系統(tǒng)工程史

系統(tǒng)工程的萌芽19世紀末，電力、石油等新能源的開發(fā)大大促進了工業(yè)的發(fā)展。電氣化工業(yè)和化學工業(yè)的出現(xiàn)又使生產(chǎn)技術設備日趨復雜，并進一步促使交通和通信系統(tǒng)大規(guī)模擴建。同時,物質(zhì)的生產(chǎn)開始豐富,市場的需求成為制約生產(chǎn)發(fā)展的重要因素，企業(yè)間的競爭開始出現(xiàn)。在這種情況下，人們開始重視生產(chǎn)與經(jīng)營之間的協(xié)調(diào)和綜合，即開始運用系統(tǒng)思想來研究這類問題。另一方面，經(jīng)典物理學的最終完成使人們認識到，只有通過對客觀事物的數(shù)學描述才能深入分析事物的本質(zhì)、了解它的構成機理和各種變異。人們開始用數(shù)學模型和分析的方法去研究工程、經(jīng)濟、生物、軍事和社會等方面的系統(tǒng)。

排隊論的產(chǎn)生1910年，丹麥數(shù)學家A.K.埃爾朗受熱力學統(tǒng)計平衡理論的啟發(fā)而建立了電話系統(tǒng)統(tǒng)計平衡模型。1925年，美國電話電報公司成立貝爾電話實驗室時，就在該室內(nèi)設立了系統(tǒng)開發(fā)部。貝爾電話實驗室發(fā)展了埃爾朗的電話系統(tǒng)模型，創(chuàng)造了一套電話系統(tǒng)分級復聯(lián)的科學方法，并利用概率模擬裝置，經(jīng)過理論計算和實驗驗證來求出最佳通話服務方式。30年代，瑞典數(shù)學家巴爾姆和蘇聯(lián)數(shù)學家欣欽又對電話呼叫過程進行深入的數(shù)學分析，提出呼叫過程的普遍性、平穩(wěn)性、有限性和無后效性等4個特征,奠定了關于系統(tǒng)中隨機聚散現(xiàn)象的基本理論──排隊論的理論基礎。在近代工程技術中對系統(tǒng)工程的產(chǎn)生和發(fā)展影響最大的首推電話通信工程。

企業(yè)管理的早期研究美國管理學家F.W.泰勒繼承前人對勞動工時的研究，從系統(tǒng)的角度來研究提高勞動生產(chǎn)率。他通過實驗發(fā)現(xiàn)減輕勞動強度能使生產(chǎn)量成倍增長以及計件工資和超產(chǎn)獎勵的優(yōu)點，并在此基礎上制定勞動定額、合理安排工序。1911年，泰勒發(fā)表《科學管理》一書,創(chuàng)立了著名的泰勒制。1939年,蘇聯(lián)數(shù)學家Л.В.康托羅維奇發(fā)表《生產(chǎn)組織與計劃的數(shù)學方法》。他認為提高工業(yè)生產(chǎn)率的途徑除改進技術（即改進設備、工藝和尋找優(yōu)質(zhì)原料等）外，還需要在生產(chǎn)組織計劃方面尋求改進，即正確分配設備、訂貨、原料和燃料等。他采用了與經(jīng)典數(shù)學分析求解極值迥然不同的解乘數(shù)法。這些工作與運籌學結(jié)合起來為現(xiàn)代管理科學的形成創(chuàng)造了條件。

經(jīng)濟系統(tǒng)建模的早期工作19世紀出現(xiàn)的埃杰維斯合同曲線和瓦爾拉經(jīng)濟系統(tǒng)平衡模型是運用數(shù)學研究經(jīng)濟的早期嘗試。1936年，W.列昂捷夫把瓦爾拉供求模型的平衡方程應用到集中計劃經(jīng)濟的情況，提出了投入產(chǎn)出模型。此后投入產(chǎn)出模型成為系統(tǒng)工程應用于經(jīng)濟分析和經(jīng)濟預測的重要工具。30年代初，荷蘭物理學家J.廷伯赫等人將建模和數(shù)學方法引入經(jīng)濟學，建立了計量經(jīng)濟學。1928年,數(shù)學家J.von諾伊曼在與維也納經(jīng)濟學家討論經(jīng)濟問題中競爭現(xiàn)象的博弈對策時，完成了對策論（又稱博弈論）的奠基性工作。1944年諾伊曼和經(jīng)濟學家O.莫根施特恩合作發(fā)表了對策論的專著《競賽理論與經(jīng)濟行為》。1936年諾伊曼和瓦爾德先后發(fā)表了關于經(jīng)濟平衡方程與不動點原理的文章，為瓦爾拉模型建立了嚴謹?shù)臄?shù)學基礎。這項工作后來被發(fā)展成數(shù)理經(jīng)濟學。

一般系統(tǒng)論、信息論和控制論30年代，生物學界提出了生命有機體論，把生命看成是一個有機整體用以解釋復雜的生命現(xiàn)象。 L.von貝塔朗菲用協(xié)調(diào)、有序、目的性等概念來研究生命有機體，并把系統(tǒng)定義為相互作用的諸要素的復合體，具有特殊的整體水平的功能和屬性。他還提出開放系統(tǒng)概念，認為要從有機體與環(huán)境的相互作用來說明生命的本質(zhì)。1937年，貝塔朗菲首先提出一般系統(tǒng)論的原理，并于1945年發(fā)表《關于一般系統(tǒng)論》。他指出這個理論屬于邏輯和數(shù)學的領域，任務是建立適用于系統(tǒng)的一般原則。40年代以來，隨著通信技術的發(fā)展和工業(yè)自動化的興起，出現(xiàn)了研究系統(tǒng)中信息和控制的基本規(guī)律的信息論和控制論。N.維納提出的控制論和C.E.香農(nóng)提出的信息論幾乎是與一般系統(tǒng)論同時出現(xiàn)的。一般系統(tǒng)論提出的對系統(tǒng)的描述性的研究方法為后來系統(tǒng)學的形成做了先導。而信息論和控制論則為系統(tǒng)工程的發(fā)展提供了養(yǎng)分。

