1.2 系统工程的内涵与发展历程

系统工程涉及“系统”与“工程”两个方面，是以系统为研究对象的工程技术，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。系统工程学中的“工程”概念不仅包含“硬件”的设计与制造，还包含与设计和制造“硬件”紧密相关的“软件”，诸如预测、规划、决策、评价等社会经济活动的过程。系统工程在系统科学结构体系中属于工程技术类，是一门新兴的学科，是多学科的高度综合。因此，了解和掌握系统工程的内涵、系统工程的发展历程，有助于应用系统工程解决实际问题。

1.2.1 系统工程的内涵

1. 系统工程的定义

系统工程的思想和方法不仅来自各个行业与领域，而且综合吸收了邻近学科的理论与工具，这使得国内外对系统工程的理解不尽相同，至今仍无统一的定义。

切斯纳［美］（1967）认为，虽然每个系统都是由许多不同的特殊功能部分组成，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，每一个系统都有一定数量的目标。系统工程则是按照各个目标进行权衡，全面求得最优解的方法，并使各组成部分能够最大限度地相互协调。

日本工业标准JIS（1967）认为，系统工程是为了更好地达到系统目的，对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机构等进行分析与设计的技术。

莫顿［美］（1967）认为，系统工程是用来研究具有自动调整能力的生产机械，以及像通讯机械那样的信息传输装置、服务性机械和计算机械等的方法，是研究、设计、制造和运用这些机械的综合方案。

美国质量管理学会系统委员会（1969）认为，系统工程是应用科学知识设计和制造系统的一门特殊工程学。

寺野寿郎［日］（1971）指出，系统工程是为了合理进行开发、设计和运用系统而采用的思想、步骤、组织和方法等的总称。

大英百科全书（1974）指出，系统工程是一门把已有学科分支中的知识有效地组合起来用以解决综合化问题的工程技术。

美国科学技术辞典（1975）认为，系统工程是研究复杂系统设计的科学，该系统由许多密切联系的元素所组成。设计该复杂系统时，应有明确的预定功能及目标，并协调各个元素之间及元素和整体之间的有机联系，以使系统能从总体上达到最优目标。在设计系统时，要同时考虑到参与系统活动的人的因素及其作用。

苏联大百科全书（1976）指出，系统工程是一门研究复杂系统的设计、建立、实验和运行的科学技术。

日本学者三浦武雄（1977）指出，系统工程与其他工程学不同之处在于它是跨越许多学科的科学，而且是填补这些学科边界空白的一种边缘学科。因为系统工程的目的是研究系统，而系统不仅涉及工程学领域，还涉及社会、经济和政治等领域。为了适当地解决这些领域的问题，除了需要某些纵向技术以外，还要有一种技术从横的方向把它们组织起来，这种横向技术就是系统工程。

美国学者恰斯诺特（1977）在《系统工程方法》一书中认为，系统工程是为了研究由多数子系统构成的整体系统所具有的多种不同目标的相互协调，使系统的功能达到最优化，最大限度地发挥系统组成部分的能力而发展起来的一门科学。

我国著名科学家钱学森（1978）指出，系统工程是组织管理的技术，是组织管理这种系统的规划、研究、设计、制造、实验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。

2. 系统工程的特征

（1）系统工程是横跨自然科学与社会科学的综合性新学科。系统工程不仅涉及数、理、化、生物等自然科学，还涉及社会学、心理学、经济学、医学等与人的思想、行为、能力等有关的学科，是自然科学和社会科学的交叉。系统工程从各门学科中吸取有用的东西，形成自己的思想和方法，不以某一专门的技术领域为研究对象，其思想与方法适用于许多领域。

（2）系统工程目标是实现系统的整体最优。系统工程要运用各学科的最新成果，采用定性与定量分析相结合的方法，研究系统的整体与部分，系统与环境之间的关系与协调，并提出最优方案，力争实现系统整体最优之效果。

（3）系统工程研究问题途径一般是先决定整体框架，后进入详细设计，通过对系统的综合、分析，构造系统模型来调整改善系统的结构，使之达到系统整体最优。

（4）在系统工程的观点和方法中，观点、概念、原则是本质的，是第一位的，一些数学方法是手段，是从属于观点和原则的。

3. 系统工程与传统工程的区别

系统工程与传统工程，如“机械工程”“化学工程”“电力工程”等是有很大差异的。传统工程侧重于对能量、物质进行变换，完成各种“硬件”生产任务，称为“硬技术”。系统工程侧重于信息聚集、加工、处理和变换，完成各种“软件”生产任务，生产出各种无形产品，如“规划”“设计”“决策”“制度”“程序”等，因此系统工程又被称为“软技术”。传统工程面对内容明确的问题，解决的方法一清二楚，目标具体化、评价方法具体化、层次化。系统工程面对内容不明确的问题，解决的方法不明确，目标与评价方法抽象，且具有多层次性。

4. 系统工程的总体思想

（1）最优思想。系统工程的目标和约束往往是多方面、多层次的，且随社会、经济、科技、市场等多种因素而不断变化，所以要追求系统的总体最优，非局部最优，就需要开发整体（综合）最优系统，包括最优设计、最优管理、最优性能、最优控制等，并为达到系统整体最优，建立目标体系和评价体系，而且要注重定量和定性方法相结合。

（2）组合思想。系统是由具有一定功能的要素组合而成。系统工程组合思想体现在合理选择要素方面，要求既能满足系统目标、又没有不必要的要素；尽可能选已有要素，尽可能选标准化、规格化、通用化的要素，并按照系统目标，综合应用多学科方法和技术解决。如建大厦，要素同为砖、水泥、钢筋、木材等，但不同水平的建筑师却可以建出不同水平的房子来，原因在于组合思想的水平不同。

