ch2系统工程理论

第二章系统工程理论宗宪亮天津科大工业工程内容系统工程的科学体系“旧三论”+运筹学“新三论”系统工程理论的新发展系统工程的科学体系我国著名科学家钱学森提出了一个清晰的现代科学技术的体系结构，认为从应用实践到基础理论，现代科学技术可以分为四个层次：首先是工程技术这一层次，然后是直接为工程技术提供理论基础的技术科学这一层次，再就是基础科学这一层次，最后通过进一步综合、提炼达到最高概括的马克思主义哲学。如图2-1所示。图2-1现代科学技术体系马克思主义哲学自然科学数学社会科学工程技术技术科学系统工程的科学体系在此基础上他又进一步提出了一个系统科学的体系结构。认为系统科学是由系统工程这类工程技术，系统工程的理论方法（像运筹学、大系统理论等）这一类技术科学（统称为系统学），以及它们的理论基础和哲学层面的科学所组成的一类新兴科学。如图2-2所示。马克思主义哲学社会科学数学科学数学突变论自然科学基础科学物理学生物学其它技术科学系统学运筹学巨系统理论控制论信息论各门系统工程（系统观）系统科学人体科学思维科学哲学基础科学技术科学工程技术图2-2系统科学的体系系统学主要研究系统的普遍属性和运动规律，研究系统演化、转化、协同和控制的一般规律，研究系统间复杂关系的形成法则、结构和功能的关系、有序、无序状态的形成规律以及系统仿真的基本原理等，随着科学的发展，它的内容也不断在丰富。由于其尚属于起步阶段，还不够成熟，因而学者们对系统科学的学科体系的认识仍有较大差异。系统工程是从实践中产生的，它用系统的思想与定量和定性相结合的系统方法处理大型复杂系统的问题，是一门交叉学科。系统工程是系统科学的应用部分，是系统科学中与社会经济决策和工程管理关系最密切的一部分。“工程”系统工程工程的观念是在人们处理自然、改造自然的社会生产过程中所形成的工程方法论，传统的工程观念是指生产技术的实践而言，而且以硬件为目标与对象，如机械工程、电气工程、铁路工程、水利工程等。系统工程将这一观念和方法应用于社会系统中，其所处理的对象不仅包含传统工程观念中的自然对象（即硬件），而是在传统的工程观念的基础上增添了新的内容，也即以软件为目标与对象。实际上，系统工程所讨论的工程是泛指一切有人参与的、以改变系统某一特征为目标的，从命题到出成果的工作过程。系统工程使得人们能够以工程的观念和系统理论研究和解决各种复杂系统问题。系统工程的理论基础“旧三论”一般系统论贝塔朗菲L.Von.Bertalanffy控制论维纳NorbertWiener信息论香农ClaudeElwoodShannon(01)一般系统论贝塔朗菲认为，在各种不同的系统中，会存在某种相似性或同构性。一般系统论的任务是要找到不同系统，不同学科之间的共同语言和术语。一般系统论可以理解为关于任意系统研究的一种一般的理论与方法论。产生过程：早在1924年至1927年贝塔朗菲就多次发表文章，主张把有机体当作系统来考察，认为生物学的主要任务就是发现生物系统中不同层次的组织原则。1932年和1934年，他先后发表了《理论生物学》和《现代发展理论》两部著作，阐明了系统的整体性原则，主张用数学和模型方法研究生物现象，提出了机体系统论的思想。1937年，贝塔朗菲在美国芝加哥大学哲学讨论会上，首次提出了一般系统概念。1945年，他在《德国哲学周刊》上发表了《关于一般系统论》。但遗憾的是，这篇重要论文几乎不被人所知。1948年在美国再次讲授“一般系统论”时，才得到学术界的重视。1968年贝塔朗菲发表的专著《一般系统理论基础、发展和应用》，确立了该学科的学术地位。主要思想观点：整体性要素和系统不可分割系统的总体功能不等于系统各组成部分功能之和系统整体具有不同于各组成部分的新功能开放性系统与环境的相互作用，进行物质、能量和信息的交换，才是一切有机体处于其活动状态并保持其活的生命运动从数学上证明了开放系统的稳态动态相关性系统处于不断发展变化之中，是时间的函数动态性取决于系统的相关性层次等级性有序性结构有序性发展有序性贝塔朗菲对系统论的贡献：划分了开放系统和封闭系统，明确提出了开放系统必须不断与外界进行物质与能量的交换，并同时调整其内部结构以达到动态平衡。创立了一般系统论，并指出一般系统论是研究“整体”的科学。指出:“系统思想即使不能用数学表述，也仍然保持其价值。”对系统方法论及系统方法的启示以系统的观点看整个世界，不能片面、孤立地看问题以思辨原则代替实验原则，不能机械地看问题，尤其是在处理复杂、有机程度高的系统时以整体论代替还原论启示我们以目的论代替因果轮控制论1947年由美国人维纳（NorbertWiener）创立的控制论（Cybernetics）是一门研究系统的控制的学科。维纳于1948年出版了《控制论》一书，他对控制论的定义是：“关于动物和机器中控制和通信的科学。”（1964年在瑞典斯德哥尔摩因心脏病发作去世）控制论的基本含义是：现代的自动机器和人都是由感觉装置(器官)、动作装置(器官)、传递信息的系统(神经系统)所组成的一种系统。自动机器和人都是在接收、处理、传递和存贮信息，并利用信息去完成动作，实现与外界的联系。在系统工作中，反馈控制给定控制信号使动作装置(器官)动作。