軍事系統(tǒng)模型和運籌學在第一次和第二次世界大戰(zhàn)期間，軍事上的需要促使人們?nèi)パ芯刻岣咦鲬?zhàn)指揮能力和武器效能的方法。1914年～1916年期間，英國F.W.蘭徹斯特提出描述作戰(zhàn)雙方兵力變化過程的數(shù)學方程式，后稱蘭徹斯特方程。30年代后期，英國成立了世界上第一個運籌學研究小組，研究雷達配置和高炮效率。后來又在陸、海、空三軍分別設置研究組織，研究雷達的合理配置和運用、飛機出擊時間和隊形編列的效能以及有效的后勤保障等問題。美國和加拿大等國也相繼成立運籌學研究組織。美國數(shù)學家用概率論和數(shù)理統(tǒng)計方法研究反潛問題，提出了艦艇躲避或攻擊潛艇的最優(yōu)戰(zhàn)術。第二次世界大戰(zhàn)以后，運籌學迅速推廣到經(jīng)濟管理部門，為制定政策提供依據(jù)，取得了良好的經(jīng)濟效果。1951年，美國P.M.莫爾斯和G.E.金布爾合著《運籌學》一書的出版標志著運籌學的成熟。

在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束前的半個世紀中，數(shù)學家、物理學家、工程師、經(jīng)濟學家、生物學家們所作的大量開創(chuàng)性和學科交叉性的工作，為系統(tǒng)工程的誕生準備了充分的條件。其中特別是運籌學的產(chǎn)生更具有重要意義。運籌學研究實際系統(tǒng)的有效運用問題，可為系統(tǒng)優(yōu)化提供一整套定量研究方法。運籌學后來成為系統(tǒng)工程方法論最主要的思想和方法的源泉。

系統(tǒng)工程的產(chǎn)生第二次世界大戰(zhàn)以來，科學技術迅猛進步，社會經(jīng)濟空前發(fā)展，同時資源和生態(tài)環(huán)境也嚴重惡化。人們面臨著越來越復雜的大系統(tǒng)的組織、管理、協(xié)調(diào)、規(guī)劃、計劃、預測和控制等問題。這些問題的特點是在空間活動規(guī)模上越來越大，時間上變化越來越快，層次結(jié)構上越來越復雜，后果和影響上越來越深遠和廣泛。要解決這樣高度復雜的問題，單靠人的經(jīng)驗已顯得無能為力，需要采用科學的方法。信息科學和計算機的發(fā)展又大大提高了信息的收集、存儲、傳遞和處理的能力，為實現(xiàn)科學的組織和管理提供了強有力的手段。系統(tǒng)工程正是在這樣的情況下，首先從軍事和大型工程系統(tǒng)的研制中產(chǎn)生和發(fā)展起來的。

美國微波中繼通信網(wǎng)美國貝爾電話實驗室在1940年開始建立橫跨美國東西部的微波中繼通信網(wǎng)時就充分利用當時的科學技術成就來規(guī)劃和設計新系統(tǒng)。這項工作因第二次世界大戰(zhàn)而停頓。戰(zhàn)后分別于1947年和1951年完成該網(wǎng)的TD-X和TD-2系統(tǒng)，并投入使用。貝爾電話實驗室遂于1951年正式把研制微波通信網(wǎng)的方法命名為系統(tǒng)工程。

蘭德公司和系統(tǒng)分析1945年，美國國防部和科學研究開發(fā)署與道格拉斯飛機公司訂立了稱為蘭德計劃的合同，為美國空軍研究洲際戰(zhàn)爭，并提出有關技術和設備的建議。1947年，在福特基金會的支持下，成立了蘭德公司，繼續(xù)為戰(zhàn)后美國空軍的發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃提供咨詢服務。50年代以后，擴大了工作范圍，成為一個非營利的咨詢機構。蘭德公司在多年積累的研究經(jīng)驗的基礎上創(chuàng)立了系統(tǒng)分析。系統(tǒng)分析的目的是根據(jù)系統(tǒng)目標和評價指標來尋求最優(yōu)方案。系統(tǒng)分析幾乎是同系統(tǒng)工程并行地發(fā)展起來的，這兩個名詞之間也常出現(xiàn)混用現(xiàn)象。蘭德公司創(chuàng)造的系統(tǒng)分析以及規(guī)劃計劃預算編制法（見規(guī)劃計劃預算系統(tǒng)）、特爾斐法、社會實驗法等方法豐富了系統(tǒng)工程方法論。

網(wǎng)絡技術和系統(tǒng)管理50年代末，為了管理大型工程項目，在線條圖的基礎上發(fā)展了用于系統(tǒng)管理的網(wǎng)絡技術。1957年，美國杜邦公司發(fā)展了協(xié)調(diào)大企業(yè)內(nèi)各部門工作的關鍵路線法。1958年，美國海軍特別計劃局在執(zhí)行“北極星”導彈核潛艇計劃中發(fā)展了控制工程進度的新方法──計劃協(xié)調(diào)技術，使“北極星”導彈提前兩年研制成功。這些方法用網(wǎng)絡技術來進行系統(tǒng)管理，可在不增加人力、物力和財力的情況下使工程進度提前、成本降低。

阿波羅工程美國1961年開始進行的阿波羅工程，由地面、空間和登月三部分組成，于1972年成功結(jié)束。在工程高峰時期有兩萬多家廠商、 200余所高等院校和80多個研究機構參予研制和生產(chǎn),總?cè)藬?shù)超過30萬人,耗資255億美元。完成阿波羅工程不僅需要火箭技術,還需要了解宇宙空間和月球本身的環(huán)境。為此又專門制定了“水星”計劃和“雙子星座”計劃，以探明人在宇宙空間飛行的生活和工作條件。為了完成這項龐大和復雜的計劃，美國航空航天局成立了總體設計部以及系統(tǒng)和分系統(tǒng)的型號辦公室，以對整個計劃進行組織、協(xié)調(diào)和管理。在執(zhí)行計劃過程中自始至終采用了系統(tǒng)分析、網(wǎng)絡技術和計算機仿真技術，并把計劃協(xié)調(diào)技術發(fā)展成隨機協(xié)調(diào)技術。由于采用了成本估算和分析技術，使這項無前例的龐大工程基本上按預算完成。阿波羅工程的圓滿成功使世界各國開始接受系統(tǒng)工程。

