系統(tǒng)工程學 講義 3 系統(tǒng)工程理論

1、第二章第二章 系統(tǒng)工程理論系統(tǒng)工程理論 重要研究領域有耗散結構理論、協(xié)同學、突變理論、混沌與重要研究領域有耗散結構理論、協(xié)同學、突變理論、混沌與分叉理論、自組織系統(tǒng)、超循環(huán)理論和有序與無序。分叉理論、自組織系統(tǒng)、超循環(huán)理論和有序與無序。 2-1 經典系統(tǒng)理論經典系統(tǒng)理論 一、一般系統(tǒng)論一、一般系統(tǒng)論（一）一般系統(tǒng)論產生過程（一）一般系統(tǒng)論產生過程 一維科學時代，還原論，解決孤立問題一維科學時代，還原論，解決孤立問題 二戰(zhàn)爆發(fā)，復雜的戰(zhàn)爭組織、復雜的戰(zhàn)爭資源管理和后二戰(zhàn)爆發(fā)，復雜的戰(zhàn)爭組織、復雜的戰(zhàn)爭資源管理和后勤保障問題向還原論方法提出了尖銳的挑戰(zhàn)。勤保障問題向還原論方法提出了尖銳的挑戰(zhàn)。 系

2、統(tǒng)論發(fā)展重要的標志：貝塔朗菲的一般系統(tǒng)論系統(tǒng)論發(fā)展重要的標志：貝塔朗菲的一般系統(tǒng)論 現(xiàn)代系統(tǒng)論是在對生物學中的還原論和活力論的批判現(xiàn)代系統(tǒng)論是在對生物學中的還原論和活力論的批判中誕生的。中誕生的。 1937年，貝塔朗菲在芝加哥大學提出了一般系統(tǒng)論的概念。年，貝塔朗菲在芝加哥大學提出了一般系統(tǒng)論的概念。1945年，在年，在德國哲學周刊德國哲學周刊上發(fā)表上發(fā)表 關于一般系統(tǒng)論關于一般系統(tǒng)論直到直到1947年和年和1948年，一般系統(tǒng)論才形成為一門嶄新的學科。年，一般系統(tǒng)論才形成為一門嶄新的學科。 貝塔朗菲認為：生命首先是一個自我組織系統(tǒng)，作為有組織的復貝塔朗菲認為：生命首先是一個自我組織系統(tǒng)，作為

3、有組織的復合體不斷經歷著發(fā)展和展開，向著更高層次的分化前進。作為整體它合體不斷經歷著發(fā)展和展開，向著更高層次的分化前進。作為整體它不能還原為部分，其發(fā)展了的形態(tài)與早先的形態(tài)有著質的區(qū)別。而且不能還原為部分，其發(fā)展了的形態(tài)與早先的形態(tài)有著質的區(qū)別。而且有機體不是靜態(tài)的而是動態(tài)的，不是封閉的而是開放的，不是被動地有機體不是靜態(tài)的而是動態(tài)的，不是封閉的而是開放的，不是被動地等待反應，而是自動地主動地尋求刺激等待反應，而是自動地主動地尋求刺激。 （二）一般系統(tǒng)論的基本觀點（二）一般系統(tǒng)論的基本觀點1. 系統(tǒng)的整體性系統(tǒng)的整體性 要素和系統(tǒng)不可分割要素和系統(tǒng)不可分割 系統(tǒng)整體的功能不等于各組成部分的功能

4、之和。系統(tǒng)整體的功能不等于各組成部分的功能之和。 “非加和定律非加和定律” 系統(tǒng)整體的質不同于部分的質。系統(tǒng)整體的質不同于部分的質。 2. 系統(tǒng)的開放性系統(tǒng)的開放性 有機體之所以能夠保持自身有序的、有組織的穩(wěn)定狀有機體之所以能夠保持自身有序的、有組織的穩(wěn)定狀態(tài)，是由于系統(tǒng)與環(huán)境處于相互作用之中，系統(tǒng)與環(huán)境不態(tài)，是由于系統(tǒng)與環(huán)境處于相互作用之中，系統(tǒng)與環(huán)境不斷進行物質、能量和信息的交換，這就是開放系統(tǒng)。斷進行物質、能量和信息的交換，這就是開放系統(tǒng)。 等結果性原理等結果性原理。 開放系統(tǒng)可以保持自身的穩(wěn)定結構和有序狀態(tài)，這正開放系統(tǒng)可以保持自身的穩(wěn)定結構和有序狀態(tài)，這正是系統(tǒng)目的性的表現(xiàn)。是系統(tǒng)目

