安全系统工程基本概念

　　1 系统工程(Systems lngineering)

　　系统工程是组织和管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，对所有系统都具有普遍意义。

　　这里要明确的是，系统工程属于技术范畴，应用的对象是系统，它被用来组织管理系统，使系统具有我们希望的功能，这项技术不同于其它技术的最明显特点，在于它是软技术。

　　系统工程用搞工程的办法搞组织管理，把要组织和管理的事物，用概率、统计、运筹和模拟等方法，经过分析、推理和综合，建成某种系统模型，进而以最优化的方法，求得系统最佳结果。亦即经过工程的过程，使系统达到技术经济指标先进、能协调运转的最优效果。

　　2 控制论(Cybernetics)

　　机器的自动控制或动物在自然界的活动，都可以看成是其本身各组成部分之间信息的传递过程，控制论就是研究动物、人类、机器等各种系统内部的控制和通信的一般规律的学科。它研究控制过程的数学关系，而不涉及过程内在的物理、化学、生物或其它方面的现象。控制论完全撇开了对象的物质和能量的具体形态，着眼于以信息概念作为分析和处理各种复杂问题的基础，并以此来研究整个系统的控制与信息功能。

　　目前，在系统工程中应用的控制论主要指工程控制论，通常，控制论可以分为古典控制论和现代控制论。现在，有人把大系统理论称做第三代控制论。

　　应用控制论的目的，主要是运用数学方法合理设计系统，使其满足各项目标要求，达到最优化。

　　3 线性系统(Linear system)

　　可用线性微分方程来描述的系统，称为线性控制系统，简称线性系统，线性系统的一个最重要的性质就是可以应用迭加原理，即几个扰动或控制信号同时作用于系统上时、其总效果等于每个信号单独作用所引起的效果之总和。自然界中真正的线性系统是不存在的，即便对所谓的线性系统来说，也只是在一定的工作范围内才保持真正的线性关系。线性系统一般可通过系统的线性规划模型来优化。

　　4 非线性系统(Non-linear system)
　　包含有本质非线性元件的系统叫做非线性系统。迭加原理对这种系统不适用。
　　许多机电系统、液压系统、气动系统等，在变量之间都包含着非线性关系。为获得解析解，首先略去某些对系统影响不大的因素，将系统的非线性模型在一定的工作范围内用近似的线性数学模型来代替，并用线性解析方法分析和设计系统。
　　5概率统计方法(Probability statistics method)
　　从数量方面研究对象的偶然性与必然性关系，并应用概率论的结果，通过样本了解和判断总体的统计特性。这两种方法统称为概率统计方法。
　　概率论方法是从数量角度来研究大量的随机现象，并从中获得这些现象所服从的规律。也就是利用数学的方法描述某个事件发生的可能性，从而进行合理的控制。
　　统计方法是用以研究获取数据、分析数据和归纳数据的一种方法。主要是用来研究如何安排实验和抽样，才能进行更有效的统计分析;如何根据观察和实验所得数据，获得反映对象发展规律在具体时间、地点和条件下的数量表现。
　　6 最优控制理论(Optimization control theory)
　　最优控制理论是研究什么是最优化控制和最优化控制方法的理论和方法。
　　最优控制是控制论的核心，就是自动地有目的地把控制对象的状态导致最优状态，用以实现系统功能的控制。在最优控制中，系统受到控制，使评价系统指数达到极大或极小。动态系统中，以系统对干扰的响应时间和超调量为评价指数，也有以自乘平均误差为评价指数的。生产管理系统则以成本、产品质量和效率为评价指数。
　　最优控制方法大体上有试行法和模型法两种。前者，直接利用控制对象的输出以试行的方式进行最优化;后者，利用控制对象的数学模型预先计算最优值，然后根据这个最优值给定控制对象的操作变量，实现最优化。
　　7 自适应控制系统(Adaptive control system)
　　适应是生物的一个基本特征，因为生物总是企图在变化着的自然环境条件下维持生理上的平衡。自适应控制是指，能在外界条件变化和有干扰的环境中，参考生物的适应能力建立一种能同样行动的控制。此系统能连续自动地测量对象的动态特性，依此与希望的动态特性进行比较，并利用差值来改变系统的可调参数或产生一个控制信号，从而保持环境不论如何变化，系统性能都是最佳的。自适应控制系统具有自行组织的特性，包括三个基本动作：识别对象的动态特性;在识别对象的基础上采取决策;根据决策指令改变系统动作。目前，把凡是能自动调整控制系统中控制器参数或控制规律的系统均称为自适应控制系统。