系統(tǒng)工程方法論的形成1957年，美國的H.H.古德和R.E.麥克霍爾合作發(fā)表了第一本完整的系統(tǒng)工程教科書──《系統(tǒng)工程》。麥克霍爾又于1965年發(fā)表了《系統(tǒng)工程手冊》一書。這兩本書以豐富的軍事素材論述了系統(tǒng)工程的原理和方法。1962年，A.D.霍爾發(fā)表的《系統(tǒng)工程方法論》一書反映了作者長期從事通信系統(tǒng)工程的成果，內(nèi)容涉及系統(tǒng)環(huán)境、系統(tǒng)要素、系統(tǒng)理論、系統(tǒng)技術、系統(tǒng)數(shù)學等方面。A.D.霍爾還于1969年提出著名的霍爾三維結(jié)構，即系統(tǒng)工程形態(tài)圖。60年代末關于軍事和工程等硬系統(tǒng)的系統(tǒng)工程方法論已臻于完善。

系統(tǒng)工程教育系統(tǒng)工程教育始于50年代。當時已開始在高等院校開設有關專業(yè)課，成立系統(tǒng)工程系或者在公司企業(yè)內(nèi)部辦培訓班來培養(yǎng)人才。60年代以來，許多國家已開始大量培養(yǎng)系統(tǒng)工程師、系統(tǒng)分析師和系統(tǒng)科學家。

系統(tǒng)工程的發(fā)展70年代以來，系統(tǒng)工程發(fā)展的趨勢是應用領域繼續(xù)向社會、經(jīng)濟、生態(tài)等方面擴展和發(fā)展應用于軟系統(tǒng)工程的方法論。1972年在一些國家科學院的倡議下，在維也納成立了國際應用系統(tǒng)分析研究所。它是一個用系統(tǒng)工程方法研究復雜的社會、經(jīng)濟、生態(tài)等問題的國際性研究機構。該所先后選擇了能源、環(huán)境、生態(tài)、城市建設、資源開發(fā)、醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)等研究課題，在推動系統(tǒng)工程的發(fā)展和應用方面產(chǎn)生了重要影響。

系統(tǒng)建模和系統(tǒng)仿真系統(tǒng)工程作為一門定量技術，可概括為系統(tǒng)建模、系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)優(yōu)化 4個方面。系統(tǒng)建模是將一個實際系統(tǒng)的結(jié)構、輸入輸出關系和系統(tǒng)功能用數(shù)學模型加以描述。系統(tǒng)仿真是在計算機上對系統(tǒng)模型進行實驗和研究。系統(tǒng)仿真便于改變模型參數(shù)以獲得各種方案，以便選擇最優(yōu)方案和設計最合理的系統(tǒng)。隨著系統(tǒng)工程應用領域的擴展，首先需要發(fā)展系統(tǒng)建模和系統(tǒng)仿真，這項工作需要融合多學科的知識和不同領域的專家通力合作。60年代提出的模糊子集合理論，70年代出現(xiàn)的大系統(tǒng)理論、隊決策理論和以前建立的運籌學、對策論、控制論、現(xiàn)代控制理論、信息論以及有關應用領域的學科都可為系統(tǒng)建模提供素材、方法和原理。

1952年，J.廷伯赫提出了適用于靜態(tài)和平穩(wěn)經(jīng)濟結(jié)構的線性鎮(zhèn)定策略理論。1953年，A.塔斯庭首先采用自動控制理論的觀點來解決經(jīng)濟問題。1954年，A.W.菲利普斯又采用 PID（比例-積分-微分）控制原理來改善經(jīng)濟政策的穩(wěn)定性。50年代中期，H.A.西蒙等人研究了宏觀經(jīng)濟的最優(yōu)控制問題。60年代，美國麻省理工學院教授J.W.福雷斯特應用控制理論和計算機仿真研究復雜系統(tǒng)時創(chuàng)立了系統(tǒng)動力學。它是一種適用于長期預測的建模和仿真方法，可用于對社會、經(jīng)濟等復雜系統(tǒng)進行初步的研究。1965年，羅馬尼亞出版了《經(jīng)濟控制論》一書。1978年,在第4屆國際控制論和系統(tǒng)大會上討論了控制論和社會的關系，提出了社會控制論。在經(jīng)濟方面的主要建模方法已有投入產(chǎn)出模型、計量經(jīng)濟模型、系統(tǒng)動力學模型和經(jīng)濟控制論模型等。由于人們對經(jīng)濟規(guī)律的掌握還不很充分，經(jīng)濟系統(tǒng)建模尚處在初級階段。70年代以來，人們試圖對世界范圍內(nèi)的資源、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展模式等重大問題進行定量研究和預測，構造了大量模型。J.W.福雷斯特和D.梅多斯分別在1971年和1972年提出著名的世界模型Ⅱ和世界模型Ⅲ。此后，不少國家的學者紛紛提出各種世界模型，諸如生存戰(zhàn)略模型、發(fā)展新景世界模型、重建新秩序世界模型、世界經(jīng)濟模型、人類發(fā)展目標世界模型等。

在社會、經(jīng)濟、管理等有人參與的復雜系統(tǒng)中，人的行為受心理、經(jīng)驗等因素偶然變化的影響，使系統(tǒng)有很大的不確定性。人的思維本身也具有模糊性，需要用模糊子集合描述。在現(xiàn)代社會中，人類活動范圍日益廣闊，制定完善策略所需知識和信息迅速增加，已經(jīng)達到任何一個決策人或機構無法完全收集和處理的程度。信息和決策功能的分散化勢在必行。社會系統(tǒng)是迄今為止最復雜的系統(tǒng)。1972年，何毓琦和祝開景把隊決策理論的研究范圍從靜態(tài)推廣到動態(tài)情況。隊決策理論可為大型分散控制（管理）系統(tǒng)的信息結(jié)構（即信息在處于不同層次和空間位置上的決策人之間的分配）和相應的控制（管理）策略提供設計的參考。對策論與決策論和行為科學等結(jié)合起來在主從對策(又稱斯塔克爾貝格對策)和激勵對策方面的研究，提供了一種適用于社會、經(jīng)濟和管理系統(tǒng)的建模方法。這種建模方法反映了系統(tǒng)中的層次結(jié)構，可用于宏觀控制政策的制定。對策論就理論框架而言，是研究社會系統(tǒng)的理想工具。但是，對策論把人的社會性、復雜性、心理和行為的不確定性大大簡化了。對策論目前的成就還不能處理社會系統(tǒng)的復雜性問題。對于社會系統(tǒng)，需要采用定性和定量相結(jié)合的系統(tǒng)研究方法（見系統(tǒng)學）。