5、的性的表現(xiàn)。 3. 系統(tǒng)的動態(tài)相關性系統(tǒng)的動態(tài)相關性 動態(tài)相關性的實質是揭示要素、系統(tǒng)和環(huán)境三者之間動態(tài)相關性的實質是揭示要素、系統(tǒng)和環(huán)境三者之間的關系及其對系統(tǒng)狀態(tài)的影響。的關系及其對系統(tǒng)狀態(tài)的影響。 4. 系統(tǒng)的層次等級性系統(tǒng)的層次等級性 結構越復雜，組織越有序，功能也越強。結構越復雜，組織越有序，功能也越強。 5. 系統(tǒng)的有序性系統(tǒng)的有序性 結構有序性（空間）、發(fā)展有序性（時間）。結構有序性（空間）、發(fā)展有序性（時間）。二、控制論二、控制論（一）控制論的產生與發(fā)展（一）控制論的產生與發(fā)展1947年，維納，控制論，年，維納，控制論，Cybernetics 1948年，年， 控制論控制論 定

6、義控制論為定義控制論為“關于動物和機器中的控制與通信的理論關于動物和機器中的控制與通信的理論”?？刂普摰陌l(fā)展經歷了三個時期：控制論的發(fā)展經歷了三個時期： 經典控制理論時期。經典控制理論時期。 研究單因素控制系統(tǒng)，重點是反饋控制。研究單因素控制系統(tǒng)，重點是反饋控制。 現(xiàn)代控制理論時期。現(xiàn)代控制理論時期。 研究多輸入、多輸出、高精度和參數(shù)時變，最優(yōu)控制。研究多輸入、多輸出、高精度和參數(shù)時變，最優(yōu)控制。 大系統(tǒng)理論控制時期。大系統(tǒng)理論控制時期。 大系統(tǒng)多級遞階控制。大系統(tǒng)多級遞階控制。 （二）控制論的基本概念（二）控制論的基本概念 （三）控制論對系統(tǒng)方法的啟示（三）控制論對系統(tǒng)方法的啟示 黑箱黑箱灰

7、箱灰箱白箱法白箱法 黑箱法：人們無需或無法直接觀測其內部結構，不打開系黑箱法：人們無需或無法直接觀測其內部結構，不打開系統(tǒng)統(tǒng)“活體活體”，只能從外部的輸入和輸出去認識現(xiàn)實系統(tǒng)。，只能從外部的輸入和輸出去認識現(xiàn)實系統(tǒng)。 黑箱永遠有，白箱永不白。黑箱永遠有，白箱永不白。 三、信息論三、信息論（一）信息論的產生與發(fā)展（一）信息論的產生與發(fā)展 1949年，年，CE香農的香農的通信的數(shù)學理論通信的數(shù)學理論 基本內容是研究信源、信宿、信道及編碼問題?；緝热菔茄芯啃旁?、信宿、信道及編碼問題。 分類：分類：（1）狹義信息論：即申農信息論。）狹義信息論：即申農信息論。（2）一般信息論：通信問題。）一般信息論：

8、通信問題。 申農信息論的局限性。申農信息論的局限性。 （二）信息論的基本概念（二）信息論的基本概念 1 信息定義信息定義 兩次不定性之差，即不定性的減少的量。兩次不定性之差，即不定性的減少的量。 消息是信息的外殼，信息是消息的內核。消息是信息的外殼，信息是消息的內核。 2 信息概念的特點信息概念的特點 （1）信息具有知識秉性。）信息具有知識秉性。 （2）信息的使用價值具有相對性。）信息的使用價值具有相對性。 （3）信息不守恒。）信息不守恒。3 物質、能量、信息的比較物質、能量、信息的比較 表現(xiàn)形式表現(xiàn)形式變化過程變化過程守恒守恒熵熵物質物質電子、細胞等電子、細胞等擴散、傳遞擴散、傳遞物質不滅物

