第1章 系统与系统工程的基本概念

1.1 系统的概念

1.1.1 系统的含义与概念

“系统”是当前在日常工作和生活中经常听到和看到的名词，日常谈话或者书刊、报纸、网页常常会提到公共交通系统、供电系统、电信网络系统、物流系统等。现在，人们已经认识到，大到全国的铁路网、全球的互联网，小到一台笔记本电脑或者手机都是系统。可以说，当前人们是生活在一个各类系统交织的环境之中。

也许人们约定俗成地使用系统这个名词多了，也就没有去深究它的含义，但是如果想从概念上认识系统，就需要了解：究竟什么是系统？上面说到的各类系统有什么共同属性？

在人类社会中，经济和科学技术不断地迅速发展，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，逐渐形成了一个个的有机整体。上面提到的各类系统都是由不同要素按照一定规律组成的整体，为了掌握、适应或者改造它们，人类不能不从总体上、从全局上来加以认识和处理，这种整体的概念就是人们在长期实践中形成的“系统”概念。

“系统”这个名词，从它的拉丁语“Systema”分析，是“在一起”“放置”的意思，很久以来就是用来表示群体、集合等概念的。但是作为一个科学概念，还是自20世纪以来，由于科学技术发展的结果才使它的内涵逐步明确起来的。各类系统具有一些共性，这些共性是：系统由许多要素组成；各要素之间、要素与整体之间以及整体与外部环境之间存在着有机联系；整个系统具有整体功能（不同于要素的功能）。

人们把这些共性加以归纳，就得出了系统的定义。下面列述的是其中一些典型的定义。

在我国的《辞海》中，把系统定义为“自成体系的组织；相同或相类的事物按一定的秩序和内部联系组合而成的整体”。

《中国大百科全书·自动控制与系统工程》卷中把系统解释为相互制约、相互作用的一些部分组成的具有某些功能的有机整体。

《Webster新国际词典》把系统定义为：

（1）通常是体现许多各种不同要素的复杂统一体，它具有总的计划或旨在达到总的目的。

（2）由持续相互作用或相互依赖连接在一起的诸客体的汇集或结合。

（3）有秩序活动着的整体、总体。

在《Oxford英语字典》中，对系统的定义是：

（1）一组相连接、相聚集或相依赖的事物，构成一个复杂的统一体。

（2）由一些组成部分根据某些方案或计划有序排列而成的整体。

一般系统论的创始人贝塔兰非把系统定义为相互作用的诸要素的综合体。

我国系统学科的开创者钱学森给系统下的定义是“由相互作用和相互依赖结合成的具有特定功能的有机整体”。

要想进一步理解系统的定义，可以研究系统的属性。

1.1.2 系统的属性

系统具有下列属性。

（1）系统是由要素（系统的组成部分）结合而成的，这些要素可能是元件、零件、单个机器，或者是个人、组织机构，也可能是子系统（分系统）。简单的手工具只有几个要素；钟表有几十个；而电视机就有几百以至几千个；一架喷气式飞机有几十万个，宇宙飞船有几百万个，而一座大城市算起来有数以亿计的要素。社会越发展，系统越复杂，组成部分的数目和品种越多。系统的这一属性可称为它的“集合性”。

用数学语言来表述，系统的集合性可表达成

X={ix|ix∈X，i=1～n，n≥2}

其中，x是组成系统的要素；X是集合。

系统与要素之间的关系是相互依存，互为条件，而且也是相互作用的。各种要素在系统中的地位和作用不尽相同，特别是在要素数目较多的复杂系统中更是如此。

（2）系统的各个组成部分是按一定方式、一定关系组合起来的，各组成部分之间有一定的关联，我们把系统的这一属性称为它的“关联性”。

例如，一个机械加工车间是由一些机床组成的，但仓库里堆放的一群机床不能构成车间，必须按工艺要求把机床按一定顺序排列，各机床之间有一定的关系，把它们开动起来才能成其为车间。

再比如，计算机信息系统是由一些计算机和网络设备组成的，但是计算机商店中陈列的计算机和网络设备不能构成信息系统，必须按照它们之间的一定关系、也就是一定的系统结构将它们连接起来才能形成系统。

上述关系如果用数学语言表述，设系统要素集合X的某一部分xii∈Xi⊂X，对另一部分xo∈Xo⊂X具有因果关系和影响关系，用R来表示这个关系，即

xiRxo，xoRxi或写为xo=R（xi），xi=R（xo）

则有序对xi∈X，xo∈Xo之间关系的总体为

R=Xi×Xo={（xi，xo）|xi∈Xi，xo∈Xo；xo=R（xi），xi=R（xo），i，o=1～n，i≠0}或者说系统S可表述为

S={X|R}

这里要强调的是，要素间的关联只是从某种性质方面来说的。例如，齿轮箱中的齿轮是从机械传动，计算机信息系统中的电子设备是从电信号传递方面来研究它们之间的关系的。

（3）任何系统都有特定的功能，而由人所建造或改造的系统总有一定的“目的性”。这里所说的系统功能和目的，是系统整体的功能和目的，是原来各组成部分不具备或不完全具备、只是在系统形成后才“涌现”出来而具备的。例如，信息网络的功能是在把计算机与通信网络设备连接起来以后才涌现出来的。有时候，人们把这种功能称为系统的整体属性。

系统的目的有时不止一个，即总目标G由各分目标gi组成。

G={gi|i=l～m}

（4）系统的另一个重要性质是它的“层次性”。一般来说，系统是由一些子系统（分系统）构成的，而系统本身可能又是更大的系统的一个子系统，也就是说系统总是形成层次结构的。这在技术设备、社会生活都是常见的。例如一个大学是由学校、学院、学系几个层次组成的。一个防空系统是由雷达系统、地对空导弹系统、火炮系统这样一些子系统组成的，而每一个子系统又包括几个下一层的子系统。

系统的层次是自然界和人类社会在从简单到复杂，从低级到高级的发展、进化过程中产生的，低层次是高层次发展的基础，而高层次又带动低层次的发展，高层次常常具备低层次不具备的性质。层次结构有助于我们认识系统，通常宏观与微观正代表着两个层次。

（5）任何系统都存在于一定的环境之中，系统的存在和发展都必须适应客观环境。例如江河中的水运系统，必须适应江河这一环境。系统的这一性质可称为系统的“环境适应性”。

在研究系统时，首先要区分开哪些是系统内部要素，哪些是外部环境要素，从而得出系统的边界。系统与外部环境要素的关联决定了系统如何适应环境。系统一旦不适应环境，就会解体、消亡。

系统与环境之间总要有物质、能量或信息的交换，因此系统常用如图1-1所示的形式表示。其中，输入是环境送进系统的物质、能量或信息，输出则是系统送到环境中的物质、能量或信息。例如，加工厂输入的是原料、毛坯，输出的是成品；火力发电厂输入的是煤的化学能，输出的是电能；计算机系统输入的是原始信息，输出的是处理结果信息。

应该说，系统是物质的普遍存在和发展形式，现实世界的一切事物和过程，都是由互相联系的要素构成的有机整体，在自然界和人类社会中，许多事物都是以系统形式存在的，系统是无所不在的。是否有非系统的事物存在呢？但是从相对性角度来看，一些联系不紧密、有机程度较差的群体或集合，可以认为是非系统的一类集合。再就是在某一层次上，组成系统的单元相对系统本身来说，也具有独立存在的一面，也具有非系统性（尽管对下一层来说，它可能又是系统）。我们必须辩证地进行理解。