Introduction to systems engineering

第1章系统与系统工程的基本概念 1
1.1系统的概念 1
1.1.1系统的含义与概念 1
1.1.2系统的属性 2
1.2系统的类型 3
1.2.1从系统生成的原因分类 3
1.2.2从系统的构成内容分类 4
1.2.3从系统与环境的关系分类 4
1.2.4按系统状态对时间的关系分类 4
1.2.5按照系统的规模大小和复杂程度分类 4
1.3系统的结构与功能 5
1.3.1系统的结构 5
1.3.2系统的功能 5
1.3.3结构与功能之间的关系 6
1.4系统工程的产生与发展 6
1.4.1系统工程的形成和发展 6
1.4.2系统工程的含义 8
1.5系统工程学科的定义与学科特点 9
1.5.1系统工程学科的定义 9
1.5.2系统工程的学科特点与学科位置 10
1.6系统工程的应用举例 12
参考文献 14
思考与讨论题举例 14
第2章系统思想 15
2.1系统思想和系统观 15
2.2系统与环境 16
2.3系统的秩序与组织 17
2.3.1系统的秩序 17
2.3.2系统的组织 18
2.3.3系统的自组织 19
2.4系统整体性思想 20
2.4.1系统整体性的含义 20
2.4.2系统整体性能的涌现 21
2.4.3整体性思想在系统工程中的应用 22
2.5系统层次性思想 23
2.6系统的演化性 24
2.7系统复杂性 24
2.8系统与信息 26
2.8.1信息的含义 26
2.8.2系统中的信息 27
2.9系统与控制 28
参考文献 30
思考与讨论题举例 30
第3章系统工程的方法论 31
3.1系统工程的方法体系 31
3.1.1系统工程的方法论、方法、技术与工具 31
3.1.2系统工程方法论 31
3.1.3系统工程的原则 32
3.2硬系统方法论 33
3.2.1系统工程的三维形态图 34
3.3软系统方法论 36
3.3.1软系统方法论的含义 36
3.3.2软系统方法的步骤 36
3.3.3对软系统方法的一些探讨 38
3.4系统方法论的进一步发展 39
3.4.1还原论、整体论和系统论方法 39
3.4.2综合集成方法论 40
3.5系统直觉 41
3.6系统分析与系统综合 42
3.6.1系统分析 42
3.6.2系统综合 43
3.7系统与知识 44
3.7.1知识的含义与类型 44
3.7.2显性知识与隐性知识 44
3.7.3系统中的知识 45
3.8功能模拟和黑箱方法 46
3.8.1功能模拟 46
3.8.2黑箱方法 46
3.8.3隐喻 47
3.9系统工程中需要处理好的几个关系 47
3.9.1人与天然系统的关系 48
3.9.2人与人工自然系统的关系 48
3.9.3系统工程中的人与人的关系 48
3.9.4个人内心的各种关系 49
3.9.5综合考虑 50
3.10系统工程既是科学又是艺术 51
3.11系统工程的队伍与人才 52
3.11.1系统工程的队伍 52
3.11.2系统工程师的职业特点 53
3.11.3应在广大领导人员和专业人员中普及系统工程知识 54
参考文献 54
思考与讨论题举例 54
第4章系统工程过程 55
4.1系统工程与项目管理 55
4.2系统工程过程的含义 56
4.3系统生命周期 57
4.4系统生命周期模型的演化 59
4.4.1系统生命周期模型的进一步发展 59
4.4.2综合集成方法在系统工程过程中的应用 61
4.5系统的验证与系统的确认 63
4.5.1系统的验证 63
4.5.2系统的确认 64
4.6敏捷系统工程 64
4.7系统再造工程 66
4.7.1企业的再造工程 66
4.7.2系统再造工程 67
参考文献 69
思考与讨论题举例 70
第5章系统需求分析和系统建构 71
5.1问题的确定 71
5.2需求的开发问题 73
5.3需求的调查 74
5.4需求的分析与系统需求的定义 76
5.4.1需求的分析 76
5.4.2系统需求的定义 77
5.4.3需求定义的工作难点 78
5.5系统需求的管理 79
5.6系统的建构问题 79
5.6.1系统建构的意义 79
5.6.2整体功能涌现与建构 81
5.7系统建构工作的特点与原则 81
5.7.1建构工作的特点 81
5.7.2建构原则 83
5.8系统建构工作的步骤 83
5.8.1明确系统需求或问题 83
5.8.2系统边界的确定 84
5.8.3目标的确立 84
5.8.4指标与指标体系 85
5.9系统建构的实施 86
5.9.1进行功能与体系结构设计 86
5.9.2对各结构方案进行评价、选择 87
5.9.3建立各种属性的体系结构 88
5.10系统建构工作的方法 88
5.10.1规范化方法 88