动作结果由感觉装置(器官)检测出来，并反馈回去与给定信号相比较。如果比较有偏差，偏差信号会继续控制动作装置(器官)动作，直到偏差信号消失为止。控制论的发展经典控制理论：单因素，重点是反馈控制现代控制理论：多因素，重点是最优控制大系统控制理论：大系统，重点是多级递阶控制控制论的基本概念控制论对系统工程方法论的启示•黑箱-灰箱-白箱法黑箱灰箱白箱黑箱方法是指在不打开黑箱的前提下，利用外部观测、试验，通过输入、输出信息，来研究对象的功能和特性，探索其内部结构和机理的科学方法。确认黑箱观察黑箱阐明黑箱验证黑箱一无所知略知一二一清二楚功能模拟法形式化、数量化、最优化方法信息论InhiswordsIjustwonderedhowthingswereputtogether.ClaudeElwoodShannon(April30,1916-February24,2001)hasbeencalledthefatherofinformationtheory.对信息量的认识理解分析问题的认识过程：对一问题毫无了解，对它的认识是不确定的；通过各种途径获得信息，逐渐消除不确定性；对这一问题非常的了解，不确定性很小获取信息的过程是一个是由未知到已知的过程，或者说由不确定到确定的过程。因此信息可以看作是消除了不确定性。用消除不确定性的多少来度量信息！黑箱不确定度A灰箱不确定度B白箱不确定度C信息I信息II对信息量的认识理解衡量信息多少的物理量称为信息量。信息量的大小与消息所描述事件的出现概率有关。•若概率很小，受信者感觉很突然，该消息所含信息量就很大；•若概率很大，受信者事先已有所估计，则该消息信息量就越小；•若受信者收到完全确定的消息，则没有信息量。当你要到大会堂（20排）去找某一个人时，甲告诉你一条消息：此人坐在前十排；乙告诉你一条消息：此人坐在第十五排。问谁提供的信息量大？某人在哪？甲：把会堂分为前后两部分，告诉你某人在前半部分。两种可能，概率为：0.5。乙：把会堂分为20排，告诉你某人在那15排。20种可能，概率均为：1/20。信息量的计算•某人只能坐第1排（概率0.1），第2排（概率0.1），第5排（概率0.3），第10排（概率0.5）。甲告诉你在第10排，乙告诉你在第6排。iiixPxPxIlog1log信息量的计算•那么，完全知道某人在那里的话，所需信息量是多少？imiixPxPxHlog1•一消息由0、1、2、3四种符号组成，各符号出现概率分别为3/8，1/4，1/4和1/8。消息总长57个符号，其中0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次。用上述二种方法求该消息的信息量。)(55.10821262855.3281log741log1341log1483log23log222241bitPnIiii)(62.108579056.157)81log8141log4141log4183log83(57log222241bitPPNHIiii现代电子计算机之父冯·诺伊曼：“阐明复杂性和复杂化概念应当是20世纪科学的任务，就像19世纪的熵和能量概念一样。”信息论及其方法论的启示类比方法和统计方法信息方法用信息概念作为分析处理问题的基础，抛开研究对象的具体结构和运动形态，把系统有目的的运动抽象为一个信息变换过程。信息→输入→存储→处理→输出→信息↑———————反馈————————↓运筹学关于决策的科学，系统工程的基础理论与数学工具田忌赛马系统工程－战略部署克敌制胜！运筹学－战术安排运筹学主要分支线性规划动态规划排队论对策论存储论“新三论”耗散结构理论普利高津协同论哈肯突变论勒内·托姆20世纪六七十年代,出现了所谓的自组织理论,它是在一般系统论和控制论的基础上形成的理论。自组织理论的研究指出:系统存在和生存有赖于系统本身复制其行为和组织的能力,这是自组织理论的最基本的观点,从而催生出了极其丰富的成果。这一理论强调了系统在自组织过程中对自身结构和行为的创新,只有开放系统,才可能有自身组织和行为的创新,并且是在远离平衡状态下通过不断的能量、物质和信息的流通来进行;同时,该理论也指出了自组织系统的各部分之间是一种非线性关系,一般用非线性方程来描述的。它的研究对象主要是复杂自组织系统（生命系统、社会系统）的形成和发展机制问题，即在一定条件下，系统是如何自动地由无序走向有序，由低级有序走向高级有序的。耗散结构理论、协同论和突变论就是自组织理论的的代表。“新三论”的启示社会经济系统虽然出现了一些物理化学规律，但从根本上看有许多超出规律的规律社会经济系统从低级向高级转变必定依赖于开放、内部协同的条件无论是渐变还是突变，都是有规律可循的，高度简化下，可以定量地描述、预测变化规律系统工程理论的新发展多学科渗透，交叉发展作为一门软科学，日益受到重视复杂适应系统理论“巨系统”综合集成研讨厅体系构想Gaia理论随着人们对环境和可持续发展的关注,在自组织理论和复杂性研究的基础上,lovelock和margalis创立了gaia理论。Gaia理论描述了整个地球生态的自组织、自控制和自生长的整个过程。THEEND！