系統(tǒng)工程的理論基礎

系統(tǒng)工程的理論基礎第一頁，共三十三頁，2022年，8月28日第一節(jié)系統(tǒng)科學的學科體系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，然后是直接為工程技術提供理論基礎的技術科學，再就是基礎科學，最后通過進一步綜合、提煉達到馬克思主義哲學。如圖2-1所示。第二頁，共三十三頁，2022年，8月28日在此基礎上他又進一步提出系統(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，以及它們的理論基礎(基礎科學)和哲學層面的科學所組成的一類新興學科。如圖2-2所示。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圖2-1現代科學技術體系第三頁，共三十三頁，2022年，8月28日馬克思主義哲學系統(tǒng)學運籌學巨系統(tǒng)理論控制論信息論各門系統(tǒng)工程自動化技術通信技術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)觀第四頁，共三十三頁，2022年，8月28日系統(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;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，它是一門交叉學科。第五頁，共三十三頁，2022年，8月28日

系統(tǒng)工程是一門工程技術，但它與機械工程等其它工程學的某些性質不盡相同。上述各門工程學都有其特定的工程物質對象，而系統(tǒng)工程則不然，任何一種物質系統(tǒng)都能成為它的研究對象，而且還不只限于物質系統(tǒng)，它可以包括自然系統(tǒng)、社會經濟系統(tǒng)、經營管理系統(tǒng)、軍事指揮系統(tǒng)等等。由于系統(tǒng)工程處理的對象主要是信息，所以系統(tǒng)工程又被稱為“軟科學”。系統(tǒng)工程在自然科學與社會科學之間架設了一座溝通橋梁。現代數學方法和計算機技術，通過系統(tǒng)工程，為社會科學研究增加了極為有用的定量方法、模型方法、模擬實驗方法和優(yōu)化方法。系統(tǒng)工程為從事自然科學的工程技術人員和從事社會科學的研究人員的相互合作開辟了廣闊的道路。第六頁，共三十三頁，2022年，8月28日控制論信息論一般系統(tǒng)論大系統(tǒng)論第二節(jié)系統(tǒng)工程的理論基礎第七頁，共三十三頁，2022年，8月28日一、控制論

1、控制論的產生與發(fā)展

1947年由美國人維納（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年出版了《控制論》一書，他對控制論的定義是：“關于動物和機器中控制和通信的科學。”

第八頁，共三十三頁，2022年，8月28日控制論的發(fā)展已大致經歷了三個時期。從20世紀40年代末到50年代是第一個時期，即經典控制理論時期。在這一時期，主要的研究對象是單因素控制系統(tǒng)，重點是反饋控制，借以實現的工具是各種各樣的自動調節(jié)器、伺服機構及其有關的電子設備，著重解決單機自動化和局部自動化問題。控制論發(fā)展的第二個時期為60年代，即現代控制理論時期。這一時期，控制論的主要研究對象就成了多因素控制系統(tǒng)，研究重點是“最優(yōu)控制”，研究借助的工具是電子計算機。第九頁，共三十三頁，2022年，8月28日

進入70年代以后，是大系統(tǒng)控制理論時期。在這一時期，主要研究對象是因素眾多的大系統(tǒng)，重點是大系統(tǒng)多級遞階控制，借助的工具是電子計算機聯(lián)機和智能機器，應用領域主要為社會系統(tǒng)、經濟系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)等。

2、控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由施控器、受控器和控制作用的傳遞者三者組成，形成一個整體的控制功能和行為，但這又是相對于某種環(huán)境而言。因而可以把施控器、受控器和控制作用的傳遞者三個部分所組成的、相對于某種環(huán)境而具有某種控制功能的系統(tǒng)，稱為控制系統(tǒng)。第十頁，共三十三頁，2022年，8月28日恒溫控制系統(tǒng)第十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日一般自動控制系統(tǒng)的結構圖第十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日控制論和工程控制論

工程控制論是控制論運用于工程技術方面而形成的自動控制理論?？刂普撆c工程控制論在學科體系中屬于兩個不同的層次，后者又稱為自動控制理論，或簡稱為控制理論。我們必須將控制論(Cybernetics)與控制理論(controltheory)這兩個概念區(qū)別開來。第十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日二、信息論信息論于本世紀40年代末產生，其主要創(chuàng)立者是美國的數學家香農（）和維納。

人們根據不同的研究內容，把信息論分成三種不同的類型。狹義信息論：主要研究消息的信息量、信道容量以及消息的編碼問題。一般信息論：主要研究通訊問題，但還包括噪聲理論、信號濾波與預測、調制、信息處理等問題。廣義信息論：不僅包括前兩項的研究內容，而且包括所有與信息有關的領域。第十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日信息論研究運用了類比方法和統(tǒng)計方法