軟系統(tǒng)工程方法論70年代以來，人們開始重視對軟系統(tǒng)的系統(tǒng)工程方法論的研究?；魻柕南到y(tǒng)工程方法論來源于硬系統(tǒng)。硬系統(tǒng)或稱良結(jié)構系統(tǒng)是指機理清楚，能用明確的數(shù)學模型描述的系統(tǒng)，如物理系統(tǒng)和工程系統(tǒng)。對于硬系統(tǒng)已有較好的定量研究方法，可以計算出系統(tǒng)行為和最優(yōu)的結(jié)果。軟系統(tǒng)或稱不良結(jié)構系統(tǒng)是指機理不清，很難用明確的數(shù)學模型描述的系統(tǒng)，如社會系統(tǒng)和生物系統(tǒng)。軟系統(tǒng)的系統(tǒng)工程方法論一般處理較粗的信息，而且以定性為主。80年代，英國系統(tǒng)科學家P.B.切克蘭德提出了一套以學習、調(diào)查過程為主的軟系統(tǒng)工程方法論。常用軟系統(tǒng)工程方法有特爾斐法、智暴、想定情景法、生活質(zhì)量法、層次分析法等。此外，模糊子集合理論、對策論、系統(tǒng)動力學和聚類分析、相關分析等數(shù)理統(tǒng)計方法以及心理學和社會學中的不少方法都可借鑒使用。

系統(tǒng)工程應用軟件70年代以來，計算機技術，特別是軟件工程的發(fā)展促進了系統(tǒng)工程的發(fā)展。人工智能的發(fā)展，特別是專家系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)的出現(xiàn)為系統(tǒng)工程的定性和定量研究方法提供了有力的工具。現(xiàn)在已出現(xiàn)許多高效率的系統(tǒng)工程算法和軟件。例如，已有線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、排隊排序、庫存管理、計劃協(xié)調(diào)技術/關鍵路線法、計劃協(xié)調(diào)實時控制、系統(tǒng)建模、實時仿真、作戰(zhàn)模擬、決策支持系統(tǒng)、決策室等成套應用軟件和完整的系統(tǒng)作為商品出售。系統(tǒng)工程采用網(wǎng)絡技術并配以大屏幕圖形顯示和實時控制系統(tǒng)，可以顯示全部或局部網(wǎng)絡,還可以實時地用光筆修改,經(jīng)計算機網(wǎng)絡把修改過的網(wǎng)絡計劃傳送給各個執(zhí)行單位。這種系統(tǒng)是上級部門進行決策和指揮協(xié)調(diào)的有力工具。

系統(tǒng)科學體系的形成70年代以來,一批數(shù)學家、物理學家、化學家、生物學家和計算機科學家從不同的側(cè)面研究系統(tǒng)的演化規(guī)律，取得了豐碩的成果。其中較有代表性的是70年代初聯(lián)邦德國理論物理學家H.哈肯創(chuàng)立的協(xié)同學，1969年比利時統(tǒng)計物理學家I.普里戈金創(chuàng)立的耗散結(jié)構理論和1971年聯(lián)邦德國生物物理學家M.艾根提出的超循環(huán)理論。這些理論和早在30年代由 L.von貝塔朗菲創(chuàng)立的一般系統(tǒng)論以及60年代由法國數(shù)學家R.托姆建立的突變論一起為系統(tǒng)學的建立提供了初步基礎。

1979年，中國科學家錢學森提出建立系統(tǒng)科學體系的完整思想。他認為系統(tǒng)科學是以系統(tǒng)為研究和應用對象的一個科學技術部門。如同自然科學和社會科學一樣，它是由三個層次組成的，即：①系統(tǒng)工程，它是系統(tǒng)科學的下層技術層次，是用系統(tǒng)思想直接改造客觀世界的技術；②系統(tǒng)科學的技術科學層次，包括運籌學、控制論、信息論等；③系統(tǒng)學，是系統(tǒng)科學的基礎科學。系統(tǒng)學是研究系統(tǒng)一般演化規(guī)律的學科，目前尚處于形成階段。系統(tǒng)科學與哲學之間的橋梁則稱為系統(tǒng)論或系統(tǒng)觀，它為發(fā)展和深化馬克思主義唯物辯證法提供素材。系統(tǒng)科學體系的形成標志著系統(tǒng)工程已經(jīng)逐步成熟。2100433B

人們對于系統(tǒng)的認識，即關于系統(tǒng)的思想來源于社會實踐，人們在長期的社會實踐中逐漸形成了把事物的各個組成部分聯(lián)系起來從整體角度進行分析和綜合的思想，即系統(tǒng)思想。系統(tǒng)思想古已有之，但系統(tǒng)工程的誕生卻是近40年來的事。隨著科學技術的迅速發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，迫切地需要發(fā)展一種能有效地組織和管理復雜系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設計、制造、試驗和使用的技術，即系統(tǒng)工程。美國貝爾電話公司在建成美國微波中繼通信網(wǎng)后,于1951年正式提出系統(tǒng)工程這個名詞。1972年，歷時11年的美國載人登月的阿波羅工程自始至終運用系統(tǒng)工程取得了圓滿成功。此后，系統(tǒng)工程被世界各國普遍接受。它的應用范圍也逐漸地從軍事系統(tǒng)和工程系統(tǒng)擴展到經(jīng)濟系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)和社會系統(tǒng)等，并從解決部門和國家范圍內(nèi)的問題進展到探討全球性的重大問題。

