第一章系统科学概述

第一章系统科学概述参考资料：汪应洛.系统工程(第4版).北京:机械工业出版社.2008.6钱学森.系统科学、思维科学和人体科学，自然杂志1981,(l)许国志.系统科学.上海：上海科技教育出版社.2000.9顾基发、唐锡晋.物理事理人理系统方法论--理论与应用,上海科技教育出版社,2006苗东升.系统科学精要.北京:中国人民大学出版社.1998.5孙东川.系统工程引论.清华大学出版社,2004周德群.系统工程概论[M].科学出版社,2005常绍舜.系统科学方法概论，中国政法大学出版社，2004.9学习网站：西安交通大学：国家级精品课程/国防科技大学：精品课程（最早在国内创立系统工程专业）/xtgcyl/主要内容：一、系统科学理论二、系统三、系统工程四、管理学与运筹学一、系统科学理论

系统科学是“老三论”和“新三论”的总称是现代自然科学、社会科学、思维科学发展综合的结果是现代科学研究共同的一般方法论它的技术基础是运筹学、控制论、信息论等，它的应用技术是系统工程。

系统科学理论“老三论”和“新三论”三个基本原理系统方法“三论”和“新三论”“三论”系统论控制论信息论“新三论”耗散结构理论协同论突变论返回系统论

一门逻辑和数学领域的科学目的是企图确定适用于普遍系统的一般原则研究一切客观现实系统共同的特征、本质、原理和规律一般系统论的起源系统论的观点起源于：20世纪20年代最早是美籍奥地利理论生物学家路·贝塔朗菲（L.Von.Bertalanffy）提出1945年《关于一般系统论》1952年发表“抗体系统论”1968年贝塔朗菲发表的专著：《一般系统理论基础、发展和应用》1973年提出了一般系统论原理系统论的内容系统是“由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体”。系统论认为世界上一切事物、现象和过程几乎都是有机整体，且又都自成系统、互为系统每个系统都是在与环境发生物质、能量、信息的交换中变化发展，并能保持动态稳定的开放系统系统内部及系统之间保持一种有序状态返回控制论

创始人维纳（WienerN）控制论是在机构、有机体和社会中的控制和通讯的科学。研究对象是控制系统以揭示不同系统的共同的控制规律为理论目的1948年诺伯特·维纳发表了著名的《控制论——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》

返回信息论

香农（美国数学家）创立1948年10月发表于《贝尔系统技术学报》上的论文《AMathematicalTheoryofCommunication》

狭义信息论是研究在通讯系统中普遍存在着的信息传递的共同规律、以及如何提高各信息传输系统的有效性和可靠性的一门通讯理论。广义信息论被理解为运用狭义信息论的观点来研究一切问题的理论。信息论的内容信息就是指消息中所包含的新内容与新知识信息的作用是减少和消除人们对于事物认识的不确定性信息是一切系统保持一定结构、实现其功能的基础信息论认为，系统正是通过获取、传递、加工与处理信息而实现其有目的的运动的。

返回老三论的侧重点：系统论是研究系统的模式、性能、行为和规律的一门科学。为人们认识各种系统的组成、结构、性能、行为和发展规律提供一般方法论的指导。人们研究和认识系统的目的之一就在于有效地控制和管理系统。控制论则为人们对系统的管理和控制提供了一般方法论的指导。为了正确地认识并有效地管理与控制系统，必须了解和掌握系统的各种信息的流动与交换，信息论为此提供了一般方法论的指导。耗散结构理论

由比利时物理学家普利高津1969年创建。开放系统在远离平衡态的情况下，在外界条件发生变化达到一定阈值时，会突然出现以新的方式组织起来的现象产生新的质变，从原来混饨无序的混乱状态，转变为在时空上或功能上的有序状态。普利高津把这种关于在远离平衡态情况下突变后形成的有序状态称耗散结构。耗散结构理论的意义在于它指出了化学、生态系统等许多复杂系统由无序转向有序的规律是一般的，沟通了生命系统与非生命系统之间的联系。事物要寻求发展，就得保持其系统是开放的，与外界有能量、物质、信息的交换。协同学

由原西德理论物理学家哈肯（Haken）1977年创立。协同学是一种研究各种不同系统在一定外部条件下，系统内部各子系统之间通过非线性相互作用产生协同效应，使系统从混饨无序状态向有序状态，从低级有序状态向高级有序状态，以及从有序状态向混饨状态转化的机理和共同规律的理论。协同学研究和揭示了在一定条件下，不同系统通过子系统间的协同作用与自组织，从无序向有序转变的共同规律和特征，因而在自然科学和社会科学领域有着比耗散结构理论有更广的适用领域和应用前景。突变论