9、質不滅能量能量引力、熱等引力、熱等能量轉化、能量轉化、傳遞傳遞能量守恒能量守恒熱力學第熱力學第二定律二定律信息信息信號等信號等存儲、傳遞存儲、傳遞不守恒不守恒信息熵信息熵4. 通信問題模型通信問題模型 5. 信息量和信息熵信息量和信息熵 反常的事件比正常的含信息量大，稀有事件比正常的反常的事件比正常的含信息量大，稀有事件比正常的含信息量大。含信息量大。 以概率以概率p發(fā)生的可能消息所包含的信息量為發(fā)生的可能消息所包含的信息量為h=-log2p。 信息熵：信源平均信息量信息熵：信源平均信息量 設描述某一事件的消息源可能發(fā)出的消息為設描述某一事件的消息源可能發(fā)出的消息為x=(x1, x2, , x

10、n)，而各可能消息是否會發(fā)出的概率為，而各可能消息是否會發(fā)出的概率為p1, p2, , pn，并滿足歸一性條件，則信息熵為，并滿足歸一性條件，則信息熵為 niiippH12log 利用信息熵可以描述系統(tǒng)復雜性、組織狀態(tài)的不確利用信息熵可以描述系統(tǒng)復雜性、組織狀態(tài)的不確定性和有序性。定性和有序性。2-2 現(xiàn)代系統(tǒng)理論現(xiàn)代系統(tǒng)理論一、耗散結構與協(xié)同學一、耗散結構與協(xié)同學 是系統(tǒng)科學中自組織理論的重要組成部分，研究自發(fā)是系統(tǒng)科學中自組織理論的重要組成部分，研究自發(fā)形成的宏觀有序現(xiàn)象形成的宏觀有序現(xiàn)象自組織現(xiàn)象。自組織現(xiàn)象。 （1）耗散結構理論）耗散結構理論1 起源起源（1）牛頓時間和梅格森時間。）牛

11、頓時間和梅格森時間。 22dtsdmF “時間箭頭時間箭頭”沒有意義。沒有意義。 進化論和熱力學中，時間不可逆。熱傳導方程：進化論和熱力學中，時間不可逆。熱傳導方程：22),(),(xtxTttxT“對稱破缺對稱破缺” 物理學的困惑：物理學的困惑：牛頓力學牛頓力學電磁理論電磁理論相對論相對論量子力學量子力學22dtd rmF22222222tEzEyExEdtdddddvmvtmtvmF)(2224022222tcmxc具有時間反演不變性具有時間反演不變性分子物理熱力學過程的不可逆性：分子物理熱力學過程的不可逆性：系統(tǒng)的演化具有時間箭頭系統(tǒng)的演化具有時間箭頭熵增的方向。熵增的方向。oxtoxt

12、0 x力學系統(tǒng)力學系統(tǒng)熱力學系統(tǒng)熱力學系統(tǒng)物物理理學學的的困困惑惑（3）熱力學第二定律和熵）熱力學第二定律和熵 一種表述：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體，一種表述：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體，而不產生其它影響（熱傳導的不可逆性）。而不產生其它影響（熱傳導的不可逆性）。 另一種：不可能從單一熱源中取熱使之完全變?yōu)橛辛硪环N：不可能從單一熱源中取熱使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a生其它影響。用功而不產生其它影響。 熵是混亂度（無序度）的量度。熵是混亂度（無序度）的量度。 （2）退化與進化）退化與進化 退化，從有序狀態(tài)向無序狀態(tài)的轉變。退化，從有序狀態(tài)向無序狀態(tài)的轉變。進化則是向著更高有序狀態(tài)的轉變。

13、進化則是向著更高有序狀態(tài)的轉變。 達爾文的進化論：達爾文的進化論： 生物系統(tǒng)總是從簡單、單一和均勻向復雜、生物系統(tǒng)總是從簡單、單一和均勻向復雜、多樣和不均勻演化。多樣和不均勻演化。物資濃聚物資濃聚（形成資源）（形成資源）內能投入內能投入（地殼以下（地殼以下提供負熵）提供負熵）廢物廢物散熱散熱（熵增）（熵增）物質組合物質組合（成型、加工）（成型、加工）廢料廢料廢料處理廢料處理廢料產生廢料產生太陽提供太陽提供負熵負熵 資資 源源 生生 產產 的的 熵熵 解解（4）開放系統(tǒng)的熱力學第二定律）開放系統(tǒng)的熱力學第二定律 系統(tǒng)的熵變化系統(tǒng)的熵變化 SdSddSiedeS是系統(tǒng)與外界交換物質和能量而引起的熵

