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2 课程设置目的 环境系统工程是一门“参谋课”，“顾问课”、“工具课”与“方法课”，为从事环境科学与环境工程的工作者提供基础研究方法：
通过提高环境管理和决策水平来提高环境管理效率； 充分运用各种资源，实现资源优化组合； 有利于制定正确的环境政策和策略； 潜移默化中提高处理环境问题的能力

3 课程设置目的 开设《环境系统工程》课的目的在于使同学们掌握环境系统工程的基本理论知识，具备正确地运用系统工程思想和方法，分析、认识与解决环境问题的能力，提高环境管理与决策效率。

4 主要参考书目 赵全升等编著《环境系统分析原理》，地质出版社，2005 程声通等编著《环境系统分析教程》，化学工业出版社，2006
韦鹤平编著《环境系统工程》，同济大学出版社，2008 赵全升等编著《环境系统分析原理》，地质出版社，2005 程声通等编著《环境系统分析教程》，化学工业出版社，2006 程声通等编著《环境系统分析》，高等教育出版社，1990 夏绍玮等编著《系统工程概论》，清华大学出版社，1995 左玉辉编著《环境系统工程导论》，南京大学出版社，1985 Douglas A. Haith, Environmental Systems Optimization, John Wiley & Sons,1982. (或中译本：袁铭道、季民译，环境系统最优化，中国环境科学出版社，1987) 我们以最新的一个版本为基本参照，融合其它教材的优点。主要有2005年赵全升编的《环境系统分析原理》，及清华大学编的《环境系统分析》、《系统工程概论》、南京大学编的《环境系统工程导论》、同济大学编的《环境系统工程》，还有D.A.海思的《环境系统最优化》等。 4

5 第一章 环境系统工程导论 那么，什么是系统呢？ 5

6 第一节 系统概念与特征 什 么 是 “系统” ？ 那么，什么是系统呢？ 6

7 人体系统 水利系统 系统的概念最初产生于实际的工程问题和具体事物，例如人们很早就研究了灌溉系统、电力系统、人体呼吸系统、消化系统等。随着社会的发展与科学技术的进步，人们发现这些千差万别的系统之间，存在着共性。研究它们之间的共性，对于研制、运行和管理具体的系统具有重要意义。于是，有关系统、系统分析的研究就应运而生了。 电 力 系 统 7

8 第一章 环境系统工程导论 “系统”这个概念一直没有得到应有的重视。在20世纪40年代，特别是在第二次世界大战期间，美国为获得战时工业最大化的需要，才发展应用这一概念。直至20世纪50年代以后由于基础科学（如运筹学等）迅速发展，“系统”的概念才逐步明确化，并应用到各种工程技术及管理问题上。 20世纪70年代后几乎被推广到每个领域。 2017/9/11

9 JIS标准：JIS(Japanese Industrial Standards)是日本工业标准的代号。JIS的制定对象是矿业品及工业制品。
在《韦氏（Webster）大词典》中，“系统”一词被解释为“有组织的或被组织化的整体；结合着的整体所形成的各种概念和原理的综合；由有规则的相互作用、相互依存的形式组成的诸要素结合等”。 在日本的JIS标准中，“系统”被定义为“许多组成要素保持有机的秩序，向同一目的行动的东西”。 JIS标准：JIS(Japanese Industrial Standards)是日本工业标准的代号。JIS的制定对象是矿业品及工业制品。 美国著名学者L.V.贝塔朗菲把“系统”定义为“相互作用的诸要素的综合体”。 美国学者阿柯夫(Ackoff,R.L.)教授认为：“系统是由两个或两个以上的相互联系的任何种类的要素所构成的集合。”因此，系统不是一个可分解的要素，而是一个可以分成许多部分的整体。 我国著名科学家钱学森院士将系统定义为“由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成具有特定功能的有机整体”。

10 系统思想源远流长，但作为一门科学的系统论，人们公认是加拿大籍奥地利理论生物学家L.V.贝塔朗菲（L.Von.Bertalanffy）创立的。
确立这门科学学术地位的是1968年贝塔朗菲发表的专著：《一般系统理论——基础、发展和应用》(《General System Theory;Foundations,Development,Applications》）,该书被公认为是这门学科的代表作。 在《韦氏（Webster）大词典》中，“系统”一词被解释为“有组织的或被组织化的整体；结合着的整体所形成的各种概念和原理的综合；由有规则的相互作用、相互依存的形式组成的诸要素结合等”。 在日本的JIS标准中，“系统”被定义为“许多组成要素保持有机的秩序，向同一目的行动的东西”。 美国著名学者L.V.贝塔朗菲把“系统”定义为“相互作用的诸要素的综合体”。 美国学者阿柯夫(Ackoff,R.L.)教授认为：“系统是由两个或两个以上的相互联系的任何种类的要素所构成的集合。”因此，系统不是一个可分解的要素，而是一个可以分成许多部分的整体。 我国著名科学家钱学森院士将系统定义为“由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成具有特定功能的有机整体”。

