第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@2023年1月31日第1页第二章系统工程理论

系统科学的学科体系(DisciplinaryArchitectureofSystemsScience

)

系统工程的理论基础(TheoreticalFoundationofSystemsEngineering

)系统工程理论的新发展(NewDevelopmentofSystemsEngineering

)主要内容(Contents)2023年1月31日22.1系统科学的学科体系我国著名科学家钱学森提出了一个清晰的现代科学技术的体系结构，认为从应用实践到基础理论，现代科学技术可以分为四个层次：首先是工程技术这一层次(EngineeringTechnology)然后是直接为工程技术提供理论基础的

技术科学这一层次(TechnologicalSciences)再就是基础科学这一层次(FundamentalSciences)最后通过进一步综合、提炼达到最高概括的马克思主义哲学(MarxistPhilosophy

)现代科学技术(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2023年1月31日3在此基础上他又进一步提出了一个系统科学的体系结构。认为系统科学是由系统工程这类工程技术，系统工程的理论方法（像运筹学、大系统理论等）这一类技术科学（统称为系统学），以及它们的理论基础和哲学层面的科学所组成的一类新兴科学。2.1系统科学的学科体系现代科学技术(Modernscienceandtechnology)马克思主义哲学社会科学数学科学数学突变论自然科学基础科学物理学生物学其它技术科学系统学运筹学巨系统理论控制论信息论各门系统工程自动化技术通信技术（系统观）系统科学人体科学思维科学哲学基础科学技术科学工程技术系统科学的体系2023年1月31日4系统学主要研究内容:系统的普遍属性和运动规律，系统演化、转化、协同和控制的一般规律，系统间复杂关系的形成法则、结构和功能的关系、有序、无序状态的形成规律以及系统仿真的基本原理等。随着科学的发展，它的内容也不断在丰富。由于其尚属于起步阶段，还不够成熟，因而学者们对系统科学的学科体系的认识仍有较大差异。系统工程是从实践中产生的，它用系统的思想与定量和定性相结合的系统方法处理大型复杂系统的问题，它是一门交叉学科。2.1系统科学的学科体系系统学(Systematic)Systemsengineeringgeneratesfrompractice,itusesthesystem'sthinkingandquantitativeandqualitativesystemsapproachtodealwiththeproblemoflargecomplexsystems,itisacross-disciplinary.2023年1月31日5系统工程是：把自然科学和社会科学的某些思想、理论、方法、策略和手段等根据总体协调的需要，有机地联系起来；(Someideas,theories,methods,strategiesandmeansofthenaturalsciencesandsocialsciencesareorganicallylinkedaccordingtotheneedforoverallcoordination;)把人们的生产、科研、经济和社会活动有效地组织起来；应用定量和定性分析相结合的方法和计算机等技术工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目的，以便最充分地发挥人力、物力和信息的潜力，通过各种组织管理技术，使局部和整体之间的关系协调配合，以实现系统的综合最优化。2.1系统科学的学科体系系统工程(SystemsEngineering)2023年1月31日6系统工程是一门工程技术，但它与机械工程、电子工程、水利工程等其它工程学的某些性质不尽相同。上述各门工程学都有其特定的工程物质对象，而系统工程则不然，任何一种物质系统都能成为它的研究对象，而且还不只限于物质系统(Anyphysicalsystems

can

betheir

objectofstudy,but

notlimitedtothe

physicalsystems

)，它可以包括自然系统、社会经济系统、经营管理系统、军事指挥系统等等。由于系统工程处理的对象可以是信息，所以系统工程也是一门“软科学”。系统工程在自然科学与社会科学之间架设了一座沟通桥梁。现代数学方法和计算机技术，通过系统工程，为社会科学研究增加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。系统工程为从事自然科学的工程技术人员和从事社会科学的研究人员的相互合作开辟了广阔的道路。2.1系统科学的学科体系系统工程(SystemsEngineering)2023年1月31日7“老三论”

：系统论(SystemTheory

)信息论(InformationTheory

)控制论(Cybernetics

)“新三论”：耗散结构理论(DissipativeStructureTheory)突变论(CatastropheTheory)协同论(synergetic s)系统科学的分类(Classificationof

