系統(tǒng)工程-論第二章

第二統(tǒng)工程理第一節(jié)系統(tǒng)科學的學科體2-1所示。在此基礎上他又進一步提出了一個系統(tǒng)科學的體系結(jié)構(gòu)。他認為系統(tǒng)2-2所示。數(shù)數(shù)術(shù)技程工學科術(shù)技（社會辯證法2-1員和從事社會科學的研究的相互合作開辟了廣闊的道路。（系統(tǒng)觀控制 哲 哲自動化技系各門系統(tǒng)通信圖2-2系統(tǒng)科學的體系第二節(jié)系統(tǒng)工程的理論基2-3所示?！跋?運籌學

（理論基礎（理論基礎 概率論、數(shù)理統(tǒng) 高等代 模糊數(shù) 集合 數(shù)理邏 2-3一、控制（一）1947年由人維納（NorbertWiener）創(chuàng)立的控制論（Cybernetics）是一門研究系統(tǒng)的控制的學科。維納于1948年了《控制論》一書，他對控制論的制論闡述著兩個根本觀念：①一切有生命、無生命系統(tǒng)都是信息系統(tǒng)。控制的下，都存在著對信息進行接收、存取和加工的過程。②一切有生命、無生命系4050年代是第一個時期，控制論發(fā)展的第二個時期為60年代即現(xiàn)代控制理論時期隨著系統(tǒng)人造航天系統(tǒng)等科學技術(shù)的迅速發(fā)展提出了多輸入多輸出高精度和研究借助的工具是電子計算機。科學家卡爾曼（man）等人將量子力學70年代以后，是大系統(tǒng)控制理論時期。在這一時期，主要研究對象是（二）2-4所示。因為開環(huán)控制系統(tǒng)是由環(huán)環(huán) 輸圖 閉環(huán)控制系統(tǒng)框控制論研究的重點是帶有反饋回路的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并不是任意的控制系（負反饋就是控制的調(diào)，00

x0

（xe為平穩(wěn)狀態(tài)，稱為第一類穩(wěn)定性。當系統(tǒng)所受到干擾偏0，必存在一個0tt恢（t系統(tǒng)恢復正常的時間，使得x0

時，稱為第二類穩(wěn)定性要間也都存在著物質(zhì)、能量或（和）信息的聯(lián)系假定系統(tǒng)初始時刻處于狀態(tài)空間任意一點XR（輸假定系統(tǒng)初始狀態(tài)為X(t0)，若依據(jù)有限時間區(qū)間J內(nèi)所測得的輸出和外加的X(t0)Jt0t0Jt0t0t0時刻具有能構(gòu)性。2－5 C2S C2SBS C圖 能控性與能觀性示意t為、響應2－6表示一個正常閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應ts是曲線首次進入允許誤差范圍的時間，稱為調(diào)整時間或過渡過程時間；MPt102－6tsMp是描述過渡過程的兩個重要性能指標。ts越表征系統(tǒng)反應輸入信號速度的一項性能指標。Mp越小，系統(tǒng)的過渡過程進行地（二）一時無需或無法直接觀測其結(jié)構(gòu)只能從外部的輸入和輸出去認識的現(xiàn)實系統(tǒng)。比如中醫(yī)看病，通過“望、聞、問、切”等外部觀測作出，開出處方。這種從輸入和輸出的“辨證施治，就是把病體視為黑箱。白箱則指系統(tǒng)內(nèi)部的構(gòu)是十分清楚的系統(tǒng)，如某種氧氣發(fā)生器，其的成分和反應機理都按照對系統(tǒng)的輸入、輸出及結(jié)構(gòu)的認識可以采用黑箱、灰箱、白箱察對象的已知性和性兩方面都反映了一級比一級更高的認識水平。，的方法，即黑箱方法。所謂黑箱方法，就是采用不打開系統(tǒng)“，僅從系統(tǒng)中的某一層次。事物本質(zhì)的層次性，決定了事物的黑箱總是一層套一層不，的具有通訊和控制功能系統(tǒng)的合乎目的性的行為比如對復眼功能這種研究方法實際上是把研究對象作為一種黑箱因此它問題不“這型的結(jié)構(gòu)相同，改變了傳統(tǒng)的模擬方法以結(jié)構(gòu)與功能嚴格對應的相似性理論基礎，表明相同的功能可以在不相同的物質(zhì)結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)。（三）表 控制論分支與系統(tǒng)工程研究的分類習二、信息（一）信息論于本世紀40年代末產(chǎn)生，其主要創(chuàng)立者是的數(shù)學家申（C.E.Shannon）此期間，維納建立了著名的維納濾波理論、信號理論。70年代以后，信息概念和方法廣泛滲透到各門科學領域，為了有效地合作過的魏沃爾（W.Weaver）就了其局限性。他認為申農(nóng)信息論只能解決性（價值）問題。在這一時期，一方面，信息論在解決技術(shù)問題即信息的傳提出“語義信息“無概率（）信息“相對信息“有效信息”的概念，（二）息是系統(tǒng)的組織性的量度。信息源于運動，無運動則無信息。世界上沒有的事物，因而它們都信息依賴于物質(zhì)而存在并在物質(zhì)上傳遞、，它又不同于物質(zhì)，可以信息源源不斷的產(chǎn)生。信息活動是動態(tài)的，信息是有、有時效的。信息不守恒，可以放大、縮小、湮滅。信息能量守恒定律，常常熵傳遞、表熵傳遞、2－7消 信 信號＋噪聲 消 人、機器、 電、器、 空 編碼轉(zhuǎn) 人、圖 申農(nóng)通信系統(tǒng)模P(i

