第三章 系统工程理论的新发展

12020/1/27系统工程哈尔滨工业大学管理学院张庆普[e-mail]22020/1/27第三章系统工程理论的新发展3.1SE日益向多种学科渗透和交叉发展SE这门软科学日益受到人们的重视系统工程研究的对象可分为“硬系统”和“软系统”。•所谓硬系统，一般是偏工程、物理型的，机理比较明显，比较容易用数学模型来表述，有较好的定量方法计算出系统的行为和最优解。•所谓“软系统”，一般是偏社会、经济型的，机理往往不清楚，较难完全用数学模型来表述，常用定量与定性相结合的方法来处理问题。•20世纪70年代中期，一些有远见的学者感觉到“过分定量化”、“过分数学化”会给运筹学、系统工程的应用带来32020/1/27副作用，有些人满足于数学公式的推导本身，而忽视了最有生命力的源泉—实际问题本身。•过分定量化、过分数学化的模型难以解决一些社会实际问题，许多学者开始了反思。•到20世纪80年代，在美、英出现了一批新的系统方法论，他们的共同特点是偏软，大多没有数学模型，而强调思考方法、工作过程和人的参与等。3.2复杂适应系统理论要点•20世纪80年代中期，国际上兴起了对复杂性问题的研究。1984年在美国成立了以研究复杂性为宗旨的圣塔菲研究所(SantaFeInstituet，简称SFI）。42020/1/27•1994年，霍兰正式提出复杂适应系统（ComplexAdaptiveSystem,简称CAS）理论。CAS理论的提出对于人们认识、理解、控制、管理复杂系统提供了新的思路。CAS理论的基本思想可以用一句话概括：“适应性造就复杂性”。但适应性只是产生复杂性的机制之一，而不是复杂性的惟一来源。CAS理论不排除还可能有其他的产生复杂性的机制与渠道。CAS是一大类十分重要、常见的复杂系统，它从一个侧面概括了生物、生态、经济、社会等一大批重要系统的共同特点。CAS理论包括微观和宏观两个方面•在微观方面，CAS理论最基本的概念是具有适应能力的、主动的个体，简称主体。所谓适应能力表现在它能够根据52020/1/27行为的效果修改自己的行为规则，以便更好地在客观环境中生存。这种主体在与环境的交互作用中遵循一般的刺激━反应模型。•在宏观方面，由这样的主体组成的系统，将在主体之间以及主体与环境的相互作用中发展，表现出宏观系统的分化、涌现等种种复杂的演化过程。•CAS系统中的个体一般称为元素、部分或子系统。CAS理论采用了AdaptiveAgent（具有适应能力的个体）这个词，是为了强调它的主体性，强调它具有自己的目标、内部结构和生存能力。•围绕主体这个最核心的概念，霍兰提出了研究适应和演化过程中特别要注意的7个有关概念：62020/1/27聚集、非线性、流、多样性、标识、内部模型、积木。前4个概念是自适应个体的特性,将在适应和进化中起作用,后3个概念则是个体与环境进行交流时的机制。•聚集(Aggregation)。指系统中的自适应、活的、较低层次的个体，在一定条件下双方彼此接受时，通过“粘着”（Adhesion）形成较大、较高层次的多主体的聚集体（AggregationAgent），在系统中像一个单独的个体那样行动。个体在聚集过程中会涌现出许多不能用还原论来解释的宏观性态,这是系统复杂性的重要行为特征。•非线性(Nonlinearity)。CAS理论认为个体之间相互影响不是简单的、被动的单向因果关系，而是主动的“适应”关系。线性的、简单的、直线式的因果链已不复存在，一般72020/1/27各种反馈作用（包括负反馈和正反馈）交互影响的、互相缠绕的复杂非线性关系。正是这种复杂非线性关系造成了复杂自适应系统的行为特征难以把握和预测。•流(Flow）。在个体与环境之间，以及个体相互之间存在着物质流、能量流和信息流。起关键作用的是信息流。这些流的渠道是否通畅，周转迅速到什么程度，都直接影响系统的演化过程。•多样性(Diversity)。