2章 系统工程理论

系统工程导论

（Introduction

to

SystemsEngineering,ISE）

第二章系统工程理论

Chapter2SystemsEngineering

Theory

同济大学机械工程学院周炳海博士教授

bhzhou@2022年10月19日第1页第二章系系统工工程理论论

系统科学学的学科科体系(DisciplinaryArchitectureofSystemsScience)系统工程程的理论论基础(TheoreticalFoundationofSystemsEngineering)系统工程程理论的的新发展展(NewDevelopmentofSystemsEngineering)主要内容容(Contents))2020-02-0922.1系统科学学的学科科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代科学学技术的体系结结构，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：：首先是工程技术术这一层次次(EngineeringTechnology)然后是直直接为工工程技术术提供理理论基础础的技术科学学这一层次次(TechnologicalSciences))再就是基础科学学这一层次次(FundamentalSciences))最后通过过进一步步综合、、提炼达达到最高高概括的马克思主主义哲学学(MarxistPhilosophy)现代科学学技术(Modernscienceandtechnology)马克思主义哲学自然科学数学社会科学工程技术技术科学现代科学技术体系2020-02-093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。。认为系统科学学是由系统工程程这类工工程技术术，系统工程程的理论论方法（像运筹筹学、大大系统理理论等））这一类类技术科科学（统统称为系系统学）），以及及它们的的理论基基础和哲哲学层面面的科学学所组成成的一类类新兴科科学。2.1系统科学学的学科科体系现代科学学技术(Modernscienceandtechnology))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自动化技技术通信技术（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系统科学学的体系系2020-02-094系统学主主要研究究内容:系统的普普遍属性性和运动动规律，，系统演化化、转化化、协同同和控制制的一般般规律，，系统间复复杂关系系的形成成法则、、结构和和功能的的关系、、有序、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。。系统工程程是从实实践中产产生的，，它用系系统的思思想与定定量和定定性相结结合的系系统方法法处理大大型复杂杂系统的的问题，，它是一一门交叉叉学科。2.1系统科学学的学科科体系系统学(Systematic)Systemsengineeringgeneratesfrompractice,itusesthesystem''sthinkingandquantitativeandqualitativesystemsapproachtodealwiththeproblemoflargecomplexsystems,,itisacross--disciplinary.2020-02-095系统工程程是：把自然科科学和社社会科学学的某些些思想、、理论、、方法、、策略和和手段等等根据总总体协调调的需要要，有机机地联系系起来；；(Someideas,theories,methods,strategiesandmeansofthenaturalsciencesandsocialsciencesareorganicallylinkedaccordingtotheneedforoverallcoordination;;)把人们的的生产、、科研、、经济和和社会活活动有效效地组织织起来；；应用定量量和定性性分析相相结合的的方法和和计算机机等技术术工具，，对系统统的构成成要素、、组织结结构、信信息交换换和反馈馈控制等等功能进进行分析析、设计计、制造造和服务务，从而而达到最最优设计计、最优优控制和和最优管管理的目目的，以以便最充充分地发发挥人力力、物力力和信息息的潜力力，通过过各种组组织管理理技术，，使局部部和整体体之间的的关系协协调配合合，以实实现系统统的综合合最优化化。2.1系统科学学的学科科体系系统工程程(SystemsEngineering)2020-02-096系统工程程是一门门工程技技术，但但它与机机械工程程、电子子工程、、水利工工程等其其它工程程学的某某些性质质不尽相相同。上上述各门门工程学学都有其其特定的的工程物物质对象象，而系系统工程程则不然然，任何一种种物质系系统都能能成为它它的研究究对象，，而且还还不只限限于物质质系统(Anyphysicalsystemscanbetheirobjectofstudy,butnotlimitedtothe

physicalsystems)，它可以以包括自自然系统统、社会会经济系系统、经经营管理理系统、、军事指指挥系统统等等。。由于系系统工程程处理的的对象可可以是信信息，所所以系统统工程也也是一门门“软科科学”。。系统工程程在自然然科学与与社会科科学之间间架设了了一座沟沟通桥梁梁。现代代数学方方法和计计算机技技术，通通过系统统工程，，为社会会科学研研究增加加了极为为有用的的定量方方法、模模型方法法、模拟拟实验方方法和优优化方法法。系统统工程为为从事自自然科学学的工程程技术人人员和从从事社会会科学的的研究人人员的相相互合作作开辟了了广阔的的道路。。2.1系统科学学的学科科体系系统工程程(SystemsEngineering)2020-02-097“老三论论”：系统论(SystemTheory)信息论(InformationTheory)控制论(Cybernetics)“新三论论”：耗散结构构理论(DissipativeStructureTheory)突变论(CatastropheTheory)协同论(synergetic s)系统科学学的分类类(ClassificationofSystemsScience)2.1系统科学学的学科科体系2020-02-098控制论的的产生与与发展：1947年由美美国人维维纳（NorbertWiener）创立的控制论（Cybernetics）是一门研研究系统统的控制制的学科科。维纳纳于1948年年出版了了《控制制论》一一书，他他对控制制论的定定义是：：“关于动物物和机器器中控制制和通信信的科学学。”(Theanimalandmachine