p(i)

1息告訴這件事的確發(fā)生了對于來講并沒有消除任何不確定性所得0p，則這一事件所具有的信息量為hlog2（bit， 0.5，每種狀態(tài)所具有的信息量為h

2n n)所具有的平均不定性數(shù)量就是hxi的數(shù)學期望，nHpilog2“（二）①信息論運用了科學抽象和類比方法，將消息、信號、等不同領域中②針對信息的隨機性特點，運用了統(tǒng)計數(shù)學（概率論與隨機過程）解決了2－8便是信息方法的圖示。圖 信息方三、一般系統(tǒng)（一）古典自然科學中還原論占地位把研究對象進行一層層地不斷分解至基本單元，分解為不同因果鏈，研究其基本單元因素，認為基本單元弄清了，生物學中機械論與論之爭論認為生物體中存在一種有目的的超物質(zhì)的“，斷言有機界與無機界之間存在一道不可逾越的鴻溝論的生命觀雖然正確地了生命現(xiàn)象部加進一種超自然的外，什么問題也沒解決。因此開始了理論生物學研究，創(chuàng)立了一般系統(tǒng)論。1945年《關(guān)于一般系統(tǒng)論》的，成為系統(tǒng)論形成的標志。（二）就是系統(tǒng)的有機性。b.系統(tǒng)整體的功能不等于各組成部分的功能之和。在系統(tǒng)112c.初始條件為轉(zhuǎn)移，了開放系統(tǒng)可以顯示出異因同果律。這正是貝塔朗菲一般系統(tǒng)論的和重要成果。關(guān)性原則與唯物辯證法普遍聯(lián)系的原則是一致的。動態(tài)相關(guān)性的實質(zhì)是揭示要素、系統(tǒng)和環(huán)境三者之間的關(guān)系及其對系統(tǒng)狀態(tài)的影響。（三）（四）四、耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學、突變論原理及啟耗散結(jié)構(gòu)理（一F

dt2T(x,t)2T(x, xT(x，t)tx0。用tt得T(x

2T(x, 因而牛頓力學與熱力學對于時間可逆與否的表述很不相同。梅格森強調(diào)指進化與是一對，表征著事物運行的兩種趨勢。，即從有序向無19S=kLn k為玻爾茲曼常數(shù);p例：在右圖中有N1個粒子分布在1N2個粒子分布在2室，當將其間的擋P N1!N2由上式可知，當N1=N2時有P最大，即此種情況出現(xiàn)的次數(shù)最多（可能性最率狀態(tài)趨于一種幾率最大狀態(tài)（熵趨最大，即熵增ds0。因而熵是度（無序度）的度量系統(tǒng)的熵變化ds

