第五講-系統(tǒng)和系統(tǒng)理論.ppt

1、2020/7/30,1,系統(tǒng)論,1、系統(tǒng)學一般系統(tǒng)論 2、系統(tǒng)方法運籌學 3、系統(tǒng)工程,2020/7/30,2,一、一般系統(tǒng)論簡介,“系統(tǒng)”概念的內(nèi)涵 “系統(tǒng)”的特征 系統(tǒng)的分類 物質(zhì)系統(tǒng)的層次結構,2020/7/30,3,“系統(tǒng)”概念的內(nèi)涵,把極其復雜的研究對象稱為系統(tǒng)，即由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合成具有特定功能的有機整體，而且這個系統(tǒng)本身又是它們從屬的更大系統(tǒng)的組成部分。 （錢學森）,2020/7/30,4,“系統(tǒng)”概念的內(nèi)涵,系統(tǒng)是處于一定相互聯(lián)系中的與環(huán)境發(fā)生關系的各組成成份的總體。 貝塔朗菲（一般系統(tǒng)論創(chuàng)立者） “相互作用”指的是，若干要素（P）處于若干關系（R）中，以致

2、一個要素P在R中的行為不同于它在另一關系R中的行為。如果要素的行為在R和R中并無差異，那么就不存在相互作用，要素的行為就不依賴于R和R。 貝塔朗菲，一般系統(tǒng)論：基礎發(fā)展和應用林康義等譯，清華大學出版社1987年6月，P51）,2020/7/30,5,對系統(tǒng)概念內(nèi)涵的分析,物質(zhì)系統(tǒng)是由兩個或兩個以上的物質(zhì)要素構成的。 這些共存于一個統(tǒng)一體中的要素是具有一定的差異性的，甚至是異質(zhì)的。 例 這些共存于一個統(tǒng)一體中的要素是通過相互聯(lián)系，即通過相互影響，相互制約，相互作用構成統(tǒng)一的整體。如果各部分之間互不相干，則不能構成系統(tǒng)。 例 這些相互聯(lián)系的物質(zhì)要素所構成的統(tǒng)一整體是具有特定功能的統(tǒng)一整體。這里的功

3、能主要指的是整體功能，是不能簡單地還原為其構成要素的功能的。,2020/7/30,6,對系統(tǒng)概念內(nèi)涵的分析,這種特定的功能，是物質(zhì)系統(tǒng)與其外部環(huán)境系統(tǒng)的相互聯(lián)系中顯示出來的，也就是說物質(zhì)系統(tǒng)的特定功能是在物質(zhì)系統(tǒng)與物質(zhì)系統(tǒng)的相互聯(lián)系中表現(xiàn)出來的。,2020/7/30,7,對系統(tǒng)概念內(nèi)涵的分析,某一物質(zhì)系統(tǒng)的環(huán)境系統(tǒng)是相對于我們考察對象的范圍而言的，把一定區(qū)域的物質(zhì)要素所構成的統(tǒng)一整體視為一個物質(zhì)系統(tǒng)的話，這個區(qū)域之外的全部要素所構成的系統(tǒng)就是該物質(zhì)系統(tǒng)的環(huán)境系統(tǒng)。,2020/7/30,8,和實生物,國語鄭語中錄史伯之言：“先王以土與金木水火雜以成百物，是以和五味以調(diào)口，剛四支以衛(wèi)體，和六律以聰

4、耳，聲一無聽，色一無文，味一無果（美），物一不講（媾）?！?（一種音調(diào)不能譜成動聽的樂曲，一種顏色不能形成好看的紋飾，一種味道的飯菜吃不飽肚子，同一種性別的動物難以交配）講的是“和異而生物”。,2020/7/30,9,和實生物,古希臘哲學家赫拉克里特也提出過十分相似的思想：“自然也追求對立的東西，它是用對立的東西制造出和諧，而不是用相同的東西，例如將雌雄相配，而不是將雌配雌、將雄配雄；聯(lián)合相反的東西造成協(xié)調(diào)，而不是聯(lián)合致的東西。藝術也是這樣做的，顯然是模仿自然。繪畫在畫面上混合著白色和黑色、黃色和紅色的成分，造成酷肖原物的形象。音樂混合音域不同的 高音和低音、長音和短音，造成一支和諧的曲調(diào)。書