系統(tǒng)思想的形成系統(tǒng)思想的形成可追溯到古代。中國古代著作《易經(jīng)》、《尚書》中提出了蘊含有系統(tǒng)思想的陰陽、 五行、 八卦等學說。中國古代經(jīng)典醫(yī)著<黃帝內(nèi)經(jīng)>把人體看作是由各種器官有機地聯(lián)系在一起的整體，主張從整體上研究人體的病因。古希臘哲學家赫拉克利特在《論自然界》一書中指出：“世界是包括一切的整體。”古希臘哲學家德謨克利特認為一切物質(zhì)都是原子和空虛組成的。他的《世界大系統(tǒng)》一書是最早采用系統(tǒng)這個名詞的著作。古希臘哲學家亞里士多德提出整體大于部分之和的觀點。古代系統(tǒng)思想還表現(xiàn)在一些著名的古代工程中。埃及的金字塔和中國的長城、大運河、都江堰以及《夢溪筆談》中敘述的皇宮重建工程無不體現(xiàn)樸素的系統(tǒng)思想(見中國古代系統(tǒng)思想)。古代系統(tǒng)思想常用猜測的和臆想的聯(lián)系代替尚未了解的聯(lián)系，是自然哲學式的。

16世紀，近代自然科學興起。在當時的條件下難以從整體上對復雜的事物進行周密的考察和精確的研究。因此，近代自然科學的研究方法是把整體的系統(tǒng)逐步地分解,研究每個較簡單的組成部分,排除臆想的東西。這種方法后來被稱為還原論和機械唯物論。但是，在當時這種方法還是先進的。它的進步作用曾得到F.恩格斯的肯定。到19世紀，科學的系統(tǒng)思想才逐漸形成。恩格斯在《路德維?！べM爾巴哈和德國古典哲學的終結(jié)》一文中指出：“一個偉大的基本思想，即認為世界不是一成不變的事物的集合體，而是過程的集合體。其中各個似乎穩(wěn)定的事物以及它們在我們頭腦中的思想反映即概念，都處在生成和滅亡的不斷變化中。在這種變化中，前進的發(fā)展，不管一切表面的偶然性，也不管一切暫時的倒退，終究會給自己開辟出道路?！倍鞲袼沟倪@段話標志著科學的現(xiàn)代系統(tǒng)思想的產(chǎn)生。

亂世演武，盛世修文。今改革開放，國泰民安；水利建設入列國家發(fā)展戰(zhàn)略，引酉二期工程也已相繼開工。撫今追昔，更加懷念當年官民同心以赴、共創(chuàng)現(xiàn)代水利神話的崢嶸歲月?；赝こ躺像R三十七載滄桑巨變，可紀念者三。

引酉者驚天地、泣鬼神之壯舉，前有幾代仁人志士為之踏勘籌劃、殫精竭慮，后有地方黨政領導果斷決策、勉力躬行，繼有十萬建設大軍前仆后繼、背水決戰(zhàn)，期間涌現(xiàn)出羅曲鐵姑娘排等。

今百年夢想成真，人工天河穿云破霧而前出，為千年旱區(qū)引得源頭活水，此足以告慰引酉先軀和烈士于地下，又可撫慰幾代工程建設者于當世。

自工程上馬以來，歷經(jīng)十二年艱苦奮斗，1987年一期工程竣工驗收，又歷經(jīng)多年延伸加固，于今引灌體系日臻完善，灌區(qū)生民賴引酉以安居樂業(yè)，我縣今日之富庶安定，端賴引酉工程甚巨。而況既為震古爍今之水利巨構，當如古之都江堰、今之紅旗渠，勢成不朽人造勝景，且為華陽景區(qū)必經(jīng)，必將拉動旅游業(yè)和新農(nóng)村建設，誠所謂功在當代、利在千秋，

歲月不居，來者可追，當年百里工地你追我趕、奮勇爭先的忘我勞動場面，早已織入這一片大地的記憶深處，然而以鮮血和生命鍛造而成的引酉精神，恰如一座光華四射的豐碑，時刻詮釋著“艱苦創(chuàng)業(yè)、樂于奉獻、頑強拼搏、敢于勝利”的精神內(nèi)涵，將激勵來者從前人的標高起步，以強勢進取的姿態(tài)開創(chuàng)新紀擁抱未來。

爰立此碑，以彰其事；勒石作歌，鐫以永志。2100433B

第1章緒論

1.1機械發(fā)展的歷史分期

1.1.1古代(公元前5000年左右至歐洲文藝復興)

1.1.2近代(文藝復興至第二次工業(yè)革命結(jié)束)

1.1.3當代(19世紀末的新物理學革命以來)

1.2自然、社會、科學和技術間的幾個重要關系

1.2.1第一個重要關系： 社會、科技和自然

1.2.2第二個重要關系： 科技發(fā)展背后的推動力

1.2.3第三個重要關系： 經(jīng)濟、科技的發(fā)展和整個社會的發(fā)展、變革密不可分

1.2.4第四個重要關系： 自然科學基礎與相關科技領域的作用

1.3關于技術革命和工業(yè)革命

1.3.1幾種革命的概念與關系

1.3.2關于第三次工業(yè)革命的提法

1.4為什么要學習一些科技發(fā)展史？

1.4.1擴大知識面要從橫向和縱向兩個方向進行

1.4.2回溯歷史，了解自然、社會和科技之間的關系

1.4.3回溯歷史，激發(fā)創(chuàng)新精神

1.5關于機械工程學科

參考文獻

第2章古代機械的發(fā)展

2.1概述

2.1.1古代人類使用工具的三個時代

2.1.2古代機械發(fā)展的三個主要區(qū)域

2.1.3中國的輝煌與落伍

2.1.4歐洲發(fā)展中的曲折

2.2各種古代機械發(fā)展簡介

2.2.1簡單機械

2.2.2冶煉設備

2.2.3舟與車

2.2.4農(nóng)業(yè)機械

2.2.5紡織機械

2.2.6計時器與天文儀器

2.2.7起重運輸機械

2.2.8兵器

2.2.9禮儀與娛樂性機械

2.2.10各種機構與傳動

2.3古代的機械制造技術

2.3.1鑄造技術

2.3.2鍛造和其他壓力加工技術

2.3.3焊接技術

2.3.4切削加工技術

2.3.5熱處理技術

2.4關于古代機械的幾個問題

2.4.1古代機械的動力

2.4.2依靠直覺和靈感的巧妙創(chuàng)造

2.4.3古代與現(xiàn)代相通

2.4.4關于中國古代科技的兩個深層次問題

參考文獻

第3章工業(yè)革命前歐洲社會和科技的進步

3.1文藝復興至工業(yè)革命期間的社會發(fā)展

3.1.1資本主義生產(chǎn)方式的出現(xiàn)

