问题技术方面的分析。但体系工程环境的现实表明，越来越重视背景对体系问题各方面的影响。
 (7)  传统系统工程主要从技术角度确定边界，在整个分析中认为是不变的。体系工程的边界由于新出现的技术、需求或条件变化等而变化，有一定的任意性。所以体系工程方法必须能看出并补偿系统边界的突然、可能急剧的变化，对体系范围的变化要有充分的思想准备。
在解决许多复杂系统问题中，体系理论的应用已经取得良好的效果，它的进一步发展和广泛应用，必将为复杂问题的决策作出更大的贡献。随着信息技术的发展，有关体系的问题是不容回避的。但对于体系的概念以及体系工程的应用都有待于更深入的研究。

 习题  1. 选择一个你所熟悉的系统问题说明：
(1) 系统的功能及其要素；
(2) 系统的环境及输入、输出；
(3) 系统的结构(最好用框图表达); 
(4) 系统的功能与结构、环境的关系。
2. 说明系统一般属性的含义，并据此归纳出若干系统思想或观点。
3. 管理系统有何特点？为什么说现代管理系统是典型的(大规模)复杂系统？
4. 总结系统工程的特点。
5. 总结说明系统科学体系及系统工程的理论基础。
6. 结合系统工程应用领域，说明系统工程在你所学专业领域的可能应用及其前景。
14第2章 系统工程方法论
  系统工程方法论是一种将分析对象作为整体系统来考虑，在此基础上进行分析、设计、制造和使用的基本思想方法。系统工程方法论主要的研究对象有： 各种系统工程方法的形成和发展、基本特征、应用范围、方法间的相互关系，以及如何构建、选择和应用系统方法。
系统工程方法论的建立是在系统思想的指导下进行的，有一定的思想才能形成一定的认识，进而研究一定的方法论。因此，系统工程方法论的发展过程与其思想发展过程在规律性上是一致的。古代的朴素系统思想，决定了当时的研究方法仅仅局限于用定性和概念性的文字进行描述，还未形成一个完整的方法论体系。
现代系统思想兴起后，学界逐步将实践中用到的方法提升到方法论的高度。现代系统工程方法论代表性的流派有： 以霍尔为代表的硬系统工程方法论、以切克兰德为代表的软系统工程方法论、以兰德公司为代表的系统分析方法论、以钱学森为代表的从定性到定量的综合集成方法论、物理-事理-人理系统方法论。
2.1 以霍尔为代表的硬系统工程方法论
1962年美国贝尔电话公司的工程师霍尔总结开展系统工程的经验，写了《系统工程方法论》一书，提出了著名的三维结构方法体系。该方法最初来源于硬的工程系统，适用于良性结构系统。这种思维过程，在解决大多数硬的或偏硬的工程项目中，是卓有成效的，因此受到各国学者普遍重视。霍尔的方法论适应了20世纪60年代系统工程的应用需要，当时系统工程主要用来寻求各种技术问题的最优策略，或者用来组织管理大型工程的建设。
霍尔提出了系统工程的三维结构，如图2-1所示，即时间维、逻辑维和知识维。这就是把系统工程的活动，分为前后紧密相连接的7个阶段和7个步骤，同时考虑到为完成各阶段和步骤所需要的各种专业知识。 霍尔的三维结构理论为解决大规模复杂系统提供了统一的思想方法。图2-1 霍尔的三维结构理论图
1. 时间维
对一个具体的系统工程活动从规划阶段到更新阶段按时间排列的顺序，可分为7个工作阶段： 
规划阶段--制定系统工程活动的政策和规划；
拟订方案阶段--提出具体的计划方案；
研制阶段--实现系统的研制方案，并作出生产计划；
生产阶段--生产出系统的零部件及整个系统，并提出安装计划；
组装阶段--把整个系统组装好，通过试验运行制定出运行计划；
运行阶段--系统按照预期目标服务；
更新阶段--改进或充实旧系统使之变成新系统而更有效地工作。
2. 逻辑维
按照系统工程方法来思考和解决问题，有一个逻辑的思维过程，这个过程通常分为7个步骤： 
 (1)  明确问题--弄清问题的实质。通过尽量全面地搜集有关资料和数据说明问题的历史、现状和发展趋势，从而为解决目标问题提供可靠依据。
 (2)  确定目标--弄清并提出为解决问题所需要达到的目标，并且制定出衡量是否达到目标的标准，以利于对所有供选择的系统方案进行衡量。
 (3)  系统方案综合--按照问题性质及总目标形成一组可供选择的系统方案，方案中要明确所选系统的结构和相互参数。在系统方案综合时最重要的问题是自由地提出设想。
 (4)  系统分析--对可能入选的方案进一步说明其性能和特点以及与整个系统的相互关系。为了对众多备选方案进行分析比较，往往通过形成一定模型，把这些方案与系统的评价目标联系起来。
 (5)  方案优选--在一定的限制条件下，对各入选方案总希望选出最优者，当评价目标只有一个定量的指标，而且备选的方案个数不多时，容易从中确定最优者。但当备选方案数很多，评价目标有多个，而且彼此之间又有矛盾时，要选出一个对所有指标都优的方案是不可能的，这必须在各个指标间有一定的协调，可使用多目标最优化方法来进行评价，确定各个方案的优劣次序。