5.10.2理性化方法 88
5.10.3论证法 89
5.10.4试探法 89
参考文献 90
习题与思考题举例 90
第6章系统的设计与集成 91
6.1系统的初步设计 91
6.2工程技术设计 92
6.3系统的运行可行性设计 93
6.3.1系统运行可行性的含义 93
6.3.2系统的可使用性 94
6.3.3系统的可支持性 94
6.3.4系统的可生产性与可废弃性 95
6.3.5系统的可承担性 95
6.4系统集成 96
6.4.1集成的含义 96
6.4.2系统集成的进展 97
6.4.3系统集成的类型 97
6.5系统集成创新 98
6.5.1创新的类型 98
6.5.2系统集成创新的形式 99
6.6系统集成创新的方法论 100
6.6.1系统集成创新的目的：新的功能的涌现 100
6.6.2集成的关键在于综合，而具体实施首先需要进行"系统建构"（建立系统的体系结构） 101
6.6.3系统集成创新必须同时着重技术和管理 101
6.6.4要恰当掌握集成的"度" 101
6.6.5要注意系统集成创新中的知识集成与创造 102
6.6.6在系统集成创新过程中需要运用各种思维方式 102
6.6.7系统集成的关键在于接口 103
参考文献 104
习题与思考题举例 104
第7章系统的描述与模型建立 105
7.1系统的描述与建模 105
7.1.1系统描述语言 105
7.1.2建模也是一种系统描述 106
7.2模型方法 107
7.2.1模型方法的含义 107
7.2.2概念模型与结构模型 108
7.2.3定性模型与定量模型 108
7.2.4系统建模过程 109
7.3同构性与同态性 109
7.4量化与尺度 111
7.5数据的采集与管理 112
7.5.1数据的类型 112
7.5.2数据的管理 112
7.5.3必须重视数据工作 113
7.6系统的定性描述与知识表示 114
7.6.1知识表示用于系统的定性描述 114
7.6.2逻辑表示法 114
7.6.3关系表示法（特征表表示法） 115
7.6.4产生式规则表示法 116
7.6.5语义网络表示法 116
7.6.6框架表示法 116
7.6.7面向对象的表示法 117
7.6.8本体表示法 117
7.7不确定性描述（一）——随机性 118
7.7.1随机性描述 118
7.7.2回归分析 120
7.8不确定性描述（二）——模糊性 121
7.8.1模糊性 121
7.8.2语言变量 122
7.8.3模糊数 123
7.8.4模糊逻辑与模糊模式识别 124
7.8.5模糊关系 125
7.9非结构化信息的知识表示方法 125
7.9.1半结构化数据与非结构化数据 125
7.9.2半结构化数据的知识表示 126
7.9.3多媒体信息的知识表示 127
参考文献 128
习题与思考题举例 128
第8章系统的结构建模 129
8.1引言 129
8.2概念模型 130
8.3系统结构模型的矩阵表示 131
8.3.3邻接矩阵的运算 132
8.3.4可达矩阵 133
8.4系统结构模型的分解 135
8.4.1结构模型的分解 135
8.4.2分解方法 136
8.5索引矩阵与出现矩阵 137
8.5.1索引矩阵 137
8.5.2出现矩阵 137
8.6结构模型的建立（1） 139
8.6.1结构模型建立的过程 139
8.6.2具体做法 140
8.6.3简化方法 140
8.6.4实例 142
8.6.5待定元素求法 143
8.7结构模型的建立（2） 145
8.7.1关系划分∏1（S×S） 145
8.7.2级别划分∏2（S） 145
8.7.3分部划分∏3（S） 147
8.7.4是否强连接单元的划分∏4（S） 148
8.7.5强连接子集的划分∏5（S） 149
8.7.6可达矩阵的变换 149
8.8层次结构分析 151
8.8.1层次结构分析法 151
8.8.2举例 153
参考文献 154
习题 154
第9章系统的静态模型、静态分析与优化 156
9.1系统的静态模型 156
9.1.1静态模型 156
9.1.2静态模型方程 157
9.1.3生产函数模型 158
9.2系统的静态分析（边际分析） 159
9.2.1静态分析 159
9.2.2边际分析 160
9.3系统的静态优化（1）——线性规划问题 161
9.3.1线性规划问题举例 163
9.4系统的静态优化（2）——非线性规划问题 164
9.4.1非线性问题优化 164
9.4.2凸函数 165
9.4.3只有等式约束的问题 167
9.4.4具有不等式约束的问题 168
9.4.5孔—特克条件 169
9.5无约束优化的近似计算方法 171
9.5.1近似计算方法 171
