第一章-系统科学与系统的一般理论 2

1、系统工程Systems Engineering,吉林大学生物与农业工程学院 杨印生,主要内容,第一章 系统科学与系统的一般理论 第二章 系统建模与系统分析 第三章 社会调查统计方法 第四章 系统预测与决策 第五章 系统评价与优化,主要参考书,梁军, 赵勇. 系统工程导论. 化学工业出版社. 2005.3 陈宏民. 系统工程导论. 高等教育出版社. 2006.4月 汪应洛. 系统工程. 机械工业出版社. 2003.8 梁迪, 董海. 系统工程. 机械工业出版社. 2005.6 王福林. 农业系统工程.中国农业出版社.2006.12 杨印生.经济系统定量分析方法.吉林科学技术出版社.2001.4,

2、系统工程第一章,系统科学与系统的一般理论 主讲：吉林大学 生物与农业工程学院 杨印生教授,基本内容,1 系统科学论 1.1 系统科学的对象和特点 1.2 系统科学的体系结构 1.3 系统科学与其他学科的关系 1.4 系统科学的背景和产生 1.5 系统科学的中国学派,2. 系统的一般理论 2.1 系统、元素、非系统 2.2 整体突现原理 2.3 系统的结构 2.4 等级层次原理 2.5 系统的环境 2.6 系统的行为和功能 2.7 系统的环境互塑共生原理 2.8 系统的秩序 2.9 系统的演化,1 系统科学论,1.1系统科学的对象和特点 系统科学从系统的角度观察客观世界所建立起来的科学知识体系，

3、就是系统科学，是以系统问题、系统现象为研究对象的学科。 系统科学的思想来源于古代人类社会实践。我国古代就有许多运用朴素的系统思想解决实际问题的例子。,案例1：都江堰水利工程,战国时期秦国李冰父子设计修建的都江堰水利工程，它包括“鱼嘴”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120个附属渠堰工程，工程之间的联系处理得恰到好处，形成一个有机整体，兼有防洪、排沙、灌溉、漂木、行舟等多种功能，渠道上设置了水尺，根据测得的水位，多级分水，合理控制分水流量，使汹涌急流的岷江化害为利，灌溉了成都平原上14个县的几百万亩粮田。工程完工后，又建立了一套岁修养护制度，每年按规定淘沙修

4、堤，因此，虽然该工程经历二千多年，至今仍发挥着效益，该工程堪称我国古代运用系统思想解决实际问题的典范。,2003年8月在都江堰(1),2003年8月在都江堰(2),案例2：丁渭主持皇宫修复,北宋年间，汴都（今河南开封）的宫室在遭到火灾以后，大臣丁渭奉命修建，修建工程的泥土、石料、木材等建筑材料都需从郊外由旱道运到建筑现场，另外，完工后的建筑废弃物又要从旱道运出城外。这在当时是需要花费大量的人力、物力和材力的，丁渭根据工程实际，设计出了一套方案，就是在工地前面的大街上挖取泥土使用，几天以后，大街被挖成了巨沟，并通过护城河与汴河相通，河水流入沟中，船只可直接由汴河驶入工地，于是便可从四面八方运来建

5、筑材料，再也不需经过郊区码头起卸，然后用陆运搬到工地的繁重手续了，在工程将要结束时，再把废弃的瓦砾、灰土等投入巨河，平土以后，重新成为大街。这一设计方案由于系统解决了取土、运输、清除废料和修复街道等多项任务，因此节省了大量的人力、物力和财力，并使工程提前完工。,1.1系统科学的对象和特点,系统科学不是简单的交叉科学或边缘科学，是研究所有科学其共性的学问。 （研究对象是具有系统意义的现象或问题） （横看成岭侧成峰，远近高低各不同）,1.2 系统科学的体系结构 70s 贝塔朗菲纲领（贝塔朗菲，一般系统理论家） 80s 钱学森的系统科学体系,哲学,桥梁,基础科学,技术科学,工程技术,(社会实践),自

6、然辩证法,物理学、化学、生物学等,建筑学、水力学,水利工程、土木工程,(社会实践),哲学,图1.1 自然科学的三个层次结构（三层次一桥梁结构模式）,1.2 系统科学的体系结构,目前，系统学尚未成熟，系统科学作为一大科学门类已建成，但体系尚不完善。 钱学森先生对于系统学的论述： 系统学是关于巨系统的理论，包括简单巨系统学和开放的复杂巨系统学等。 技术科学层次的系统科学分支一律称为“学”， 而不称“论”，包括信息学、控制学、运筹学和事理学等。 引入系统科学哲学后，系统科学的结构如下图1.2所示：,哲学,（社会实践）,1.3系统科学与其他系统的关系 系统科学既不属于自然科学又不属于社会科学，是一门独