3.1.2地理大發(fā)現(xiàn)

3.1.3文藝復興運動

3.1.4宗教改革運動

3.1.5啟蒙運動

3.1.6資產(chǎn)階級革命

3.2文藝復興至工業(yè)革命前歐洲的機械科學技術

3.2.1列奧納多·達·芬奇

3.2.2工業(yè)革命前力學、機械理論的若干進展

3.2.3工業(yè)革命前的機械技術

3.3經(jīng)典力學的創(chuàng)立和發(fā)展

3.3.1天文學的突破和科學精神的解放

3.3.2經(jīng)典力學創(chuàng)立之前的理論準備

3.3.3經(jīng)典力學的創(chuàng)立

3.3.4經(jīng)典力學的局限性

3.4微積分理論與微分方程理論的建立

3.4.1微積分理論的建立

3.4.2微分方程理論的建立和發(fā)展

參考文獻

第4章第一次工業(yè)革命

4.1第一次工業(yè)革命發(fā)展概況

4.1.1英國發(fā)生工業(yè)革命的背景

4.1.2第一次工業(yè)革命概述

4.2蒸汽機的發(fā)明和交通運輸革命

4.2.1蒸汽機發(fā)明的漫長過程

4.2.2瓦特的貢獻

4.2.3瓦特——優(yōu)秀的創(chuàng)新型人才

4.2.4蒸汽機發(fā)明的劃時代意義

4.2.5鐵路時代

4.2.6蒸汽遠洋輪船

4.2.7交通運輸革命的重要意義

4.3第一次工業(yè)革命中的機械發(fā)明

4.3.1蒸汽動力的廣泛應用

4.3.2紡織和縫紉機械

4.3.3工程機械與礦山機械

4.3.4農(nóng)業(yè)機械

4.3.5制冷機械

4.3.6流體機械

4.3.7武器

4.3.8信息機械

4.4近代機械制造業(yè)的誕生和早期發(fā)展

4.4.1瓦特時代機械加工的狀況

4.4.2機床的改進和發(fā)明

4.4.3互換性生產(chǎn)的出現(xiàn)

4.4.4標準化的開端

4.5永動機問題的理論解決

參考文獻

第5章第二次工業(yè)革命

5.1第二次工業(yè)革命發(fā)展概況

5.1.1第二次工業(yè)革命的歷史背景

5.1.2電氣時代

5.1.3鋼鐵時代

5.1.4第二次工業(yè)革命期間機械發(fā)展概況

5.1.5第二次工業(yè)革命的特點

5.2內(nèi)燃機的發(fā)明和新的交通運輸革命

5.2.1內(nèi)燃機的發(fā)明和進步

5.2.2汽車的發(fā)明和早期發(fā)展

5.2.3飛機的發(fā)明和早期發(fā)展

5.2.4交通工具方面的其他變革

5.3第二次工業(yè)革命期間的機械發(fā)明

5.3.1動力機械

5.3.2礦山機械

5.3.3工程機械

5.3.4泵和壓縮機

5.3.5信息機械

5.3.6武器

5.3.7其他機械

5.4第二次工業(yè)革命期間的機械制造業(yè)

5.4.1機床的發(fā)展

5.4.2刀具材料的進步和切削速度的提高

5.4.3測量水平的提高

5.4.4泰勒的科學管理制度

5.4.5福特首創(chuàng)的大批量生產(chǎn)模式

5.4.6標準化、系列化的發(fā)展

5.5機械發(fā)展的若干趨勢

5.5.1機械和運載工具的高速化和大功率化

5.5.2機械的精密化

5.5.3機械的輕量化

5.5.4機械的半自動化

參考文獻

第6章工業(yè)革命期間數(shù)學和力學的進一步發(fā)展

6.1與機械工程密切相關的數(shù)學領域的進展

6.1.1變分法

6.1.2微分幾何

6.1.3線性代數(shù)

6.1.4概率論

6.1.5圖論

6.2力學學科的進一步發(fā)展

6.2.1分析力學

6.2.2彈性力學

6.2.3塑性力學

6.2.4材料力學

6.2.5振動理論

6.2.6流體力學

6.2.7小結(jié)： 力學與數(shù)學的關系

參考文獻

第7章近代機械工程學科的誕生和發(fā)展

7.1機械工程學科的誕生

7.1.1機構學的誕生

7.1.2法國的理論運動學研究

7.1.3機械工程師學會的成立

7.2近代機構學學科的發(fā)展

7.2.1機構學的德國學派和俄蘇學派

7.2.2連桿機構的應用和理論

7.2.3凸輪機構的演進、分析與設計

7.3機械振動理論與應用的發(fā)展

7.4近代的機械動力學

7.4.1機械動力學分析方法的形成

7.4.2轉(zhuǎn)子動力學研究的起步

7.4.3關于機構動力平衡的研究

7.5機械傳動與液壓傳動的演進

7.5.1機械傳動的演進

7.5.2流體傳動的出現(xiàn)和發(fā)展

7.6近代的機械設計學科

7.6.1古代和近代機械設計發(fā)展的幾個階段

7.6.2圖紙設計法出現(xiàn)

7.6.3機械設計從應用力學中獨立出來

7.6.4近代的機械結(jié)構強度學

7.6.5主要機械零件設計方法的形成

7.7近代的機械制造學科

7.7.1概述

7.7.2關于金屬切削理論的研究

7.7.3機械加工精度理論

參考文獻

第8章第三次技術革命概貌

8.1第三次技術革命的科學基礎

8.1.1新的物理學革命

8.1.2信息論、控制論和系統(tǒng)論的誕生

8.1.3非線性科學的誕生和發(fā)展

8.2第三次技術革命的背景和概貌

8.2.1第二次世界大戰(zhàn)對新技術革命的催生作用

8.2.2戰(zhàn)后世界形成了有利于經(jīng)濟和科技發(fā)展的環(huán)境

8.2.3第三次技術革命的概貌

8.2.4第三次技術革命的特點

8.2.5第三次技術革命的影響

8.3第三次技術革命的主要內(nèi)容

8.3.1航天事業(yè)

