ch2系统工程理论

1、 第二章 系统工程理论宗宪亮天津科大工业工程内容系统工程程的科学学体系“旧三论论”+运运筹学“新三论论”系统工程程理论的的新发展展系统工程程的科学学体系我国著名名科学家家钱学森森提出了了一个清清晰的现现代科学学技术的的体系结结构，认认为从应应用实践践到基础础理论，现代科科学技术术可以分分为四个个层次：首先是是工程技技术这一一层次，然后是是直接为为工程技技术提供供理论基基础的技技术科学学这一层层次，再再就是基基础科学学这一层层次，最最后通过过进一步步综合、提炼达达到最高高概括的的马克思思主义哲哲学。如如图2-1所示示。图2-1现代科科学技术术体系马克思主义哲学自然科学数 学社会科学工程技术技术科

2、学系统工程程的科学学体系在此基础础上他又又进一步步提出了了一个系系统科学学的体系系结构。认为系系统科学学是由系系统工程程这类工工程技术术，系统统工程的的理论方方法（像像运筹学学、大系系统理论论等）这这一类技技术科学学（统称称为系统统学），以及它它们的理理论基础础和哲学学层面的的科学所所组成的的一类新新兴科学学。如图图2-2所示。马克思主主义哲学学社会科学学数学科学学数 学突变论自然科学学基础科学学物理学生 物学学其它技术术科学系统学运筹学巨系统理论控制论信息论各门系统统工程（系统观观）系统科学学人体科学学思维科学学哲学学基础科学学技术科学学工程技术术图2-2系统科学学的体系系系统学主要研究究系

3、统的的普遍属属性和运运动规律律，研究究系统演演化、转转化、协协同和控控制的一一般规律律，研究究系统间间复杂关关系的形形成法则则、结构构和功能能的关系系、有序序、无序序状态的的形成规规律以及及系统仿仿真的基基本原理理等，随随着科学学的发展展，它的的内容也也不断在在丰富。由于其其尚属于于起步阶阶段，还还不够成成熟，因因而学者者们对系系统科学学的学科科体系的的认识仍仍有较大大差异。系统工程程是从实践践中产生生的，它它用系统统的思想想与定量量和定性性相结合合的系统统方法处处理大型型复杂系系统的问问题，是是一门交交叉学科科。系统工程程是系统科科学的应应用部分分，是系系统科学学中与社社会经济济决策和和工程

4、管管理关系系最密切切的一部部分。“工程”系统工程程工程的观观念是在在人们处处理自然然、改造造自然的的社会生生产过程程中所形形成的工工程方法法论，传传统的工工程观念念是指生生产技术术的实践践而言，而且以以硬件为为目标与与对象，如机械械工程、电气工工程、铁铁路工程程、水利利工程等等。系统统工程将将这一观观念和方方法应用用于社会会系统中中，其所所处理的的对象不不仅包含含传统工工程观念念中的自自然对象象（即硬硬件），而是在在传统的的工程观观念的基基础上增增添了新新的内容容，也即即以软件件为目标标与对象象。实际际上，系系统工程程所讨论论的工程程是泛指指一切有有人参与与的、以以改变系系统某一一特征为为目标

5、的的，从命命题到出出成果的的工作过过程。系系统工程程使得人人们能够够以工程程的观念念和系统统理论研研究和解解决各种种复杂系系统问题题。系统工程程的理论论基础“旧三论论”一般系统统论贝塔朗菲菲L.Von.Bertalanffy控制论维纳Norbert Wiener信息论香农ClaudeElwood Shannon(01)一般系统统论贝塔朗菲菲认为，在各种种不同的的系统中中，会存存在某种种相似性性或同构构性。一一般系统统论的任任务是要要找到不不同系统统，不同同学科之之间的共共同语言言和术语语。一般般系统论论可以理理解为关关于任意意系统研研究的一一种一般般的理论论与方法法论。产生过程程：早在1924