 (6)  作出决策--由决策者根据更全面的要求，选择一个或几个方案来试用，有时不一定就是以上选出的最优方案。对于决策技术的研究，则是系统工程的课题之一。
 (7)  付诸实施--根据最后选定的方案，将系统具体付诸实施。如果在实施过程中，进行比较顺利或者遇到的困难不大，可略加修改和完善，并把它确定下来，那么整个步骤即告一段落；如果问题较多，就有必要回到所述逻辑步骤中认为需要的一步开始重新做起，然后再决策或实施。这种反复有时会出现多次，直到满意为止。
3. 知识维
知识维是为完成各阶段、各步骤所需要的知识和各种专业技术。通常可理解为工程、商业、法律、管理、社会科学及艺术等各种专业知识和技术。霍尔提出的知识维仅仅是概念上的，他没有就如何组织相关知识作出进一步的说明。
一般认为，从知识这个维度来考虑，就是要用系统的方法有效地获取上述各阶段、各逻辑步骤所必需的知识，并对其进行开发、利用、规划和控制，从而更好地实现系统工程目标。
自从1986年美国管理咨询专家创造了知识管理(knowledge management)这个词，特别是随着20世纪90年代知识经济概念的提出，知识管理已经引起了各国管理学家的密切关注，如何用系统的方法去发现、理解和使用知识也成为系统工程项目能否有效开展的决定性因素。在系统的开发和运用中，知识管理意味着把正确的知识在正确的时间交给正确的人，使之能作出最满意的决策。
系统工程中知识管理的过程一般划分为以下阶段。
(1) 知识辨识阶段。根据系统工程的总体目标要求，制定知识来源战略，划定知识管理范围，辨识知识。
(2) 获取知识阶段。将现存知识(信息库、文件或人脑中)正式化。
(3) 知识选择阶段。评估知识及其价值，去除相互冲突的知识。
(4) 储存知识阶段。通过适当、有效的方式储存所选择的知识。
(5) 知识共享阶段。将正确的知识传输给每一个阶段的使用者。
(6) 知识使用阶段。在各个阶段的工作中使用知识。
(7) 知识创新阶段。通过科研、实验和创造性思维发现新知识。
霍尔提出的基于时间维、逻辑维、知识维的三维结构，标志着硬系统工程方法论的建立，也有文献将运筹学方法论、系统分析方法论、霍尔三维结构、系统动力学方法论统称为硬系统工程方法论。硬系统工程方法论的特点是强调明确的目标，认为对任何现实问题都必须而且可能弄清其需求，其核心内容是优化。霍尔方法论适应了20世纪60年代系统工程的应用需求，当时系统工程主要用来寻求各种战术问题的最优策略，或者用来组织管理大规模工程项目。
1972年，霍尔和Warfeild为克服约束条件复杂的多目标大系统组织方面的困难，在霍尔三维结构的基础上提出了统一规划法。其实质是对霍尔活动矩阵中规划阶段的具体展开，利用它可以较好实现对大型复杂系统的全面规划和总体安排。
4. 系统工程活动矩阵
将霍尔三维结构模型的时间维和逻辑维结合起来形成的两维结构模型，称为系统工程活动矩阵(表2-1). 表2-1 系统工程活动矩阵    逻辑步骤
时间阶段    1234567明确问题确定目标系统方案综合系统分析方案优选作出决策付诸实施1规划阶段  a11a12a13a14a15a16a172拟订方案阶段a21a22a23a24a25a26a273研制阶段  a31a32a33a34a35a36a374生产阶段  a41a42a43a44a45a46a475组装阶段  a51a52a53a54a55a56a576运行阶段  a61a62a63a64a65a66a677更新阶段  a71a72a73a74a75a76a77  系统工程活动矩阵是系统工程解决问题的时间阶段和逻辑阶段步骤的总称，它体现了系统工程把设想变为现实的具体工作流程。系统工程处理问题必须遵循系统工程观念的指导，按照系统工程活动矩阵规定的时间阶段和逻辑步骤有序地进行。
2.2 以切克兰德为代表的软系统工程方法论
20世纪70年代，系统工程开始逐步应用于社会、经济系统问题的研究，由于涉及的因素相当复杂且很多难以进行定量分析，霍尔三维结构此时已不再适用，20世纪80年代中期在管理科学家中又兴起一轮批评浪潮，他们认为现在管理学院太偏重理论和定量方法，培养出来的人成为眼光狭窄的技术型干部，缺乏人际关系学问。为了适应发展的需要，1981年，英国学者切克兰德提出了软系统工程方法论。与霍尔三维结构不同，切克兰德方法论的核心不是最优化而是比较或学习，即从模型和现状的比较中来学习改善现状的途径。