11 在日本的JIS标准中，“系统”被定义为“许多组成要素保持有机的秩序，向同一目的行动的东西”。
在《韦氏（Webster）大词典》中，“系统”一词被解释为“有组织的或被组织化的整体；结合着的整体所形成的各种概念和原理的综合；由有规则的相互作用、相互依存的形式组成的诸要素结合体”。 在日本的JIS标准中，“系统”被定义为“许多组成要素保持有机的秩序，向同一目的行动的东西”。 美国著名学者L.V.贝塔朗菲把“系统”定义为“相互作用的诸要素的综合体”。 美国学者阿柯夫(Ackoff,R.L.)教授认为：“系统是由两个或两个以上的相互联系的任何种类的要素所构成的集合。”因此，系统不是一个可分解的要素，而是一个可以分成许多部分的整体。 我们来看看系统的定义，在韦氏大词典中，系统被解释为…，在日本的JIS标准中，系统被定义为….，而美国著名的学者贝塔朗菲，系统思想的创始人，认为系统是相互作用的诸要素的综合体。美国学者阿柯夫教授认为，系统是由两个或两个以上的相互联系的任何种类的要素所构成的集合。我国著名科学家钱学森院士将系统定义为，由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成具有特定功能的有机整体。 我国著名科学家钱学森院士将系统定义为“由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成具有特定功能的有机整体”。 11

12 因此，“系统”就是由一组相互依存、相互作用和相互转化的客观事物所构成的具有特定功能的有机整体，如环境系统、排水系统、工业系统、农业系统等。
系统的概念 因此，“系统”就是由一组相互依存、相互作用和相互转化的客观事物所构成的具有特定功能的有机整体，如环境系统、排水系统、工业系统、农业系统等。 而这些系统本身又是从属于一个更大的系统，作为它的组成成分及组成部分的事物，相对来说，则称其为系统的子系统，依此类推，子系统也还可以再分，因而客观存在的系统都是多级递阶系统。 2017/9/11

13 ①系统都是由两个以上的要素组成的整体，构成整体的各个要素可以是单个事物，也可以是一群事物组成的子系统；
对上述系统的含义说明如下： ①系统都是由两个以上的要素组成的整体，构成整体的各个要素可以是单个事物，也可以是一群事物组成的子系统； ②各要素之间、要素与整体之间以及整体与环境之间，存在着一定有机联系，从而在系统内部和外部形成某种结构，任一系统又是它所从属的一个更大系统的组成部分； ③任何系统都有特定的功能，这使整体具有不同于各个组成要素的新功能，这种新功能是由系统内部的有机联系和结构所决定的。 2017/9/11

14 二、系统的特征 1.集合性 2.相关性 3.目的性 4.整体性 5.环境适应性 2017/9/11

15 1.集合性 系统是至少由两个或两个以上的可以相互区别的要素所构成的具有特定功能的集合体。
构成系统的各要素虽具有不同的性能，但它们都是根据逻辑统一性的要求构成的整体。系统不是各个要素的简单拼凑，而是具有统一性的一个整体。因此，即使每个要素并不很完善，但它们可以综合、统一成具有良好功能的系统；反之，即使每个要素是良好的，但作为整体却不具有某种良好的功能，也就不能称之为完善的系统。 系统和要素的区分是相对的。一个系统只有相对于构成它的要素而言才是系统，而相对于由它或其他事物构成的较大系统，它却是一个要素（或称子系统）。 2017/9/11

16 2.相关性：系统内的各要素既相互作用又相互联系，构成有机联系的整体才称之为系统。
3.目的性：系统的功能是为了特定的目的而设计，要达到规定的目的，系统都具有一定的功能。没有明确目的的系统，不是系统工程研究的对象。 4.整体性：系统以一个整体出现，是作为一个整体存在于环境之中，与环境发生相互作用，系统的任何构成之要素均不能离开整体去研究。 2017/9/11

17 5.环境适应性 环境是指存在于系统以外的事物（信息、物质、气象等）的总称，任何一个系统都存在于一定的物质环境中，它必然与环境不断地进行信息、物质、气象等的交换，必须适应外部环境的变化。 在研究系统的时候，环境往往起着重要的作用，必须予以重视。 2017/9/11

18 系统所处环境又是系统的限制条件或者称为约束条件，环境对系统的作用表现为对系统的输入，系统在特定的环境下对输入进行工作，产生输出。
把输入转变为输出，这就是系统的功能。所以系统又可理解为把输入转换为输出的转换机构，如下图所示。 2017/9/11

19 三、环境系统 所谓环境系统，系指地球表面包括非生物的和生物的各种环境因素及其相互关系的总和。
非生物因素有温度、光、电离辐射、水、大气、土壤、岩石及其他如重力、压力、声音和火等； 生物因素是指各种有机体及他们彼此相互作用，并同非生物环境密切联系着。它是一个不可分割的整体，但通常总是将地球环境系统分为大气圈、水圈、岩石圈和生物圈。 而各种物质的相互渗透、相互依赖和相互作用，在这些圈层的交界面上表现尤为显著。 2017/9/11

20 第二节 系统的形态 系统广泛存在于自然界中，且以不同的形态存在。系统可以有各种不同的形态，系统的形态与它们所要解决的问题密切相关。
为便于研究，自然界中系统可分为以下几种。 1.按组成部分的属性划分按组成部分的属性划分，系统可分为自然系统、人造系统和复合系统。 2017/9/11

21 第二节 系统的形态 系统广泛存在于自然界中，且以不同的形态存在。 系统可以有各种不同的形态，系统的形态与它们所要解决的问题密切相关。
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22 系统的分类 为便于研究，自然界中系统可分为以下几种。 1.按组成部分的属性划分按组成部分的属性划分，系统可分为自然系统、人造系统和复合系统。
（1）自然系统 由各种自然物质构成，如由水、矿物、植物、动物等自然物质构成的海洋系统、生态系统、矿藏系统等，其特点是自然形成的。 （2）人造系统 人类为了达到某一需求目的，由人所建立起来的系统，如环境系统、排水系统、给水系统等。 （3）复合系统 人们借助于认识和利用自然规律为人类服务而建造的系统，如气象预报系统等。 2017/9/11

