ch系統(tǒng)工程理論

第二章系統(tǒng)工程理論宗憲亮天津科大工業(yè)工程內(nèi)容系統(tǒng)工程的科學體系“舊三論”+運籌學“新三論”系統(tǒng)工程理論的新發(fā)展系統(tǒng)工程的科學體系我國著名科學家錢學森提出了一個清晰的現(xiàn)代科學技術的體系結(jié)構(gòu)，認為從應用實踐到基礎理論，現(xiàn)代科學技術可以分為四個層次：首先是工程技術這一層次，然后是直接為工程技術提供理論基礎的技術科學這一層次，再就是基礎科學這一層次，最后通過進一步綜合、提煉達到最高概括的馬克思主義哲學。如圖2-1所示。圖2-1現(xiàn)代科學技術體系馬克思主義哲學自然科學數(shù)學社會科學工程技術技術科學系統(tǒng)工程的科學體系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)。認為系統(tǒng)科學是由系統(tǒng)工程這類工程技術，系統(tǒng)工程的理論方法（像運籌學、大系統(tǒng)理論等）這一類技術科學（統(tǒng)稱為系統(tǒng)學），以及它們的理論基礎和哲學層面的科學所組成的一類新興科學。如圖2-2所示。馬克思主義哲學社會科學數(shù)學科學數(shù)學突變論自然科學基礎科學物理學生物學其它技術科學系統(tǒng)學運籌學巨系統(tǒng)理論控制論信息論各門系統(tǒng)工程（系統(tǒng)觀）系統(tǒng)科學人體科學思維科學哲學基礎科學技術科學工程技術圖2-2系統(tǒng)科學的體系系統(tǒng)學主要研究系統(tǒng)的普遍屬性和運動規(guī)律，研究系統(tǒng)演化、轉(zhuǎn)化、協(xié)同和控制的一般規(guī)律，研究系統(tǒng)間復雜關系的形成法則、結(jié)構(gòu)和功能的關系、有序、無序狀態(tài)的形成規(guī)律以及系統(tǒng)仿真的基本原理等，隨著科學的發(fā)展，它的內(nèi)容也不斷在豐富。由于其尚屬于起步階段，還不夠成熟，因而學者們對系統(tǒng)科學的學科體系的認識仍有較大差異。系統(tǒng)工程是從實踐中產(chǎn)生的，它用系統(tǒng)的思想與定量和定性相結(jié)合的系統(tǒng)方法處理大型復雜系統(tǒng)的問題，是一門交叉學科。系統(tǒng)工程是系統(tǒng)科學的應用部分，是系統(tǒng)科學中與社會經(jīng)濟決策和工程管理關系最密切的一部分?！肮こ獭毕到y(tǒng)工程工程的觀念是在人們處理自然、改造自然的社會生產(chǎn)過程中所形成的工程方法論，傳統(tǒng)的工程觀念是指生產(chǎn)技術的實踐而言，而且以硬件為目標與對象，如機械工程、電氣工程、鐵路工程、水利工程等。系統(tǒng)工程將這一觀念和方法應用于社會系統(tǒng)中，其所處理的對象不僅包含傳統(tǒng)工程觀念中的自然對象（即硬件），而是在傳統(tǒng)的工程觀念的基礎上增添了新的內(nèi)容，也即以軟件為目標與對象。實際上，系統(tǒng)工程所討論的工程是泛指一切有人參與的、以改變系統(tǒng)某一特征為目標的，從命題到出成果的工作過程。系統(tǒng)工程使得人們能夠以工程的觀念和系統(tǒng)理論研究和解決各種復雜系統(tǒng)問題。系統(tǒng)工程的理論基礎“舊三論”一般系統(tǒng)論貝塔朗菲

控制論維納NorbertWiener

信息論香農(nóng)ClaudeElwoodShannon

(01)一般系統(tǒng)論貝塔朗菲認為，在各種不同的系統(tǒng)中，會存在某種相似性或同構(gòu)性。一般系統(tǒng)論的任務是要找到不同系統(tǒng)，不同學科之間的共同語言和術語。一般系統(tǒng)論可以理解為關于任意系統(tǒng)研究的一種一般的理論與方法論。產(chǎn)生過程：早在1924年至1927年貝塔朗菲就就多次發(fā)表文文章，主張把把有機體當作作系統(tǒng)來考察察，認為生物物學的主要任任務就是發(fā)現(xiàn)現(xiàn)生物系統(tǒng)中中不同層次的的組織原則。。1932年和1934年，他先后發(fā)發(fā)表了《理論論生物學》和和《現(xiàn)代發(fā)展展理論》兩部部著作，闡明明了系統(tǒng)的整整體性原則，，主張用數(shù)學學和模型方法法研究生物現(xiàn)現(xiàn)象，提出了了機體系統(tǒng)論論的思想。1937年，貝塔朗菲菲在美國芝加加哥大學哲學學討論會上，，首次提出了了一般系統(tǒng)概概念。