5、法混合元音字母和輔音字母，拼寫出完整的字句。 返回,2020/7/30,10,例,漢高祖劉邦得天下之后，在一次聚會時，問眾卿：“皆言其情，吾所以有天下者何？項氏所以失天下者何？” 高起、王陵對曰：“陛下使人攻城略地，所降下者，因以與之，與天下同利也。項羽妒賢嫉能，有功者害之，賢者疑之，戰(zhàn)勝而不與人功，得地而不與人利，此其所以失天下也?！?劉邦總結說：“運籌帷幄之中，決勝于千里之外，我不如子房；鎮(zhèn)國家，撫百姓，給餉饋，不絕糧道，吾不如蕭何；連百萬之眾，戰(zhàn)必勝，攻必取，吾不如韓信。三人皆人杰，吾能用之，此吾所以取天下也。項羽有一范增而不能用，此所以為我擒也?！眲羁偨Y的很有道理，他手下的這三位大將

6、，各有其長，在劉邦的領導下，能有機地結合起來，充分發(fā)揮作用，所以能取得勝利。這是“合異生物”的典范。 return,2020/7/30,11,系統(tǒng)的特征,整體性 有機關聯(lián)性 動態(tài)性 有序性 預決性,2020/7/30,12,1.系統(tǒng)的整體性,所謂整體性，是針對機械論的系統(tǒng)觀而提出的。無論哪種觀點，都不否認系統(tǒng)是由其組成部分（要素或子系統(tǒng)）構成的。,2020/7/30,13,1.系統(tǒng)的整體性,如果認為系統(tǒng)的性質(zhì)或特點是其組成部分的性質(zhì)或特點的簡單總和（代數(shù)和，或說具有可加性），則是一種機械的系統(tǒng)觀。 系統(tǒng)論的觀點是：整體大于各孤立部分之和（亞里斯多德的著名悖論命題）。,2020/7/30,14,

7、系統(tǒng)的整體性,“整體大于部分之和”的含義：組合性（constitutive）特征不能用孤立部分的特征來解釋。因此，復合體特征與其要素相比似乎是“新加的”或“突現(xiàn)的”。然而，如果我們知道了一個系統(tǒng)所包含的所有組成部分以及它們之間的各種關系，那么就可能從組成部分的行為推導出這個系統(tǒng)的行為。 三個臭皮匠，賽過諸葛亮。協(xié)同出現(xiàn)新功能，不是各自獨立簡單相加。,2020/7/30,15,系統(tǒng)的整體性,按照一般系統(tǒng)論的觀點，系統(tǒng)決不是其各個部分的簡單相加，而是各個部分的有機結合。為了理解一個系統(tǒng)，就不僅需要了解其各個部分，而且需要了解各個部分之間的相互關系和相互作用。只有從各個部分的相互關系和相互作用中，才

8、能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的一般方面、發(fā)現(xiàn)其一致性和同態(tài)性，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的規(guī)律。貝塔蘭菲認為，這一點正是系統(tǒng)思想的核心。他甚至以此給出了一般系統(tǒng)論的一個定義：一般系統(tǒng)論是關于整體的一般科學。,2020/7/30,16,A,科學的有機系統(tǒng)整體,2020/7/30,17,系統(tǒng)的有機關聯(lián)性,有機關聯(lián)性原則： 一是系統(tǒng)內(nèi)部諸要素的有機關聯(lián)；二是系統(tǒng)同外部環(huán)境的有機關聯(lián)。,2020/7/30,18,系統(tǒng)的有機關聯(lián)性,一般系統(tǒng)論所研究或處理的系統(tǒng)基本上都是開系統(tǒng)。開系統(tǒng)與外界有物質(zhì)的、能量的、信息的交換，有相應的輸入和輸出以及量的增加或減少。系統(tǒng)的這種性質(zhì)很重要。,2020/7/30,19,系統(tǒng)的有機關聯(lián)性(continue

9、),系統(tǒng)內(nèi)部諸要素之間的有機關聯(lián)可以用數(shù)學語言加以描述。（仍不完備） （1，2，） （1,2,n） 表示系統(tǒng)中某元素的某種量。聯(lián)立方程組表明，任意的一個量的變化都要受到所有的的制約。反之，任一的變化也會影響到其它量。系統(tǒng)是一個由相互關聯(lián)的要素構成的整體。,2020/7/30,20,紅樓夢第七十四回： 抄檢大觀園,賈探春： “可知咱們這樣大戶人家，若從外頭殺來，一時是殺不死的。這可是古人說的百足之蟲，死而不僵，必須先從家里自殺自滅起來，才能一敗涂地呢!”,2020/7/30,21,系統(tǒng)的有機關聯(lián)性,醫(yī)學美學的“真、善、美”關系 真準確、有效 善治病救人、解除痛苦 美不留創(chuàng)傷、傷口美觀,2020/

