系統工程史

系統工程是運用系統思想直接改造客觀世界的一大類工程技術的總稱。系統是由互相關聯、互相制約、互相作用的若干組成部分構成的具有某種功能的有機整體。

基本介紹

• 中文名：系統工程史
• 類型：工程簡史

基本信息

人們對於系統的認識，即關於系統的思想來源於社會實踐，人們在長期的社會實踐中逐漸形成了把事物的各個組成部分聯繫起來從整體角度進行分析和綜合的思想，即系統思想。系統思想古已有之，但系統工程的誕生卻是近40年來的事。隨著科學技術的迅速發展和生產規模的不斷擴大，迫切地需要發展一種能有效地組織和管理複雜系統的規劃、研究、設計、製造、試驗和使用的技術，即系統工程。美國貝爾電話公司在建成美國微波中繼通信網後,於1951年正式提出系統工程這個名詞。1972年，歷時11年的美國載人登月的阿波羅工程自始至終運用系統工程取得了圓滿成功。此後，系統工程被世界各國普遍接受。它的套用範圍也逐漸地從軍事系統和工程系統擴展到經濟系統、生態系統和社會系統等，並從解決部門和國家範圍內的問題進展到探討全球性的重大問題。

系統思想的形成系統思想的形成可追溯到古代。中國古代著作《易經》、《尚書》中提出了蘊含有系統思想的陰陽、 五行、 八卦等學說。中國古代經典醫著<黃帝內經>把人體看作是由各種器官有機地聯繫在一起的整體，主張從整體上研究人體的病因。古希臘哲學家赫拉克利特在《論自然界》一書中指出：“世界是包括一切的整體。”古希臘哲學家德謨克利特認為一切物質都是原子和空虛組成的。他的《世界大系統》一書是最早採用系統這個名詞的著作。古希臘哲學家亞里士多德提出整體大於部分之和的觀點。古代系統思想還表現在一些著名的古代工程中。埃及的金字塔和中國的長城、大運河、都江堰以及《夢溪筆談》中敘述的皇宮重建工程無不體現樸素的系統思想(見中國古代系統思想)。古代系統思想常用猜測的和臆想的聯繫代替尚未了解的聯繫，是自然哲學式的。

16世紀，近代自然科學興起。在當時的條件下難以從整體上對複雜的事物進行周密的考察和精確的研究。因此，近代自然科學的研究方法是把整體的系統逐步地分解,研究每個較簡單的組成部分,排除臆想的東西。這種方法後來被稱為還原論和機械唯物論。但是，在當時這種方法還是先進的。它的進步作用曾得到F.恩格斯的肯定。到19世紀，科學的系統思想才逐漸形成。恩格斯在《路德維希·費爾巴哈和德國古典哲學的終結》一文中指出：“一個偉大的基本思想，即認為世界不是一成不變的事物的集合體，而是過程的集合體。其中各個似乎穩定的事物以及它們在我們頭腦中的思想反映即概念，都處在生成和滅亡的不斷變化中。在這種變化中，前進的發展，不管一切表面的偶然性，也不管一切暫時的倒退，終究會給自己開闢出道路。”恩格斯的這段話標誌著科學的現代系統思想的產生。

其他信息

系統工程的萌芽19世紀末，電力、石油等新能源的開發大大促進了工業的發展。電氣化工業和化學工業的出現又使生產技術設備日趨複雜，並進一步促使交通和通信系統大規模擴建。同時,物質的生產開始豐富,市場的需求成為制約生產發展的重要因素，企業間的競爭開始出現。在這種情況下，人們開始重視生產與經營之間的協調和綜合，即開始運用系統思想來研究這類問題。另一方面，經典物理學的最終完成使人們認識到，只有通過對客觀事物的數學描述才能深入分析事物的本質、了解它的構成機理和各種變異。人們開始用數學模型和分析的方法去研究工程、經濟、生物、軍事和社會等方面的系統。