dsdesdis熵，因自發(fā)過程是不可逆的，如上面所說會產(chǎn)生熵增，因而dis0des可負，依不同狀況而定。若des>0，則物質(zhì)和能量的交換增加了系統(tǒng)的總熵，加des≈0，則表示系統(tǒng)平衡態(tài)受到擾動，但保持（二）1969年比利時物理學家普利高津（I?Prigogine）對非平衡態(tài)不可逆過程的研， 散結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)就要遠離平衡態(tài)。二、系統(tǒng)具有非線性動力學機制。系統(tǒng)要素間的非線性相互作用是推動系統(tǒng)向有序發(fā)展的動力這種非線性機制能促使界點上失穩(wěn)，形成新結(jié)構(gòu)，從而使系統(tǒng)由無序向有序轉(zhuǎn)變。線性相互作用耗散結(jié)構(gòu)理論的意義在于它了化學生態(tài)系統(tǒng)等許多復雜系統(tǒng)由無序轉(zhuǎn)理論提出結(jié)束了科學界對時間可逆與否世界進化與的爭論它把經(jīng)典力統(tǒng)演化史的時間不再是系統(tǒng)外界的參數(shù)而成了非平衡系統(tǒng)進化的而過渡普利高津的這種認識了可逆與不可逆進化與間的為人30展取得了巨大成就，成為現(xiàn)代系統(tǒng)科學的一個重要理論分支。協(xié)同協(xié)同學是七十年代后期由西德理論物理學家哈肯（Haken）1977協(xié)同學是一種研究各種不同系統(tǒng)在一定外部條件下系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間通廣到其它學科類似現(xiàn)象上去。而且也研究其從有序到無序的演化規(guī)律，真正了有序與無序。因而協(xié)同學較協(xié)同學所闡述的基本原理主要為協(xié)同效用原理、支配原理和自組織原理。向于使系統(tǒng)更加偏離原來的穩(wěn)態(tài)而非穩(wěn)態(tài)這種變量在系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)自組織原理：系統(tǒng)在沒有外部指令的條件下，其子系統(tǒng)之間能夠按照某協(xié)同學與耗散結(jié)構(gòu)小耗散結(jié)構(gòu)要求系統(tǒng)開，遠離平衡態(tài)，有物質(zhì)、能量交換，及的非線性同外部的交換可產(chǎn)生負熵生促進協(xié)同的促協(xié)力。促協(xié)力與交換子系統(tǒng)之間的協(xié)作力（可正、可負、可為零）決定系統(tǒng)的未來。協(xié)作力大于零，系統(tǒng)高級穩(wěn)態(tài)；協(xié)作力小于零，系統(tǒng)。耗散結(jié)構(gòu)慣性原理：一旦形成耗散結(jié)構(gòu)就有一定能力突發(fā)干擾：使系統(tǒng)時，系統(tǒng)可產(chǎn)生向上或向下的運動，一般情況下形突變的突變論觀點主要有以下幾點：a.穩(wěn)定機制是事物的普遍特性之一，是突變論b.質(zhì)變可以通過漸變和突變兩種途徑來實現(xiàn)在常壓下的沸騰是通過突變來實現(xiàn)式達到質(zhì)變的；如果不穩(wěn)定，就是通過質(zhì)變方式達到的。C.在一種穩(wěn)定態(tài)中的突變論中以控制變量（U）來表示那些作為突變原因的連續(xù)變化因素，以狀態(tài)變量（x）來表示可能出現(xiàn)突變的量。突變論運用數(shù)學工具描述系統(tǒng)處于穩(wěn)定U4x27(U=1，x=1，狀態(tài)變量)、尖頂型（U=2，x=1、燕尾型（U=3，x=1、蝴蝶型(=4，x=1)、雙曲型(U=3x=2)(U=3x=2)(U=4x=2)致的質(zhì)變?nèi)缫蚰骋徊∽冎滤兰忭斝屯蛔兡Ｐ褪亲畛Ｓ靡彩潜容^簡單一種突變模型。下面所舉的一個突變模型便是尖頂型模型。在圖2－9中描述的是社會狀態(tài)與和社會不安定程度之間的關(guān)系。社會狀態(tài)以狀態(tài)變量x（垂直坐標）表示；控制變量有兩個：（a軸表示）和社度高，程度變化過程中，x從xB′沿曲面上行，到達β′后，進入分支集，續(xù)減少，社會狀態(tài)到達xB點（與平面上的B點對應，社會處于激進狀態(tài)，x可連續(xù)地從激進過渡到保守，不發(fā)生突變。“新三論”的啟社會經(jīng)濟系統(tǒng)雖顯現(xiàn)了一些物理化學規(guī)律，但從根本上看有許多超出社會經(jīng)濟系統(tǒng)從低級向高級轉(zhuǎn)變必定依賴于開放、協(xié)同的條件 A?行為?xAx…:.:...:.:.:保守xB?xaAβ′分支集B控制圖 社會狀態(tài)的突變模五、運籌n要求目標函數(shù)實現(xiàn)最大化（或最小化nmaxminZcjxjmnnaijxj,bij