①信息論運用了科學抽象和類比方法，將消息、信號、情報等不同領域中的具體概念，進行類比，抽象出了信息概念和信息論模型。②針對信息的隨機性特點，運用統(tǒng)計數學（概率論與隨機過程），解決了信息量問題，并擴展了信息概念，充實了語義信息、有效信息、主觀信息、相對信息、模糊信息等方面的內容。第十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日三、一般系統(tǒng)論①一般系統(tǒng)論的產生一般系統(tǒng)論是通過對各種不同的系統(tǒng)進行科學理論研究而形成的適用一切系統(tǒng)的學說。其主要創(chuàng)始人是美國的理論生物學家L.V.貝塔朗菲。

②一般系統(tǒng)論的基本觀點系統(tǒng)的整體性、系統(tǒng)的開放性、系統(tǒng)的動態(tài)相關性、系統(tǒng)的多級遞階性和系統(tǒng)的有序性第十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日四、大系統(tǒng)與大系統(tǒng)理論①大系統(tǒng)目前沒有嚴格的定義，一般所說的大系統(tǒng)是指包括各領域的大型而復雜的系統(tǒng)。其特征就是規(guī)模龐大，結構復雜，功能綜合。②大系統(tǒng)理論研究對象是大系統(tǒng)，即研究規(guī)模龐大、結構復雜、目標多樣、功能綜合、因素眾多的各種工程或非工程的大系統(tǒng)的綜合自動化問題，是控制論、系統(tǒng)工程、運籌學的繼續(xù)和發(fā)展，涉及到工程技術、社會經濟、生物生態(tài)三個領域。第十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日第三節(jié)系統(tǒng)工程理論的新發(fā)展

1、系統(tǒng)工程作為一門交叉學科，日益向多種學科滲透和交叉發(fā)展。系統(tǒng)工程的大量實踐，運籌學、控制論、信息論等學科的迅速發(fā)展，以及其它科學技術，特別是物理學、數學、理論生物學、系統(tǒng)生態(tài)學、數量經濟學、定量社會學等，都有了新的發(fā)展和突破，這些不同領域的科學成就，除了具有本學科的特點之外，實際上都在不同程度上揭示了系統(tǒng)的一些性質和規(guī)律。第十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日

2、系統(tǒng)工程作為一門軟科學，日益受到人們的重視。從20世紀70年代開始，社會上出現了一種從重視硬技術轉向重視軟技術的變化。軟科學是日本學者在70年代提出的，軟科學需要運用現代科學技術體系以至整個人類知識體系，去研究和解決實踐中的復雜性問題，為決策和組織管理提供科學依據。第十九頁，共三十三頁，2022年，8月28日

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年在美國新墨西哥州成立了以研究復雜性為宗旨的圣塔菲研究所(SantaFeInstituet，簡稱SFI)。1994年，在圣菲研究所成立10周年之際，霍蘭正式提出復雜適應系統(tǒng)(ComplexAdaptiveSystem，簡稱CAS)理論。CAS理論的提出對于人們認識、理解、控制、管理復雜系統(tǒng)提供了新的思路。由于其思想新穎和富有啟發(fā)性，它已經在許多領域得到了應用。在經濟、生物、生態(tài)與環(huán)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度的應用和驗證。第二十頁，共三十三頁，2022年，8月28日4、耗散結構理論。20世紀70年代比利時物理學家普利戈金提出。獲1977年諾貝爾獎。

耗散結構——一個遠離平衡的開放系統(tǒng)（力學的、物理的、化學的、生物的），在外界條件變化達到某一特定閾值時，量變可能引起質變。系統(tǒng)通過不斷與外界交換能量與物質，就可能從原來的無序狀態(tài)轉變?yōu)橐环N時間、空間、或功能的有序狀態(tài)。如貝納爾對流現象中薄層流體表現出從無序到有序的運動。第二十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日