14、流，是系統(tǒng)與外界交換物質和能量而引起的熵流，diS是系統(tǒng)內部自發(fā)產生的熵是系統(tǒng)內部自發(fā)產生的熵 diS=0，但，但deS可正可負，若為正則加速系統(tǒng)趨向可正可負，若為正則加速系統(tǒng)趨向平衡態(tài)的運動；若負則系統(tǒng)從環(huán)境中獲取物質和能量，平衡態(tài)的運動；若負則系統(tǒng)從環(huán)境中獲取物質和能量，從而給系統(tǒng)帶來負熵，使有序性的增加大于無序性的從而給系統(tǒng)帶來負熵，使有序性的增加大于無序性的增加，新的結構和組織就自發(fā)形成，這種遠離平衡態(tài)增加，新的結構和組織就自發(fā)形成，這種遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)就稱為耗散結構。的開放系統(tǒng)就稱為耗散結構。2. 耗散結構理論簡介耗散結構理論簡介 dissipative structure理論是

15、由比利時物理學家普利高理論是由比利時物理學家普利高津于津于1970提出。提出。 1969年，普利高津提出：一個遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，年，普利高津提出：一個遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，在外界條件發(fā)生變化使系統(tǒng)內部某個參量的變化達到一在外界條件發(fā)生變化使系統(tǒng)內部某個參量的變化達到一定的閾值時，量變可以發(fā)生質變，由混沌無序狀態(tài)變?yōu)槎ǖ拈撝禃r，量變可以發(fā)生質變，由混沌無序狀態(tài)變?yōu)橛行驙顟B(tài)。這種突變后形成的有序狀態(tài)稱耗散結構。有序狀態(tài)。這種突變后形成的有序狀態(tài)稱耗散結構。 自組織的典型現(xiàn)象自組織的典型現(xiàn)象自組織現(xiàn)象自組織現(xiàn)象某一系統(tǒng)中自發(fā)形成的時空有某一系統(tǒng)中自發(fā)形成的時空有序結構或狀態(tài)。序結構或狀態(tài)。1 1

16、、貝納德對流、貝納德對流液體液體均勻加熱均勻加熱T T2 2T T1 1T T2 2T T1 1 貝納德對流貝納德對流2. BelousovZhabotinski反應反應化學振蕩化學振蕩化學溶液顏色的周期性變化化學溶液顏色的周期性變化 時間周期時間周期（1 1）化學鐘）化學鐘系統(tǒng)具有長程關聯(lián)，時間對稱性發(fā)生破缺。系統(tǒng)具有長程關聯(lián)，時間對稱性發(fā)生破缺。具有自組織特征具有自組織特征（2 2）空間構型）空間構型化學波化學波化學溶液的顏色隨空化學溶液的顏色隨空間變化間變化空間周期空間周期信息由中心向外傳播，信息由中心向外傳播，空間對稱性發(fā)生破缺?？臻g對稱性發(fā)生破缺。具有自組織特征具有自組織特征非對稱性

17、非對稱性生命的基本特征生命的基本特征3 3、激光、激光激光激光同頻率、同相位、同偏振方向同頻率、同相位、同偏振方向自然光自然光頻率、位相、偏振方向不同頻率、位相、偏振方向不同粒子數(shù)反轉粒子數(shù)反轉1E2E0E受激輻射受激輻射)(021EEh具有自組織特征具有自組織特征l3 云街 耗散結構的基本特點耗散結構的基本特點 （1）系統(tǒng)必須是遠離平衡態(tài)的開放）系統(tǒng)必須是遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)。系統(tǒng)。 普里高津：普里高津：“非平衡是有序之非平衡是有序之源。源?！保?）系統(tǒng)內部具有非線性動力學機）系統(tǒng)內部具有非線性動力學機制。制。 系統(tǒng)動力學方程為非線性的。系統(tǒng)動力學方程為非線性的。耗散結構耗散結構系統(tǒng)通過不斷