软系统工程方法论是针对不良结构问题而提出的，这类问题往往很难用数学模型表示，通常只能用半定量、半定性甚至只能用定性的方法来处理，这类方法被人们称为“软”的方法，软的主要标志是它吸取了人们的判断和直觉，因此解决问题时更多地考虑了环境因素与人的因素。
切克兰德方法论的基本流程是： 
(1) 不良结构问题的提出；
(2) 问题的表示；
(3) 有关系统的基本定义；
(4) 提出概念模型；
(5) 将模型与问题的表示作比较；
(6) 找出可行、满意解；
(7) 采取行动改善实际问题。
由于软系统工程方法论是面向不良结构问题，且问题本身存在争议，因此系统分析人员将不少精力用于如何弄清问题，其次为了构造概念模型首先要明晰系统的基本定义，即顾客(C)、行动者(A)、变换(T)、世界观(W)、所有者(O)和环境(E)，即CATWOE。用概念模型代替数学模型，使思路更为开阔，用可行、满意解代替最优解又是价值观方面的重要变化，如图2-2所示。
图2-2 软系统工程方法论
综上所述，软系统工程方法论与硬系统工程方法论相比有许多不同，表2-2一般性地给出了它们之间的差异。表2-2 软、硬系统工程方法论比较硬系统工程方法论软系统工程方法论处理对象技术系统有人参与的系统处理的问题明确，良结构不明确，不良结构处理的方法定量模型，定量方法概念模型，定性方法价值观一元，要求优化，有明确的好的系统出现多元的，满意解，系统有好的变化或者从中学到了某些东西2.3 以兰德公司为代表的系统分析方法论
系统分析方法最初产生于第二次世界大战时期。美国的兰德公司(Rand)在长期的研究中发展并总结了一套解决复杂问题的方法和步骤，称为“系统分析”。系统分析的宗旨在于提供重大的研究与发展计划和相应的科学依据，提供实现目标的各种方案并给出评价，提供复杂问题的分析方法和解决途径。
1. 系统分析的定义
广义的解释，把系统分析作为系统工程的同义语。狭义的理解： ①系统分析是系统工程的一个逻辑步骤，这个步骤是系统工程的中心部分。 ②系统分析为系统工程实现优化提供了一个逻辑的途径，它贯穿于系统工程的全过程。
一般来说，系统分析，就是利用科学的分析工具和方法，分析和确定系统的目的、功能、环境、费用与效益等问题，抓住系统中需要决策的若干关键问题，根据其性质和要求，在充分调查研究和掌握可靠信息资料的基础上，确定系统目标，提出实现目标的若干可行方案，通过模型进行仿真试验，优化分析和综合评价，最后整理出完整、正确、可行的综合资料，从而为决策提供充分的依据。
2. 系统分析的实质
系统分析的实质如下。
(1) 系统分析作为一种决策的工具，其主要目的在于为决策者提供直接判断和决定最优方案的信息和资料。
(2) 系统分析把任何研究对象均视为系统，以系统的整体最优化为工作目标，并力求建立数量化的目标函数。
(3) 系统分析强调科学的推理步骤，使所研究系统中各种问题的分析均能符合逻辑的原则和事物的发展规律，而不是凭主观臆断和单纯经验。
(4) 应用数学的基本知识和优化理论，从而使各种替代方案的比较，不仅有定性的描述，而且基本上都能以数字显示其差异。至于非计量的有关因素，则运用直觉、判断及经验加以考虑和衡量。
(5) 通过系统分析，使得待开发系统在一定的条件下充分挖掘潜力，做到人尽其才，物尽其用。
3. 对系统分析应有的认识
系统分析是一种仍在不断发展中的现代科学方法，虽然已在很多领域采用并取得显著成效，但这并不是说，任何问题都可用系统分析来研究，因为还要考虑到经济与时效等因素。为此，在采用系统分析前，应对以下几方面有所认识。
(1) 系统分析不是容易的事，它不是省事、省时的工作，它需要有高度能力的分析人员、辛勤而漫长时间的工作。
(2) 系统分析虽然对制定决策有很大的助益，但是它不能完全代替想象力、经验和判断力。
(3) 系统分析最重要的价值，在于它能解决问题的容易部分，这样决策者就可集中其判断力，来解决较难的问题。
(4) 对任何问题，通常均有不同的解决方案，应用系统分析研究问题，应对各种解决问题的方案，计算出全部费用，然后再进行比较。
(5) 费用最少的方案，不一定就是最佳的选择，因为选择最佳方案的着眼点，不在“省钱”而在“有效”. 
4. 系统分析的要素
系统分析的要素很多，根据兰德型代表人物之一希奇的思想进行系统分析时，必须把握以下4个基本要素。
(1) 目的。这是决策的出发点，为了正确获得决定最优化系统方案所需的各种有关信息，系统分析人员的首要任务就是要充分了解建立系统的目的和要求，同时还应确定系统的构成和范围。
(2) 替代方案。一般情况下，为实现某一目的，总会有几种可采取的方案或手段。这些方案彼此之间可以替换，故叫作替代方案或可行方案。如要进行货物运输，可以选择航空运输、铁路运输、水路运输和公路运输几种方式，同时还存在不同运输方式之间的组合