23 按现实系统的实际内容进行分类 2017/9/11

24 2.按形态划分，系统可分为实体系统和概念系统。
(1)实体系统组成元素是物质实体，例如生物、管道和构件、机械等所组成的系统。 (2)概念系统由概念、原理、原则、法则、制度等非物质所组成的系统，如法律系统、教育系统。 实体系统和概念系统往往是不可分的，概念系统为实体系统提供指导服务，而实体系统是概念系统服务的对象。 2017/9/11

25 3.按所处的状态划分，系统可分为静态系统和动态系统。
(1)静态系统系统的状态不随时间而变化的系统，即处于稳态的系统。 (2)动态系统系统的状态随着时间变化而变化的系统，即系统的状态变量是时间的函数。 在实际工作中，以研究动态系统为主。

26 4.按与环境的关系划分，系统可分为闭环境系统与开环境系统
(1)闭环境系统指系统内部与外界环境没有交换的系统。 (2)开环境系统系统与外界发生能量、物质、信息等交流时的系统。 实际生产和生活中，一个系统不可能与外界环境绝对封闭，所以闭环境系统是基于研究问题需要而忽略外界环境影响的一种近似，它是有条件的。

27 5.按系统内变量之间的关系划分，可分为线性系统和非线性系统。
(1)线性系统系统内变星之间互动关系呈线性。 (2)非线性系统系统内变量之间互动关系呈非线性。

28 按系统的数学模型进行分类 2017/9/11

29 6.按系统的规模划分，系统可分为：小型系统、中型系统、大型系统、超大型系统等。
系统形态可能千变万化，但基本土可以看作是由上述各种系统形态相互组合而成的，它们之间往往是相互交又和相互渗透的。

30 例如，某城市水资源系统，可以由自来水供应、消耗、污水产生以及收集、污水处理、循环再利用、排水等构成，如下图1-2所示：

31 第三节 系统工程的基本概念

32 一、 系统工程的产生与发展 系统科学的产生背景
20世纪初中叶，现代科学的发展比过去更要求在多种学科门类之间进行相互渗透，这是在更深刻地分析的基础上向更高一级综合发展的新阶段，因而出现了许多交叉学科与边缘学科。 系统科学也就是在这种背景下，在研究控制论、信息论、运筹学（operational research ）和一般系统论的过程中产生的一门交叉性学科。现在它已发展成与自然科学、社会科学并列的基础科学，是一门独立于其他各门科学的学科。 系统工程学产生于20世纪40年代，初期是在现代科学技术和军事需要的推动下，作为一门以系统为研究对象，以运筹学、信息论、控制论、管理科学等科学理论为基础，高度综合地运用电子计算机等各种现代技术，担负总体协调使命的管理与设计学科而产生的。

33 一、 系统工程的产生与发展 孕育阶段 40年代，美国的贝尔电话公司在发展通讯网络时，为缩短科学技术从发明到投入使用的时间，认识到不能只注意电话机和交换台站等设备，更需要研究整个系统，于是采用了一套新方法，首次提出“系统工程”一词。 第二次世界大战期间，由于战争的需要，也由于垄断性大企业对经营管理技术的需求，产生和发展了运筹学。运筹学的广泛应用，以及在这前后出现的信息论、控制论等为系统工程的发展奠定了理论基础，是系统工程产生和发展的重要因素。而电子计算机的出现和应用，则为系统提供了强有力的运算工具和信息处理手段，成为实施系统工程的重要方法基础。 美国在研制原子弹的“曼哈顿”计划的实践中，运用系统工程方法取得了显著成效，对推动系统工程的发展取得了一定的作用。

34 一、系统工程的产生与发展 产生阶段 系统工程真正形成为一门独立的学科，通常以1957年美国学者H.Goode & R.Machol 合著的《系统工程》（Systems Engineering）一书的出版作为标志。 1958年美国海军特种计划局在研制“北极星”导弹的实践中，提出并采用了“计划评审技术(PERT)”，使研制工作提前两年完成，从而把系统工程引入管理领域。 到60年代，系统工程的发展开始推广应用于技术领域，更多考虑社会因素（如交通、城市规划、水源系统、保健系统以至全球性的人口控制、生态平衡等等）的大系统。

35 一、系统工程的产生与发展 产生阶段 1965年，麦科尔又编写了《系统工程手册》一书，比较完整地阐述了系统工程理论、系统方法、系统技术、系统数学、系统环境等内容。至此，系统工程初步形成了一个较为完整的理论体系。 1969年，“阿波罗”登月计划的实现是系统工程的光辉成就，它标志着人类在组织管理技术上迎来了一个新时代。“阿波罗”飞船和“土星五号”运载火箭，有860多万个零部件，有众多的子系统。各子系统之间纵横交错，相互联系，相互制约。由于使用了系统工程的理论和方法，结果提前两年将3名宇航员送到月球。

36 一、系统工程的产生与发展 发展阶段： 进入70年代以来，系统工程发展到解决大系统的最优化阶段。
从社会科学到自然科学，从经济基础到上层建筑，从城市规划到生态建设与环境保护，从生物科学到军事科学，无不涉及到系统工程，无不需要系统工程。 系统工程作为一门新兴的综合性边缘科学，无论在理论上、方法上、体系上都处于发展之中，它必将随着生产技术、基础理论、计算工具的发展而不断发展。