9.5.2一元函数的搜索算法 172
参考文献 174
习题 174
第10章系统的动态分析与优化 175
10.1系统的动态模型 175
10.1.1系统的动态与动态模型 175
10.1.2系统的动态方程 176
10.2系统动态模型举例 178
10.2.1最简单的市场模型 178
10.2.2模型方程与解 178
10.3线性系统的动态分析 179
10.3.1线性连续系统的方程解 179
10.3.2线性离散系统的方程解 180
10.4非线性系统的动态分析 181
10.4.1非线性系统的动态特性 181
10.4.2相空间与相迹 182
10.4.3一类特定的非线性模型 185
10.5非线性系统的多样性态和分叉与混沌 187
10.5.1非线性系统的多样性态 187
10.5.2分叉 188
10.5.3混沌 189
10.6反馈与控制的作用 190
10.7动态优化 190
10.8离散事件动态系统 191
参考文献 192
习题 192
第11章网络系统 194
11.1引言 194
11.2最短路径问题 195
11.2.1问题的提出 195
11.2.2标记法 196
11.2.3算法步骤 197
11.2.4设备更新的例子 198
11.2.5多起点多终点问题 200
11.3最大流问题 202
11.3.1问题的提出 202
11.3.2网络拓扑结构分析 202
11.3.3算法 204
11.3.4计算举例 205
11.4复杂网络 206
11.4.1各种类型的复杂网络 206
11.4.2复杂网络的分析 207
11.4.3无尺度网络 209
参考文献 212
习题与思考题举例 212
第12章随机服务系统的动态建模与分析 215
12.1随机系统 215
12.1.1随机服务系统的特点 215
12.1.2随机服务系统的输入过程 215
12.1.3排队规则 217
12.1.4服务机理 217
12.2生灭过程 218
12.2.1生灭过程的定义 218
12.2.2生灭过程的微分方程组 219
12.2.3稳态解（极限解） 220
12.3无限队长、泊松输入、指数服务分布的系统 221
12.3.1系统的稳态解 221
12.3.2单个服务者的情况 222
12.3.3多个服务者的情况 224
12.4有限队长、泊松输入、指数服务分布的系统 226
12.4.1单一服务者情况 226
12.4.2多个服务者情况 228
12.5泊松输入、一般服务分布的系统 228
12.5.1系统特点 228
12.5.2定长分布 229
12.5.2爱尔朗分布 230
参考文献 231
习题与思考题举例 231
第13章系统的可靠性 232
13.1可靠性的一些基本概念和定义 232
13.1.1可靠性的含义 232
13.1.2可靠度、失效率与平均失效间隔时间 233
13.2系统可靠性模型与可靠度计算 235
13.2.1串联模型 235
13.2.2并联模型 236
13.2.3串并联与并串联模型 238
13.2.4复杂联接模型 238
13.3系统可靠性估计与分配 240
13.3.1可靠性估计 240
13.3.2可靠性分配 242
13.4系统可靠性分析举例 242
13.4.1泵的选择 242
13.4.2计算机分散控制系统 243
13.5可维修系统的模型 245
13.5.1可维修系统 245
13.5.2系统的模型 245
13.5.3模型方程的解与可用度 246
13.6几种可维修系统的可用性分析 247
13.6.1一个修理者 247
13.6.2两个修理者专责分工 248
13.6.3两个修理者互相协作 248
参考文献 249
习题与思考题举例 249
第14章系统的工程实现 250
14.1系统工程实现的组织与管理 250
14.2系统工程项目结构与工作分解 251
14.2.1系统工程项目结构分解 251
14.3网络计划方法 253
14.3.1问题的提出 253
14.3.2网络计划图 254
14.3.3时间的计算 254
14.4网络计划图的作用和编制 255
14.5时间参数的计算 257
14.5.111种时间参数： 257
14.5.2网络图的计算和处理 259
14.5.3方案的选择与调整 259
14.6系统风险管理 260
参考文献 261
习题 261
第15章实用评价方法 263
15.1系统评价 263
15.1.1系统评价的作用 263
15.1.2系统评价的原则 263
15.1.3系统评价类型 264
15.1.4系统评价的步骤 264
15.1.5系统综合评价 265
15.2专家评估法 265
15.2.1专家的选聘 266
15.2.2专家意见的征询 267