controlandcommunicationsscience)2.2系统工程程的理论论基础控制论(Cybernetics)Cyberneticsistheinterdisciplinarystudyofthestructureofregulatorysystems.Cyberneticsiscloselyrelatedtocontroltheoryandsystemstheory.Bothinitsoriginsandinitsevolutioninthesecond-halfofthe20thcentury,,cyberneticsisequallyapplicabletophysicalandsocial(thatis,language-based)systems.2020-02-099控制论的的发展已已大致经经历了三个时期期。从20世纪40年代代末到50年代代是第一一个时期期，即经典控制制理论时时期。在这一一时期，，主要的的研究对对象是单单因素控控制系统统，重点点是反馈馈控制，，借以实实现的工工具是各各种各样样的自动动调节器器、伺服服机构及及其有关关的电子子设备，，着重解解决单机机自动化化和局部部自动化化问题。。控制论发发展的第第二个时时期为60年代代，即现代控制制理论时时期。这一时时期，控控制论的的主要研研究对象象就成了了多因素素控制系系统，研研究重点点是“最最优控制制”，研研究借助助的工具具是电子子计算机机。2.2系统工程程的理论论基础控制论(Cybernetics)2020-02-0910控制系统统:控制系统统由施控控器、受受控器和和控制作作用的传传递者三三者组成成，形成成一个整整体的控控制功能能和行为为，但这这又是相相对于某某种环境境而言。。因而可可以把施施控器、、受控器器和控制制作用的的传递者者三个部部分所组组成的、、相对于于某种环环境而具具有控制制功能与与行为的的系统，，称为控控制系统统。2.2系统工程程的理论论基础控制论(Cybernetics)进入70年代以以后，是是大系统控控制理论论时期。在这一一时期，，主要研研究对象象是因素素众多的的大系统统，重点点是大系系统多级级递阶控控制，借借助的工工具是电电子计算算机联机机和智能能机器，，应用领领域主要要为社会会系统、、经济系系统、生生态系统统、管理理系统、、环境系系统等。。2020-02-0911控制论对对系统工工程方法法论的启示：黑箱—灰灰箱—白白箱法功能模拟拟法形式化、、数量化化、最优优化方法法控制理论论分支与与系统研研究各方方面的对对应关系系：控制论分分支与系系统工程程研究的的分类表表结构方面行为方面反馈性能能控性、能观性可靠性大系统理论稳定性最优化滤波、随机控制鲁棒性自适应、自组织、自学习人工智能和模式识别2.2系统工程程的理论论基础控制论(Cybernetics)2020-02-0912信息论于于本世纪纪40年年代末产产生，其其主要创创立者是是美国的的数学家家申农（（C.E..Shannon）和维纳。。2.2系统工程程的理论论基础信息论(Informationtheory)Informationtheoryisabranchofappliedmathematicsandelectricalengineeringinvolvingthequantificationofinformation.InformationtheorywasdevelopedbyClaudeE.Shannontofindfundamentallimitsonsignalprocessingoperationssuchascompressingdataandonreliablystoringandcommunicatingdata.Sinceitsinceptionithasbroadenedtofindapplicationsinmanyotherareas,includingstatisticalinference,natuallangualgeprocessing,cryptographygenerally,,networksotherthancommunicationnetworks——asinneurobiology,theevolutionandfunctionofmolecularcodes,modelselectioninecology,,thermalphysics,quantumcomputing,plagiarismdetectionandotherformsofdataanalysis.2020-02-0913人们根据据不同的的研究内内容，把把信息论论分成三三种不同同的类型型。