　　8 模糊理论(Fuzzy theory)
　　从数量上对模糊不清的概念进行研究，通过定量分析判断其性质，从而使模糊概念清晰化。这种方法称做模糊数学方法，又称模糊理论。数学和模糊本来是不能相容的。数学一直是排斥模糊性的科学，数学中的概念必须有明晰的内涵和外延，推理要严谨，结论和判断不能模棱两可，不能含混不清。可是，在社会生产中，有大量模糊不清的概念存在着，如高、矮、胖、瘦等，都没有绝对的界限。问题在于人们认识和判断事物的概念往往不是绝对的肯定或绝对的否定，就是说概念的内涵有一定灵活性，外延是不明晰的。这种模糊性不仅不会给人们带来不方便，有时反而有助于人们很快抓住主要特征并作出正确的判断。目前，用模糊集合描述模糊现象，这是一个处理模糊现象的数学方法。
　　模糊数学的主要目标是探索和更加接近人类大脑实际功能的处理事物的模糊方法，也就是要研究出一种数学推理逻辑，能使机器象人一样，只有极少的模糊信息，便得出相当准确或足以近似的结论。模糊数学理论已应用于语言学、人工智能、信息检索、图像识别等方面。
　　9 系统识别理论(system identification theory)
　　系统识别理论是认识系统结构、系统与环境之间相互作用和在线测定系统状态的理论与方法。对于复杂系统，特别是社会系统，在设计，开发阶段要识别;对于自适应控制系统，还要求在线检测和识别。从数学角度来说，识别问题也是最优化问题。识别方法，除了按输入——输出关系测量系统的传递函数以外，还要通过测量来确定其周围环境的特性，识别理论的研究内容包括：①识别系统结构，有解释性结构模型法、开发决策实验室法和系统开发的计划程序等方法;②过程识别，对于自动控制系统、应掌握输入和输出信号的变化、控制对象状态变化以及过程动态特性的变化。有脉冲响应法、相关法和频率响应法等;③在线识别的研究。
　　10 大系统理论(Theory of large scale system)
　　用以提高那些规模很大、结构很复杂、影响因素很多、经济意义重大的系统经营、管理、操作运行和经济效果的理论，称为大系统理论。
　　大系统理论是在控制论、信息论、运筹学、经济学的基础上形成的综合性理论。所有研究的问题，主要是大系统的最优化，就是按照整个系统的最优化指标和整个系统与各子系统之间的关系以及各子系统之间的关系，最优地分配各子系统的指标，并以此控制各子系统，使整个系统最优。另外，还有大系统建模、仿真、分析，大系统的信息传递、处理以及系统状态的估计的研究等。
　　当前采用的方法，一般是把整个系统根据可能分析的条件分解为若干阶层的子系统，建立子系统与整个系统以及各子系统之间的关系，再根据这些关系对整个系统进行分析和综合，研究整个运动系统的规律。