37 一、系统工程的产生与发展 创始人 分支学科名称 出现时间（年） 冯·诺依曼 对策论 1944 冯·贝塔朗菲 一般系统论 1945
C.E.香农 信息论 1948 N.维纳 控制论 1949 开放系统理论 1954 钱学森 工程控制论 1957 A.H.哥德 系统工程 R.别依曼 动态规划论 1961 M.D.曼萨诺维克 一般系统的数学理论 1962

38 一、系统工程的产生与发展 创始人 分支学科名称 出现时间（年） W.R.阿会布 自组织系统原理 1962 R.罗森 自复制自动机 1965
L.扎德 模糊集与系统 1969 I.普里高津 耗散结构理论 1970 艾根 超循环理论 J.G.米勒 生命系统理论 1972 汤姆 突变理论 P.齐格勒 建模与仿真理论 H.哈肯 协同学 1977

39 二、系统工程与与其他相近学科的关系 系统科学 ？ 系统分析 系统工程 运筹学 ？ ？

40 奥地利理论生物学家贝塔朗菲将系统论分为：
系统科学 系统工程 系统科学 : 一门从总体上研究复杂系统共同运动规 律的科学 系统工程 : 一门系统科学、工程技术学、经济学和 管理学等相结合的 组织管理技术，是 一种改造客观世界的工程技术，同时也 一种运筹与决策的艺术。 奥地利理论生物学家贝塔朗菲将系统论分为： 一般系统论 -- 关于“系统”的科学，对各种不同的具体科 学（物理学、生物学、经济学等）的系统进行科学 的理论研究，要求用精确的数学语言描述各种系统 系统技术 － 涉及系统工程的内容，着重研究系统思想 与系统方法在 现代科学技术和社会的各种系统中的 实际应用 系统哲学 － 包括系统本体论、系统认识论、以及人与 世界关系的价值观、人本主义等等

41 系统分析 系统工程 系统工程＝系统分析 系统工程包括在系统方法之中，与系统分析并列 系统工程包括系统分析、系统设计和决策分析

42 运筹学 系统工程 运筹学和系统工程可以看作是属于一个领域中的两个姐妹学科，都是系统思想方法定量化的实际应用研究。
运筹学 系统工程 运筹学和系统工程可以看作是属于一个领域中的两个姐妹学科，都是系统思想方法定量化的实际应用研究。 运筹学的目的：增加现有系统效率的分析工作，通常涉及现已存在系统的运营情况，如工厂、市场等系统；以专业技术为导向，分析程序由下而上（战术） 系统工程：对若干可供选择的执行特定任务的系统方案进行选择比较；以问题状况为导向，分析程序由上而下（战略） 系统工程：设计新系统的科学方法。（钱学森）

43 ①系统工程是横断科学 ②系统工程的方法性 综合性、抽象性、数理性等 系统工程的特点
其研究对象存在于其它11大门类中。系统工程撇开其它11门类系统对象的特殊基质，把它们仅仅作为系统来对待，研究事物作为系统的共同特性、行为、规律、机制等。 ②系统工程的方法性 系统工程为其它11大门类学科提供了一套普遍适用的研究方法、技术、程序；在智慧层面上看，系统工程提供了一种思维方式，即能够超越传统分析思维的系统思维。 综合性、抽象性、数理性等 2017/9/11

44 系统工程=传统工程+系统观点+数学方法+计算机技术
系统工程主要是组织管理技术，它不排斥或抛弃“传统”工程，而是有效地应用“传统”工程技术基础，以系统的逻辑思维、数学方法与计算机技术，寻求新的系统规律性以获取最大效益。 系统工程=传统工程+系统观点+数学方法+计算机技术

45 第四节 系统工程原则、研究方法 一、系统工程原则 系统工程是一类研究系统总体性与全局性问题的工程技术，它在处理和解决问题时应考虑以下原则：
l.整体性原则 2.综合性原则 3.优化性原则 4.模型化原则 5.交互性原则 2017/9/11

46 二、 系统工程方法论 20世纪40年代以来，国外对定量化系统思想方法的实践应用相继取得了许多不同的名称：运筹学(Operations research)、管理科学(Management science)、系统工程(Systems engineering)、系统分析(Systems analysis)、系统研究(Systems research)、费用效果分析(Cost effectiveness analysis)等等。 2017/9/11

47 用定量化系统方法处理大型复杂系统问题，无论是系统的组织建立，还是系统的经营与管理，都可以统一地看成是工程实践。
工程这个词18世纪在欧洲出现的时候，指作战兵器的制造和执行服务于军事目的的工作。 从这种涵义引出一种更普遍的看法：把服务于特定目的的各项工作的总体称为工程，如水力工程、机械工程、土木工程、电力工程、电子工程、冶金工程、化学工程、信息工程等等。如果这个特定目的是系统的组织建立或者是系统的经营管理，就可以统统看成是系统工程。 2017/9/11

48 系统工程不是一类系统的组织管理技术，而是各类系统组织管理技术的总称。
因处理的体系性质不同，还可以再分为门类，如工程体系的系统工程叫工程系统工程，生产企业或企业体系的系统工程叫经济系统工程，行政体系的组织运转叫行政系统工程，科学技术研究的组织管理叫科研系统工程，军事工作的组织指挥叫军事系统工程，信息编码、传输、存储、检索、读出、显示系统的组织管理叫信息系统工程。 系统工程不是一类系统的组织管理技术，而是各类系统组织管理技术的总称。 2017/9/11

