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文档简介
整体研究的系统科学方法张增国副教授
科学认识的综合方法、科学研究的横断方法:系统科学方法
简单系统
现代科学研究面对的对象简单巨系统
复杂巨系统系统科学方法就是研究和处理复杂巨系统的科学方法。第一节系统科学方法的基本问题
一.系统科学和系统科学方法
系统(system)最早出现在古希腊语中。原意为“由部分组成的整体”。
系统:是指由相互联系,相互作用的若干要素构成的有特定功能的、统一的整体。
系统科学:是把对象作为组织性、复杂性系统从整体上探索其存在方式和运动变化规律的学问,是对系统本质的正确反映和真理性认识,是一个知识体系。
系统科学(系统学)知识体系图。马克思主义主义哲学系统学运筹学控制论信息论各门系统工程通信技术自动化技术哲学技术科学工程技术基础科学系统论(系统观)
系统科学方法或系统方法:按照系统科学的观点和理论,把研究对象视为系统来解决认识和实践中的各种问题的方法的总称。这其中包含了两个问题:第一:什么样的对象可以称为系统?第二,如何对待这个或这些系统?
第一:什么样的对象可以称为系统?社会社会系统人人体系统
体人脑系统地理系统
星系系统
第二,如何对待这个或这些系统?即用什么方法处理复杂系统的问题。研究对象整体运动过程要素与要素要素与系统系统与环境系统与系统内环境与外环境结构与功能二.系统科学方法的特点
(1)综合性。不是单凭某一种方法和某一门科学知识来认识和处理问题,而是综合运用各种各样的方法和知识来认识和处理问题,包含自然科学、社会科学和工程技术等。
(2)整体性。核心,整体大于部分之和。
(3)最优化。选择最佳实施方案。
(4)动态性。任何现实的系统都处于动态的“活系统”,系统总是动态的,永远处于运动变化之中。
(5)模型化。真实系统模型化,放大或缩小了的实物模型、数学模型、符号系统模型等。三、系统方法主要包括:信息方法、控制方法、反馈方法、系统分析方法、系统模型方法、系统决策方法、功能模拟方法、黑箱方法、图式识别方法等。
四、系统科学方法的使用原则和作用1、系统方法的使用原则使用原则1、整体性原则2、动态原则3、最优化原则4、模型化原则2、系统方法的作用作用1、认识、调控、改造、创造复杂系统的手段;2、优化管理的手段;3、为人们提供新的思想模式。
第二节常用的几种系统科学方法
一、信息方法
信息编码器信道解码器信宿信息信号信号信息
信息传输过程图噪声
这个图说明,信源发出信息,经编码器转化成信号在信道中传输,传输中会受到噪声的干扰,所以在信息系统中应有抗干扰的设备,信号进入解码器之后,重新转化成为信息,被信宿接收。信息传输的这个普遍过程,是信息方法的基础。信息是指存在于自然界、人类社会和机器等组织系统中的一种普遍联系方式,是自然界一切物质系统相互联系和相互作用的特定形式。信息的本质:信息是一切物质的普遍属性。但信息不等于物质,它不是物质的。信息与物质既有联系又有区别的不同范畴。1.信息论方法
1948年申农创立信息论。(1)什么是信息
A哲学上:信息是事物间相互作用的一种属性。
B通讯角度:信息是对消息中不确定性的消除。
C概率论:信息是概率的增加。
D一般意义:在相互作用中,A物体作用于B物体,引起B物体的某种变化,B的变化标志
A的某种特性的变化。(B的变化携带了关于A的信息)。(2)申农的信息论及信息的特性是不守恒的,可以共享、传递、贮存、转换,同时还有相对于物质、能量的独立性。(3)信息论方法运用信息理论,把研究对象抽象为信息及其变换过程,通过信息的获取、传输、加工、利用、反馈等过程,来揭示对象的本质和规律,进而认识对象和调控改造对象。
2、信息方法流程图检测加工处理利用输出输入结果信息反馈
由以上图示可见,信息方法的基本步骤:第一,对输入信息进行检测,达到符合目的的净化;第二,进行加工处理;第三,利用;第四,输出。输出分为两支,一支是结果,另一支进行信息反馈,从而循环往复,提高水准。实践活动是人类的最基本的活动。在管理实践中,存在着三种流动过程,即由劳动者组成的人流、由生产资料和劳动资料组成的物流以及信息流。在实践中,它们的流动过程如下所示:
人流人流物流物流信息流信息流输入实践过程输出信息反馈2、信息方法的作用A、信息概念的普遍性和灵活性,使信息方法可用于解释各类事物特别是某些特殊现象的规律性。(生物学中的兔子事例)B、信息概念的普遍性和相似性,使信息方法可用于解释事物的共同属性。(人脑和计算机)C、信息的形式化,使信息方法可用于突破研究对象的局限性。(系统的外部环境)D、信息方法的主观特性,使信息方法可用于调整人的行为,发挥人的能动性。(通讯编码)E、信息概念的综合性,使信息方法可用于对复杂系统的研究和提高系统的可靠性。当今社会,信息化时代。信息方法可以改变科研方式,提高科研效益。3、信息方法的应用使用信息方法的重要意义1、分析人的认识活动;(反馈信息纠正)2、管理和决策的重要手段;(人流、物流、信息流)3、促使科学整体化的重要手段。4、电子计算机是信息加工的现代化工具。4、分子生物学和医学中的信息方法A、系统的遗传信息理论,1953年英美生物学家沃生和克里克首先提出。B、遗传密码(信息编码理论),美国宇宙物理学家伽莫夫。C、遗传工程学(生物工程学、基因工程学)D、中医的信息疗法。二.控制论方法
20世纪40年代维纳创立控制论。运用控制论原理,按照研究对象的信息流程,通过信息处理、变换和反馈等手段,从功能行为上控制、揭示其变化发展的内部机制和外部效应的方法。控制论方法一般有反馈控制方法、黑箱方法、功能模拟方法等。什么是控制?什么是控制系统?施控系统、受控系统控制系统类型:
开环控制系统闭环控制系统组合控制系统1、控制论方法的作用①为研究各种自控机器、制导系统以及电脑提供广阔的思路、方法。②为研究生物控制系统提供重要方法。③对复杂的社会、经济系统的研究提供了新的工具。
2、反馈控制方法
扰动
控制
控制
信号
作用反馈信号反馈控制图输入控制器执行机构控制对象输出反馈装置
反馈控制方法的意义1、运用的普遍性,可以对人体、工程技术、人类社会等多种领域进性研究;2、与多种方法相结合,是打开技术之门的重要手段;3、提出双向因果链的循环思路。
介绍几种与控制论有关的经济模式
计划
商品决策机关生产企业消费市场a、开环控制模型
价格利润竞争b、闭环控制模型资本所有者企业市场
市场调节
市场预测
c、组合控制模型生产ABC商品ABC决策机关
税收信贷投资
价格利润
市场调节
市场预测
d、组合衰减经济控制模型生产ABC商品abc决策机关衰减器
3、黑箱和黑箱方法
黑箱又称黑系统,指内部要素和结构尚不清楚的系统。未被认识的事物。黑箱方法是通过探索系统的功能而推测其结构的方法。它通过考察黑系统的输入和输出的动态过程,即研究其功能或行为方式,以推测和探索系统内部结构和运动规律。(西瓜)
黑箱方法的使用步骤第一,通过研究输入和输出研究黑箱。第二,系统分析功能,确定几个可供选择的黑箱模型。第三,对黑箱模型进行检验和选择。第四,阐明黑箱的结构和运动规律并加以应用。
输入
否是
输出黑箱方法示意图黑箱考察黑箱可供选择的黑箱模型确立黑箱模型应用4、功能模拟法A、在功能上描述与模仿系统对环境影响的反应方式时,往往把系统看作黑箱,不去分析系统的内部机制与个别要素,也不求模型与原型结构的相同。B、以原型与模型之间的功能相似为基础。C、传统模拟的模型只是认识原型的手段,而功能模拟的模型是具有生物目的的行为机器——智能机器。它本身就是研究的目的。三、大系统控制方法1、大系统:规模庞大、结构复杂、因素众多、目标多样、功能综合。(导弹、卫星、飞船、航天飞机等,环保系统、管理系统、人口控制系统等)2、大系统的突出特点:3、主要方法:分解—协调方法
多级递阶控制方法
分散化控制方法四.系统论方法
20世纪40年代贝塔朗菲创立系统论。运用系统论原理,按照研究对象变化发展的系统过程,考察整体与部分、部分与部分、系统与整体、结构与功能等关系,以揭示其本质、和规律的方法。系统论方法的一般应用有系统分析法、系统模型法、系统决策法。1、系统分析方法为确定系统的组成、结构、功能、效用,而对系统各种要素、过程和关系进行考察的方法。以整体为目标,以选择解决问题的最佳方案为重点,是系统分析方法的特点。完整的系统分析包括系统的目标分析、结构分析、功能分析、环境分析和动态分析等。2、系统模型方法通过研究与真实系统在功能上或结构上相似的模型,来揭示和掌握真实系统的特征和规律。系统模型的建立一般遵循相似性原则、简单性原则和逐步逼近原则,使建立起来的系统模型,既反映着真实系统的主要特征,又高于真实系统而具有同类问题的共性。系统模型方法是系统分析方法实现优化的必经途径,是系统论方法的具体形式。为什么使用模型?1、因为先死系统作试验很难,或者不可能做实验。某些军事和社会系统。2、模型比现实容易理解。3、模型比现实容易操作。4、模型可以通过对其敏感度分析而显示出哪些因素对系统影响更大。3、系统决策方法运用系统论方法,把决策过程当作一个决策系统来对待,以确定最佳目标的可行性决策方案。系统决策是一个动态过程;要满足一定的条件。系统决策法包括确定性决策分析法、风险性决策分析法、未确定性决策分析法等。非确定性决策:保守法,小中取大法。乐观法,大中取小法。后悔值法。折中决策法。最优方案的最大收益值与所采用的方案的收益值之间的差额,就是后悔值。4、系统论方法的作用