1945年，他在《德德國哲學周刊刊》上發(fā)表了了《關于一般般系統(tǒng)論》。。但遺憾的是是，這篇重要要論文幾乎不不被人所知。。1948年在美國再次次講授“一般般系統(tǒng)論”時時，才得到學學術界的重視視。1968年貝塔朗菲發(fā)發(fā)表的專著《《一般系統(tǒng)理理論基礎、發(fā)發(fā)展和應用》》，確立了該學學科的學術地地位。主要思想觀點點：整體性要素和系統(tǒng)不可分割系統(tǒng)的總體功能不等于系統(tǒng)各組成部分功能之和系統(tǒng)整體具有不同于各組成部分的新功能開放性系統(tǒng)與環(huán)境的的相互作用，，進行物質(zhì)、、能量和信息息的交換，才才是一切有機機體處于其活活動狀態(tài)并保保持其活的生生命運動從數(shù)學上證明明了開放系統(tǒng)統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)動態(tài)相關性系統(tǒng)處于不斷斷發(fā)展變化之之中，是時間間的函數(shù)動態(tài)性取決于于系統(tǒng)的相關關性層次等級性有序性結(jié)構(gòu)有序性發(fā)展有序性貝塔朗菲對系系統(tǒng)論的貢獻獻：劃分了開放系系統(tǒng)和封閉系系統(tǒng)，明確提提出了開放系系統(tǒng)必須不斷斷與外界進行行物質(zhì)與能量量的交換，并并同時調(diào)整其其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以以達到動態(tài)平平衡。創(chuàng)立了一般系系統(tǒng)論，并指指出一般系統(tǒng)統(tǒng)論是研究““整體”的科科學。指出:“系統(tǒng)統(tǒng)思想即使不不能用數(shù)學表表述，也仍然然保持其價值值。”對系統(tǒng)方法論論及系統(tǒng)方法法的啟示以系統(tǒng)的觀點點看整個世界界，不能片面面、孤立地看看問題以思辨原則代代替實驗原則則，不能機械械地看問題，，尤其是在處處理復雜、有有機程度高的的系統(tǒng)時以整體論代替替還原論啟示我們以目目的論代替因因果輪控制論1947年由由美國人維納納（NorbertWiener）創(chuàng)立的控制論（Cybernetics）是一門門研究系統(tǒng)的的控制的學科科。維納于1948年出出版了《控制制論》一書，，他對控制論論的定義是：：“關于動物物和機器中控控制和通信的的科學?！保ǎ?964年在在瑞典斯德哥哥爾摩因心臟臟病發(fā)作去世世）控制論的基本本含義是：現(xiàn)現(xiàn)代的自動機機器和人都是是由感覺裝置置(器官)、、動作裝置(器官)、傳傳遞信息的系系統(tǒng)(神經(jīng)系系統(tǒng))所組成成的一種系統(tǒng)統(tǒng)。自動機器器和人都是在在接收、處理理、傳遞和存存貯信息，并并利用信息去去完成動作，，實現(xiàn)與外界界的聯(lián)系。在在系統(tǒng)工作中中，反饋控制制給定控制信信號使動作裝裝置(器官)動作。動作作結(jié)果由感覺覺裝置(器官官)檢測出來來，并反饋回回去與給定信信號相比較。。如果比較有有偏差，偏差差信號會繼續(xù)續(xù)控制動作裝裝置(器官)動作，直到到偏差信號消消失為止。控制論的發(fā)展展經(jīng)典控制理論論：單因素，，重點是反饋饋控制現(xiàn)代控制理論論：多因素，，重點是最優(yōu)優(yōu)控制大系統(tǒng)控制理理論：大系統(tǒng)統(tǒng)，重點是多多級遞階控制制控制論的基本本概念控制論對系統(tǒng)統(tǒng)工程方法論論的啟示黑箱-灰箱-白箱法黑箱灰箱白箱黑箱方法是指指在不打開黑黑箱的前提下下，利用外部部觀測、試驗驗，通過輸入入、輸出信息息，來研究對對象的功能和和特性，探索索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)和機理的科科學方法。確認黑箱觀察黑箱闡明黑箱驗證黑箱一無所知略知一二一清二楚功能模擬法形式化、數(shù)量量化、最優(yōu)化化方法信息論Inhiswords"Ijustwonderedhowthingswereputtogether."ClaudeElwoodShannon(April30,1916-February24,2001)hasbeencalled"thefatherofinformationtheory".