　　11 自动控制理论(Autocontrol theory)
　　自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使生产过程或被控制对象的某一物理量准确地按照预期的规律运行。所有自动控制系统，尽管它们的结构和功能各不相同，但它们有共同规律，即它们都是一个或一些被控制的物理量按照另一物理量，即控制量的变化而变化，或保持恒定。一般地说，如何使被控制量按照给定量的变化规律变化，就是自动控制理论所要解决的问题。
　　在自动控制理论中包括经典控制理论和现代控制理论两部分。前者主要考虑的仅仅是输入、输出和误差信号，对于控制系统的设计和分析完全是建立在输入—输出关系，即传递函数的基础上，它对于单输入和单输出系统十分有效，后者是建立在状态概念之上的，适用于更复杂的多输入—多输出控制和时变系统。
　　12 信息论(Information theory)
　　信息论是控制论的基础，是一门应用数理统计方法来研究信息处理和信息传递系统中一般规律的科学。它研究存在于通讯和控制系统中信息处理、信息传递的共同规律，以及如何提高各传输系统的有效性和可靠性的一门通讯理论。这一理论又称狭义信息论。现在又发展成一种广义信息论，它是利用狭义信息论来研究一切问题的理论。
　　信息理论包括以编码为中心的信息理论、以信号为主要对象有信息理论和以计算机为中心的基本信息理论。
　　13 运筹学(Operations research)
　　运筹学是一门运筹帷幄的科学，是用科学的数量化方法来研究系统的最优化管理的数学理论。
　　运筹学的特点是合理的筹划和最佳的运用。它从全局的最优目标出发分析、处理和解决问题;或在给定的物质条件下，对系统作出合理的筹划和有效的运用，最大限度的挖掘潜力，以达到用最少费用取得最大效果的目的。
　　运用运筹学的具体程序是：收集资料、归纳问题;建立系统模型;求解模型;检验、评价模型的解;应用模型的解，作出正确的决策。
　　运筹学的主要分支包括博奕论、决策论、排队论、规划论、线性规划等。

　　14 线性规划(Linear programming)
　　线性规划是研究在线性约束条件下，使一个线性目标最优化的数学理论和方法。线性规划模型的特点是约束条件可表示为线性等式及不等式，目标函数表示为线性函数，只求一组单一的变量值。线性规划求解模型的方法，有图上作业法，表上作业法，单纯形法等。在许多系统管理的项目中，应用线性规划的数学理论和方法，能够合理地处理由人员、设备、物资、资金、时间等要素所构成的系统的统筹规划问题。因此它广泛应用于经营计划，交通运输、工程建设、能源分配、生产安排等方面。
　　15 非线性规划(Non-Linear programming)
　　在管理工作中，常常碰到如何恰当地安排由人、设备、材料、资金、时间等因素构成的系统，以便最佳地实现预定工作任务的问题。用数学语言表达出来，就是在一定约束条件下寻求目标函数的极值问题。非线性规划是研究目标函数或约束条件的变量关系不全是线性的各种数学规划问题的理论和方法。
　　非线性规划的解法有裴波那契法、黄金分割法、切线法、抛物线逼近法、最速下降法、共轨梯度法、变尺度法、步长加速法、单纯形法等。
　　非线性规划比线性规划应用的范围窄，难度大。在工程设计、经济学等领域内的许多定量问题均可应用。
　　16 动态规划(Dynamic programming)
　　将系统进行过程分为相继的阶段，而在每个阶段都要作出决策过程，这就叫做多阶段决策过程。多阶段决策过程的每一段的结束状态就是下一段的初始状态。因此，如果只从某一段来看，决定的策略最优，对于下一段未必是最有利的。所以多段决策过程的策略选定要统盘考虑整体规划，选定一个策略使问题的目标函数数值达到最优，这就是多阶段决策过程的最优问题。这里，阶段往往可以用时间阶段表示，在各个时间阶段，采取的不同决策是随时间而变动的，这就有了动态的含义。动态规划是运筹学的一个分支，是解决多阶段决策过程最优化的一种方法。
　　动态规划根据多阶段决策问题的“最优化大原理”，把多阶段决策问题的求解过程看成是一个连续的递推过程，由后向前逐步推算。