8.3.2生物技術

8.3.3海洋工程技術

8.3.4新能源技術

8.4信息技術

8.4.1微電子技術

8.4.2電子計算機技術

8.4.3人工智能

8.4.4信號分析

8.4.5網(wǎng)絡技術

8.4.6傳感技術

8.5新材料技術

8.5.1新材料作用重大

8.5.2各種新材料的發(fā)展

8.6與機械工程相關的數(shù)學、力學的新進步

8.6.1數(shù)值計算方法的巨大進步

8.6.2振動理論的新進展

8.6.3多體動力學的誕生

參考文獻

第9章第三次技術革命中的機械工程概述

9.1新時期的機械工程概述

9.1.1新時期推動機械工程發(fā)展的四大因素

9.1.2新時期機械工程的全面大發(fā)展

9.2新時期機械產(chǎn)品發(fā)展的總趨向

9.2.1機械和運載工具進一步的高速化和大功率化

9.2.2對機械的精密化要求提高到更高的水平

9.2.3對機械的可靠性要求提高到更高的水平

9.2.4對機械和運載工具輕量化的要求更為迫切

9.2.5追求產(chǎn)品的性能價格比

9.2.6降低機器對環(huán)境的不良影響

9.2.7機器應安全、舒適、怡人

9.2.8產(chǎn)品的多樣化與個性化

9.3新時期機械的重大發(fā)明與改進

9.3.1機電一體化產(chǎn)品

9.3.2機器人

9.3.3高速鐵路車輛

9.3.4大型工程機械

9.3.5信息機械

9.3.6動力機械

9.3.7紡織機械

9.3.8農(nóng)業(yè)機械

9.4機械制造業(yè)幾個重點領域的迅速發(fā)展

9.4.1汽車工業(yè)

9.4.2航空航天工業(yè)

9.4.3大型發(fā)電設備制造業(yè)

9.4.4IC制造業(yè)

9.4.5機床制造業(yè)

9.5關于復雜機電系統(tǒng)

參考文獻

第10章新時期機械學理論的發(fā)展

10.1機構學

10.1.1機構學的美國學派

10.1.2現(xiàn)代機構學的進展： 機構運動學

10.1.3現(xiàn)代機構學的進展： 新的機構類型

10.1.4現(xiàn)代機構學的進展： 機構動力學

10.1.5機構學在中國的發(fā)展簡介

10.2機械傳動學

10.2.1齒輪強度計算標準的建立

10.2.2齒輪動力學與減振降噪的研究

10.2.3嚙合理論研究的新進展

10.2.4新型嚙合傳動的發(fā)展

10.2.5其他機械傳動

10.2.6機械傳動的信息化和智能化

10.3機器人學

10.3.1機器人機構學

10.3.2機器人動力學

10.4機械動力學

10.4.1新時期機械動力學發(fā)展概述

10.4.2機械動力學分析模型

10.4.3動力學建模的精細化

10.4.4動力學分析與仿真的發(fā)展

10.4.5機械動力學在橫向形成幾個分支領域

10.5機械強度學

10.5.1疲勞設計方法的建立

10.5.2斷裂力學的發(fā)展

10.5.3智能結(jié)構與健康監(jiān)測

10.6摩擦學

10.6.1近代關于摩擦、磨損和潤滑的研究

10.6.2當代的摩擦學研究

10.7微機械學

10.7.1MEMS的技術革命歷程

10.7.2MEMS的應用前景

10.7.3關于微機械系統(tǒng)的研究

10.8流體傳動與控制

參考文獻

第11章新時期機械設計的全新面貌

11.1新時期機械設計概述

11.1.1新時期機械設計的全面大發(fā)展

11.1.2設計理論和方法學

11.2機械創(chuàng)新設計的理論和方法

11.2.1創(chuàng)造學在美國的誕生和發(fā)展

11.2.2蘇聯(lián)的TRIZ理論和方法

11.2.3機械創(chuàng)新設計

11.2.4反求設計

11.2.5仿生設計

11.3計算機圖形學和計算機輔助設計

11.3.1計算機圖形學

11.3.2計算機輔助設計

11.4保證產(chǎn)品主要性能的現(xiàn)代設計方法

11.4.1優(yōu)化設計

11.4.2可靠性設計

11.4.3保值設計

11.5動態(tài)設計與振動控制

11.5.1靜態(tài)設計與動態(tài)設計

11.5.2動態(tài)設計方法的發(fā)展

11.5.3振動控制技術的發(fā)展

11.6其他現(xiàn)代設計方法

11.6.1價值工程

11.6.2工業(yè)設計與人機工程

參考文獻

第12章新時期機械制造的全新面貌

12.1新時期機械制造概述

12.1.1新時期對機械制造技術提出的新挑戰(zhàn)

12.1.2新時期機械制造技術發(fā)展的總趨向

12.2自動化——先進制造技術發(fā)展的主線

12.2.1數(shù)控加工和數(shù)控機床的誕生和發(fā)展

12.2.2工藝編制技術的進步

12.2.3CAD/CAPP/CAM的集成

12.2.4柔性制造系統(tǒng)

12.2.5機器人在制造中的應用

12.3切削加工技術的進步

12.3.1刀具材料的新進步

12.3.2高速切削技術

12.3.3精密與超精密加工技術

12.3.4難加工材料的加工技術

12.3.5干式加工技術

12.3.6關于加工振動控制的理論與實踐

12.3.7與切削加工的進步相適應的機床技術

12.4特殊表面的加工技術

12.4.1自由曲面加工

12.4.2螺旋錐齒輪齒面的加工

12.5特種加工技術的出現(xiàn)和發(fā)展

12.5.1電火花加工

12.5.2電化學加工

12.5.3超聲波加工

12.5.4高能束流加工

12.5.5水射流加工

12.6增量制造技術

12.6.1快速原型技術

12.6.23D打印技術

12.7綠色制造技術

12.7.1綠色制造——從認識到行動

12.7.2綠色制造技術的內(nèi)容

12.7.3再制造技術

12.8企業(yè)活動的信息化、智能化和網(wǎng)絡化

12.8.1計算機集成制造系統(tǒng)