（3）分解和协调思想。系统工程所面对的大系统，具有结构复杂的特点，要解决这一大系统问题，一方面需要将大系统分解为结构相对简单的若干子系统，简化处理；另一方面需要分析同一级子系统的相互关联性，促进其相互之间密切配合，协调完成大系统的任务。一般来说，系统分解与协调体现在系统目标分解、系统功能协调上。

1.2.2 系统工程的发展历程

1. 系统工程的萌芽时期

系统工程的萌芽可追溯到20世纪初的泰勒系统（F·W·Taylor）。美国管理学家F.W.泰勒通过实践发现，减轻劳动强度能使生产量成倍增长，由此从系统的角度研究了合理工序和工人活动的关系，以及对劳动生产率提高的影响问题，并于1911年发表了《科学管理的原理》一书，创立了著名的泰勒制，工业界也出现了“泰勒系统”。

1939年，苏联数学家Л.В.康托罗维奇在《生产组织与计划的数学方法》一书中认为，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，并提出了与经典数学分析求解极值迥然不同的解乘数法。

在第二次世界大战时期，一些科学工作者以大规模军事行动为对象，提出了解决战争问题的一些决策和对策的方法和工程手段。如英国为防御德国的突然空袭，研究了雷达报警系统和飞机降落排队系统，并取得了很多战果，由此形成了运筹学科，并在英、美等国的反潜、反空袭、商船护航、布置水雷等军事行动中取得了良好的效果，为系统工程的形成创造了条件。

公元前500年的春秋时期，中国著名的军事家孙武写出了“孙子兵法”十三篇，指出战争中的战略和策略问题，如进攻与防御、速决和持久、分散和集中等之间的相互依存和相互制约的关系，并依此筹划战争的对策，取得了战争的胜利。战国时期，著名军事家孙膑继承和发展了孙武的学说，著有“孙膑兵法”。在齐王与田忌赛马中，孙膑提出的以下、上、中对上、中、下对策，使处于劣势的田忌战胜齐王，这是从总体出发制定对抗策略的著名事例。在水利建设方面，战国时期的秦国太守李冰父子主持修建了四川都江堰工程，巧妙地将分洪、供水和排沙结合起来，使各部分组成一个整体，实现了防洪、灌溉、行舟、漂木等多种功能；至今，该工程仍在发挥着重大的作用，这也是系统工程思想应用的杰出典范。

2. 系统工程概念产生时期

系统工程一词首先是由美国电话电报公司贝尔电话实验室于1940年提出的。美国电话电报公司于1925年成立贝尔电话实验室时，为了及时研发埃尔朗电话系统模型，提出了系统工程的概念，并将研制任务分为规划、研究、开发、应用和通用工程等五个阶段，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求出了最佳通话服务方式。

3. 系统工程应用时期

1940年至1945年，美国制造原子弹的“曼哈顿”计划，由于应用了系统工程方法进行协调，在较短的时间内就取得了成功。1945年，美国建立了兰德公司（RAND Corp.），该公司应用运筹学等理论方法研制出了多种应用系统，在美国国家发展战略、国防系统开发、宇宙空间技术以及经济建设领域的重大决策中，发挥了重要作用。

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.霍尔的《系统工程方法论》不仅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，而且在其基础上于1969年又提出了著名的霍尔三维结构。

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。该计划用网络技术来进行系统管理，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。

1961年，美国开始阿波罗登月工程计划。该工程持续了11年，涉及300多万个部件，耗资244亿美元，参加者有2万多个企业和120个大学与研究机构。整个工程在计划进度、质量检验、可靠性评价和管理过程等方面都采用了系统工程方法，并创造了“计划评审技术（PERT）”和“随机网络技术（GERT）”，实现了时间进度、质量技术与经费管理三者的统一。并在实施该工程的过程中及时向各层决策机构提供信息和方案，供各层决策者使用，保证了各个领域的相互平衡，如期完成了总体目标。

1956年，中国科学院在钱学森、许国志教授的创导下，建立了第一个运筹学小组，著名数学家华罗庚大力推广了统筹法、优选法。在著名科学家钱学森领导下，我国在导弹等现代化武器的总体设计组织方面取得了丰富经验，国防尖端科研的总体设计部取得显著成效。1980年成立了中国系统工程学会，与国际系统工程界进行了广泛的学术交流，促进了系统工程在各个领域的应用。

4. 系统工程发展时期

随着科学技术迅猛进步，社会经济空前发展，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，时间变化上越来越快，层次结构上越来越复杂，结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，单靠传统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，特别是软件工程的发展促进了系统工程的发展，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，分级分布控制系统和分散信号处理系统的出现，扩展了系统工程理论方法的应用范围。随着社会、经济与环境综合性的大系统问题日益增多，如环境污染、人口增长、交通事故、军备竞赛等，许多技术性问题也带有政治、经济的因素，这为系统工程提供了新的研究领域。

20世纪70年代以来，系统工程已广泛地应用于交通运输、通信、企业生产经营等部门，已出现许多高效率的系统工程算法和软件，如线性规划、非线性规划、动态规划、排队排序、库存管理、计划协调技术／关键路线法等，还有实时仿真、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计划传送给各个执行单位，成为上级部门进行决策和指挥协调的有力工具。

1972年，经一些国家科学院的倡议，在维也纳成立了国际应用系统分析研究所——一个用系统工程方法研究复杂社会、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。

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，将系统科学划分为三个层次：系统工程层次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；技术科学层次包括运筹学、控制论、信息论等；系统学层次是系统科学的基础科学，是研究系统一般演化规律的学科。系统科学与哲学之间的桥梁则称为系统论或系统观。系统科学体系的形成标志着系统工程已经逐步成熟。