　　17 对策论(Game theory)
　　这是研究竞争局势的对抗模型和探索最优对抗策略的一种数学方法。对策论的研究对象主要是研究有利害关系冲突的双方在竞争性活动中的各种对策现象。运用对策论的方法，是在各方具有一定行为规则可循的情况下，根据对方所采用的策略和手段来决定对付方法，以便使自己在对抗竞争中处于有利地位。在所有竞争对策现象中，都有着对策双方、策略和得失结局三个基本要素。
　　按照对策的局中对抗数，可分为两人对策和多方对策;按照对策目的，可分为合作性对策和非合作性对策;按照对策的得失总和，可分为零和对策及非零和对策。若是两方参与对抗，一方之所得即为对方之所失，则称为二人零和对策。对经济活动的竞争，一般是采用多方对策方法。
　　18 排队论(Queueing theory)
　　这是一种用来研究公用服务系统工作过程的一门学科，又称随机服务系统理论。它通过对各个随机服务现象的统计研究，找出反映这些随机现象平均特性的规律，从而改进服务系统的工作能力。
　　排队论研究的具体内容有：①性态问题，即研究各种排队系统的概率规律性;主要是研究队长分布，等待时间分布和忙期分布;②最优化问题，又分静态优化和动态优化。前者指最优设计，后者指现有排队系统的最优运营;③排队系统的统计推断，确定一个经定排队系统模型，以便根据排队理论进行分析研究。
　　排队论应用于社会系统的交通控制、企业的事务处理、电话交换、机械故障的修复、商品的库存管理方面。
　　19 排序问题(Sequencing problem)
　　在车间安排工件生产进度时，常常遇到在有限的几台机床上，要安排多种工件的加工，这里有一处工件在机床上加工先后次序问题。处理一系列工作时，决定最有效的工作顺序问题就是排序问题。
　　一个最优排序，就是给工件安排的加工先后次序能最好的满足预定的指标。指标可以是生产周期是短，机床利用率最高。
　　20 网络理论(Network theory)
　　网络理论又称网络分析技术。用点和线表示研究对象之间的特定关系，并标上相应数量指标的图称为网络图。而研究网络图中点、线关系的一般规律的理论，称为网络理论或网络分析。即是把庞大复杂的工程项目的各个环节合理地衔接起来，使之相互协调，以实现工程项目在时间和费用上复杂的工程项目的一种理论和方法。
　　网络理论的研究内容着眼于整个系统，通过网络图的绘制和网络时间计算，可以预计影响进度和资源利用的各种因素，做到统筹规划、合理使用资源，从而保证顺利地完成工程项目的预定目标。网络政府的应用方法有，计划评审技术法、关键线路法和随机网络模型技术法等。网络理论主要应用于大型的、复杂的工程系统，在大多数情况下，应用网络技术必须同时应用计算机。

　　21 调度理论(Scheduling theory)
　　为了适应多品种小批量生产的要求，生产管理系统必须提高劳动生产率，设备利用率、降低产品成本和缩短生产周期，在整个生产工序中提高作业效率的理论和方法叫做调度理论。
　　调度理论是在不延长生产周期的前提下进行负荷平衡，常用的有静态负荷平衡法和动态负荷平衡法。静态负荷平衡，可以为单工序平衡和多工序平衡。前者是编制传输线路的作业计划，即在线平衡;后者需要在工序之间设立较大的中间仓库，以便多存放在制品，平衡各工序的生产能力，各工序采用的调度计划，必须在满足交货条件的前提下使其变更次数最少。动态负荷平衡，特别是在轮番生产的形态中，由于生产品种增加，交替生产的频率增大要引起生产率下降。为此，必须采用把工作量不同的许多品种混合起来统一考虑的方法。
　　22 库存理论(Inventory theory)
　　又称存储论。人们在生产活动中，经常把生产出来的产品的某一部分暂存储起来，以备将来需要时使用。由于种种原因，生产与需要不可能作到同步、同量。因此，常常发生供过于求而造成积压，或供不应求而形成短缺现象。这两种情况都会引起损失。库存论是研究物质最优储存量的理论和方法，属于运筹学范畴。用来研究在什么时间、以多少数量、从哪个地方来补充储备，使储存总费用压缩到最低限度。
　　库存方法广泛应用于仓库分布、生产存贮、均衡生产、未来设备能力的合理确定以及水库与灌溉系统等。
　　23 系统的最优化分析(Analysis of systems optinal solution)
　　最优化分析就是根据模型来求解，以得到系统目的最优解答。“最优”的含义是根据一些标准来判断的。有关判断标准的数量、程度不同，会得到不同的最优解答。由于系统的复杂性，因而在最优化技术方面，具有相当的难度。最优化计算通常是求极值。在经营管理系统中经常要考虑到效率最大，或成本最低。极大值和极小值可借助于微分学中的导数运算求得;对于比较简单的经营，决策时可采用“积最大”与“和最小”的原则;对于多数的系统，用“满意性”和“情意性”选择系统最优更好，更方便些。系统目标的最优化，主要用于解决最优计划、最优设计、最优控制和最优管理等问题。