5、協(xié)同學理論。聯(lián)邦德國物理學家（主要研究激光理論）哈肯提出。

1979年后哈肯通過研究認識到一個遠離平衡的開放系統(tǒng)不僅可以從無序到有序，也可以從有序到無序，從無序到混亂。在分析研究系統(tǒng)性質時，將系統(tǒng)分成許多子系統(tǒng)，它們之間以很有規(guī)律的方式相互合作與競爭，而且恰是有目的的進行，其結果是導致時間和空間的改變。第二十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日支配原理是協(xié)同學理論的核心原理。支配原理認為：考察復雜系統(tǒng)的演變可以發(fā)現絕大多數的因素是一些衰減得很快的變量——稱之為快變量；而另一些少數的變量，在系統(tǒng)的發(fā)展中變化較慢，并且主宰著整個系統(tǒng)的演變方向，決定著系統(tǒng)的客觀（有序）狀態(tài)——稱之為慢變量或序參量。當一個競爭系統(tǒng)中同時存在幾個序參量就會發(fā)生合作、反饋、制約或斗爭的種種協(xié)同作用——當系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，就是包含著由幾個序參量所決定的客觀結構的“種子形態(tài)”，這些“種子”哪些能最終主導整個系統(tǒng)或最終成為系統(tǒng)結構的一部分，這些取決于序參量在系統(tǒng)中具體的競爭與合作的態(tài)勢。第二十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日自組織理論：按哈肯的理解，沒有外部工頭的命令，工人們依靠某種相互默契，協(xié)同工作，各盡職責生產產品。自組織的顯著特點，表現在行動是在沒有外部命令的情況下產生的。即對于自組織系統(tǒng)來說，運動是由內因所驅使，只有當子系統(tǒng)之間存在著作用與反作用，當且僅當相互作用達到了協(xié)調、同步時才會出現。第二十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日協(xié)同學作用廣泛地表現在自然系統(tǒng)和社會系統(tǒng)中。如人體就是一個高度協(xié)同的有序結構：如果人體內部各子系統(tǒng)間的聯(lián)系和協(xié)調出現紊亂，人便會生病，藥物和各種治療方法的作用就是調節(jié)各子系統(tǒng)的聯(lián)系，使它們能協(xié)調地運行，使整體再回到高度協(xié)調的有序狀態(tài)---健康狀態(tài)。協(xié)同學理論可以解釋目前前沿的企業(yè)內部的改組。第二十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日6、突變論突變論是研究客觀世界非連續(xù)性變化現象的一門新興學科，以法國數學家R.托姆為代表。突變論研究的內容是從一種穩(wěn)定組態(tài)躍遷到另一種穩(wěn)定組態(tài)的現象和規(guī)律。突變論指出，系統(tǒng)所處的狀態(tài)，可用一組參數描述，當系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，標志該系統(tǒng)狀態(tài)的某個函數就取惟一的值。當參數在某個范圍內變化，該函數值有不止一個極值時，系統(tǒng)必處于不穩(wěn)定狀態(tài)。高度優(yōu)化的設計很可能有許多不理想的性質。因為最優(yōu)，常常聯(lián)系著對缺陷的高度敏感性，會產生難于對付的破壞性，以致發(fā)生真正的“突變”。在工程建造中，高度優(yōu)化的設計常常具有不穩(wěn)定性，當出現不可避免的制造缺陷時，由于結構高度敏感，其承載能力將會突然變小，出現全面的塌陷。應用突變論可以解釋：經濟危機的爆發(fā)，戰(zhàn)爭爆發(fā)，社會輿論等。（經濟危機的復蘇不屬突變，是緩慢滑升的）第二十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日“三論”和“新三論”一般系統(tǒng)論控制論信息論耗散結構理論突變論協(xié)同學論三論新三論第二十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日第四節(jié)運籌學運籌學（OperationResearch）是應用分析、試驗和量化的方法，對經濟管理系統(tǒng)中人力資源、資金資源、物質資源在有限的情況下進行統(tǒng)籌安排，為決策者提供充分依據的最優(yōu)方案，以實現最有效的管理。運籌學的分支：線性規(guī)劃（LinearProgram）、非線性規(guī)劃（Non-LinearProgram）、動態(tài)規(guī)劃（DynamicProgram）、排隊論（QueueTheory）、儲存論（InventoryTheory）和對策論（GameTheory）。第二十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日線性規(guī)劃和非線性規(guī)劃在經營管理中，需要恰當地運轉由人員、設備、材料、資金、時間等因素構成的體系，以便有效地實現預定工作任務。這一類統(tǒng)籌計劃問題用數學語言表達出來，就是在一組約束條件下尋求一個目標函數的極值問題。當約束條件為線性方程式，目標函數為線性函數時，就為線性規(guī)劃問題；當目標函數或約束條件是非線性時，就叫非線性規(guī)劃問題。第二十九頁，共三十三頁，2022年，8月28日動態(tài)規(guī)劃有些決策問題不是靜態(tài)的問題，而是復雜的需要多段決策，前一階段的決策將影響到下一階段的決策。動態(tài)規(guī)劃是將一個復雜的多段決策問題分解為若干相互關聯(lián)的較易求解的子決策問題，以尋求最優(yōu)決策的方法。第三十頁，共三十三頁，2022年，8月28日對策論兩方或多方為獲取某種利益，達到某種目的進行較量，從而導致優(yōu)勝劣汰的現象，叫做競爭。參與競爭的各方都是理智的主體，擁有各自的策略集（使用對自己有利的策略），通過策略較量而分出勝負、輸贏的，屬于策略性競爭。如何在競爭中通過正確運用策