對信息量的認認識理解分析問題的認認識過程：對一問題毫無無了解，對它它的認識是不不確定的；通過各種途徑徑獲得信息，，逐漸消除不不確定性；對這一問題非非常的了解，，不確定性很很小獲取信息的過過程是一個是是由未知到已已知的過程，，或者說由不不確定到確定定的過程。因因此信息可以以看作是消除除了不確定性性。用消除不確定性的多少來度量信息！黑箱不確定度A灰箱不確定度B白箱不確定度C信息I信息II對信息量的認認識理解衡量信息多少少的物理量稱稱為信息量。。信息量的大小小與消息所描描述事件的出出現(xiàn)概率有關關。若概率很小，，受信者感覺覺很突然，該該消息所含信信息量就很大大；若概率很大，，受信者事先先已有所估計計，則該消息息信息量就越越??；若受信者收到到完全確定的的消息，則沒沒有信息量。。當你要到大會會堂（20排排）去找某一一個人時，甲甲告訴你一條條消息：此人人坐在前十排排；乙告訴你你一條消息：：此人坐在第第十五排。問問誰提供的信信息量大？某人在哪？甲：把會堂分分為前后兩部部分，告訴你你某人在前半半部分。兩種種可能，概率率為：0.5。乙：把會堂分分為20排，，告訴你某人人在那15排排。20種可可能，概率均均為：1/20。信息量的計算算某人只能坐第第1排（概率率0.1），，第2排（概概率0.1）），第5排（（概率0.3），第10排（概率0.5）。甲甲告訴你在第第10排，乙乙告訴你在第第6排。信息量的計算算那么，完全知知道某人在那那里的話，所所需信息量是是多少？一消息由0、、1、2、3四種符號組組成，各符號號出現(xiàn)概率分分別為3/8，1/4，，1/4和1/8。消息息總長57個個符號，其其中0出現(xiàn)23次，1出出現(xiàn)14次，，2出現(xiàn)13次，3出現(xiàn)現(xiàn)7次。用上上述二種方法法求該消息的的信息量。現(xiàn)代電子計算算機之父馮··諾伊曼：““闡明復雜性性和復雜化概概念應當是20世紀科學學的任務，就就像19世紀紀的熵和能量量概念一樣。?！毙畔⒄摷捌浞椒椒ㄕ摰膯⑹臼绢惐确椒ê徒y(tǒng)統(tǒng)計方法信息方法用信息概念作作為分析處理理問題的基礎礎，拋開研究究對象的具體體結(jié)構(gòu)和運動動形態(tài)，把系系統(tǒng)有目的的的運動抽象為為一個信息變變換過程。信息→輸輸入→存存儲→處處理→輸輸出→信信息↑————————反饋——————————↓運籌學關于決策的科科學，系統(tǒng)工工程的基礎理理論與數(shù)學工工具田忌賽馬系統(tǒng)工程－戰(zhàn)略部署克敵制勝！運籌學－戰(zhàn)術安排運籌學主要分分支線性規(guī)劃動態(tài)規(guī)劃排隊論對策論存儲論“新三論”耗散結(jié)構(gòu)理論論普普利高津協(xié)同論哈哈肯突變論勒勒內(nèi)··托姆20世紀六六七十年代,出現(xiàn)了所謂謂的自組織理理論,它是在在一般系統(tǒng)論論和控制論的的基礎上形成成的理論。自組織理論的的研究指出:系統(tǒng)存在和和生存有賴于于系統(tǒng)本身復復制其行為和和組織的能力力,這是自組組織理論的最最基本的觀點點,從而催生生出了極其豐豐富的成果。。這一理論強調(diào)調(diào)了系統(tǒng)在自自組織過程中中對自身結(jié)構(gòu)構(gòu)和行為的創(chuàng)創(chuàng)新,只有開開放系統(tǒng),才才可能有自身身組織和行為為的創(chuàng)新,并并且是在遠離離平衡狀態(tài)下下通過不斷的的能量、物質(zhì)質(zhì)和信息的流流通來進行;同時,該理理論也指出了了自組織系統(tǒng)統(tǒng)的各部分之之間是一種非非線性關系,一般用非線線性方程來描描述的。它的的研究對象主主要是復雜自自組織系統(tǒng)（（生命系統(tǒng)、、社會系統(tǒng)））的形成和發(fā)發(fā)展機制問題題，即在一定定條件下，系系統(tǒng)是如何自自動地由無序序走向有序，，由低級有序序走向高級有有序的。耗散結(jié)構(gòu)理論論、協(xié)同論和和突變論就是是自組織理論論的的代表。。“新三論”的的啟示社會經(jīng)濟系統(tǒng)統(tǒng)雖然出現(xiàn)了了一些物理化化學規(guī)律，但但從根本上看看有許多超出出規(guī)律的規(guī)律律社會經(jīng)濟系統(tǒng)統(tǒng)從低級向高高級轉(zhuǎn)變必定定依賴于開放放、內(nèi)部協(xié)同同的條件無論是漸變還還是突變，都都是有規(guī)律可可循的，高