6、年至1927年贝塔朗朗菲就多多次发表表文章，主张把把有机体体当作系系统来考考察，认认为生物物学的主主要任务务就是发发现生物物系统中中不同层层次的组组织原则则。1932年和1934年，他先先后发表表了理理论生物物学和和现代代发展理理论两两部著作作，阐明明了系统统的整体体性原则则，主张张用数学学和模型型方法研研究生物物现象，提出了了机体系系统论的的思想。1937年，贝塔塔朗菲在在美国芝芝加哥大大学哲学学讨论会会上，首首次提出出了一般般系统概概念。1945年，他在在德国国哲学周周刊上上发表了了关于于一般系系统论。但遗遗憾的是是，这篇篇重要论论文几乎乎不被人人所知。1948年在美国国再次讲讲授“一一般

7、系统统论”时时，才得得到学术术界的重重视。1968年贝塔朗朗菲发表表的专著著一般系统统理论基基础、发发展和应应用，确立了了该学科科的学术术地位。主要思想想观点：整体性 要素和系统不可分割 系统的总体功能不等于系统各组成部分功能之和 系统整体具有不同于各组成部分的新功能开放性系统与环环境的相相互作用用，进行行物质、能量和和信息的的交换，才是一一切有机机体处于于其活动动状态并并保持其其活的生生命运动动从数学上上证明了了开放系系统的稳稳态动态相关关性系统处于于不断发发展变化化之中，是时间间的函数数动态性取取决于系系统的相相关性层次等级级性有序性结构有序序性发展有序序性贝塔朗菲菲对系统统论的贡贡献：划

8、分了开开放系统统和封闭闭系统，明确提提出了开开放系统统必须不不断与外外界进行行物质与与能量的的交换，并同时时调整其其内部结结构以达达到动态态平衡。创立了一一般系统统论，并并指出一一般系统统论是研研究“整整体”的的科学。指出:“系统思思想即使使不能用用数学表表述，也也仍然保保持其价价值。”对系统方方法论及及系统方方法的启启示以系统的的观点看看整个世世界，不不能片面面、孤立立地看问问题以思辨原原则代替替实验原原则，不不能机械械地看问问题，尤尤其是在在处理复复杂、有有机程度度高的系系统时以整体论论代替还还原论启示我们们以目的的论代替替因果轮轮控制论1947年由美美国人维维纳（Norbert Wien

9、er）创创立的控制论（Cybernetics）是一门门研究系系统的控控制的学学科。维维纳于1948年出版版了控控制论一书，他对控控制论的的定义是是：“关关于动物物和机器器中控制制和通信信的科学学。”（1964年在瑞瑞典斯德德哥尔摩摩因心脏脏病发作作去世）控制论的的基本含含义是：现代的的自动机机器和人人都是由由感觉装装置(器器官)、动作装装置(器器官)、传递信信息的系系统(神神经系统统)所组组成的一一种系统统。自动动机器和和人都是是在接收收、处理理、传递递和存贮贮信息，并利用用信息去去完成动动作，实实现与外外界的联联系。在在系统工工作中，反馈控控制给定定控制信信号使动动作装置置(器官官)动作作。

10、动作作结果由由感觉装装置(器器官)检检测出来来，并反反馈回去去与给定定信号相相比较。如果比比较有偏偏差，偏偏差信号号会继续续控制动动作装置置(器官官)动作作，直到到偏差信信号消失失为止。控制论的的发展经典控制制理论：单因素素，重点点是反馈馈控制现代控制制理论：多因素素，重点点是最优优控制大系统控控制理论论：大系系统，重重点是多多级递阶阶控制控制论的的基本概概念控制论对对系统工工程方法法论的启启示黑箱-灰箱-白箱法黑箱灰箱白箱黑箱方法法是指在在不打开开黑箱的的前提下下，利用用外部观观测、试试验，通通过输入入、输出出信息，来研究究对象的的功能和和特性，探索其其内部结结构和机机理的科科学方法法。确认

11、黑箱箱观察黑箱箱阐明黑箱箱验证黑箱箱一无所知知略知一二二一清二楚楚功能模拟拟法形式化、数量化化、最优优化方法法信息论In his words I just wondered how things were put together.Claude Elwood Shannon (April 30, 1916 - February 24, 2001) has been called the father of information theory. 对信息量量的认识识理解分析问题题的认识识过程：对一问题题毫无了了解，对对它的认认识是不不确定的的；通过各种种途径获获得信息息，逐渐渐消除不不确定性性；