SystemsScience

)2.1系统科学的学科体系2023年1月31日8控制论的产生与发展：

1947年由美国人维纳（NorbertWiener）创立的控制论（Cybernetics）是一门研究系统的控制的学科。维纳于1948年出版了《控制论》一书，他对控制论的定义是：“关于动物和机器中控制和通信的科学。”(The

animaland

machine

controlandcommunicationsscience

)2.2系统工程的理论基础控制论(Cybernetics)Cybernetics

isthe

interdisciplinary

studyofthe

structure

of

regulatorysystems.Cyberneticsiscloselyrelatedto

controltheory

and

systemstheory.Bothinitsoriginsandinitsevolutioninthesecond-halfofthe20thcentury,cyberneticsisequallyapplicabletophysicalandsocial(thatis,language-based)systems.2023年1月31日9

控制论的发展已大致经历了三个时期。从20世纪40年代末到50年代是第一个时期，即经典控制理论时期。在这一时期，主要的研究对象是单因素控制系统，重点是反馈控制，借以实现的工具是各种各样的自动调节器、伺服机构及其有关的电子设备，着重解决单机自动化和局部自动化问题。控制论发展的第二个时期为60年代，即现代控制理论时期。这一时期，控制论的主要研究对象就成了多因素控制系统，研究重点是“最优控制”，研究借助的工具是电子计算机。2.2系统工程的理论基础控制论(Cybernetics)2023年1月31日10

控制系统:控制系统由施控器、受控器和控制作用的传递者三者组成，形成一个整体的控制功能和行为，但这又是相对于某种环境而言。因而可以把施控器、受控器和控制作用的传递者三个部分所组成的、相对于某种环境而具有控制功能与行为的系统，称为控制系统。2.2系统工程的理论基础控制论(Cybernetics)进入70年代以后，是大系统控制理论时期。在这一时期，主要研究对象是因素众多的大系统，重点是大系统多级递阶控制，借助的工具是电子计算机联机和智能机器，应用领域主要为社会系统、经济系统、生态系统、管理系统、环境系统等。2023年1月31日11控制论对系统工程方法论的启示：

黑箱—灰箱—白箱法功能模拟法形式化、数量化、最优化方法控制理论分支与系统研究各方面的对应关系：控制论分支与系统工程研究的分类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系统工程的理论基础控制论(Cybernetics)2023年1月31日12

信息论于本世纪40年代末产生，其主要创立者是美国的数学家申农（C.E.Shannon）和维纳。2.2系统工程的理论基础信息论(Informationtheory)Informationtheoryisabranchofappliedmathematicsandelectricalengineeringinvolvingthequantificationofinformation.InformationtheorywasdevelopedbyClaudeE.Shannontofindfundamentallimitsonsignalprocessingoperationssuchascompressingdataandonreliablystoringandcommunicatingdata.Sinceitsinceptionithasbroadenedtofindapplicationsinmanyotherareas,includingstatisticalinference,natuallangualgeprocessing,cryptographygenerally,networksotherthancommunicationnetworks—asin

neurobiology,theevolutionandfunctionofmolecularcodes,modelselectioninecology,thermalphysics,quantumcomputing,plagiarismdetectionandotherformsofdataanalysis.2023年1月31日13人们根据不同的研究内容，把信息论分成三种不同的类型。

狭义信息论：即申农信息论。主要研究消息的信息量、信道（传输消息的通道）容量以及消息的编码问题。

一般信息论：主要研究通讯问题，但还包括噪声理论、信号滤波与预测、调制、信息处理等问题。

广义信息论：不仅包括前两项的研究内容，而且包括所有与信息有关的领域。2.2系统工程的理论基础信息论(Informationtheory)2023年1月31日14信息论研究运用了类比方法和统计方法

①信息论运用了科学抽象和类比方法，将消息、信号、情报等不同领域中的具体概念，进行类比，抽象出了信息概念和信息论模型。

②针对信息的随机性特点，运用统计数学（概率论与随机过程），解决了信息量问题，并扩展了信息概念，充实了语义信息、有效信息、主观信息、相对信息、模糊信息等方面的内容。2.2系统工程的理论基础信息论(Informationtheory)2023年1月31日15Systemstheory

isthe

transdisciplinary

studyof

systems

ingeneral,withthegoalofelucidatingprinciplesthatcanbeappliedtoalltypesofsystemsinallfieldsofresearch.Thetermdoesnotyethaveawell-established,precisemeaning,butsystemstheorycanreasonablybeconsideredaspecializationof

systemsthinking

andageneralizationof

systemsscience.Thetermoriginatesfrom

Bertalanffy's

GeneralSystemTheory

(GST)andisusedinlatereffortsinotherfields,suchasthe

structuralfunctionalistsociology

of

TalcottParsons

and

NiklasLuhmann.SystemTheory2.2TheoreticalFoundationofSystemsEngineering2023年1月31日16一般系统论产生过程实验科学时代的还原论生物学中机械论与活力论之争一般系统论的产生一般系统论的基本观点系统的整体性(Theintegrityof

