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代科學技術的體系結構，認為從應用實踐到基礎理論，現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現代科學技術體系馬克思主義哲學自然科學數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)科學的體系結構。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學科學數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、結構和功能的關系、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)工程是從實踐中產生的，它用系統(tǒng)的思想與定量和定性相結合的系統(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過程中所形成的工程方法論，傳統(tǒng)的工程觀念是指生產技術的實踐而言，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。產生生過過程程：：早在在1924年至至1927年貝貝塔塔朗朗菲菲就就多多次次發(fā)發(fā)表表文文章章，，主主張張把把有有機機體體當當作作系系統(tǒng)統(tǒng)來來考考察察，，認認為為生生物物學學的的主主要要任任務務就就是是發(fā)發(fā)現現生生物物系系統(tǒng)統(tǒng)中中不不同同層層次次的的組組織織原原則則。。1932年和和1934年，，他他先先后后發(fā)發(fā)表表了了《《理理論論生生物物學學》》和和《《現現代代發(fā)發(fā)展展理理論論》》兩兩部部著著作作，，闡闡明明了了系系統(tǒng)統(tǒng)的的整整體體性性原原則則，，主主張張用用數數學學和和模模型型方方法法研研究究生生物物現現象象，，提提出出了了機機體體系系統(tǒng)統(tǒng)論論的的思思想想。。1937年，，貝貝塔塔朗朗菲菲在在美美國國芝芝加加哥哥大大學學哲哲學學討討論論會會上上，，首首次次提提出出了了一一般般系系統(tǒng)統(tǒng)概概念念。。1945年，，他他在在《《德德國國哲哲學學周周刊刊》》上上發(fā)發(fā)表表了了《《關關于于一一般般系系統(tǒng)統(tǒng)論論》》。。但但遺遺憾憾的的是是，，這這篇篇重重要要論論文文幾幾乎乎不不被被人人所所知知。。1948年在在美美國國再再次次講講授授““一一般般系系統(tǒng)統(tǒng)論論””時時，，才才得得到到學學術術界界的的重重視視。。1968年貝貝塔塔朗朗菲菲發(fā)發(fā)表表的的專專著著《《一一般般系系統(tǒng)統(tǒng)理理論論基基礎礎、、發(fā)發(fā)展展和和應應用用》》，確確立立了了該該學學科科的的學學術術地地位位。主要要思思想想觀觀點點：：整體體性性要素和系統(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放性性系統(tǒng)統(tǒng)與與環(huán)環(huán)境境的的相相互互作作用用，，進進行行物物質質、、能能量量和和信信息息的的交交換換，，才才是是一一切切有有機機體體處處于于其其活活動動狀狀態(tài)態(tài)并并保保持持其其活活的的生生命命運運動動從數數學學上上證證明明了了開開放放系系統(tǒng)統(tǒng)的的穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)動態(tài)態(tài)相相關關性性系統(tǒng)統(tǒng)處處于于不不斷斷發(fā)發(fā)展展變變化化之之中中，，是是時時間間的的函函數數動態(tài)態(tài)性性取取決決于于系系統(tǒng)統(tǒng)的的相相關關性性層次次等等級級性性有序序性性結構構有有序序性性發(fā)展展有有序序性性貝塔塔朗朗菲菲對對系系統(tǒng)統(tǒng)論論的的貢貢獻獻：：劃分分了了開開放放系系統(tǒng)統(tǒng)和和封封閉閉系系統(tǒng)統(tǒng)，，明明確確提提出出了了開開放放系系統(tǒng)統(tǒng)必必須須不不斷斷與與外外界界進進行行物物質質與與能能量量的的交交換換，，并并同同時時調調整整其其內內部部結結構構以以達達到到動動態(tài)態(tài)平平衡衡。。創(chuàng)立立了了一一般般系系統(tǒng)統(tǒng)論論，，并并指指出出一一般般系系統(tǒng)統(tǒng)論論是是研研究究““整整體體””的的科科學學。。指出出:““系系統(tǒng)統(tǒng)思思想想即即使使不不能能用用數數學學表表述述，，也也仍仍然然保保持持其其價價值值。?！薄睂ο迪到y(tǒng)統(tǒng)方方法法論論及及系系統(tǒng)統(tǒng)方方法法的的啟啟示示以系系統(tǒng)統(tǒng)的的觀觀點點看看整整個個世世界界，，不不能能片片面面、、孤孤立立地地看看問問題題以思思辨辨原原則則代代替替實實驗驗原原則則，，不不能能機機械械地地看看問問題題，，尤尤其其是是在在處處理理復復雜雜、、有有機機程程度度高高的的系系統(tǒng)統(tǒng)時時以整整體體論論代代替替還還原原論論啟示示我我們們以以目目的的論論代代替替因因果果輪輪控制制論論1947年年由由美美國國人人維維納納（（NorbertWiener））創(chuàng)創(chuàng)立立的的控制制論論（Cybernetics））是是一一門門研研究究系系統(tǒng)統(tǒng)的的控控制制的的學學科科。。維維納納于于1948年年出出版版了了《《控控制制論論》》一一書書，，他他對對控控制制論論的的定定義義是是：：““關關于于動動物物和和機機器器中中控控制制和和通通信信的的科科學學。?！薄保ǎ?964年年在在瑞瑞典典斯斯德德哥哥爾爾摩摩因因心心臟臟病病發(fā)發(fā)作作去去世世））控制制論論的的基基本本含含義義是是：：現現代代的的自自動動機機器器和和人人都都是是由由感感覺覺裝裝置置(器器官官)、、動動作作裝裝置置(器器官官)、、傳傳遞遞信信息息的的系系統(tǒng)統(tǒng)(神神經經系系統(tǒng)統(tǒng))所所組組成成的的一一種種系系統(tǒng)統(tǒng)。。自自動動機機器器和和人人都都是是在在接接收收、、處處理理、、傳傳遞遞和和存存貯貯信信息息，，并并利利用用信信息息去去完完成成動動作作，，實實現現與與外外界界的的聯(lián)聯(lián)系系。。在在系系統(tǒng)統(tǒng)工工作作中中，，反反饋饋控控制制給給定定控控制制信信號號使使動動作作裝裝置置(器器官官)動動作作。。動動作作結結果果由由感感覺覺裝裝置置(器器官官)檢檢測測出出來來，，并并反反饋饋回回去去與與給給定定信信號號相相比比較較。。如如果果比比較較有有偏偏差差，，偏偏差差信信號號會會繼繼續(xù)續(xù)控控制制動動作作裝裝置置(器器官官)動動作作，，直直到到偏偏差差信信號號消消失失為為止止。?？刂普摰陌l(fā)展展經典控制理論論：單因素，，重點是反饋饋控制現代控制理論論：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，探索索其內部結構構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23次，1出出現14次，，2出現13次，3出現現7次。用上上述二種方法法求該消息的的信息量。現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構和運動動形態(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”耗散結構理論論普普利高津協(xié)同論哈哈肯突變論勒勒內··托姆20世紀六六七十年代,出現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