①能够解决比较复杂或不确定性因素比较多的系统的最优化问题。②能达到定量化分析(定性与定量结合)。③能为决策机构提供最合理方案。④作为一种思考方法对其他各个学科的发展都有促进作用。五.自组织理论方法1.什么是组织、自组织和自组织理论
耗散结构理论是由比利时布鲁塞尔学派领导人普里高津于1969年提出的。协同学是由德国著名理论物理学家
H.哈肯于1969创立的。超循环理论是由德国生物物理学家
M.艾根于1971年创立的。
自组织理论试图解决一个普遍性的问题:有序与无序相互转化的机制与条件问题。关于从无序走向有序的问题
问题还有另一方面,即系统从有序走向无序的形成途径和机制即混沌理论。2.混沌理论
(1)混沌理论简史
“混沌”一词译自英文“chaos”,其原意是指先于一切事物而存在的广袤虚无的空间。后来罗马人把混沌解释为原始的混乱和不成形的物质,而宇宙的创造者就用这种物质创造出了秩序井然的宇宙。在中国古代也称浑沌,通常理解为混乱、无序、未分化,如所谓“混沌者,言万物相混成而未相离”(《易经》),“窈窈冥冥”、“昏昏默默”(《庄子》)。用“混沌”状态来描述万物伊始的宇宙,所谓“有物混成,先天地生。”(《老子》)。洛伦兹的“蝴蝶效应”
蝴蝶效应(ButterflyEffect)是指在一个动力系统中,初始条件下微小的变化能带动整个系统的长期的巨大的连锁反应。这是一种混沌现象。
美国气象学家爱德华·罗伦兹(EdwardLorenz)1963年在一篇提交纽约科学院的论文中分析了这个效应。“一个气象学家提及,如果这个理论被证明正确,一个海鸥扇动翅膀足以永远改变天气变化。”在以后的演讲和论文中他用了更加有诗意的蝴蝶。对于这个效应最常见的阐述是:“一个蝴蝶在巴西轻拍翅膀,可以导致一个月后德克萨斯州的一场龙卷风。”
蝴蝶效应通常用于天气,股票市场等在一定时段难于预测的比较复杂的系统中。
此效应说明,事物发展的结果,对初始条件具有极为敏感的依赖性,初始条件的极小偏差,将会引起结果的极大差异。
蝴蝶效应是混沌学理论中的一个概念。它是指对初始条件敏感性的一种依赖现象:输入端微小的差别会迅速放大到输出端...蝴蝶效应在经济生活中比比皆是
。用在西方流传的一首民谣对此作形象的说明。这首民谣说:
丢失一个钉子,坏了一只蹄铁;
坏了一只蹄铁,折了一匹战马;
折了一匹战马,伤了一位骑士;
伤了一位骑士,输了一场战斗;
输了一场战斗,亡了一个帝国。
1998年亚洲发生地金融危机和美国曾经发生地股市风暴实际上就是经济运作中地“蝴蝶效应”;1998年太平洋上出现地“厄尔尼诺”现象就是大气运动引起地“蝴蝶效应”。“著名心理学家、哲学家威廉·詹姆士所说:“播下一个行动,你将收获一种习惯;播下一种习惯,你将收获一种性格;播下一种性格,你将收获一种命运。”
最早给出混沌的第一个严格数学定义的人是李天岩。他和约克教授受到洛仑兹论文的启发在1975年12月这一期《美国数学月刊》上发表了一篇论文,题为“周期3意味着混沌”,在这篇文章中,他们明确提出混沌(chaos)概念。
目前最流行的混沌定义是由德伐尼(R.Devaney)在20世纪80年代给出的,即度量空间上的一个自映射是混沌的,如果它有三条性质:该映射是拓扑传递;周期轨分布稠密;以及具有对初始条件的敏感依赖性。
有人说:“20世纪的科学家只有三件事将被记住:相对论、量子力学和混沌。如同一位物理学家所说:‘相对论排除了对绝对空间和时间的牛顿迷梦;混沌则排除了拉普拉斯决定论的可预见性的狂想。’在这三大革命中,混沌革命适用于我们看得见、摸得到的世界,适用于和人自己同一尺度的对象。”
(2)混沌的分类第一类混沌:热平衡式混沌第二类混沌:非平衡态混沌混沌理论中研究比较深入的问题:①湍流②洛伦兹的研究结论③激光现象(3)非平衡态混沌的特点
①对初始值特别敏感。②确定性系统中的内在随机性。③不是简单的无序,也不是通常意义下的有序运动,而是一种“混沌序”,而且此混沌具有普遍性。(费根鲍姆常数)④非平衡过程产生的混沌是一种奇异吸引子。⑤混沌区出现分数维数。⑥混沌区出现无穷嵌套的自相似结构。(4)通向混沌的三条道路①倍周期分岔进入混沌。②茹勒-泰肯道路通向混沌。③阵发混沌。(5)混沌控制方法控制混沌运动的目的是把系统从混沌运动转化为性能最佳的周期运动。现在研究主要集中在控制时间混沌上。
OGY法、OPF
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