10、7/30,22,系統(tǒng)的動態(tài)性,任何系統(tǒng)都隨時間不斷地變化，另外從生物學的角度看，動態(tài)也是系統(tǒng)保持靜態(tài)的前提。例如：生命有機體保持體內(nèi)平衡的基礎之一是新陳代謝的存在。 有機關聯(lián)性各要素間空間的分布 動態(tài)性原則時間上的變化。,2020/7/30,23,系統(tǒng)的動態(tài)性,一方面，系統(tǒng)內(nèi)部的結構分布不是固定不變的，而是隨時間變化的。另一方面，系統(tǒng)的開放性質(zhì)，有機關聯(lián)性質(zhì)強調(diào)的是系統(tǒng)同外界進行物質(zhì)、能量、信息的關聯(lián)和交換。,2020/7/30,24,系統(tǒng)的動態(tài)性,動態(tài)可以表現(xiàn)為相對的穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)不是靜態(tài)，而是含有動態(tài)的一種運動狀態(tài)。如“漸進分異”，“發(fā)育”等概念都有運動的含義。,2020/7/30,25,系統(tǒng)

11、的動態(tài)性,任何系統(tǒng)都是開放系統(tǒng)，開放系統(tǒng)每時每刻都處于物質(zhì)、能量、信息的交換、流動之中。開放系統(tǒng)是系統(tǒng)處于動態(tài)的條件，動態(tài)又是開放系統(tǒng)的必然表現(xiàn)。,2020/7/30,26,系統(tǒng)的有序性,無序是系統(tǒng)熵最大的一種狀態(tài)，用物理學語言描述之，就是熱力學系統(tǒng)分子最均勻的狀態(tài)。遠離無序的狀態(tài)就是有序狀態(tài)。 系統(tǒng)從無序到有序標志著系統(tǒng)的組織性或組織化程度的增長。系統(tǒng)的組織性與系統(tǒng)內(nèi)部要素的有機關聯(lián)性及其動態(tài)過程都有關系。 系統(tǒng)的有機關聯(lián)性所表現(xiàn)出的結構、層次以及系統(tǒng)的動態(tài)性所表現(xiàn)的漸進分異的方向性，都使系統(tǒng)具有有序性的特點。,2020/7/30,27,無 序 狀 態(tài),有 序 狀 態(tài),2020/7/30,2

12、8,系統(tǒng)的預決性（finality,或目的性）,系統(tǒng)的預決原則，又被稱為終極原則或者目的原則。這就是說，系統(tǒng)的有序是具有方向性的，系統(tǒng)的這種方向性又受到系統(tǒng)的目的性或者預決性制約。,2020/7/30,29,系統(tǒng)的預決性（finality,或目的性）,一般系統(tǒng)論認為，系統(tǒng)的有序性不是為有序而有序的，而是按一定方向而有序，不僅如此，這種方向是由一定的預決性或目的性所支配的。,2020/7/30,30,系統(tǒng)的預決性（finality,或目的性）,貝塔朗菲認為，一個系統(tǒng)不僅要由實際條件來決定，而且要受所達到的最后狀態(tài)所制約。這也就是說，一個系統(tǒng)的發(fā)展方向，不但受到實際狀態(tài)和條件的影響，而且取決于對未

13、來狀態(tài)的預測。 因此，在研究一個系統(tǒng)時，其變化不僅可以從實際狀態(tài)方面來表示，而且可以從其距離達到穩(wěn)定狀態(tài)的目標有多遠來表示。,2020/7/30,31,系統(tǒng)的分類,根據(jù)物質(zhì)系統(tǒng)與其環(huán)境相互聯(lián)系的程度孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)與開放系統(tǒng)。（從物質(zhì)、能量交換方面看） 根據(jù)物質(zhì)系統(tǒng)自身組織程度的高低有序系統(tǒng)和無序系統(tǒng),2020/7/30,32,系統(tǒng)的分類,根據(jù)構成物質(zhì)系統(tǒng)要素的多少以及要素與要素之間構成方式的復雜程度簡單系統(tǒng)和復雜系統(tǒng) 根據(jù)物質(zhì)系統(tǒng)空間域的大小微觀（細胞、分子以下）系統(tǒng)、宏觀系統(tǒng)、宇觀系統(tǒng)（指星系以上）。,2020/7/30,33,系統(tǒng)的分類,根據(jù)人類在物質(zhì)系統(tǒng)構建中的地位和作用，天然系統(tǒng)和