是由法国数学家勒内·托姆（Rene·Thorn）于1972年创立的。突变论从量的角度研究各种事物的不连续变化问题，进行从量变到质变的研究。突变论以结构稳定性为基础，通过对系统稳定性的研究，说明系统的稳定与非稳定、渐变与突变的特征及其相互关系，揭示系统状态演变的内部因素与外界条件。其它相关术语

艾根：超循环理论

——

在循环系列中，每个单元既能自我复制，又能对下一个单元起催化作用。还原论：——主张把高级运动形式还原为低级运动形式的一种哲学观点。它认为现实生活中的每一种现象都可看成是更低级、更基本的现象的集合体或组成物，因而可以用低级运动形式的规律代替高级运动形式的规律。还原论派生出来的方法论手段就是对研究对象不断进行分析，恢复其最原始的状态，化复杂为简单。自组织——在系统实现空间、时间或功能的结构过程中，如果没有外界的特定干扰，仅是依靠系统内部的相互作用来达到，内部由无序变为有序，这种系统称之为自组织。

如：鱼鳞云

贝纳德花纹

非线性科学自然界和社会大量存在的是非线性问题和非线性作用，线性作用其实只不过是非线性作用在一定条件下的近似。线性相互作用不产生新的性质，非线性相互作用引起新的性质，使得无序到有序。

自然界和社会中的非线性作用：

如天体演化、星球运行、地震海啸、海潮起伏、化学振荡、生物繁衍、股票涨落……

非线性科学：以近代数学和计算机为主要工具，以各种非线性系统为研究对象，找出其基本规律的学科。

基本组成部分：

耗散结构理论、混沌理论、分形几何学等都是非线性科学的。

混沌

混沌（chaos）：混沌不是纯粹的无序、混乱、模糊，而是具有确定性的非线性系统。

自然界物质运动三种形式：1、严格确定性的运动2、彻底随机混乱的运动3、就是介于这两者之间的混沌运动，被严格限制在稳定范围之内的混乱运动。

在混沌运动中，初始条件有微小的改变，就可能引起后来的运动变得面目全非。蝴蝶效应

混沌现象的基本特点：气象学家洛伦兹研究大气流动时揭示出混沌现象的基本特点：

1、具有不可预言性

2、对初始条件的极端敏感依赖性“因小失大”逐级放大：钉子缺，蹄铁卸；蹄铁卸，战马蹶；战马蹶，骑士绝；骑士绝，战事折；战事折，国家灭。

蝴蝶效应：一只蝴蝶在巴西热带雨林中轻轻煽动它的翅膀，可能会引起美国德州上空的一场龙卷风。分形分形：部分以某种形式与整体相似的形状就叫做分形。分形的基本特征：

1、形态的不规则性；2、结构的精细性3、局部与整体的自相似性4、维数的非整数性系统科学理论的基本原理

反馈原理有序原理整体原理反馈原理

环境变化所产生的干扰信息作用于受控部分，引起输出信息的改变，反送到输入端时，称为反馈信息

环境变化受控部分A反馈部分前馈信息输出信息输入基准信息控制信息反馈信息有序原理

重视系统内各要素的合理组织重视系统的有序程度发挥系统可能的功能整体原理

整体大于各孤立部分的总和整体原理要求人们在研究问题时，要牢固树立全局、整体的观念，不仅要注意发挥系统中各部分的功能，更重要的是注意发挥各部分相互联系形成结构的功能

返回系统方法

系统方法的定义系统方法

是按事物本身的系统性把研究对象作为一个具有一定组织、结构和功能的整体来加以考察的一种方法根本目的是最优化1、系统思想的产生系统思想（systemthought）就其最基本的涵义来说，是关于事物的整体性观念、相互联系的观念、演化发展的观念。二、系统系统概念来源于古代人类社会实践经验：管子《地员篇》对农作与种子、地形、土壤、水分、肥料、季节、气候诸因素的关系的系统叙述。齐国名医篇鹊主张按病人气色、声音、形貌综合分析，用刮痧、针灸、汤液、按摩、熨贴多种疗法治病。周秦至西汉初年古代医学总集的《黄帝内经》，强调人体各器官的有机联系、生理现象和心理现象的联系、身体健康与自然环境的联系。（中医的系统思想）。战国时期秦国李冰父子设计修造了伟大的都江堰，包括“鱼咀”岷江分水工程、“飞沙堰”分洪排沙工程、“宝瓶口”引水工程三大主体工程和一百二十个附属渠堰工程，工程之间的联系处理得恰到好处，形成一个协调运转的工程总体。四川都江堰水利工程战国时期(公元前256年)秦国李冰父子设计修造了伟大的都江堰（历时14年），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。两千多年来，它一直发挥着防洪灌溉作用，使成都平原成为水旱从人、沃野千里的天府之国。都江堰，包括“鱼咀”岷江分水工程、“飞沙堰”分洪排沙工程、“宝瓶口”引水工程三大主体工程和一百二十个附属渠堰工程，工程之间的联系处理得恰到好处，形成一个协调运转的工程总体。鱼嘴分水工程