在相互作用不断适应的过程中，个体之间的差别会发展与扩大，最终形成分化，形成个体类型的多样性，这是CAS的一个显著特点。而从整个系统来看，这事实上是一种分工；和前面提到的聚集结合起来看，这就是系统从宏观方面看到的“结构”的“涌现”，即所谓的“自组织现象”的出现。82020/1/27•标识(Tagging)。为了相互识别和选择，是必须认真考虑标识。个体标识是系统个体在竞争环境中实现相互作用、相互识别、选择的方法。标识的作用主要在于实现信息的交流。CAS理论把信息的交流和处理作为影响系统进化过程的重要因素。•内部模型(InternalModels)。内部模型主要表明了系统的层次概念。每个个体都有复杂的内部机制，对于整个系统来说，统称为内部模型。•积木(BuildingBlocks)。复杂系统常常是在一些相对简单的构件的基础上，通过改变它们的组合方式而形成的。事实上的复杂性往往不在于构件的多少和大小，而在于原有积木的重新组合。92020/1/27CAS理论是人们在系统运动和演化规律认识方面的一个飞跃：•主体是主动的、活的实体。这个特点使CAS理论能够有效地应用于经济、社会、生态等其他方法难于应用的复杂系统；作为与系统、全局、整体相对而言的概念，元素、单元、部件都是作为一个被动的、局部的概念而提出的。•主体的概念则把个体的主动性提高到了系统进化的基本动因的位置，成为研究与考察宏观演化现象的出发点。•个体与环境（包括个体之间）的相互影响和相互作用，是系统演化和进化的主要动力。这个特点使得CAS方法能够运用于个体本身属性极不相同，但是相互关系却有许多共同点的不同领域。102020/1/27•把宏观和微观有机地联系起来。它通过对主体和环境的相互作用，使得个体的变化成为整个系统的变化的基础，统一地加以考察。•引进了随机因素的作用，使CAS具有更强的描述和表达能力。CAS理论在主体模型的基础上，建立了整个系统的宏观模型，霍兰称之为回声模型（EchoModel），在这个基本模型中，主体具有最简单的功能—寻找交换资源的其他主体，与其他主体进行资源交流，保存及加工资源。主体要有三个基本部分：112020/1/27（1)进攻标识。用于主动与其他主体联系和接触。(2)防御标识。用于其他主体与自己联系时决定应答与否。(3)资源库。用于储存加工资源。主体的基本情况如图3一1所示。图3一1•主体的功能：主动与其他主体接触，同时也对其他主体的接触进行应答，如果匹配成功则进行资源交流，在自己内部存储并加工资源；如果资源足够，则繁殖新的主体。122020/1/27•在此基础上，整个回声模型成为如下情况：整个系统包括若干个位置，每个位置中有若干个主体，主体之间进行交往，交流信息和资源。这就是最基本的回声模型。为了描述复杂的系统行为，逐步增加各种功能和机制：•(1)增加“交换条件”机制。即在进攻标识与防御标识相符的条件下，还要加上某种交换条件的确认。•(2)增加“资源转换”机制。即主体具备加工、利用和重组资源的能力。增加这一功能为主体的分工和专门化打下了基础。•(3)增加“粘着”机制。即若干主体通过建立固定的联系，成为一个多主体的聚合体在系统中一起活动。•(4)增加“选择交配”机制。即主体可以有选择地与其他主体结合，通过交换形成新的更强的主体。•(5)增加“条件复制”机制。即主体在资源充裕，条件适宜的情况下，复制增加自身的功能。132020/1/27•通过这一步步扩充，回声模型的表达和描述能力不断增强，具备了描述和研究各种复杂系统的能力。CAS理论的另外一个特点可操作性。圣菲研究所开发的软件平台SWARM，提供了一个标准的软件工具集和软件实验环境，帮助人们集中精力于复杂的研究工作。SWARM的建模思想。建立一系列独立的个体，通过独立事件之间进行交互，考察和研究系统的行为和演化规律。软件模拟的基本单元是个体。一个个体就像系统中的一个演员，它能够产生动作并影响自身和其他个体。个体定义了SWARM系统中的基本对象，即模拟部件。时间表则定义这些对象之间事件发生的流程。