排隊論的產生1910年，丹麥數學家A.K.埃爾朗受熱力學統計平衡理論的啟發而建立了電話系統統計平衡模型。1925年，美國電話電報公司成立貝爾電話實驗室時，就在該室內設立了系統開發部。貝爾電話實驗室發展了埃爾朗的電話系統模型，創造了一套電話系統分級復聯的科學方法，並利用機率模擬裝置，經過理論計算和實驗驗證來求出最佳通話服務方式。30年代，瑞典數學家巴爾姆和蘇聯數學家欣欽又對電話呼叫過程進行深入的數學分析，提出呼叫過程的普遍性、平穩性、有限性和無後效性等4個特徵,奠定了關於系統中隨機聚散現象的基本理論──排隊論的理論基礎。在近代工程技術中對系統工程的產生和發展影響最大的首推電話通信工程。

企業管理的早期研究美國管理學家F.W.泰勒繼承前人對勞動工時的研究，從系統的角度來研究提高勞動生產率。他通過實驗發現減輕勞動強度能使生產量成倍增長以及計件工資和超產獎勵的優點，並在此基礎上制定勞動定額、合理安排工序。1911年，泰勒發表《科學管理》一書,創立了著名的泰勒制。1939年,蘇聯數學家Л.В.康托羅維奇發表《生產組織與計畫的數學方法》。他認為提高工業生產率的途徑除改進技術（即改進設備、工藝和尋找優質原料等）外，還需要在生產組織計畫方面尋求改進，即正確分配設備、訂貨、原料和燃料等。他採用了與經典數學分析求解極值迥然不同的解乘數法。這些工作與運籌學結合起來為現代管理科學的形成創造了條件。

經濟系統建模的早期工作19世紀出現的埃傑維斯契約曲線和瓦爾拉經濟系統平衡模型是運用數學研究經濟的早期嘗試。1936年，W.列昂捷夫把瓦爾拉供求模型的平衡方程套用到集中計畫經濟的情況，提出了投入產出模型。此後投入產出模型成為系統工程套用於經濟分析和經濟預測的重要工具。30年代初，荷蘭物理學家J.廷伯赫等人將建模和數學方法引入經濟學，建立了計量經濟學。1928年,數學家J.von諾伊曼在與維也納經濟學家討論經濟問題中競爭現象的博弈對策時，完成了對策論（又稱博弈論）的奠基性工作。1944年諾伊曼和經濟學家O.莫根施特恩合作發表了對策論的專著《競賽理論與經濟行為》。1936年諾伊曼和瓦爾德先後發表了關於經濟平衡方程與不動點原理的文章，為瓦爾拉模型建立了嚴謹的數學基礎。這項工作後來被發展成數理經濟學。

一般系統論、資訊理論和控制論30年代，生物學界提出了生命有機體論，把生命看成是一個有機整體用以解釋複雜的生命現象。 L.von貝塔朗菲用協調、有序、目的性等概念來研究生命有機體，並把系統定義為相互作用的諸要素的複合體，具有特殊的整體水平的功能和屬性。他還提出開放系統概念，認為要從有機體與環境的相互作用來說明生命的本質。1937年，貝塔朗菲首先提出一般系統論的原理，並於1945年發表《關於一般系統論》。他指出這個理論屬於邏輯和數學的領域，任務是建立適用於系統的一般原則。40年代以來，隨著通信技術的發展和工業自動化的興起，出現了研究系統中信息和控制的基本規律的資訊理論和控制論。N.維納提出的控制論和C.E.香農提出的資訊理論幾乎是與一般系統論同時出現的。一般系統論提出的對系統的描述性的研究方法為後來系統學的形成做了先導。而資訊理論和控制論則為系統工程的發展提供了養分。

軍事系統模型和運籌學在第一次和第二次世界大戰期間，軍事上的需要促使人們去研究提高作戰指揮能力和武器效能的方法。1914年～1916年期間，英國F.W.蘭徹斯特提出描述作戰雙方兵力變化過程的數學方程式，後稱蘭徹斯特方程。30年代後期，英國成立了世界上第一個運籌學研究小組，研究雷達配置和高炮效率。後來又在陸、海、空三軍分別設定研究組織，研究雷達的合理配置和運用、飛機出擊時間和隊形編列的效能以及有效的後勤保障等問題。美國和加拿大等國也相繼成立運籌學研究組織。美國數學家用機率論和數理統計方法研究反潛問題，提出了艦艇躲避或攻擊潛艇的最優戰術。第二次世界大戰以後，運籌學迅速推廣到經濟管理部門，為制定政策提供依據，取得了良好的經濟效果。1951年，美國P.M.莫爾斯和G.E.金布爾合著《運籌學》一書的出版標誌著運籌學的成熟。