49 将系统思想用来研究社会，这是马克思的《资本论》所开拓的方向。
1858年重农学派魁奈的《经济表》,1893年马克思对再生产两个部类经济活动相互依赖性的分析，播下了新思想的种子：用数学模型分析社会的经济活动。后来的经济学家大大发展了他们的工作，并且与电子计算机相结合，使以数学模型和计算机实验为基础的社会经济研究方法获得成功。 2017/9/11

50 1979年，钱学森、乌家培提出把系统工程应用于社会、经济系统，发展社会系统工程，简称社会工程。
社会工程的对象不是一个工厂、一个企业、一个公司这样的小系统，也不是国家或大区的铁路自动调度系统、电力调节系统和通信系统这样的大系统，而是整个社会、整个国家范围宏观经济运行这样的巨系统，是最高级的系统。 因此，社会系统工程是最艰深的一门系统工程。 2017/9/11

51 任何一门系统工程的实践都需要总体设计组织，社会系统工程也需要总体设计组织。1980年3月，钱学森在一次学术报告中提出了建立国民经济总体设计机构以实现社会工程的主张。这是一个自然科学家、社会科学家、工程技术专家相结合的科学技术组织。它根据国家的目标，利用科学技术的最新成就，设计出包括工业、农业、交通运输、通讯、能源、教育、科学技术、文化、人口、国防以及人民生活的最佳建设方案，供国家权力机构抉择参考。 准确的经济、社会和科学技术发展的统计数据，大运算能力的计算机，是实践社会工程的物质基础；运筹学、控制论、社会学、政治经济学、部门经济学、技术经济学、科学学、未来学等，是实践社会工程的理论基础。 2017/9/11

52 正确建立宏观经济的数学模型，把数学模型和拟议的建设方案或改进措施结合起来，在电子计算机上进行社会主义建设的模拟实验；从模拟实验中，选出两个以上实现经济、社会协调发展的方案，提供国家权力机构审查决策；在建设规划和计划实施过程中，根据执行情况和政治、经济、科技的新发展，及时进行新的计算分析，提出调整规划、计划的报告。这就是社会系统工程大致的实践过程。 2017/9/11

53 然而，实践证明，尽管没有这样一个万应灵丹式的方法，总还可以找到一个能适应各种不同问题的方法思路（即思想方法）—方法结构。
系统工程的具体实施需要方法。自20世纪60年代以来，许多学者对系统工程方法进行了大量的探讨工作，但是企图找到能够处理世界上所有问题的标准方法的想法是不现实的，也是根本不可能的。 然而，实践证明，尽管没有这样一个万应灵丹式的方法，总还可以找到一个能适应各种不同问题的方法思路（即思想方法）—方法结构。 2017/9/11

54 三、 霍尔(HALL)提出的系统工程三维结构
1969年，美国学者霍尔提出系统工程三维结构。它概括地表示出系统工程的步骤、阶段以及涉及到的知识范围，是各种具体的系统工程方法的基础。 其三维就是时间、逻辑和知识。 2017/9/11

55 知识维 逻辑维 霍尔三维结构模型 时间维 社会科学 工程技术 规划 拟定方案 系统研究 生产 安装 运转 更新 明确问题 系统综合 系统分析
系统优化 设计系统指标 决策 实施 时间维 霍尔三维结构模型 2017/9/11

56 霍尔三维结构模型 I、时间维（工作阶段） 1、规划阶段 2、拟订方案。 3、研制阶段 4、生产阶段。 5、系统评价 6、调整改进
1、规划阶段 、拟订方案。 3、研制阶段 、生产阶段。 5、系统评价 、调整改进 7、更新对策 II、逻辑维（解决问题的逻辑过程） （1）问题阐述 （2）目标选择 （3）系统综合 （4）系统分析 （5）最优化 （6）决策 （7）实施计划 III、知识维（所需要的专业知识） 2017/9/11

57 资源环境知识维 知识维指的是完成上述各阶段、各步骤所需要的各种专业知识和技术素养，包括社会科学、自然科学、工程技术、运筹学、政治经济学、技术经济学等。对于资源环境系统工程，还应包括资源与环境学科基本原理、地理学、经济学、生态学、管理学等方面内容。 2017/9/11

58 霍 尔 管 理 矩 阵 逻辑维 （步骤） 时间维 （阶段） 1 明 确 问 题 2 设 计 目 标 3 系 统 综 合 4 分 析 5 优
化 6 作 出 决 策 7 付 诸 实 施 1.规划阶段 2.设计阶段 3.研制阶段 4.生产阶段 5.安装阶段 6.运行阶段 7.更新阶段 a11 a21 a31 a41 a51 a61 a71 a12 a22 a32 a42 a52 a62 a72 a13 a23 a33 a43 a53 a63 a73 a14 a24 a34 a44 a54 a64 a74 a15 a25 a35 a45 a55 a65 a75 a16 a26 a36 a46 a56 a66 a76 a17 a27 a37 a47 a57 a67 a77 2017/9/11

59 霍尔三维结构方法论不仅适用于工程系统，也同样适用于社会系统，不过最主要的还是适用于解决有良性结构的硬系统。
因此，将霍尔系统工程三维结构用于资源环境系统工程，要根据其思维模型参照执行，结合起来各阶段、各步骤的具体内容，类比三维结构还是可以的。 2017/9/11