15.2.3结果的处理 267
15.3层次分析法 269
15.3.1层次分析法的步骤 269
15.3.2层次结构的建立 270
15.3.3方案两两比较以建立判断矩阵 271
15.3.4进行层次单排序 273
15.3.5进行层次总排序 277
15.3.6一致性检验 278
15.4模糊综合评价法 279
15.4.1问题的描述 279
15.4.2综合对比排序 280
参考文献 281
思考 281
第16章决策分析基础 282
16.1问题求解与决策 282
16.1.1问题的提出 282
16.1.2决策科学 283
16.2决策分析过程与步骤 283
16.2.1决策分析过程 283
16.2.2明确问题阶段 284
16.2.3制订方案阶段 286
16.2.4选择方案阶段 286
16.3决策分析问题的基本描述和类型 287
16.3.1决策分析问题的描述 287
16.3.2决策的类型 289
16.4确定型与风险型决策 291
16.4.1确定型决策 291
16.4.2风险型决策 291
16.4.3贝叶斯风险决策 292
16.5完全不确定型决策 292
16.5.1小中取大原则： 293
16.5.2大中取大原则： 293
16.5.3平均值原则： 293
16.5.4最小后悔值原则： 293
16.6偏好与效用 294
16.6.1偏好及其度量 294
16.6.2二元关系 294
16.6.3序关系 295
16.6.4无差异类及其间的偏好关系 296
16.7效用函数及其计算 298
16.7.1效用与效用函数 298
16.7.2效用函数的构造 299
16.7.3无差异概率 300
16.7.4效用函数的类型 302
16.8主观概率 303
16.8.1主观概率的含义 303
16.8.2主观概率的估算 304
参考文献 305
习题与思考题举例 305
第17章实际生活中的决策方法 306
17.1决策模式 306
17.1.1各种决策模式 306
17.1.2有限理性与满意解 306
17.2行为决策 307
17.3多准则决策 309
17.3.1问题的提出 309
17.3.2非劣解 310
17.3.3多属性决策 311
17.4计算机决策支持系统 314
17.4.1计算机决策支持系统的特点 314
17.4.2系统的支持作用 315
17.4.3系统的进一步发展 316
17.5元决策：决策的顶层设计 316
17.5.1问题的提出 316
17.5.2元决策的特点 317
17.5.3元决策的目标和准则 318
17.6元决策实施的几点考虑 318
17.6.1决策思维的选择 318
17.6.2快思考与慢思考 320
17.6.3先想、先看和先做 321
17.6.4主观与客观 321
17.6.5定性与定量 322
17.6.6冲突与冲突分析 322
17.7进行元决策的方法与步骤 323
参考文献 325
习题与思考题举例 326
第18章复杂系统与复杂系统工程 327
18.1复杂系统 327
18.2传统系统工程方法的局限性 329
18.3复杂系统的系统工程 330
18.4复杂系统工程中的演化与演化工程方法 332
18.4.1复杂系统工程中的演化 332
18.4.2演化工程方法 333
18.5综合集成方法 333
18.6复杂自适应系统 335
18.7智能型复杂自适应系统 336
参考文献 340
思考与讨论题举例 341
第19章系统的系统与体系工程 342
19.1“系统的系统” 342
19.2一些典型的系统的系统 343
19.2.1交通运输领域 343
19.2.2国防军事领域 343
19.2.3在医疗卫生领域 344
19.2.4服务业领域 344
19.2.5新型电网：微电网 344
19.2.6危机应对系统 345
19.3系统的系统的几个典型特性 345
19.3.1涌现 345
19.3.2自主适应性 346
19.3.3演化中的不确定性 346
19.4体系工程（系统的系统工程） 346
19.5体系工程的目标和内容 347
19.5.1体系的需求： 348
19.5.2顶层设计工程： 348
19.5.3体系的集成与构建工程： 348
19.5.4体系的演化工程： 349
19.5.5体系的评价工程： 349
19.6体系工程的工作过程研究 349
19.6.1体系工程的工作过程 349
19.6.2体系的构建方法 350
19.6.3体系的动态编成 350
19.6.4体系的演化 351
19.6.5体系的有效测度 351
19.7系统的系统之超网络模型 352
19.8体系工程的发展 353
参考文献 354
习题与思考题举例 354