在第二次世界大戰結束前的半個世紀中，數學家、物理學家、工程師、經濟學家、生物學家們所作的大量開創性和學科交叉性的工作，為系統工程的誕生準備了充分的條件。其中特別是運籌學的產生更具有重要意義。運籌學研究實際系統的有效運用問題，可為系統最佳化提供一整套定量研究方法。運籌學後來成為系統工程方法論最主要的思想和方法的源泉。

系統工程的產生第二次世界大戰以來，科學技術迅猛進步，社會經濟空前發展，同時資源和生態環境也嚴重惡化。人們面臨著越來越複雜的大系統的組織、管理、協調、規劃、計畫、預測和控制等問題。這些問題的特點是在空間活動規模上越來越大，時間上變化越來越快，層次結構上越來越複雜，後果和影響上越來越深遠和廣泛。要解決這樣高度複雜的問題，單靠人的經驗已顯得無能為力，需要採用科學的方法。信息科學和計算機的發展又大大提高了信息的收集、存儲、傳遞和處理的能力，為實現科學的組織和管理提供了強有力的手段。系統工程正是在這樣的情況下，首先從軍事和大型工程系統的研製中產生和發展起來的。

美國微波中繼通信網美國貝爾電話實驗室在1940年開始建立橫跨美國東西部的微波中繼通信網時就充分利用當時的科學技術成就來規劃和設計新系統。這項工作因第二次世界大戰而停頓。戰後分別於1947年和1951年完成該網的TD-X和TD-2系統，並投入使用。貝爾電話實驗室遂於1951年正式把研製微波通信網的方法命名為系統工程。

蘭德公司和系統分析1945年，美國國防部和科學研究開發署與道格拉斯飛機公司訂立了稱為蘭德計畫的契約，為美國空軍研究洲際戰爭，並提出有關技術和設備的建議。1947年，在福特基金會的支持下，成立了蘭德公司，繼續為戰後美國空軍的發展戰略和規劃提供諮詢服務。50年代以後，擴大了工作範圍，成為一個非營利的諮詢機構。蘭德公司在多年積累的研究經驗的基礎上創立了系統分析。系統分析的目的是根據系統目標和評價指標來尋求最優方案。系統分析幾乎是同系統工程並行地發展起來的，這兩個名詞之間也常出現混用現象。蘭德公司創造的系統分析以及規劃計畫預算編制法（見規劃計畫預算系統）、特爾斐法、社會實驗法等方法豐富了系統工程方法論。

網路技術和系統管理50年代末，為了管理大型工程項目，線上條圖的基礎上發展了用於系統管理的網路技術。1957年，美國杜邦公司發展了協調大企業內各部門工作的關鍵路線法。1958年，美國海軍特別計畫局在執行“北極星”飛彈核潛艇計畫中發展了控制工程進度的新方法──計畫協調技術，使“北極星”飛彈提前兩年研製成功。這些方法用網路技術來進行系統管理，可在不增加人力、物力和財力的情況下使工程進度提前、成本降低。

阿波羅工程美國1961年開始進行的阿波羅工程，由地面、空間和登月三部分組成，於1972年成功結束。在工程高峰時期有兩萬多家廠商、 200餘所高等院校和80多個研究機構參予研製和生產,總人數超過30萬人,耗資255億美元。完成阿波羅工程不僅需要火箭技術,還需要了解宇宙空間和月球本身的環境。為此又專門制定了“水星”計畫和“雙子星座”計畫，以探明人在宇宙空間飛行的生活和工作條件。為了完成這項龐大和複雜的計畫，美國航空航天局成立了總體設計部以及系統和分系統的型號辦公室，以對整個計畫進行組織、協調和管理。在執行計畫過程中自始至終採用了系統分析、網路技術和計算機仿真技術，並把計畫協調技術發展成隨機協調技術。由於採用了成本估算和分析技術，使這項無前例的龐大工程基本上按預算完成。阿波羅工程的圓滿成功使世界各國開始接受系統工程。

