系统工程的理论基础

系统工程的理论基础第一页，共三十三页，编辑于2023年，星期一第一节系统科学的学科体系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，然后是直接为工程技术提供理论基础的技术科学，再就是基础科学，最后通过进一步综合、提炼达到马克思主义哲学。如图2-1所示。第二页，共三十三页，编辑于2023年，星期一在此基础上他又进一步提出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，以及它们的理论基础(基础科学)和哲学层面的科学所组成的一类新兴学科。如图2-2所示。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图2-1现代科学技术体系第三页，共三十三页，编辑于2023年，星期一马克思主义哲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哲学基础科学技术科学工程技术图2-2系统科学的体系系统观第四页，共三十三页，编辑于2023年，星期一系统学主要研究系统的普遍属性和运动规律;;研究系统演化、转化、协同和控制的一般规律;研究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;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。第五页，共三十三页，编辑于2023年，星期一

系统工程是一门工程技术，但它与机械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，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主要是信息，所以系统工程又被称为“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。第六页，共三十三页，编辑于2023年，星期一控制论信息论一般系统论大系统论第二节系统工程的理论基础第七页，共三十三页，编辑于2023年，星期一一、控制论

1、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。”

第八页，共三十三页，编辑于2023年，星期一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。第九页，共三十三页，编辑于2023年，星期一

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。

2、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某种控制功能的系统，称为控制系统。第十页，共三十三页，编辑于2023年，星期一恒温控制系统第十一页，共三十三页，编辑于2023年，星期一一般自动控制系统的结构图第十二页，共三十三页，编辑于2023年，星期一控制论和工程控制论

工程控制论是控制论运用于工程技术方面而形成的自动控制理论。控制论与工程控制论在学科体系中属于两个不同的层次，后者又称为自动控制理论，或简称为控制理论。我们必须将控制论(Cybernetics)与控制理论(controltheory)这两个概念区别开来。第十三页，共三十三页，编辑于2023年，星期一二、信息论信息论于本世纪40年代末产生，其主要创立者是美国的数学家香农（C.E.Shannon）和维纳。

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：主要研究消息的信息量、信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。第十四页，共三十三页，编辑于2023年，星期一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。第十五页，共三十三页，编辑于2023年，星期一三、一般系统论①一般系统论的产生一般系统论是通过对各种不同的系统进行科学理论研究而形成的适用一切系统的学说。其主要创始人是美国的理论生物学家L.V.贝塔朗菲。

②

一般系统论的基本观点系统的整体性、系统的开放性、系统的动态相关性、系统的多级递阶性和系统的有序性第十六页，共三十三页，编辑于2023年，星期一四、大系统与大系统理论①大系统目前没有严格的定义，一般所说的大系统是指包括各领域的大型而复杂的系统。其特征就是规模庞大，结构复杂，功能综合。②大系统理论研究对象是大系统，即研究规模庞大、结构复杂、目标多样、功能综合、因素众多的各种工程或非工程的大系统的综合自动化问题，是控制论、系统工程、运筹学的继续和发展，涉及到工程技术、社会经济、生物生态三个领域。第十七页，共三十三页，编辑于2023年，星期一第三节系统工程理论的新发展

1、系统工程作为一门交叉学科，日益向多种学科渗透和交叉发展。系统工程的大量实践，运筹学、控制论、信息论等学科的迅速发展，以及其它科学技术，特别是物理学、数学、理论生物学、系统生态学、数量经济学、定量社会学等，都有了新的发展和突破，这些不同领域的科学成就，除了具有本学科的特点之外，实际上都在不同程度上揭示了系统的一些性质和规律。第十八页，共三十三页，编辑于2023年，星期一

2、系统工程作为一门软科学，日益受到人们的重视。从20世纪70年代开始，社会上出现了一种从重视硬技术转向重视软技术的变化。软科学是日本学者在70年代提出的，软科学需要运用现代科学技术体系以至整个人类知识体系，去研究和解决实践中的复杂性问题，为决策和组织管理提供科学依据。第十九页，共三十三页，编辑于2023年，星期一

3、20世纪80年代中期，国际科学界兴起了对复杂性问题的研究，一个突出的标志是1984年在美国新墨西哥州成立了以研究复杂性为宗旨的圣塔菲研究所(SantaFeInstituet，简称SFI)。1994年，在圣菲研究所成立10周年之际，霍兰正式提出复杂适应系统(ComplexAdaptiveSystem，简称CAS)理论。CAS理论的提出对于人们认识、理解、控制、管理复杂系统提供了新的思路。由于其思想新颖和富有启发性，它已经在许多领域得到了应用。在经济、生物、生态与环境以及其它一些社会科学与自然科学中，CAS理论的概念和方法都得到了不同程度的应用和验证。第二十页，共三十三页，编辑于2023年，星期一4、耗散结构理论。20世纪70年代比利时物理学家普利戈金提出。获1977年诺贝尔奖。