12、对这一问问题非常常的了解解，不确确定性很很小获取信息息的过程程是一个个是由未未知到已已知的过过程，或或者说由由不确定定到确定定的过程程。因此此信息可可以看作作是消除除了不确确定性。用消除不确定性的多少来度量信息！ 黑箱不确定度A灰箱不确定度B白箱不确定度C信息I信息II对信息量量的认识识理解衡量信息息多少的的物理量量称为信信息量。信息量的的大小与与消息所所描述事事件的出出现概率率有关。若概率很很小，受受信者感感觉很突突然，该该消息所所含信息息量就很很大；若概率很很大，受受信者事事先已有有所估计计，则该该消息信信息量就就越小；若受信者者收到完完全确定定的消息息，则没没有信息息量。当你要到到大会堂

13、堂（20排）去去找某一一个人时时，甲告告诉你一一条消息息：此人人坐在前前十排；乙告诉诉你一条条消息：此人坐坐在第十十五排。问谁提提供的信信息量大大？某人在哪哪？甲：把会会堂分为为前后两两部分，告诉你你某人在在前半部部分。两两种可能能，概率率为：0.5。乙：把会会堂分为为20排排，告诉诉你某人人在那15排。20种种可能，概率均均为：1/20。信息量的的计算某人只能能坐第1排（概概率0.1），第2排排（概率率0.1），第第5排（概率0.3），第10排（概率0.5）。甲告告诉你在在第10排，乙乙告诉你你在第6排。信息量的的计算那么，完完全知道道某人在在那里的的话，所所需信息息量是多多少？一消息由由0

14、、1、2、3四种符号号组成，各符号号出现概概率分别别为3/8，1/4，1/4和1/8。消息总总长57个符号，其中0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次。用上上述二种种方法求求该消息息的信息息量。现代电子子计算机机之父冯冯诺伊伊曼：“阐明复复杂性和和复杂化化概念应应当是20世纪纪科学的的任务，就像19世纪纪的熵和和能量概概念一样样。”信息论及及其方法法论的启启示类比方法法和统计计方法信息方法法用信息概概念作为为分析处处理问题题的基础础，抛开开研究对对象的具具体结构构和运动动形态，把系统统有目的的的运动动抽象为为一个信信息变换换过程。信息 输入入 存存储处处理 输出出 信信息反馈馈运

15、筹学关于决策策的科学学，系统统工程的的基础理理论与数数学工具具田忌赛马马系统工程战略部署克敌制胜！运筹学战术安排运筹学主主要分支支线性规划划动态规划划排队论对策论存储论“新三论论”耗散结构构理论普普利利高津协同论哈哈肯突变论勒勒内托托姆20世世纪六七七十年代代,出现现了所谓谓的自组组织理论论,它是是在一般般系统论论和控制制论的基基础上形形成的理理论。自组织理理论的研研究指出出:系统统存在和和生存有有赖于系系统本身身复制其其行为和和组织的的能力,这是自自组织理理论的最最基本的的观点,从而催催生出了了极其丰丰富的成成果。这一理论论强调了了系统在在自组织织过程中中对自身身结构和和行为的的创新,只有开

16、开放系统统,才可可能有自自身组织织和行为为的创新新,并且且是在远远离平衡衡状态下下通过不不断的能能量、物物质和信信息的流流通来进进行;同同时,该该理论也也指出了了自组织织系统的的各部分分之间是是一种非非线性关关系,一一般用非非线性方方程来描描述的。它的研研究对象象主要是是复杂自自组织系系统（生生命系统统、社会会系统）的形成成和发展展机制问问题，即即在一定定条件下下，系统统是如何何自动地地由无序序走向有有序，由由低级有有序走向向高级有有序的。耗散结构构理论、协同论论和突变变论就是是自组织织理论的的的代表表。“新三论论”的启启示社会经济济系统虽虽然出现现了一些些物理化化学规律律，但从从根本上上看有许许多超出出规律的的规律社会经济济系统从从低级向向高级转转变必定定依赖于于开放、内部协协同的条条