i1,2,,xj0

j1,2,,論。在經(jīng)營管理工作中，為了保證系統(tǒng)的有效運轉(zhuǎn)，往往需要對原材料元器件設備以及其它物資保障條件保持必要的儲備論就是應用數(shù)學方法研究在什么時間以多少數(shù)量從什么供應來補充這些設備使得在保證生產(chǎn)正常運行的情況下，保持庫存和補充采購的總費用最少。第三節(jié)系統(tǒng)工程理論的新發(fā)賴計算機的信息處理能力才解決決策支持就是運用現(xiàn)代科學技術(shù)的先決策支持系統(tǒng)是輔助決策者利用數(shù)據(jù)和模型解決非結(jié)構(gòu)化或者半結(jié)構(gòu)化決策問題的人－機交互式系統(tǒng)它是以現(xiàn)代技術(shù)為針對某一型的非結(jié)構(gòu)列舉出可能的方案用分析比較等方式為管理者決策提通過人機系統(tǒng)進行分析比較和判斷幫助決策者提高決的與分析與計劃生產(chǎn)與銷售研究與開發(fā)等并開始用于軍事決策工程決策、區(qū)域規(guī)劃等方面。。，，隨著人工智能技術(shù)及知識工程領域的發(fā)展，人們又發(fā)展了以計算機為的系統(tǒng)系統(tǒng)是從人工智能、知識工程領域發(fā)展起來的計算機輔助管理 解決問題的方式與方法，利用知識解決一般 人類水平去解決該領域中的問題的計算機程序。A.Barr和E.A.Feigenbaum曾精辟地“系統(tǒng)的性能水平主要是它所擁有的知識數(shù)量和質(zhì)量的函數(shù)”一個系統(tǒng)所知道的知識越多、質(zhì)量越高，它解決問題的能力也就越強。因此系統(tǒng)實際上是通過在系統(tǒng)中大量與應用領域有關(guān)的專門知識而取得高水平的問題求解能力。從以上定義可以看出系統(tǒng)強調(diào)的是高性能，因此，任何解題能力達到了同領域中人類水平的計算機程序都可以稱作系統(tǒng)。但實際上這個定義具有相當豐富的內(nèi)涵，并非用任何方法設計的程序都能達到人類水平系統(tǒng)作為人工智（AI）應用的一個分支，在科學研究、醫(yī)療、工程實踐、管理決策、程序設計自動化等各個不同的應用領域，得到了不同程度的發(fā)展，各種領域的系統(tǒng)先后出現(xiàn)，特別是從60。，，22070學者在70年代，軟科學需要運用現(xiàn)代科學技術(shù)體系以至整個人類知識和“軟系統(tǒng)”兩類。所謂硬系般是偏工程、物理型的，它們的機理比較明為和最優(yōu)解。所謂“軟系般是偏社會、經(jīng)濟型的，它們的機理往往并不2050602070了到20世紀80年代在美英出現(xiàn)了一批新的系統(tǒng)方法論他們的Checkland在他的著作《軟系統(tǒng)方法論》一書中，基于系統(tǒng)的目標、結(jié)構(gòu)、機理問題稱為“議題”(Ies)，將解決這兩種問題的方法分別稱為“軟”系統(tǒng)方法2－3所示：(硬系統(tǒng)方法(軟系統(tǒng)方法2－3JacksonFlood在他們的著作《管理科學的系統(tǒng)方法》和《創(chuàng)造性的解決為三大類，即一致(一元Unitary)、不一致(多元Pluralist)和強制(有絕的、有機的或復雜的(Systemic、anicorComplex)，由此得到基于系統(tǒng)特性及2－4所示：2－4(硬系統(tǒng)方法(解放系統(tǒng)思考組織控制論3、20世紀80年代中期，國際科學界興起了對復雜性問題的研究，一個突出的標志是1984年在新墨西哥州成立了以研究復雜性為 所(SantaFeInstituet，簡稱SFI)。