thesystem)系统的开放性(Theopennessof

thesystem

)系统的动态相关性(DynamicCorrelation

)系统的多级递阶性(Multi-level

Hierarchical

nature)系统的有序性(Orderlinessof

thesystem

)2.2系统工程的理论基础一般系统论(Generalsystemtheory)美籍奥地利理论生物学家贝塔朗菲(LudwigvonBertalanffy)创立。“生物机体论”。与哲学上的有机主义相通。“万物皆出于机而入于机”－《庄子•至乐》贝塔朗菲认为，在各种不同的系统中，会存在某种相似性或同构性。

一般系统论的任务是要找到不同系统，不同学科之间的共同语言和术语。一般系统论可以理解为关于任意系统研究的一种一般的理论与方法论。2023年1月31日17系统方法论告诉我们要以系统的观点去看整个世界，不能片面、孤立地看问题(Systemmethodology

tellsusto

lookat

thesystem's

pointofview

oftheworld,not

one-sided

lookatproblems

inisolation

)。系统方法论主张以思辨原则代替实验原则，不能机械地看问题，尤其是在处理复杂、有机程度高的系统时，这一点显得尤为重要。系统方法论主张以整体论代替还原论。对事物的层层剖析，弱化事物各部分间的联系，认为整体是部分的简单加和，这种思想不利于从总体把握事物，对事物的整体功效认识不清。系统方法论启示我们以目的论代替因果论。异因可以同果，为达到一定目的，可采取不同方式。人类经济社会不是偶然事件的产物，而是有目的性的复杂系统，研究问题的出发点是认识其目的、服务于目的。系统方法论的启示2.2系统工程的理论基础2023年1月31日18笛卡尔科学方法论(Cartesianscientificmethodology

)理性主义四大格言(Fourmaximsrationalism)：不要接纳任何事物，除非已经透彻了解以致排除了所有可怀疑的地方；(Donotacceptanythingunlessithasbeenunderstoodthoroughlyandruledoutallsuspected

areas)把一个困难的问题分解成一些可以解決的较小问题；(adifficultproblemisdividedintosmallerproblemsthatcanbesolved

)

先解決那些最简单、最清楚的问题，一一理解后，再逐步升高层次，探讨复合的事物；(First,themostsimpleandclearproblemsaresolved,afterunderstood,complexthingsaregraduallyresearched)

最后，缜密的审视和检验有无遗漏的事项。(Finally,checkwhetherthemattersareomittedwithcarefulexaminationandtesting)

2023年1月31日192.2系统工程的理论基础耗散结构理论（DissipativeStructureTheory）比利时当代物理学家和化学家普里高津（I.Prigoging）指出：一个开放体系在远离平衡态的非线性区域时，一旦体系的某一个参量达到一定的阈值后，通过涨落的放大可以使体系发生突变，从无序走向有序，产生自组织现象----耗散结构开放系统的熵（Entropy）变化：dS=diS+deSdiS:系统內部entropy的变化(恒为正)deS:系统与外界能量交换的entropy变化(可为正或負)「Entropy增加原理」只適用在孤立系统

真实系统均为开放性系统到处都是耗散系统耗散系统呈現远离平衡状态

那么“耗散结构理论”到底为我们解决了什么问题呢？我们知道：自然科学研究的对象有三个领域：一个是至小无内的基本粒子领域；一个是至大无外的天体宇宙；另一个就是我们人类生活的、介乎二者之间的物质世界。在这个世界里，随时随地都在发生着十分复杂的变化：人和动物在出生、成长、衰老、死亡；植物在出苗、开花、结果、枯萎……随着时间的流逝，自然界在发生着丰富多彩却一去不复返的变化。2023年1月31日20A

dissipativesystem

isathermodynamically

opensystem

whichisoperatingoutof,andoftenfarfrom,thermodynamicequilibrium

inanenvironmentwithwhichitexchanges

energy

and

matter.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")2023年1月31日21

突变论(CatastropheTheory)的诞生，以法国数学家勒内·托姆（Renethom1923—）于1972年发表的《结构稳定性和形态发生学》一书的问世作为标志。

突变理论研究的是从一种稳定组态跃迁到另一种稳定组态的现象和规律。它指出自然界或人类社会中任何一种运动状态，都有稳定态和非稳定态之分。在微小的偶然扰动因素作用下，仍然能够保持原来状态的是稳定态；而一旦受到微扰就迅速离开原来状态的则是非稳定态，稳定态与非稳定态相互交错。非线性系统从某一个稳定态（平衡态）到另一个稳定态的转化，是以突变形式发生的。