狭义信息息论：即申农农信息论论。主要研究究消息的的信息量量、信道道（传输输消息的的通道））容量以以及消息息的编码码问题。

一般信息息论：主要研究究通讯问问题，但但还包括括噪声理理论、信信号滤波波与预测测、调制制、信息息处理等等问题。广义信息息论：不仅包包括前两两项的研研究内容容，而且且包括所所有与信信息有关关的领域域。2.2系统工程程的理论论基础信息论(Informationtheory)2020-02-0914信息论研研究运用用了类比比方法和和统计方方法①信息息论运用用了科学学抽象和和类比方方法，将消息、、信号、、情报等等不同领领域中的的具体概概念，进进行类比比，抽象象出了信信息概念念和信息息论模型型。②针对信息息的随机机性特点点，运用用统计数数学（概概率论与与随机过过程），，解决了了信息量量问题，，并扩展展了信息息概念，，充实了了语义信信息、有有效信息息、主观观信息、、相对信信息、模模糊信息息等方面面的内容容。2.2系统工程程的理论论基础信息论(Informationtheory)2020-02-0915Systemstheoryisthetransdisciplinarystudyofsystems

ingeneral,,withthegoalofelucidatingprinciplesthatcanbeappliedtoalltypesofsystemsinallfieldsofresearch..Thetermdoesnotyethaveawell-established,precisemeaning,butsystemstheorycanreasonablybeconsideredaspecializationofsystemsthinkingandageneralizationofsystemsscience.ThetermoriginatesfromBertalanffy'sGeneralSystemTheory(GST)andisusedinlatereffortsinotherfields,suchasthestructuralfunctionalistsociologyofTalcottParsons

andNiklasLuhmann.SystemTheory2.2TheoreticalFoundationofSystemsEngineering2020-02-0916一般系统统论产生生过程实验科学学时代的的还原论论生物学中中机械论论与活力力论之争争一般系统统论的产产生一般系统统论的基基本观点点系统的整整体性(Theintegrityof

thesystem))系统的开开放性(Theopennessofthesystem)系统的动动态相关关性(DynamicCorrelation)系统的多多级递阶阶性(Multi--levelHierarchicalnature))系统的有有序性(Orderlinessofthesystem)2.2系统工程程的理论论基础一般系统统论(Generalsystemtheory)美籍奥地地利理论论生物学学家贝塔塔朗菲(LudwigvonBertalanffy)创立。““生物机机体论””。与哲哲学上的的有机主主义相通通。“万物皆皆出于机机而入于于机”－－《庄子子•至乐乐》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。一般系统统论的任任务是要找到到不同系系统，不不同学科科之间的的共同语语言和术术语。一一般系统统论可以以理解为为关于任任意系统统研究的的一种一一般的理理论与方方法论。。2020-02-0917系统方法法论告诉诉我们要要以系统统的观点点去看整整个世界界，不能能片面、、孤立地地看问题题(Systemmethodologytellsustolookatthesystem'spointofviewoftheworld,,notone--sidedlookatproblemsinisolation)。系统方方法论主主张以思思辨原则则代替实实验原则则，不能能机械地地看问题题，尤其其是在处处理复杂杂、有机机程度高高的系统统时，这这一点显显得尤为为重要。。系统方法法论主张张以整体体论代替替还原论论。对事物物的层层层剖析，，弱化事事物各部部分间的的联系，，认为整整体是部部分的简简单加和和，这种种思想不不利于从从总体把把握事物物，对事事物的整整体功效效认识不不清。系系统方法法论启示示我们以以目的论论代替因因果论。。异因可可以同果果，为达达到一定定目的，，可采取取不同方方式。人人类经济济社会不不是偶然然事件的的产物，，而是有有目的性性的复杂杂系统，，研究问问题的出出发点是是认识其其目的、、服务于于目的。。系统方法法论的启启示2.2系统工程程的理论论基础2020-02-0918笛卡尔科科学方法法论(Cartesianscientificmethodology)理性主义四大格言言(Fourmaximsrationalism)：不要接纳任何事物物，除非非已经透彻彻了解以致致排除了了所有可可怀疑的地方；；(Donotacceptanythingunlessithasbeenunderstoodthoroughlyandruledoutallsuspectedareas)把一个困难难的问题分解成一一些可以以解決的的较小问题题；(adifficultproblemisdividedintosmallerproblemsthatcanbesolved)先解決那那些最简单、最清楚楚的问题，一一理理解后，再逐步步升高层次，探讨复合合的事物；(First,themostsimpleandclearproblemsaresolved,afterunderstood,complexthingsaregraduallyresearched)最后，缜密的审视和检验有无遗漏的事项。(Finally,checkwhetherthemattersareomittedwithcarefulexaminationandtesting))2020-02-09192.2系统工程程的理论论基础耗散结构构理论（（DissipativeStructureTheory）比利时当当代物理理学家和和化学家家普里高津津（I.Prigoging）指出：一一个开放放体系在在远离平平衡态的的非线性性区域时时，一旦旦体系的的某一个个参量达达到一定定的阈值值后，通通过涨落落的放大大可以使使体系发发生突变变，从无无序走向向有序，，产生自组组织现象象-----耗散结构构开放系统统的熵（Entropy）变化：dS=diS+deSdiS:系统內部entropy的变化(恒为正)deS:系统与外界能量量交换的entropy变化(可为正或負)「Entropy增加原理理」只適適用在孤立系统统真实系统均为开放性系统到处都是耗散散系统耗散系统呈現远离平衡状态那么“耗耗散结构构理论””到底为为我们解解决了什什么问题题呢？我我们知道道：自然然科学研研究的对对象有三三个领域域：一个是至至小无内内的基本本粒子领领域；一个是至至大无外外的天体体宇宙；另一个就就是我们们人类生生活的、、介乎二二者之间间的物质质世界。在这个个世界里里，随时时随地都都在发生生着十分分复杂的的变化：：人和动动物在出出生、成成长、衰衰老、死死亡；植植物在出出苗、开开花、结结果、枯枯萎………随着时时间的流流逝，自自然界在在发生着着丰富多多彩却一一去不复复返的变变化。2020-02-0920A