耗散结构——一个远离平衡的开放系统（力学的、物理的、化学的、生物的），在外界条件变化达到某一特定阈值时，量变可能引起质变。系统通过不断与外界交换能量与物质，就可能从原来的无序状态转变为一种时间、空间、或功能的有序状态。如贝纳尔对流现象中薄层流体表现出从无序到有序的运动。第二十一页，共三十三页，编辑于2023年，星期一

5、协同学理论。联邦德国物理学家（主要研究激光理论）哈肯提出。

1979年后哈肯通过研究认识到一个远离平衡的开放系统不仅可以从无序到有序，也可以从有序到无序，从无序到混乱。在分析研究系统性质时，将系统分成许多子系统，它们之间以很有规律的方式相互合作与竞争，而且恰是有目的的进行，其结果是导致时间和空间的改变。第二十二页，共三十三页，编辑于2023年，星期一支配原理是协同学理论的核心原理。支配原理认为：考察复杂系统的演变可以发现绝大多数的因素是一些衰减得很快的变量——称之为快变量；而另一些少数的变量，在系统的发展中变化较慢，并且主宰着整个系统的演变方向，决定着系统的客观（有序）状态——称之为慢变量或序参量。当一个竞争系统中同时存在几个序参量就会发生合作、反馈、制约或斗争的种种协同作用——当系统处于稳定状态时，就是包含着由几个序参量所决定的客观结构的“种子形态”，这些“种子”哪些能最终主导整个系统或最终成为系统结构的一部分，这些取决于序参量在系统中具体的竞争与合作的态势。第二十三页，共三十三页，编辑于2023年，星期一自组织理论：按哈肯的理解，没有外部工头的命令，工人们依靠某种相互默契，协同工作，各尽职责生产产品。自组织的显著特点，表现在行动是在没有外部命令的情况下产生的。即对于自组织系统来说，运动是由内因所驱使，只有当子系统之间存在着作用与反作用，当且仅当相互作用达到了协调、同步时才会出现。第二十四页，共三十三页，编辑于2023年，星期一协同学作用广泛地表现在自然系统和社会系统中。如人体就是一个高度协同的有序结构：如果人体内部各子系统间的联系和协调出现紊乱，人便会生病，药物和各种治疗方法的作用就是调节各子系统的联系，使它们能协调地运行，使整体再回到高度协调的有序状态---健康状态。协同学理论可以解释目前前沿的企业内部的改组。第二十五页，共三十三页，编辑于2023年，星期一6、突变论突变论是研究客观世界非连续性变化现象的一门新兴学科，以法国数学家R.托姆为代表。突变论研究的内容是从一种稳定组态跃迁到另一种稳定组态的现象和规律。突变论指出，系统所处的状态，可用一组参数描述，当系统处于稳态时，标志该系统状态的某个函数就取惟一的值。当参数在某个范围内变化，该函数值有不止一个极值时，系统必处于不稳定状态。高度优化的设计很可能有许多不理想的性质。因为最优，常常联系着对缺陷的高度敏感性，会产生难于对付的破坏性，以致发生真正的“突变”。在工程建造中，高度优化的设计常常具有不稳定性，当出现不可避免的制造缺陷时，由于结构高度敏感，其承载能力将会突然变小，出现全面的塌陷。应用突变论可以解释：经济危机的爆发，战争爆发，社会舆论等。（经济危机的复苏不属突变，是缓慢滑升的）第二十六页，共三十三页，编辑于2023年，星期一“三论”和“新三论”一般系统论控制论信息论耗散结构理论突变论协同学论三论新三论第二十七页，共三十三页，编辑于2023年，星期一第四节运筹学运筹学（OperationResearch）是应用分析、试验和量化的方法，对经济管理系统中人力资源、资金资源、物质资源在有限的情况下进行统筹安排，为决策者提供充分依据的最优方案，以实现最有效的管理。运筹学的分支：线性规划（LinearProgram）、非线性规划（Non-LinearProgram）、动态规划（DynamicProgram）、排队论（QueueTheory）、储存论（InventoryTheory）和对策论（GameTheory）。第二十八页，共三十三页，编辑于2023年，星期一线性规划和非线性规划在经营管理中，需要恰当地运转由人员、设备、材料、资金、时间等因素构成的体系，以便有效地实现预定工作任务。这一类统筹计划问题用数学语言表达出来，就是在一组约束条件下寻求一个目标函数的极值问题。当约束条件为线性方程式，目标函数为线性函数时，就为线性规划问题；当目标函数或约束条件是非线性时，就叫非线性规划问题。第二十九页，共三十三页，编辑于2023年，星期一动态规划有些决策问题不是静态的问题，而是复杂的需要多段决策，前一阶段的决策将影响到下一阶段的决策。动态规划是将一个复杂的多段决策问题分解为若干相互关联的较易求解的子决策问题，以寻求最优决策的方法。第三十页，共三十三页，编辑于2023年，星期一对策论两方或多方为获取某种利益，达到某种目的进行较量，从而导致优胜劣汰的现象，叫做竞争。参与竞争的各方都是理智的主体，拥有各自的策略集（使用对自己有利的策略），通过策略较量而分出胜负、输赢的，属于策略性竞争。如何在竞争中通过正确运