18、與外界進行能量與物系統(tǒng)通過不斷與外界進行能量與物 質交換所形成的時空有序結構。質交換所形成的時空有序結構。平衡結構平衡結構不受外界影響，宏觀結構不變。不受外界影響，宏觀結構不變。例：例：洛侖茲大氣對流方程洛侖茲大氣對流方程bzxytzxzyrxtyyxtx dddd)(dd 非線性項非線性項非線性項非線性項（3）耗散結構的出現(xiàn)是由于遠離平衡態(tài)的系統(tǒng)內部漲落）耗散結構的出現(xiàn)是由于遠離平衡態(tài)的系統(tǒng)內部漲落被放大而誘發(fā)的。被放大而誘發(fā)的。（二）協(xié)（二）協(xié) 同同 學學synergetics研究協(xié)同系統(tǒng)從無序到有序狀態(tài)的演化規(guī)律。研究協(xié)同系統(tǒng)從無序到有序狀態(tài)的演化規(guī)律。 德國物理學家哈肯于德國物理學家哈

19、肯于1970創(chuàng)立。創(chuàng)立。 基本原理：基本原理： （1）協(xié)同效用原理）協(xié)同效用原理（2）支配原理）支配原理 （3）自組織原理）自組織原理 （三）小（三）小 結結（1）耗散結構要求系統(tǒng)開放，遠離平衡態(tài)，有物質、能量）耗散結構要求系統(tǒng)開放，遠離平衡態(tài)，有物質、能量交換，以及內部的非線性機制。而協(xié)同學把研究從遠離交換，以及內部的非線性機制。而協(xié)同學把研究從遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)擴展到近平衡態(tài)和平衡態(tài)系統(tǒng)。平衡態(tài)的開放系統(tǒng)擴展到近平衡態(tài)和平衡態(tài)系統(tǒng)。（2）同外部的交換可產生負熵流，產生促協(xié)力。促協(xié)力與）同外部的交換可產生負熵流，產生促協(xié)力。促協(xié)力與交換量成正比。交換量成正比。（3）子系統(tǒng)之間的協(xié)作力決定系

20、統(tǒng)的未來走向。）子系統(tǒng)之間的協(xié)作力決定系統(tǒng)的未來走向。（4）耗散結構慣性定理）耗散結構慣性定理（5）吞并溶合原理）吞并溶合原理 二、突變論二、突變論 1972，法國數(shù)學家雷內，法國數(shù)學家雷內.托姆托姆結構穩(wěn)定性和形態(tài)發(fā)生學結構穩(wěn)定性和形態(tài)發(fā)生學一書，標志突變理論的誕生。一書，標志突變理論的誕生。 系統(tǒng)演化形式：漸變和突變。漸變的運動過程可用微積系統(tǒng)演化形式：漸變和突變。漸變的運動過程可用微積分解決，而突變不行，分解決，而突變不行， 由漸變、量變發(fā)展為突變、質變的過程就是突變現(xiàn)象。由漸變、量變發(fā)展為突變、質變的過程就是突變現(xiàn)象。 突變論觀點：突變論觀點：（1）穩(wěn)定機制是突變論闡述的主要內容。）穩(wěn)

21、定機制是突變論闡述的主要內容。（2）質變可通過漸變和突變兩種途徑來實現(xiàn)。）質變可通過漸變和突變兩種途徑來實現(xiàn)。（3）量變體現(xiàn)為漸變，突變導致質變。）量變體現(xiàn)為漸變，突變導致質變。最簡單的突變模型：最簡單的突變模型： f f ( (x x)=(1/3) )=(1/3) x x3 3 ，在，在x x=0=0處，給出一個微擾，形成了一個函數(shù)族處，給出一個微擾，形成了一個函數(shù)族f fa a( (x x)= )= (1/3) (1/3) x x3 3+ +axax 系統(tǒng)系統(tǒng)V V（x x, 1/3, 1/3,a a），對），對于參數(shù)于參數(shù)a a的某些值，的某些值，使使x x = 0= 0這個點（或這個點（或附近）有影響系統(tǒng)突附近）有影響系統(tǒng)突變的兩個臨界點。即變的兩個臨界點。即正是參數(shù)正是參數(shù)a a的微擾而的微擾而產生系統(tǒng)出現(xiàn)突變。產生系統(tǒng)出現(xiàn)突變。尖角型模型尖角型模型 的實例的實例氣液相變中的