60 逻辑维的七个步骤： 1、明确问题 （1）明确问题的性质。即指是什么样的系统问题（是问题决策或方案选优？是评价？还是规划等）；提出的主要指标（如、先进性等）；问题的复杂程度评估等。 （2）明确资源环境问题研究的目的和意义。为此要较全面地了解资源环境问题的情况及发展趋势，进而为目标实现提供依据。 （3）明确问题的边界，即建立系统与环境的概念，从而为确定资源与环境系统的输入与输出关系提供依据。 （4）明确完成该项活动可能提供的人、财、物等方面的条件。 2017/9/11

61 这学期您的主要目标是什么呢？ 任何时期，做任何事情，都有一个目标，针对目标有的放矢，才能达到我们预期的效果。那么，我们这学期的主要目标是什么呢？无论做什么，都不外乎两个考核评价形式：面试和笔试。我们的课堂将努力为大家提供这两方面的机会，拓宽知识面&锻炼当众演讲的能力。 61

62 2、设计系统目标 系统目标体系设计： 1 总目标 2 分目标 3 具体目标 目标体系层次结构 2017/9/11

63 目标体系设计应注意以下三条原则： 第一、突出主要目标原则； 第二、目标独立性原则； 第三、有利决策原则。 在给出量化指标时，必须满足： 第一、与上级大系统指标要求相一致原则； 第二、指标的先进性与可行性相统一原则； 第三、留出置信区间原则。 2017/9/11

64 资源环境系统目标设计实例 目标体系 O1-经济效益分目标 时序指标集 P1-生产总值（万元) P2-人均 收入(元) P3-资源节约
(万元) P4-循环利用 P5-绿化率(%) P6-污染物 (吨) O-系统发展总目标 O2-社会效益分目标 O3-生态效益分目标 100 300 3.5 103.5- 115.4 500- 600 7.7- 9.0 15-18 750- 1000 200 12.5 880 207.1- 225.0 876- 350 400- 1200 18-21 12.0- 15.0 2017/9/11

65 3、系统综合 综合就是组装，也是创造。 系统综合：是根据系统目标要求，综合加工信息，形成系统概念，并使目标达成的创造性劳动过程。 核心：是概念开发，而不是具体设计。
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66 系统综合可细分为： 技术综合 侧重于将现有科技成果加以有机地组装，形成不同的系统规划方案的过程； 环境综合 侧重于对资源环境价值的评定，如目标选择的先进性，技术上的可行性、社会环境的融合性等，以便把握机会，对付竞争。 环境综合比规划技术综合更重要，也最困难，必须深入调查研究，广泛占有信息，并经过反复论证才行。 技术综合与环境综合也不能截然分开，经常是二者同时考虑，互为补充。 2017/9/11

67 4、系统分析 系统分析是系统工程人员使用科学的工具和方法，对系统的目的、功能、环境、费用、效益等进行充分的调查研究，通过数据处理和模型化方法，得出评价城市规划功能、费用等量化指标，来作为决策者确定最优方案的依据。 主要内容： 系统环境分析，包括自然环境和社会环境，如资源潜力、市 场情况、投资能力、人口发展等； 方案可行性分析，重点分析方案的先进性、实用性和可操作 性； 经济活动分析，主要包括产业分析、效益分析等。 2017/9/11

68 5、系统优化 一般解释： 在满足一组约束条件情况下，使目标函数取得极大值或极小值的求解过程。 系统工程观点： 包括数学模型模型优化和多方案综合评定。
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69 系统优化过程框图 系统综合 现实系统模型化 系统分析 计算机求解 方案可行? 可行方案集 评价指标 多目标综合评定 方案设计 推荐方案输出
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70 6、决策 7、实施 推荐方案 决策 成功 实施 失败 提出修改意见 重新研究 选中一个？ 决策者水平高 决策者能力不强承担后果
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71 系统工程的杰作——都江堰水利工程 都江堰是全世界至今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。
２２００多年来，至今仍然连续使用，仍发挥巨大效益，不愧为文明世界的伟大杰作，造福人民的伟大水利工程。 岷江水流湍急，波涛汹涌，进入成都平原后，流速陡降，易淤易决。 这项工程建成后，化险为夷，变害为利，不但能够防洪和灌田，还能行船和漂运岷山木材。 自从修了都江堰，川西平原变得“水旱从人，不知饥馑。沃野千里，世号陆海”，被称为“天府之国”。 都江堰水利工程在四川省成都市西北，岷江上游，距成都市区59公里，是我国古代创建的一项伟大的水利工程。早已闻名中外。都江堰大约兴建于公元前256年—公元前251年。战国秦昭王时蜀郡守李冰父子带领当地人民完成了这一巨大工程的建设。 71

72 系统工程的杰作——都江堰水利工程 都江堰分水、泄洪、自动清淤、灌溉系统巧夺天工；都江堰水量调配精确犹胜电脑。（相比三门峡）
都江堰渠首的三大主体工程 鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道、宝瓶口进水口三大部分构成，科学地解 决了江水自动分流、自动排沙、控制进水流量等问题，消除了水患，使川西平原成为“水旱从人”的“天府之国”。目前灌溉面积从几百亩到１９９８年超过一千万亩（已达40余县）。 都江堰水利工程的三个子工程融为一个整体，巧妙配合实现了彻底排沙、最佳水量的自动调节的作用。 需要思考的问题： 为何历时两千多年而未淤塞？ 飞沙堰如何能将数吨巨石由内江抛移到外江？ 为何古堰体系能自动调配水量，完成四六分流？