内江河床低而枯水季节六成引水，外江河床宽，则洪水季节六成泄洪。“飞沙堰”溢洪道

高出内江河床2.15米宝瓶口

玉垒山

离堆

离堆离堆

20米宽百米之宽系统思想的成熟与发展古代朴素的系统思想虽然强调对自然界整体性、统一性、相关性的认识，但是这种认识是非常肤浅的、片面的，与真正的系统思想、系统观念还有很大的距离。这是由于当时的生产力和科学技术还十分落后，人类改造世界的能力有限，规模也很小，自然对客观世界中的各种复杂的依赖关系、制约关系的认识就不够深刻、全面。

19世纪上半期，特别是进入20世纪以后，社会生产和科学技术得到了空前的发展。人类改造世界的规模越来越大，程度越来越深，随之而来的是，面临着越来越多的前所未有的问题。如：在人类的生产活动中，为什么有时候事半功倍，有时候却事倍功半？为什么有时候事与愿顺，有时候却事与愿违？为什么有时候局部和眼前的效果与总体的、长远的效果一致，而有时候却相反？为什么有时候一个优良的甚至是一般的局部可以组成一个优良的整体，而有时候却恰恰相反？…这些涉及面极广而又带有普遍意义的问题令人深思，人们认识到，只是在哲学层次上研究事物间互相联系、互相影响的规律是不够的，还必须以辩证唯物主义为指导，在一般科学的层次内，对事物互相影响的形式、互相影响的途径、以及这种影响所产生的后果进行精确的、定量的研究，也就是说必须从系统的角度来考察和研究整个世界。系统思想正是在这种历史背景下产生和发展起来的。

“系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合的具有特定功能的有机整体，而且这个系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。”

————钱学森2、系统的概念系统概念的要点：系统是由若干元素组成的；这些元素相互作用、相互依赖；由于元素间的相互作用，使系统作为一个整体具有特定的功能。

一个系统S可以通过系统的组成元素C（Cell）、关系（结构）R（Relation）、功能F（Function）和环境E（Environment）这四类参数来进行描述，即

S={C，R，F，E}3、系统的特性系统的特性主要表现为系统的整体性、相关性、目的性和环境适应性。系统的各要素之间存在一定的组合方式，各要素之间是相互统一和协调的，系统整体的功能不是各组成要素功能的简单迭加，而是呈现出各组成要素所没有的新的功能，并且一般来说，系统的整体功能大于各组成要素的功能总和。

用公式表示即：

F＞

∑Fi式中：F是系统的整体功能；

Fi是系统第i个要素的功能（

i=1，2，3，

…，

n）。

整体性系统整体功能大于其组成要素功能的总和，这不仅是在量的方面，更着重于质的方面。例如，一些零部件只有组装成一台机器，组成一个机器系统，才能充分发挥其功能，而单独的一个零件、一个螺丝钉是没有机器的属性，是不具备机器的功能的。

1＋1≠2？“三个臭皮匠，赛过一个诸葛亮”“三个和尚没水吃”为了提高系统的整体功能，增强系统的整体效应，必须作到：

1、一切从整体出发。

2、各要素的结合要保持合理，注意从提高整体功能的角度去提高和协调要素的功能。

各要素是相互联系、相互作用、相互依存、又相互制约的。系统中每个要素的存在都依赖于其它要素的存在，系统中任一要素的变化都将引起其它要素的变化乃至整个系统的变化。

相关性例如：广州市的交通系统包括：交通管制系统，交通网、运输工具、信号控制等要素在这个系统中是相互关联的，通过它们之间的协调关系，使交通网上的运输工具有条不紊地运行。如果各个要素各自为政，那么它们就不能组成相互协调的系统，势必会造成交通的紊乱。

因此，必须努力建立起系统各要素之间的合理关系，以消除相互间的盲目联系和无效行动。任何一个系统都有它的目的，否则，也就失去了这个系统存在的价值和意义。如：人体的呼吸系统、消化系统汽车的发动机系统、电气系统目的性例如企业的经营目的，就是以最少的资源消耗去取得最大的经济效益。运输系统的目的，就是为国民经济的发展提供运输服务。运输系统中各运输子系统的目的，就是为运输大系统的总目的服务。

任何一个系统都存在于一定的物质环境中，环境的变化对系统的变化有很大的影响，同时，系统的作用也会引起环境的变化。两者相互影响作用的结果，就有可能使系统改变或失去原有的功能。一个好的系统，必须不断地与外部环境产生物质的、能量的和信息的交换，才能适应外部环境的变化，这就是环境适应性。