14、人工系統(tǒng)。 根據(jù)物質(zhì)系統(tǒng)狀態(tài)參量和時間的關系動態(tài)系統(tǒng)和靜態(tài)系統(tǒng)。,2020/7/30,34,四、物質(zhì)系統(tǒng)的層次結構,每一個物質(zhì)系統(tǒng)是其要素的系統(tǒng)，同時也是更大系統(tǒng)的要素。這就是所謂的物質(zhì)系統(tǒng)的層次。,2020/7/30,35,四、物質(zhì)系統(tǒng)的層次結構,自然界物質(zhì)系統(tǒng)的層次具有無限性，即層次是無窮的。物質(zhì)的無限可分不應理解為無休止地機械分割，而應理解為層次的無限性（量的無限擴張和質(zhì)的無限多樣性）。,2020/7/30,36,四、物質(zhì)系統(tǒng)的層次結構,例如：原子分子分子團細胞組織器官系統(tǒng)人家庭社團人類地球生態(tài)地球 （每一環(huán)節(jié)都是一個關節(jié)點）,2020/7/30,37,高低層次間的關系,高層系統(tǒng)是由低層

15、系統(tǒng)構成的，各要素相互作用產(chǎn)生了整體結構及功能。 低層系統(tǒng)并不因高層系統(tǒng)的產(chǎn)生而消失。,2020/7/30,38,高低層次間的關系,要素處于系統(tǒng)中因受到制約，性質(zhì)有所改變。 結合度隨層次增設而降低。因此，在處理高層次問題時可以把低層次系統(tǒng)（要素）當作黑箱來考慮。,2020/7/30,39,2020/7/30,40,系統(tǒng)的結合度問題的啟示,資治通鑒 ： 初命晉大夫魏斯、趙籍、韓虔為諸侯。 解放戰(zhàn)爭時期國民黨打敗仗與蔣介石的越權指揮 企事業(yè)單位行政管理問題,2020/7/30,41,作業(yè),搜集一個與自己專業(yè)有關的應用系統(tǒng)理論的實例，并論述。 下次課堂討論,2020/7/30,42,二系統(tǒng)工程,除一

16、般系統(tǒng)論外（general system theory）外，系統(tǒng)論還應包括系統(tǒng)工程和系統(tǒng)方法運籌學（systems engineering and operational research），后二個方面的知識具有較強的可操作性和實踐意義。,2020/7/30,43,古代系統(tǒng)工程的典范都江堰,2020/7/30,44,都江堰的分水排沙原理,2020/7/30,45,系統(tǒng)方法運籌學,運籌學是關于決策問題的科學，研究范圍十分寬泛，大致可歸并于以下個方面。 分配問題。對資源、人員、設備、時間等進行有效地分配。 庫存問題。太多則積壓，太少則脫銷，軍用物質(zhì)更如此。,2020/7/30,46,運籌學研究的問

17、題,排隊問題。以打開水為例說明之。有四個人排隊在一個水龍頭下接開水，這四個人分別帶1、2、3、4個水瓶，如果拿4只水瓶的人先沖，按沖每瓶水2分鐘計算，依次沖完需要84634221=60分鐘（相當于一個人等60分鐘的時間）。而如果讓只帶一只水瓶的人先沖，依次沖完則只需要24436281=40分鐘。,2020/7/30,47,運籌學研究的問題,順序問題。公共服務系統(tǒng)要考慮的問題。如何安排服務設施的秩序。如醫(yī)院就醫(yī)順序。 更新問題。汽車的報廢。設備更新。 路線問題。最有效路程。推銷員走幾個城市最佳路線。以走跳棋為例。 對抗問題。尋求最優(yōu)對抗策略。如孫臏賽馬。（博奕論 game theory） 搜索問題。尋求最大的發(fā)現(xiàn)機率。如開密碼箱。,2020/7/30,48,囚徒困境（the Prisoners Dilemma）,兩個涉嫌共謀犯罪的嫌疑犯被捕后被警察關在相互隔離的牢房中。他們面臨的選擇是：或者 坦白或者保持沉默(即不坦白)。他們被告知：如果某個嫌疑犯坦白而其同伙不坦白，則 坦白者可獲自由而拒不坦白者要被判10年監(jiān)禁；如果二人都坦白，則二人都被判5年監(jiān)禁； 如果二人都不坦白，則二人皆被判1年監(jiān)禁。,2020/7/30,49,202