1994年，在圣菲 成立10之際，霍蘭正式提出復雜適應系統(tǒng)(ComplexAdaptiveSystem，簡稱CAS)理論。CAS境以及其它一些社會科學與自然科學中，CAS理論的概念和方法都得到了不同程一，而不是復雜性的唯一來源。CAS性的機制與。然而，大量事實表明，由適應性產(chǎn)生的復雜性，即所謂復雜適CAS，CAS是具有適應能力的、主動的，簡稱主體。這種主體在與環(huán)境的交互作用中遵系統(tǒng)將在主體之間以及主體與環(huán)境的相互作用中發(fā)展宏觀系統(tǒng)的分化、、CAS系統(tǒng)中的一般稱為元素、部分或子系統(tǒng)。復雜適應系統(tǒng)理論采用了adaptiveagent（具有適應能力的）這個詞，是為了強調(diào)它的主體性，強調(diào)它具有自己的目標結(jié)構(gòu)和生存能力。但是單獨用主體這個概念，是無法CAS的概念，霍蘭提7、非線性、流、多樣性、標識、模型、積木。、（aggregation：主要用于通過“粘著”（adhesion）agent它們可以在一定條件下，在雙方彼此接受時，組成一個新的——體，在系統(tǒng)中像一個單獨的那樣行動。非線性（nonlinearity：指以及它們的屬性在發(fā)生作用時，并非明顯。CAS理論認為之間相互影響不是簡單的、的、單向的因果關(guān)系，（flow：（diversity會發(fā)展與擴大，最終形成分化，這是CAS的一個顯著特點。霍蘭，正是相互標（tagging為了相互識別和選擇的標識在與環(huán)境的CAS模型（internalmodels：這一點表明了層次的概念。每個都是有復雜的機制的。對于整個系統(tǒng)來說，這就統(tǒng)稱為模型。積木（buildingblocks：復雜系統(tǒng)常常是在一些相對簡單的構(gòu)件的基，CASCAS整體相對而言的概念元素單元部件都是作為一個的局部的概念而。主體的概念則把的主動性提高到了系統(tǒng)進化的基本動因的位置從而成為研究與宏觀演化現(xiàn)象的出發(fā)點(2)與環(huán)境(包括之間)CAS于本身屬性極不相同，但是相互關(guān)系卻有許多共同點的不同領域；(3)把宏觀和微觀有機地聯(lián)系起來。它通過主體和環(huán)境的相互作用，使得的變化成為整個系統(tǒng)的變化的基礎地加以(4)引進了隨機因數(shù)的作用使CASCASCAS隨量即在變化的某一環(huán)節(jié)中引入外來的隨機因數(shù)按照一定的分布影響，對于前面提到的CAS理論，在主體模型的基礎上，建立了整個系統(tǒng)的宏觀模model圖 主體的基本情CAS理論的另外一個重要特點就是它的可操作性。圣菲開發(fā)的平臺——SWARM，具體實現(xiàn)了這個特點。SWARM是一個高效率的、的、可重用的實驗平臺，為科學家們提供了一個標準的，。SWARM的建模思想是建立一系列獨立的，通過獨立事件之間進行交互和研究系統(tǒng)的行為和演化規(guī)律模擬的基本單元是，一個就像系統(tǒng)中的一個演員，它能夠產(chǎn)生動作并影響自身和其他。定義了SWARM中，特定的行為發(fā)生在特定的時間，行為的發(fā)展按照時，。CAS理論是一個很新的領域，距離成熟還有很大的歷程。