环境适应性例如：一个港口，如果能够经常了解同类港口和有关行业的动向，了解国家、用户和外贸的客货运要求，了解港口所处地区的工农业的发展状况、生产力的布局、产品的结构等等外部环境信息，并且能够根据这些外部信息及时调整港口的战略决策，那么，这个港口系统就有很好的环境适应性，就是一个理想的系统。否则，就是一个没有生命力的系统，就不能很好地完成系统的目的。实例：例1—1：城市交通综合系统

城市交通综合系统是一个庞大的动态系统，它本身的状态是随时间变化而变化的。其结构如图1—1所示：

图

1—1城市交通综合系统结构图城市交通综合系统

交通环境条件道路交通条件路段交通系统路口交通系统交通设施系统行人交通系统公共交通系统交通管理系统公共场所分布居民住宅分布公交站点分布停车场分布企事业单位分布第三产业网点分布从结构图可以看出，城市交通系统具有以下四个特性：⑴整体性

城市交通系统是由人、车、道路、设施、管理、环境等许多子系统组成的综合性整体，各子系统从属于这个整体，而整个城市交通系统又是更庞大的城市系统中的子系统。⑵相关性

城市交通系统内部各子系统、各子系统要素之间是有机联系、相互依存又相互作用的。⑶目的性

城市交通系统具有特定的目的。这就是：为人们从事各种活动提供必要的物质条件和空间活动条件，并达到安全、快速、高效、舒适的目的。⑷环境适应性

城市交通系统处于社会环境之中，受周围环境的影响和制约，并与周围环境相协调。4、系统分类1．自然系统和人造系统：自然系统是由自然物为要素形成的系统。如森林系统、人类系统、海洋系统、大气系统等等。组成要素是由人类制造、加工的系统叫做人工系统。如运输系统、经济系统、工程技术系统、经营管理系统等。

2．实体系统和概念系统：实体系统是以矿物、生物等实体组成的系统，其要素是具有实体的物质；概念系统是由概念、原理、原则、方法、制度等观念性的东西组成的，如科技体制、教育体系、法律系统等。3．封闭系统和开放系统：封闭系统与外界环境不发生任何形式的交换。开放系统与环境有相互关系，能从环境得到输入，并向环境输出。

4．静态系统和动态系统：这是以系统的形态是否随时间变化为标准来进行分类的。动态系统，是随时间而发生变化的系统。三、系统工程“系统工程是组织管理‘系统’的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有‘系统’都具有普遍意义的科学”，“系统工程是一门组织管理的技术”。

————钱学森

系统工程在自然科学与社会科学之间架设了一座沟通的桥梁。现代数学方法和计算机技术，通过系统工程，为社会科学研究提供了极为有用的定量方法——模型方法、模拟实验方法和优化方法。系统工程的应用我国古代的都江堰水利工程；二次大战中英美在反空袭、反潜艇、商船护航、布置水雷等；1940年美国的原子弹计划：该计划领导人奥本海默只用了3年半时间，组织了1.5万多名科技人员，12万生产人员；美国兰德公司的工作：实验性环球空间飞行器的初步设计；阿波罗登月计划于1969年成功，美国人称这是系统工程的辉煌顶点。资金240亿美元，科技人员42万，遍布美国的2万多个工厂分工承担。系统工程基础理论与技术

(1)运筹学诸学科分支，常用者如下：

①线性规划(LinearProgramming)②整数规划(IntegerProgramming)③非线性规划(Non-LinearProgramming)④目标规划(GoalProgramming)⑤动态规划(DynamicProgramming)⑥图论及网络分析(GraphTheory&NetworkAnalysis)⑦排队论(QueuingTheory)⑧存贮论(Inventorytheory)⑨决策论(DecisionTheory)⑩对策论(GameTheory)（2）现代应用数学若干学科分支，往往与研究随机现象及模糊现象相关，如：①可靠性理论(ReliabilityTheory)②模糊数学(FuzzyLogic)③灰色系统理论(GreySystemTheory)(3)与计算机技术密切结合的交又学科分支。如：①系统模拟(SystemSimulation)②系统动态学(SystemDynamics)③人工智能学(ArtificialIntelligence)④决策支持系统(DecisionSupportSystem)⑤管理信息系统(ManagementInformationSystem)⑥计算机辅助设计(Computer-AidedDesign)需要说明的是：①除上述各学科的分支以外，有些更为基础性的应用数学或计算分支，如概率论与数理统计、随机过程、数值方法等，虽然它们应用亦十分广泛，但未一一列入。②正在发展形成的系统论、信息论与控制论是更为宏观的，有普遍指导意义的现代科学理论，亦未列入上述范围。四、管理学与运筹学1、管理学管理学的基本概念——通过计划、组织、控制、激励和领导等环节来协调人力、物力和财力资源，以期更好地达到组织目标的过程。系统工程是管理学的方法