在SWARM中，特定的行为发生在特定的时间，按照时间表的规定进行。142020/1/27CAS理论的局限性：•(1)CAS理论框架本身比较粗糙，带有十分明显的经济学与生物学的印记。还需要广泛地研究各类复杂适应系统，并且逐步形成确实具有方法论和认识论意义和一定普遍性的理论体系和表达方式。•(2)从理论本身的概念与内容来说，还有不少需要进一步明确的地方。•(3)从实际应用的角度来看，除了需要应用到更广泛的范围之外，CAS理论还需要在实际的控制与管理方面提出有效的、切实可行的方法。•(4）作为支持CAS理论研究的工具与环境—SWARM，也还处于完善过程之中。152020/1/27开放的复杂巨系统系统工程研究的对象系统规模越来越大，并朝着“巨系统”的方向发展。巨系统钱学森在论述社会系统工程时指出：“这不只是大系统，而是‘巨系统’，是包括整个社会的系统。”强调这类问题的范围之大和复杂程度之高是一般系统所没有的，这是学术界第一次提出巨系统概念。系统按其复杂程度可分成四类：简单系统、简单巨系统、复杂巨系统、特殊复杂巨系统（社会系统)。•简单巨系统内子系统的数目一般很多，无法一个一个地描述每一个子系统的运动;系统内子系统之间的相互作用一162020/1/27般不太复杂，多数情况下是已知的，可以用确定的规律来描述。但是简单巨系统的整体性质不能从子系统叠加得出，而会“涌现”出新的性质,叠加原理不再适用——这是简单巨系统和简单系统之间的根本区别。•复杂巨系统。如果组分种类繁多（几十、上百、上千或更多），并有层次结构，之间的关联方式又很复杂（如非线性、不确定性、模糊性、动态性等），这类系统就是复杂巨系统。•特殊复杂巨系统（社会系统)。开放的复杂巨系统•1990年《自然杂志》第一期发表钱学森、于景元、戴汝为三人署名的文章：“一个科学新领域——开放的复杂巨系统及其方法论”，首次向世人公布了这一新的科学领域及其基本观点。172020/1/27“开放的复杂巨系统”有三个含义：•系统本身与系统周围的环境有物质的交换、能量的交换和信息的交换。•系统所包含的子系统很多，成千上万，甚至是上亿万，所以是“巨系统”。•子系统的种类繁多，有几十、上百，甚至几百种，所以是“复杂的”。•开放的复杂巨系统广泛存在于现实世界,涉及到生物学、医学、生态学、天文学和社会科学等学科领域,如人脑系统、人体系统、社会系统、地理环境系统、军事系统和星系系统等。182020/1/27从定性到定量综合集成方法复杂巨系统特别是社会系统无法用现有的数学工具描述出来。当人们寻求用定量方法处理复杂行为系统时，容易注重于数学模型的逻辑处理，而忽视数学模型微妙的经验含义或解释。这样的数学模型，看来‘理论性’很强，其实不免牵强附会，从而脱离实际。研究复杂巨系统,首先遇到的是方法论和方法问题，不是已有科学方法所能处理的.上个世纪80年代末至90年代初,钱学森先后提出了从定性到定量综合集成方法以及它的实践形式---从定性到定量综合集成研讨厅体系(以下将两者简称为综合集成方法),并将运用这套方法的集体称为总体部,形成了一套可以操作的行之有效的方法体系和实践方式.192020/1/27•钱学森提出的处理复杂系统的方法论是半经验、半理论的，是科学理论、经验和专家判断力的结合。综合集成方法论的完整表述是“从定性到定量综合集成方法,其实质是专家体系、统计数据和信息资料、计算机技术三者有机结合,构成一个高度智能化的人机交互系统,它具有综合集成各种知识,实现从定性到定量认识的功能.”这个过程是从提出问题和形成经验性假设开始的。这一步是专家体系所具有的有关科学理论、经验知识和专家判断力、智慧相结合，并通过讨论班的研讨而形成的，通常是定性的。这样的经验性假设（猜想、判断、方案、思路等）是经验性的，还没有经过精密的严格论证，不是科学结论。从思维科学角度来看，这一步是以形象思维和社会思维为主。在研讨过程中，要充分发扬学术民主，畅所欲言，相互启发，大胆争论，把专家的创造