系統工程方法論的形成1957年，美國的H.H.古德和R.E.麥克霍爾合作發表了第一本完整的系統工程教科書──《系統工程》。麥克霍爾又於1965年發表了《系統工程手冊》一書。這兩本書以豐富的軍事素材論述了系統工程的原理和方法。1962年，A.D.霍爾發表的《系統工程方法論》一書反映了作者長期從事通信系統工程的成果，內容涉及系統環境、系統要素、系統理論、系統技術、系統數學等方面。A.D.霍爾還於1969年提出著名的霍爾三維結構，即系統工程形態圖。60年代末關於軍事和工程等硬系統的系統工程方法論已臻於完善。

系統工程教育系統工程教育始於50年代。當時已開始在高等院校開設有關專業課，成立系統工程系或者在公司企業內部辦培訓班來培養人才。60年代以來，許多國家已開始大量培養系統工程師、系統分析師和系統科學家。

系統工程的發展70年代以來，系統工程發展的趨勢是套用領域繼續向社會、經濟、生態等方面擴展和發展套用於軟系統工程的方法論。1972年在一些國家科學院的倡議下，在維也納成立了國際套用系統分析研究所。它是一個用系統工程方法研究複雜的社會、經濟、生態等問題的國際性研究機構。該所先後選擇了能源、環境、生態、城市建設、資源開發、醫療、工業生產等研究課題，在推動系統工程的發展和套用方面產生了重要影響。

系統建模和系統仿真系統工程作為一門定量技術，可概括為系統建模、系統仿真、系統分析和系統最佳化 4個方面。系統建模是將一個實際系統的結構、輸入輸出關係和系統功能用數學模型加以描述。系統仿真是在計算機上對系統模型進行實驗和研究。系統仿真便於改變模型參數以獲得各種方案，以便選擇最優方案和設計最合理的系統。隨著系統工程套用領域的擴展，首先需要發展系統建模和系統仿真，這項工作需要融合多學科的知識和不同領域的專家通力合作。60年代提出的模糊子集合理論，70年代出現的大系統理論、隊決策理論和以前建立的運籌學、對策論、控制論、現代控制理論、資訊理論以及有關套用領域的學科都可為系統建模提供素材、方法和原理。

1952年，J.廷伯赫提出了適用於靜態和平穩經濟結構的線性鎮定策略理論。1953年，A.塔斯庭首先採用自動控制理論的觀點來解決經濟問題。1954年，A.W.菲利普斯又採用 PID（比例-積分-微分）控制原理來改善經濟政策的穩定性。50年代中期，H.A.西蒙等人研究了巨觀經濟的最優控制問題。60年代，美國麻省理工學院教授J.W.福雷斯特套用控制理論和計算機仿真研究複雜系統時創立了系統動力學。它是一種適用於長期預測的建模和仿真方法，可用於對社會、經濟等複雜系統進行初步的研究。1965年，羅馬尼亞出版了《經濟控制論》一書。1978年,在第4屆國際控制論和系統大會上討論了控制論和社會的關係，提出了社會控制論。在經濟方面的主要建模方法已有投入產出模型、計量經濟模型、系統動力學模型和經濟控制論模型等。由於人們對經濟規律的掌握還不很充分，經濟系統建模尚處在初級階段。70年代以來，人們試圖對世界範圍內的資源、生態環境和經濟發展模式等重大問題進行定量研究和預測，構造了大量模型。J.W.福雷斯特和D.梅多斯分別在1971年和1972年提出著名的世界模型Ⅱ和世界模型Ⅲ。此後，不少國家的學者紛紛提出各種世界模型，諸如生存戰略模型、發展新景世界模型、重建新秩序世界模型、世界經濟模型、人類發展目標世界模型等。