12.8.2制造活動的網(wǎng)絡化

參考文獻

第13章毛坯生產(chǎn)技術的歷史發(fā)展

13.1鑄造技術的歷史發(fā)展

13.1.1工業(yè)革命期間鑄造技術的進步

13.1.2新技術革命中的現(xiàn)代鑄造技術

13.2壓力加工技術的歷史發(fā)展

13.2.1鍛造

13.2.2軋制

13.2.3沖壓

13.2.4擠壓

13.2.5冷鍛

13.2.6旋壓

13.3焊接技術的歷史發(fā)展

13.3.119世紀焊接技術的發(fā)展

13.3.220世紀上半葉焊接技術的發(fā)展

13.3.3第三次技術革命中的焊接技術

13.4其他毛坯成形方法和熱處理技術的歷史發(fā)展

13.4.1爆炸成形

13.4.2粉末冶金

13.4.3塑料成形

13.4.4熱處理技術

參考文獻

第14章近代的高等機械工程教育

14.1近代工程教育的誕生和發(fā)展(19世紀)

14.1.1英國： 走向落伍

14.1.2法國： 近代機械工程教育的先鋒

14.1.3德國： 建立現(xiàn)代大學，領先機械科技

14.1.4美國： 工程教育的崛起

14.2近代工程教育的發(fā)展(20世紀)

14.2.1蘇聯(lián)： 專才教育的極端化

14.2.2前所未有的知識難民潮

14.2.3美國成為當代科學技術和工程教育的中心

14.3近代的兩種工程教育模式

14.3.1通才教育和專才教育的基本概念

14.3.2實例對比

14.3.3兩種教育模式的區(qū)別和選擇

參考文獻

第15章近當代中國的機械工程

15.1洋務運動中的機械工程

15.1.1鴉片戰(zhàn)爭以前西方機械技術的傳入

15.1.2洋務運動概況

15.1.3中國近代機械工業(yè)的誕生

15.1.4中國近代高等工程教育的誕生

15.1.5洋務運動的失敗

15.2民國時期的機械工程

15.2.1民國時期的機械工業(yè)

15.2.2民國時期的機械工程教育與研究

15.2.3中國機械工程學會的成立

15.3當代中國的機械工程(改革開放以前)

15.3.1新中國成立后的機械工業(yè)與機械科技

15.3.2新中國成立后的高等機械工程教育

15.3.3文化大革命中的機械工業(yè)和教育

15.4當代中國的機械工程(改革開放以來)

15.4.1改革開放以來中國機械工業(yè)的跨越式發(fā)展

15.4.2改革開放以來中國的機械科學與技術

15.4.3改革開放以來中國的高等機械工程教育

參考文獻

跋

附錄A人名表

附錄B術語的漢英對照和索引

我畢生從事機械工程的教學與研究，同時也對社會科學，特別是歷史感興趣。

2006年，我從天津大學本部退休，到天津大學仁愛學院工作。我給學生開設的“機械創(chuàng)新設計”課程與所有其他學校都不同。我認為，歷史上的所有機械發(fā)明都是創(chuàng)新設計，機械創(chuàng)新設計這門課最好是結(jié)合機械發(fā)明史來講述。所以，我的課程的全名應該稱作“機械發(fā)明簡史與機械創(chuàng)新設計”。這門課我講了三輪，后來把講稿給了青年教師去講。當時便萌生了一個想法： 寫一本與眾不同的教材。

2013年初春，國家開放大學邀請我去給他們的教師培訓班做個講座，我就選擇了機械工程簡史這個題目，并準備以此為契機，開始寫一本專著。從那時起，專著的撰寫和講座的準備同時并舉。2013年6月在開放大學做的兩個多小時的報告受到歡迎，校方當即邀請我做一次5~6學時的講課錄像。于是，專著的撰寫又和錄像的準備同時并舉。

本書主要是給學校的教師和學生寫的，當然也可以供研究人員和工程技術人員參考。本書編寫的宗旨和思路已經(jīng)在緒論中表達清楚。我特別注意不能就科技論科技，而要把機械工程的發(fā)展放到社會的發(fā)展、經(jīng)濟的發(fā)展和整個科技進步的大背景下加以論述。

多年來，學界同人普遍認為，應對學生加強科技史方面的教育，加強人文素質(zhì)方面的培養(yǎng)。我很贊同這種意見，教師和學生都應該知道一些機械發(fā)展的歷史，其理由在本書的緒論中做了論述。我主張對機械類專業(yè)的本科生應開設“機械工程史”的選修課（學時8~16）或講座（學時4~8）； 對研究生則要求自學相關的三級學科的發(fā)展史（不是所做課題的發(fā)展史），并撰寫讀書報告。這件事目前做起來的難度主要是沒有教材。如果有學校開設“機械工程簡史”這門選修課，本書應該是一本可用的教師參考書。反之，我也期望本書的出版能有助于把科技史的教育開展起來。筆者也已完成一本20萬字的學生用書，很快即可出版。

楊廷力教授、申永勝教授和戴建生教授等學界同人對本書的撰寫給予了熱情鼓勵和大力支持。

戴建生教授多次向筆者提供了機構學領域發(fā)展的書籍和其他文獻。天津第一機床廠原總工程師、天津大學兼職教授林漢元先生是從事螺旋錐齒輪研究數(shù)十年的專家。他將自己多年積累、且未曾面世的關于螺旋錐齒輪發(fā)展歷史的資料無私地提供給筆者，并擇其要者給筆者做了講述。天津大學胡繩蓀教授無私地將自己撰寫的內(nèi)部講稿《高科技引領下的焊接前沿技術》提供給作者參考。北京大學武際可教授、天津大學王振東教授在力學資料方面給予了幫助。合肥工業(yè)大學王章豹教授，天津大學張世昌、林彬、張俊紅、李午申等各位教授也都對本書的撰寫給予了資料方面的支持和幫助。

清華大學出版社理工分社社長張秋玲同志對本書的出版給予了大力支持。責任編輯莊紅權同志為保證本書的如期出版、提高書的質(zhì)量做了許多工作。

謹對上述同志給予我的鼓勵、支持和幫助表示衷心的感謝！

由于時間和精力有限，本書仍大有可提高之處，也請讀者多多理解，提出寶貴建議。

張策

2015年3月于天津大學新園村