73 系统科学的杰作——都江堰水利工程

74 鱼嘴分水工程 “鱼嘴”是都江堰的分水工程，因其形如鱼嘴而得名，它昂头于岷江江心，把岷江分成内外二江。西边叫外江，俗称“金马河”，是岷江正流，主要用于排洪；东边沿山脚的叫内江，是人工引水渠道，主要用于灌溉。 鱼嘴的设置极为巧妙，它利用地形、地势，巧妙地完成分流引水的任务，而且在洪、枯水季节不同水位条件下，起着自动调节水量的作用。

75 鱼嘴分水工程 鱼嘴所分的水量有一定的比例。春天，岷江水流量小；灌区正值春耕，需要灌溉，这时岷江主流直入内江，水量约占六成，外江约占四成，以保证灌溉用水；洪水季节，二者比例又自动颠倒过来，内江四成，外江六成，使灌区不受水潦灾害。 在流量小、用水紧张时，为了不让外江40％的流量白白浪费，采用杩搓（杩: 三脚木架）。都江堰的活动拦水坝，就是用杩杈和满装卵石的竹笼做成的）截流的办法，把外江水截入内江，整就使内江灌区春耕用水更加可靠。 1974年，在鱼嘴西岸的外江河口建成一座钢筋混凝土结构的电动制闸，代替过去临时杩搓工程，截流排洪，更加灵活可靠。

76 “飞沙堰”溢洪道 在鱼嘴以下的长堤，即分内、外二江的堤叫金刚堤。堤下段与内江左岸虎头岸相对的地方，有一低平的地段，这里春、秋、冬、三季是人们往返于离堆公园与索桥之间的行道的坦途，洪水季节这里浪花飞溅，是内江的泄洪道。它具有泄洪徘砂的显著功能，故又叫它“飞沙堰”。  飞沙堰是都江堰三大件之一，看上去十分平凡，其实它的功用非常之大，可以说是确保成都平原不受水灾的关键要害。

77 宝瓶口 宝瓶口，是前山伸向岷江的长脊上凿开的一个口子，它是人工凿成控制内江进水的咽喉，因它形似瓶口而功能奇持，故名宝瓶口。留在宝瓶口右边的山丘，因与其山体相离，故名离堆。 宝瓶口宽度和底高都有极严格的控制，古人在岩壁上刻了几十条分划，取名“水则”，那是我国最早的水位标尺。 内江水流进宝瓶口后，通过干渠经仰天窝节制闸，把江水一分为二。再经蒲柏、走江闸二分为四，顺应西北高、东南低的地势倾斜，一分再分，形成自流灌溉渠系，灌溉成都平原，及绵阳、射洪、简阳、资阳、仁寿、青神等市县近一万平方公里，一千余万亩农田。

78 宝瓶口 在离堆右侧，还有一段低平河道，河道底下有一条人工暗渠，那是为保障成都工业用水的暗渠。那段低平河道，当洪水超过警戒线时，它又自动将多余水量排入外江，使流入内江水位，始终保持安全水准，这就便成都平原，有灌溉之利，而无水涝之思。 鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口这个都江堰渠首的三大主体工程，其中蕴藏着极其巨大的科学价值，它内含的系统工程学、流体力学等，在今天仍然是处在当代科技的前沿，普遍受到推祟和运用。这是中华古代文明的象征，这是我们炎黄子孙的骄傲。

79 作业： 自由组合， 4-5人一组 或讨论： 流域/城市水循环系统 生态工业园区建设（如卡伦堡工业园或日本北九州生态工业园等） 循环经济
根据都江堰案例分析，讨论鄱阳湖枢纽工程的目标，并对之进行剖析； 或讨论： 流域/城市水循环系统 生态工业园区建设（如卡伦堡工业园或日本北九州生态工业园等） 循环经济

80 课外阅读资料： 2. 明朝永乐年间的大铜钟浇铸工程 3. 齐王赛马的故事 4. 美国贝尔电话公司发展通讯网络案例 5. 曼哈顿计划
体现全局观念和整体优化观念，蕴涵着朴素系统工程思想的典范案例： 1 . 四川都江堰水利工程 2. 明朝永乐年间的大铜钟浇铸工程 3. 齐王赛马的故事 4. 美国贝尔电话公司发展通讯网络案例 5. 曼哈顿计划 6. “两弹”的研制； 7. 美“阿波罗登月计划”

81 第五节 环境系统工程 系统工程可以分为许多专业。钱学森院士1979年提出了14个系统工程专业（见表1-2)，并指出：表中所列14门系统工程，其实还很不全，还会有其他的系统工程。

82 环境问题具有跨领域、多系统、多层次、多因素的特点，涉及社会领域、工程领域、经济领域、生态领域等。它是由互相作用、互相联系、互为因果的子系统所组成的系统。
所谓环境系统工程是研究环境系统规划、设计、管理方法和手段的技术科学。它以环境质量的变化规律、污染物对人体和生态的影响、环境工程技术原理和环境经济学等为依据，并综合运用系统论、控制论和信息论等理论，采用数学方法和电子计算机技术，对环境问题及其防治工程进行系统分析，谋求整体优化。

83 环境系统一般由系统的要素、边界、环境输人和环境输出等组成（见图1-4)

84 系统输入可能是能量、物质或信息。其输出也可能是这三个变量，但在形式上，输入的变量可以是控制的、半控制的或不可控制的；输出的变量可能为期望的、不期望的或中性的。

85 环境系统的分类 环境系统 分类方法 系统名称 污染物的发生 与迁移过程
污染物发生（污染源）系统、污染物输送系统、污染物处理处置系统、接受污染物的环境系统等 环境管理功能 自然生态保护系统、环境管理系统、环境监测系统、环境信息系统、污染控制系统等 环境保护对象 空气污染控制系统、水污染控制系统、都市生态（环境）系统、自然生态保护系统等