dissipativesystemisathermodynamicallyopensystemwhichisoperatingoutof,andoftenfarfrom,,thermodynamicequilibriuminanenvironmentwithwhichitexchangesenergyandmatter.Adissipativestructureisadissipativesystemthathasadynamicalregimethatisinsomesenseinareproduciblesteadystate.Thisreproduciblesteadystatemaybereachedbynaturalevolutionofthesystem,orbyhumanartifice,orbyacombinationofthesetwo..DissipativeStructureTheory2.2TheoreticalFoundationofSystemsEngineeringIfsomethingis((inawell-definedsense)nearthermalequilibrium,,onecanshowthatitsbehaviorisgovernedbylineardifferentialequations((hencethename""linearthermodynamics"fortheappropriatebodyoftheory),,andthatlefttoitselfitwillapproachequilibriumexponentially((hencethesomewhatmorecommonname""irreversiblethermodynamics")).Hereweareguided,,notbytheentropy,butby"entropyproduction,,"therateofincreaseinentropy.Since,oncewereachequilibrium,theentropycannotincrease(bydefinition),theentropyproductionatequilibriumiszero,andtheentropyproductionisalwaysdecreasing((the"principleofminimumentropyproduction"")2020-02-0921突变论(CatastropheTheory)的诞生，，以法国国数学家家勒内·托姆（Renethom1923—）于1972年发表的的《结构稳定定性和形形态发生生学》一书的问问世作为为标志。。突变理论论研究的的是从一种稳稳定组态态跃迁到到另一种种稳定组组态的现现象和规规律。它指出出自然界界或人类类社会中中任何一一种运动动状态，，都有稳稳定态和和非稳定定态之分分。在微微小的偶偶然扰动动因素作作用下，，仍然能能够保持持原来状状态的是是稳定态态；而一一旦受到到微扰就就迅速离离开原来来状态的的则是非非稳定态态，稳定定态与非非稳定态态相互交交错。非线性系系统从某某一个稳稳定态（（平衡态态）到另另一个稳稳定态的的转化，，是以突突变形式式发生的的。在自然界界和人类类社会活活动中，，除了渐渐变的和和连续光光滑的变变化现象象外，还还存在着着大量的的突然变变化和跃跃迁现象象，如岩岩石的破破裂、桥桥梁的崩崩塌、地地震、海海啸、细细胞的分分裂、生生物的变变异、人人的休克克、情绪绪的波动动、战争争、市场场变化、、企业倒倒闭、经经济危机机等。托姆将系系统内部部状态的的整体性性“突跃跃”称为为突变，，其特点是是过程连连续而结结果不连连续。突变理理论作为为研究系系统序演演化的有有力数学学工具，，能较好好地解说说和预测测自然界界和社会会上的突突然现象象，在数数学、物物理学、、化学、、生物学学、工程程技术、、社会科科学等方方面有着着广阔的的应用前前景。2.2系统工程程的理论论基础突变论（（CatastropheTheory）2020-02-0922Inmathematics,