　　24 蒙特卡洛法(Monte carlo technique)
　　为了求解确定的数学问题，要创造与原来的问题没有直接关系的概率过程，而利用其产生统计现象的方法称做蒙特卡洛法。
　　这种方法是非概率性的，可按下列顺序进行。①根据已给的问题，分析、处理系统资料，并简化为适当的形式;②建立描述系统的模型。这里所谓的模型，原则上采取何种形态没有关系，但在实际上都以系统的流程图表示。然后，让模型动作;③对模型进行提取标本的实验，并利用实验结果，预测条件变化时系统的动作。应用此法，首先从系统的研究开始，针对更容易处理的目标进行公式化，而且要注意不失去问题的本质。
　　25 爬山法(Method of climb hill)
　　又称逐步提高法，是以数学原理为指导，用尽可能少的试验次数迅速求得最优解的方法。是一种优选法。这个方法好象盲人爬山，相要爬到山顶，从立足点开始，用手杖前、后、左、右试一下。哪个方向高，就向哪个方向爬，最后四周都比所在之处低，就说明爬到了山顶。
　　例如，对某试验有2~3个因素确实重要，应用爬山法优选其中一个因素，爬到“好”点后，将其固定，再优选其它因素，然后轮换固定，轮换优选，这样就可得到最佳试验方案。
　　爬山法和模拟法经常同时用。爬山法求得解通常是局部极值，用时千万注意。
　　26 决策论(Decision theory)
　　决策是人们生活和工作中普遍存在的一种活动，是人们确定未来行动的目标，并从两个以上实现目标的行动方案中选择一个合理方案的分析、判断过程。决策论就是研究下述几方面的理论和方法：如何收集决策资料;根据这些信息如何作决定：如何选用决策准则;决策后的方案对系统将产生怎样的影响。
　　企业管理人员，为了得到最优决策，必须熟悉所有的情况，掌握所有资料，考虑全部可能的方案并了解其全部后果。而人们往往受到能力、时间、成本、资料等限制，因此最优决策有时是不可能的。通常用“令人满意的”原则代“最优”原则，也就是说，决策者先要确立个最低标准，超过这个标准就是“令人满意的”。