86 环境系统与环境系统工程的组成

87 环境系统工程的主要研究内容 环境系统工程的主要内容包括： 环境系统的模式化是研究描述环境系统的逻辑模式(定性的)和数学模式（定量的）。
环境系统模拟仿真（模式化）； 环境系统分析与评价 环境系统优化决策 环境系统的模式化是研究描述环境系统的逻辑模式(定性的)和数学模式（定量的）。 通过实际资料统计分析所建立的数学模式叫做经验模式； 通过理论分析和参数实验建立的数学模式叫做理论模式。 环境系统是复杂的，所以往往根据实际情况对理论模式进行简化，并导入经验公式或数据进行补充。 环境系统的主要性质和参数，可以通过实验模式或计算机模拟来确定。

88 环境系统工程的主要研究内容 环境系统分析与评价是研究利用环境系统分析与评价方法，在环境模拟仿真基础上，识别环境系统目前与将来存在的环境问题；进一步提出相应的对策。 环境系统的优化决策是研究利用数学模式进行最优化分析。 在一定约束条件下，当目标函数达到最优时，一系列可调因素变量所得出的最优解； 通过明确环境系统各种因素与目标之间的关系，提供出尽可能完整的资料，分析对比各种可选用的方案，以便选择最优的污染控制方案，最经济、最有效地改进环境污染控制系统的功能。

89 三、环境系统工程工作步骤 建立模型 系统控制 系统优化 明确元素与方案 指标选择 目标分析 根据选定的最优方案， 建立环境污染控制系统
系统地提出问题， 明确目标和范围内 选择评价系统功能的指标或目标函数 明确系统的组成元素，提出各种可行性方案 建立环境系统数学模型 系统优化 系统控制 分析模型，确定选优方法，以便使系统最优化 根据选定的最优方案， 建立环境污染控制系统

90 实例分析 1、大环境系统问题 (1)水域水域是一个直接与人类活动有密切关系的子系统。人类的活动通过利用清洁水和排出被污染了的水，使有限的水资源（特别是淡水资源）日趋紧张。例如，欧美和日本20世纪60年代的经济腾飞，带来了急剧的环境污染，水质恶化及用水量激增导致水资源危机的连锁反应，水问题终于冲破了部门界限，危及生态平衡。从20世纪50年代起，有些国家用水量每十年翻一番。全世界用水童，1975年比1900年增长6倍，达到3000km3，其中耗失量为1800km3，耗失率超过50%。预计2030年耗水量为15200km3，和世界淡水净收入量比较，全球将进入水资源危机时期。随着用水量的增加，污水量随之也急剧增加，且污染物扩散，迁移十分严重，南北两极均已遭受不同程度的污染。如此巨大的用水量和排水量剧增规模，已超过了环境系统所能忍受的程度。由于人类的活动使大气受到污染而形成酸雨，也直接或间接危害天然水的水质，另外城市化对水环境也有很大的影响。 (2)大气人们生活在空气里，洁净的空气对生命来说，比任何东西都重要。然而，自然界中局部物质的转换和人类所从事的种类繁多的生活、生产活动，向大气排放出的各种污染物正对大气的组成和它的物理化学特性造成深远的影响，特别当污染物超过环境所能允许的极限（环境容量）时，大气质量就发生恶化，使人们的生活、工作、身体健康，以及设备财产都直接或间接遭受破坏或受到恶劣影响。 (3）生态系统生态系统是生物与环境的综合体，其定义可概括为：自然界一定空间的生物与环境之间相互作用、相互制约、不断演变，达到动态平衡、相对稳定的统一整体，是具有一定的结构和功能的单位。人类的活动，如开发森林、利用水力资源、建设城市、挖掘矿藏、施放农药及化肥等活动，每时每刻都在干扰生态系统平衡。生态平衡的破坏又反过来给人类带来水土流失、沙漠化、洪水泛滥等的自然灾害。

91 2.流域系统 图1-6是一个流域水污染控制系统。它由多个子系统组成，子系统包括：污水处理厂系统、城市水质系统、从流域面积上排放出来的面污染源系统、储存池、电厂、水库等。从这些子系统输入和输出的物质有：河流的溶解氧（DO）、管道输入的物质、输送到污水处理厂的污染物、水和废水处理所需要的化学品。信息量包括：决定处理厂的负荷或效率所需的流量记录、设计污水处理厂需要的污水特性、为区域废水管理系统的发展提供工业废水量及其特性、为适应厂际间控制的和调整需要的污水处理厂效率等。系统的最优目标是用最小的费用，达到需要的BOD5等的去除率。最后还要对系统作出评价，希望在众多方案中决策出技术先进和经济合理的设计方案。

92 3、城镇给排水系统 城镇给排水系统城镇给排水系统是流域水污染控制系统中的一个重要的子系统。
该系统有它自己的许多子系统，如水源、取水系统、输水系统、配水系统、水处理系统、排水系统、废水处理系统、水再循环系统等。

93 4、污水处理系统 一个废水处理厂又可分隔为若干单独的过程，如初步沉淀、活性污泥法、曝气厌氧消化等。
一个污水处理厂系统还可分为水处理和i}泥处理两个子系统。为了达到预期处理的效果，使投资、运行成本最低，管理方便，必须将整个处理过程作为一个系统来研究。

94 思考题 结合系统工程的应用领域，说明系统工程在你所熟知领域的可能应用及其前景。

95 谢谢观赏！ 周早弘