7、立的学科门类。而且是横断科学，任务是为一切研究领域提供用系统观点考察对象的一般原理和方法。 系统科学与非线性科学 系统科学与复杂性科学 1.4 系统科学的背景和产生 信息学的渊源可以追溯到19世纪发明电话和电报 控制学的渊源可以追溯到瓦特蒸汽机调速器对自动调节技术的应用 20 世纪30年代伺服系统理论，维纳控制论,1.4 系统科学的背景和产生,运筹学和系统工程的渊源19 世纪末出现的垄断性大企业对经营管理技术的需要。泰勒制、爱尔朗排队问题；20世纪30年代出现的列昂捷夫投入、产出模型，康托洛维奇的工业生产组织与计划，即线性规划问题。 最强大的动力来自于战争的需要，第二次世界大战是定量化理论和工

8、程技术发展的里程碑。,1.4 系统科学的背景和产生,70年代前后是系统科学发展迅速时间，重大进展由以下三个： 以理论自然科学和数学的最新研究成果为依托，出现了一系列基础科学层次的系统理论；社会系统工程问题；系统科学体系的建立。 代表贡献者：贝塔朗菲，一般系统理论 哈肯，协同学 钱学森体系,结论：40s产生了系统科学体系的一批“构件”， 但尚未组织成一个有机整体；70s，构件进一步齐全完善， 而且形成初步的结构框架， 作为一种知识系统的系统科学在整体上算是形成了！ 1.5系统科学的中国学派 钱学森先生对系统科学的贡献：他是我国系统科学论研究的发动者和带头人，提供了持续的推动；他是这一研究中主要思

9、想、观点的提出者；他提出了系统科学论的研究方法。,2 系统的一般理论,2.1 系统、元素、非系统 系统是由相互制约的各部分组成的具有一定功能的整体。 系统的集合描述：d.f.1如果对象集S满足下列两个条件：1）S中至少包含两个不同对象；2）S中的对象按一定方式相互联系在一起， 则称S为一个系统，S中的对象为系统的元素。 元素的基元性、不可分性和对于系统的相对性。 系统的特征：1）多元性 2）整体性(阿波罗登月) 3）相关性(美洲虎与鲶鱼效应、木桶原理） 系统必为一个整体，但整体不一定是系统！,非系统 d.f.2 对象集合N如果满足以下两个条件之一： 1）N中只有一个不可再分的对象； 2）N中不

10、同对象之间没有按一定方式联成一体， 则称N 为一个非系统。 2.2 整体突现原则 系统质或整体质若干事物按某种方式互相联系而形成一个系统，就会产生出它的组分的总和所没有的新性质，叫做系统质或整体质。即，整体多于部分之和。 （韩愈诗句：天街小雨润如酥，草色遥看近却无。）,系统量 非加和原理Wpi W代表整体，p代表部分 W pi W pi (苏东坡诗句：若言琴上有琴声，放在匣中何不鸣？若言声在指头上，何不于君指上听？) 2.3 系统的结构 系统之间一切联系方式的总和，称为系统的结构。 空间结构和时间结构，时空混合结构（如，树的年轮） 对称结构与非对称结构 深层结构与表层结构 硬结构与软结构,d.

11、f.3 Si为S的一个子系统，若它同时满足条件： 1）Si S, 2） Si本身是一个系统。 d.f.4 系统的划分 设系统S被划分成n 个子系统S1,S2,Sn,则如果有 完备性 独立性 则S1,S2,Sn称为S的划分,2.4等级层次原理 2.5系统的环境 一个系统之外的一切事物或系统的总和，称为该系统的环境。 S=U S, U表示宇宙全系统 但不可能也无必要列举S与S中一切事物的联系，一般定义S的环境E为U中一切与S有不可忽略的联系的事物之总和,系统的边界 系统和环境分开来的某种界限。 系统和环境相互作用、相互联系是通过交换物质、能量、信息实现的。开放性与封闭性 2.6系统的行为和功能 系统在内部联系和外部联系中表现出来的特性和能力，称之为系统的性质。系统行为所引起的环境中某些事物的有益变化，称为系统的功能。 系统的功能：普遍性，多样性，环境性(环境适应性-春捂秋冻) 元