catastrophetheoryisabranchofbifurcationtheoryinthestudyofdynamicalsystems;itisalsoaparticularspecialcaseofmoregeneralsingularitytheoryingeometry.Bifurcationtheorystudiesandclassifiesphenomenacharacterizedbysuddenshiftsinbehaviorarisingfromsmallchangesincircumstances,,analyzinghowthequalitativenatureofequationsolutionsdependsontheparametersthatappearintheequation.Thismayleadtosuddenanddramaticchanges,forexampletheunpredictabletimingandmagnitudeofalandslide.Catastrophetheory,,whichoriginatedwiththeworkoftheFrenchmathematicianRenééThominthe1960s,,andbecameverypopularduetotheeffortsofChristopherZeemaninthe1970s,,considersthespecialcasewherethelong-runstableequilibriumcanbeidentifiedwiththeminimumofasmooth,well-definedpotentialfunction((Lyapunovfunction).Smallchangesincertainparametersofanonlinearsystemcancauseequilibriatoappearordisappear,ortochangefromattractingtorepellingandviceversa,leadingtolargeandsuddenchangesofthebehaviourofthesystem.However,examinedinalargerparameterspace,,catastrophetheoryrevealsthatsuchbifurcationpointstendtooccuraspartofwell--definedqualitativegeometricalstructures.CatastropheTheory2.2TheoreticalFoundationofSystemsEngineering2020-02-09232.2系统工程程的理论论基础协同论（（Synergetics）协同学（（Synergetics）是物理学学家哈肯肯创立的的，形成成于70年代初。。它对非非远离平平衡态系系统实现现的系统统演化提提出了方方案。哈肯在研研究中发发现有序序结构的的出现不不一定要要远离平平衡，系系统内部部要素之之间协同同动作也也能够导导致系统统演化（（内因对对于系统统演化的的价值和和途径））。Synergetics(Haken)isaninterdisciplinaryscienceexplainingtheformationandself-organizationofpatternsandstructuresinopensystemsfarfromthermodynamicequilibrium.ItisfoundedbyHermannHaken,inspiredbythelasertheory..Self-organizationrequiresa'macroscopic'system,consistingofmanynonlinearlyinteractingsubsystems.Dependingontheexternalcontrolparameters((environment,energy--fluxes)self-organizationtakesplace.2020-02-0924他认识到到熵概念念的局限限性，提提出了序序参量的的概念。。序参量量是系统统通过各各要素的的协同作作用而形形成，同同时它又又支配着着各个子子系统的的行为。。序参量是是系统从从无序到到有序变变化发展展的主导导因素，它决定定着系统统的自组组织行为为。当系统处处于混乱乱的状态态时，其其序参量量为零；当系统统开始出出现有序序时，序序参量为为非零值值，并且且随着外外界条件件的改善善和系统统有序程程度的提提高而逐逐渐增大大，当接接近临界界点时，，序参量量急剧增增大，最最终在临临界域突突变到最最大值，，导致系系统不稳稳定而发发生突变变。序参参量的突突变意味味着宏观观新结构构出现。。耗散结构构理论、、协同学学都是研研究系统统演化的的理论，，都是试试图找到到一个能能对系统统结构的的自发形形成起支支配作用用的原理理。它们们从二个个不同的的方面，，互相补补充地说说明了系系统的演演化原理理。协同论（（Synergetics）2.2系统工程程的理论论基础2020-02-09251.社会经济济系统虽虽显现了了一些物物理化学学规律，，但从根根本上看看有许多多超出规规律的的规律。。(Althoughthesocialandeconomicsystemsshowanumberofphysicalandchemicallaws,thefundamentalpointofviewthelawbeyondthelawofmany))2.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、、内部协协同的条条件。(Socialandeconomicsystemtransformationfromjuniortoseniormustrelyontheopenandinternalcoordinationconditions)3.无论是渐渐变，还还是突变变都是有有规律是是可循的的，高度度简化下下，可以以定量地地描述、、预测市市场变化化。(Whetheritisgradual,orcatastrophicchangesaregularcanbefollowed.Underhighlysimplifiedconditions,itcanbeusedtodescribeandforecastchangesinthemarketquantitatively)“新三论论”的启启示2.2系统工程程的理论论基础2020-02-0926系统工程程作为一一门交叉叉学科，，日益向向多种学学科渗透透和交叉叉发展。。系统工工程的大大量实践践，运筹筹学、控控制论、、信息论论等学科科的迅速速发展，，以及其其它科学学技术部部门，特特别是物物理学、、数学、、理论生生物学、、系统生生态学、、数量经经济学、、定量社社会学等等，都有有了新的的发展和和突