　　27 算法论(Algorithm theory)
　　现代数学中，任何一个一般性的计算方法、计算程序或计算指令均可称之为算法。一切可设想的数学问题均可分为两类，一类是不存在算法的;另一类是存在算法的。在后一类问题中，有些算法又比另一些算法更为有效。因此，所有存在有算法的问题，又可分为两类，一类是它的计算时间随着规模的增大呈指数函数曲线增长，计算机工作者把这类算法称为无实用价值的算法;另一类是它的计算时间只随问题规模的增大呈多项式函数曲线增长，计算机工作者把这种算法称为有效算法。处于这两类算法之间的是一类非常有趣的问题，迄今只找到无实用价值的算法，还没有找到有效的算法，但又未能证明不存在这种有效算法。研究数学问题的算法及其有效的理论，称为算法论。
　　28 搜索论(Search theory)
　　“搜索”是人们熟悉的行动，人们日常生活中找东西，就是搜索行动。所有搜索行动都有一定的目的，在实现其目的过程中也都要涉及到目标特性、探测手段的特性及搜索力的分配等基本要素，搜索论就是如何用科学方法来定量地描述搜索目的、搜索各要素及它们之间的关系，以及如何有效地组织搜索作业。“搜索”这一术语在不同的学科中各有其独特的表现，诸如寻找、勘探、扫掠，这些词的意思都包含一些共性的东西。搜索论正是从这些共性的东西着手研究的。
　　29 优选法(Optimum seeking method)
　　在生产实践和科学实验中，为了取得满意的效果，需要对有关因素的最佳点进行选择。最佳点的选择有直接用数学推导的方法和试验方法。试验的方法很多，对某一具体问题来说，究竟用什么方法才能迅速地找到最佳点呢?这就是优选法所要解决的问题。优选法是一种根据生产、科研中的不同问题，利用数学原理、合理地安排试验点，以求迅速地找到最佳点的科学试验方法。应用优选法可以在不增加人员，不增加设备，不增加厂房面积的条件下，有效地挖掘现有的生产潜力，达到优质、高产和低消耗的目的。
　　30 仿真理论(Simrlation theory)
　　系统仿真就是建立系统模型，并在模型上进行实验。它是在已经建立的系统模型雏形的基础上，对系统模型进行测试和计算，并根据测试和计算结果，反过来对系统模型进行研讨、改进。如此反复进行，直至得到满意的模型为止。
　　按照模型不同，仿真可以分为物理仿真和数学仿真。在系统工程学中，一般都采用数学仿真，其中又以数学模型仿真为主。
　　仿真的目的是：在系统研制之前，用于规划、评价和研究;在系统研制过程中，用于设计和精密分析;在系统研制成功之后，用于考核设计和训练操作人员。
　　仿真的顺序是：明确以什么样的精度来仿真，仿真的对象和仿真什么样的行动，搜集和整理应探讨问题的有关数据，以备构模;构造模型;利用仿真器实验;实验结果的评价和分析。

　　31 系统模型(Systems model)
　　系统模型高于实际的某一系统而具有同类系统的共性，是对于系统的描述、模仿或抽象，它反映着系统的物理本质和主要特征。在系统工程学中，模型是系统的代名词，某一个模型，就代表着某一类系统，反之，某一系统，就意味着使用它的某一模型。模型的含义至少同系统一样广泛，且模型使用起来更为方便与灵活。构造的系统模型应满足真实性、简明性、完整性和规范化四项要求。建立系统模型是一种创造性劳动，不仅是一种技术，甚至是一种艺术，必须一切从实际出发，具体问题具体分析。
　　32 系统评价(System Qoluation)
　　系统评价指全面权衡最优化后所得的各种方案。即在一定的环境条件及约束条件下，综合考虑系统方案实现目标能达到的程度，以及所冒风险的大小等。把评价的过程和结果整理成材料，供决策人选择方案时使用。
　　在系统评价中，常用价值观念来评价系统或比较各个方案的优劣。这里，把价值理解为“效用”。系统的价值是由系统的性能、建立系统所需的费用、时间以及系统的可靠性能、维修方便性、寿命和能量消耗等多方面所决定。增加系统性能和可靠性，可以使系统价值提高，但同时会增加费用和延长建立系统所需时间，从而降低价值。因此，系统平价时要分析和权衡系统各方面得失，以求最优系统。
　　33 灵敏度分析(Sesitivity anaiysis)
　　风险性决策中，所预测的自然状态概率以及计算得来的益损值都不会十分精确，因此往往有必要对这些数据的变动是否影响最优方案的选择进行分析。这种分析叫做灵敏度分析。在实际工作中，我们把状态概率、益损值等，在可能发生误差的范围内作几次不同的变动，并反复地进行计算，看一看所得的期望值是否相差很大，是否影响赋予最优方案的选择。如果这些数据稍加变动，而最优方案保持不变，这个方案是比较稳定的;反之，如果这些数据稍加变动，最优方案就有变化，这个方案就是不稳定的，值得进一步深入分析。总之，通过灵敏度分析，决策者才能有信心地实现决策目标。常用的方法有逐项替换法、最有利一最不利法、图示法。