在自然界和人类社会活动中，除了渐变的和连续光滑的变化现象外，还存在着大量的突然变化和跃迁现象，如岩石的破裂、桥梁的崩塌、地震、海啸、细胞的分裂、生物的变异、人的休克、情绪的波动、战争、市场变化、企业倒闭、经济危机等。

托姆将系统内部状态的整体性“突跃”称为突变，其特点是过程连续而结果不连续。突变理论作为研究系统序演化的有力数学工具，能较好地解说和预测自然界和社会上的突然现象，在数学、物理学、化学、生物学、工程技术、社会科学等方面有着广阔的应用前景。

2.2系统工程的理论基础突变论（CatastropheTheory

）2023年1月31日22In

mathematics,

catastrophetheory

isabranchof

bifurcationtheory

inthestudyof

dynamicalsystems;itisalsoaparticularspecialcaseofmoregeneral

singularitytheory

in

geometry.Bifurcationtheorystudiesandclassifiesphenomenacharacterizedbysuddenshiftsinbehaviorarisingfromsmallchangesincircumstances,analyzinghowthe

qualitative

natureofequationsolutionsdependsontheparametersthatappearintheequation.Thismayleadtosuddenanddramaticchanges,forexampletheunpredictabletimingandmagnitude

ofa

landslide.Catastrophetheory,whichoriginatedwiththeworkoftheFrenchmathematician

RenéThom

inthe1960s,andbecameverypopularduetotheeffortsof

ChristopherZeeman

inthe1970s,considersthespecialcasewherethelong-runstableequilibriumcanbeidentifiedwiththeminimumofasmooth,well-defined

potential

function(Lyapunovfunction).Smallchangesincertainparametersofanonlinearsystemcancauseequilibriatoappearordisappear,ortochangefromattractingtorepellingandviceversa,leadingtolargeandsuddenchangesofthebehaviourofthesystem.However,examinedinalargerparameterspace,catastrophetheoryrevealsthatsuchbifurcationpointstendtooccuraspartofwell-definedqualitativegeometricalstructures.

CatastropheTheory2.2TheoreticalFoundationofSystemsEngineering2023年1月31日232.2系统工程的理论基础协同论（Synergetics）协同学（Synergetics）是物理学家哈肯创立的，形成于70年代初。它对非远离平衡态系统实现的系统演化提出了方案。哈肯在研究中发现有序结构的出现不一定要远离平衡，系统内部要素之间协同动作也能够导致系统演化（内因对于系统演化的价值和途径）。Synergetics(Haken)

isaninterdisciplinaryscienceexplainingtheformationand

self-organization

ofpatternsandstructuresin

opensystems

farfrom

thermodynamicequilibrium.Itisfoundedby

HermannHaken,inspiredbythelaser

theory.Self-organizationrequiresa'macroscopic'system,consistingofmanynonlinearlyinteractingsubsystems.Dependingontheexternalcontrolparameters(environment,energy-fluxes)self-organizationtakesplace.2023年1月31日24他认识到熵概念的局限性，提出了序参量的概念。序参量是系统通过各要素的协同作用而形成，同时它又支配着各个子系统的行为。

序参量是系统从无序到有序变化发展的主导因素，它决定着系统的自组织行为。当系统处于混乱的状态时，其序参量为零；当系统开始出现有序时，序参量为非零值，并且随着外界条件的改善和系统有序程度的提高而逐渐增大，当接近临界点时，序参量急剧增大，最终在临界域突变到最大值，导致系统不稳定而发生突变。序参量的突变意味着宏观新结构出现。耗散结构理论、协同学都是研究系统演化的理论，都是试图找到一个能对系统结构的自发形成起支配作用的原理。它们从二个不同的方面，互相补充地说明了系统的演化原理。协同论（Synergetics）2.2系统工程的理论基础2023年1月31日251.社会经济系统虽显现了一些物理化学规律，但从根本上看有许多超出规律的规律。(Althoughthesocialandeconomicsystemsshowanumberofphysicalandchemicallaws,thefundamentalpointofviewthelawbeyondthelawofmany)2.社会经济系统从低级向高级转变必定依赖于开放、内部协同的条件。(Socialandeconomicsystemtransformationfromjuniortoseniormustrelyontheopenandinternalcoordinationconditions

)3.无论是渐变，还是突变都是有规律是可循的，高度简化下，可以定量地描述