因此，存在方面，CAS理論還有待于進一步的發(fā)展和完善。這說明還需要廣泛地研究類型地復雜適應系統(tǒng)并且逐步形成確實具有方法論和認識論意義上地，具有一定普遍性地和表達方式。從實際應用的角度來看，除了需要應用到更廣泛的范圍之外，CAS理CAS理論研究的工具與環(huán)境——SWARM，也還處于完善過個初始狀態(tài)可以很準確地系統(tǒng)的未來也可以準確地說清楚它的過去。不同的初始狀態(tài)表示了過去不同的歷史，也了不同的未來。統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)的數(shù)目一般很多，通常多到無法一個一個地描寫每一個子系統(tǒng)地運1990年《自然雜志》第一期錢學森、于景元、戴汝為三人署名的一篇“一個科學新領域——開放的復雜巨系統(tǒng)及其方法論，首次向世人了錢學森“開放的復雜巨系統(tǒng)”有三個層次的含義：(1)系統(tǒng)本身與系(2)(3)的。開放的復雜巨系統(tǒng)廣泛存在于現(xiàn)實世界。例如，人腦系統(tǒng)、系統(tǒng)、社80年代初，結(jié)合現(xiàn)代模式的研究，錢學森提出處理復雜行為系統(tǒng)的定量方法學。這種定量方法學時半經(jīng)驗半理論的，是科學理論、經(jīng)驗和判斷力工程中的應用已被實踐證明是非常有效的如“阿計劃中國“兩即使像數(shù)學這樣廣泛使用的理論和方法，也遇到嚴重，因為復雜巨系統(tǒng)特別、在80年代末，在錢學森指導下，系統(tǒng)學班又進行了方法論的，考察了各類復雜巨系統(tǒng)研究的新進展，特別是社會系統(tǒng)、地理系統(tǒng)系統(tǒng)和軍4個方面：、部710所的聯(lián)合研究中，有幾百個變量和上千個參數(shù)描述的、定性與定量相結(jié)合在軍事系統(tǒng)中，軍事對陣系統(tǒng)和現(xiàn) 模型的研究在對這些研究進展進行提煉、概括和抽象的基礎上，80（1）（2）提出問題和形成判建模、仿真分析優(yōu)統(tǒng)計數(shù)據(jù)綜合集成方法了解決復雜巨系統(tǒng)和復雜性問題的過程以及過程的方法性和反復性這個過程是從提出問題和形成經(jīng)驗性假設開始這一步是 體系所具有的有關(guān)科學理論經(jīng)驗知識和判斷力智慧相結(jié)合并通過 班的研討形式而形成的通常是定性的這樣的經(jīng)驗性假（猜想判斷方案思路等所以是經(jīng)驗性的是因為還沒有經(jīng)過精密的嚴格論證并不是科學結(jié)論從思維科學角度來看這一步是以形象思維和社會思維為主在研討過程中要充分發(fā)揚學術(shù)暢所欲言相互啟發(fā)大膽爭論把的創(chuàng)造性充分激發(fā)出來精密的嚴格論證是通過人機結(jié)合人機交互反復對比逐次近對經(jīng)驗性假設做出明確結(jié)論如果肯定了經(jīng)驗性假設是對的這樣的結(jié)論就是現(xiàn)階段對客觀事物認識的科學結(jié)論如果經(jīng)驗性假設被否定就需要對經(jīng)驗性假設進行修正提出新的經(jīng)驗性假設再重復上述過程從思維科學角度來說這一過程是以邏輯思維和辯證思維為主在這個過程中要充分應用數(shù)學科學系統(tǒng)科學控制科學、人工智能、以計算機為主的各種 所提供的各種有效方法和，如系統(tǒng)建模仿真分析提出問題和形成判建模、仿真分析優(yōu)統(tǒng)計數(shù)據(jù)圖 決策支