在社會、經濟、管理等有人參與的複雜系統中，人的行為受心理、經驗等因素偶然變化的影響，使系統有很大的不確定性。人的思維本身也具有模糊性，需要用模糊子集合描述。在現代社會中，人類活動範圍日益廣闊，制定完善策略所需知識和信息迅速增加，已經達到任何一個決策人或機構無法完全收集和處理的程度。信息和決策功能的分散化勢在必行。社會系統是迄今為止最複雜的系統。1972年，何毓琦和祝開景把隊決策理論的研究範圍從靜態推廣到動態情況。隊決策理論可為大型分散控制（管理）系統的信息結構（即信息在處於不同層次和空間位置上的決策人之間的分配）和相應的控制（管理）策略提供設計的參考。對策論與決策論和行為科學等結合起來在主從對策(又稱斯塔克爾貝格對策)和激勵對策方面的研究，提供了一種適用於社會、經濟和管理系統的建模方法。這種建模方法反映了系統中的層次結構，可用於巨觀控制政策的制定。對策論就理論框架而言，是研究社會系統的理想工具。但是，對策論把人的社會性、複雜性、心理和行為的不確定性大大簡化了。對策論目前的成就還不能處理社會系統的複雜性問題。對於社會系統，需要採用定性和定量相結合的系統研究方法（見系統學）。

軟系統工程方法論70年代以來，人們開始重視對軟系統的系統工程方法論的研究。霍爾的系統工程方法論來源於硬系統。硬系統或稱良結構系統是指機理清楚，能用明確的數學模型描述的系統，如物理系統和工程系統。對於硬系統已有較好的定量研究方法，可以計算出系統行為和最優的結果。軟系統或稱不良結構系統是指機理不清，很難用明確的數學模型描述的系統，如社會系統和生物系統。軟系統的系統工程方法論一般處理較粗的信息，而且以定性為主。80年代，英國系統科學家P.B.切克蘭德提出了一套以學習、調查過程為主的軟系統工程方法論。常用軟系統工程方法有特爾斐法、智暴、想定情景法、生活質量法、層次分析法等。此外，模糊子集合理論、對策論、系統動力學和聚類分析、相關分析等數理統計方法以及心理學和社會學中的不少方法都可借鑑使用。

系統工程套用軟體70年代以來，計算機技術，特別是軟體工程的發展促進了系統工程的發展。人工智慧的發展，特別是專家系統和決策支持系統的出現為系統工程的定性和定量研究方法提供了有力的工具。現在已出現許多高效率的系統工程算法和軟體。例如，已有線性規劃、非線性規劃、動態規劃、排隊排序、庫存管理、計畫協調技術/關鍵路線法、計畫協調實時控制、系統建模、實時仿真、作戰模擬、決策支持系統、決策室等成套套用軟體和完整的系統作為商品出售。系統工程採用網路技術並配以大螢幕圖形顯示和實時控制系統，可以顯示全部或局部網路,還可以實時地用光筆修改,經計算機網路把修改過的網路計畫傳送給各個執行單位。這種系統是上級部門進行決策和指揮協調的有力工具。

系統科學體系的形成70年代以來,一批數學家、物理學家、化學家、生物學家和計算機科學家從不同的側面研究系統的演化規律，取得了豐碩的成果。其中較有代表性的是70年代初聯邦德國理論物理學家H.哈肯創立的協同學，1969年比利時統計物理學家I.普里戈金創立的耗散結構理論和1971年聯邦德國生物物理學家M.艾根提出的超循環理論。這些理論和早在30年代由 L.von貝塔朗菲創立的一般系統論以及60年代由法國數學家R.托姆建立的突變論一起為系統學的建立提供了初步基礎。

1979年，中國科學家錢學森提出建立系統科學體系的完整思想。他認為系統科學是以系統為研究和套用對象的一個科學技術部門。如同自然科學和社會科學一樣，它是由三個層次組成的，即：①系統工程，它是系統科學的下層技術層次，是用系統思想直接改造客觀世界的技術；②系統科學的技術科學層次，包括運籌學、控制論、資訊理論等；③系統學，是系統科學的基礎科學。系統學是研究系統一般演化規律的學科，目前尚處於形成階段。系統科學與哲學之間的橋樑則稱為系統論或系統觀，它為發展和深化馬克思主義唯物辯證法提供素材。系統科學體系的形成標誌著系統工程已經逐步成熟。