第二章--系统工程理论基础

现代工业工程与企业管理创新主讲人：李军第二章系统工程理论基础李军教授桂林电子科技大学商学院工业工程系2010-11-14第3章系统工程理论－2－本章主要内容第三节现代系统工程理论第二节经典系统工程理论111333222第一节系统科学的学科体系444第四节运筹学及其他新理论2010-11-14－2－2010-11-14－2－第3章系统工程理论－3－第一节系统科学的学科体系¾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，昀后通过进一步综合、提炼达到昀高概括的马克思主义哲学。如图2-1所示。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图2-1现代科学技术体系第3章系统工程理论－4－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。马克思主义哲学系统学运筹学巨系统理论控制论信息论各门系统工程自动化技术通信技术系统观系统科学哲学基础科学技术科学工程技术图2-2系统科学的体系第一节系统科学的学科体系第3章系统工程理论－5－第一节系统科学的学科体系¾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。¾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，它是一门交叉学科。第3章系统工程理论－6－第二节经典系统工程理论¾系统工程学科发展昀早得益于三门基础理论：一般系统论控制论信息论¾通常情况下，我们都习惯称之为系统工程的“老三论”。它们的价值在于为系统科学典定了理论基础。第3章系统工程理论－7－第二节经典系统工程理论2010-11-14¾1、一般系统论（generalsystemtheory)1924～1928；奥地利理论生物学家L.VON贝塔朗菲；1945年发表《关于一般系统论》；研究系统的一般模式，结构和规律的学问，它研究各种系统的共同特征，用数学方法定量地描述其功能，寻求并确立适用于一切系统的原理、原则和数学模型，是具有逻辑和数学性质的一门新兴的科学。¾基本观点：整体性（要素的不可分割性）开放性及目的性（有效性、适应性、寻的性）动态相关性（动态性取决于相关性）等级层次性有序性（结构或空间；发展或时间）¾核心问题是研究如何根据系统的本质属性使系统昀优化。第3章系统工程理论－8－第二节经典系统工程理论‰历史背景‰20世纪初生物学中存在机械论与活力论的争论。‰机械论是一种简化论思想，试图用简单的机械、物理、化学规律解释生命现象，虽然有部分真理性，但说明不了生物的整体行为；‰活力论正确地指出简单运动形态与高级生命活动的区别，却又错误地引入超自然的活力。‰机械论与活力论的争论反映了19世纪科学遗留下的重大问题，即物理学与生物学之间的鸿沟。‰20世纪30年代前后才逐渐形成一般系统论。一般系统论来源于生物学的机体论，是在研究生物系统过程中诞生的。第3章系统工程理论－9－第二节经典系统工程理论‰历史背景（续）‰系统思维最早出现在1921年建立的格式塔心理学，还有ParryJ.B.1958年在工业心理学研究中提出了系统心理学（systempsychology）的词汇与概念。‰1925年英国数理逻辑学家和哲学家N.怀特海在《科学与近代世界》一文中提出用机体论代替机械决定论，认为只有把生命体看成是一个有机整体,才能解释复杂的生命现象。‰1925年美国学者A.J.洛特卡发表的《物理生物学原理》和1927年德国学者W.克勒发表的《论调节问题》中先后提出了一般系统论的思想。第3章系统工程理论－10－第二节经典系统工程理论‰历史背景（续）‰1924～1928年奥地利理论生物学家L.von贝塔朗菲多次发表文章表达一般系统论的思想,提出生物学中有机体的概念，强调必须把有机体当作一个整体或系统来研究，才能发现不同层次上的组织原理。‰他在1932年发表的《理论生物学》和1934年发表的《现代发展理论》中，提出用数学模型来研究生物学的方法和机体系统论的概念，把协调、有序、目的性等概念用于研究有机体，形成研究生命体的三个基本观点‰系统‰动态‰层次第3章系统工程理论－11－第二节经典系统工程理论¾历史背景（续）‰1937年贝塔朗菲在芝加哥大学的一次哲学讨论会上第一次提出一般系统论的概念。但由于当时生物学界的压力，没有正式发表。‰1945年他发表《关于一般系统论》的文章,但不久毁于战火,没有引起人们的注意。‰1947～1948年贝塔朗菲在美国讲学和参加专题讨论会时进一步阐明了一般系统论的思想，指出不论系统的具体种类如何、组成部分的性质和它们之间的关系如何，存在着适用于综合系统或子系统的一般模式、原则和规律。第3章系统工程理论－12－第二节经典系统工程理论¾历史背景（续）‰虽然一般系统论几乎是与控制论、信息论同时出现的，但直到60～70年代才受到人们的重视。‰1968年贝塔朗菲的专著《一般系统论──基础、发展和应用》，总结了一般系统论的概念、方法和应用。‰1972年他发表了《一般系统论的历史和现状》，试图重新定义一般系统论。第3章系统工程理论－13－贝塔朗菲一般系统论的要点¾(1)整体性（一般系统论的核心）系统的整体性能可以大于各要素的性能之和。系统整体的运动规律和性质有别于它的组成要素；系统所具有的整体性是在一定组织结构基础上的整体性。研究系统时，要重视提高系统的整体功能。第3章系统工程理论－14－贝塔朗菲一般系统论的要点¾(2)有机关联性系统内的要素之间、子系统之间和系统与环境之间的相互作用、相互依存和相互关系。要素作为系统的组成单元时与它的独立存在时有质的区别。联系赋予了要素在系统中的角色和地位机械论的局限性在于：把研究对象分解为各个孤立部分，以部分代替整体或部分的简单相加取代整体。第3章系统工程理论－15－贝塔朗菲一般系统论的要点¾（3）层次性一个系统总是由若干子系统组成的，该系统本身又可看作是更大的系统的一个子系统，这就构成了系统的层次性。不同层次上的系统运动（功能）有其特殊性。上一级系统具有下一级系统所没有的（功能）特性。在研究复杂系统（结构和功能）时，考虑到系统所处的层次。要从更大的系统出发，照顾到上下左右的关系。第3章系统工程理论－16－贝塔朗菲一般系统论的要点¾（4）系统的动态性系统内部的结构状况是随时间而变化的系统必定与外部环境存在着物质、能量和信息的交换。比如新陈代谢。贝塔朗菲认为，实际存在的系统都是开放系统，动态是开放系统的必然表现。第3章系统工程理论－17－贝塔朗菲一般系统论的要点¾贝塔朗菲提及的“开放系统”１９３２年，在《理论生物学》第一卷中，贝塔朗菲首次用“开放系统”的概念来描述生命体。他写道：“生命的形式不是存在着，而是发生着，它们是物质和能量的永恒流动的表现形式，这些物质和能量通过有机体同时又是组成有机体的。”开放系统通过持续地与环境交换物质与能量从而维持其动态存在，新陈代谢就是这样一种过程。生命体中的等终极性现象就是通过这种动态过程才得以完成。所谓等终极现象，是指有机体具有一种从不同初始条件出发，通过不同的途径，到达给定的昀终目标的能力（而在非生命系统中，昀终状态的获得是由初始条件所决定的）。经典例子就是杜里舒的海胆卵实验。这表明一个开放系统，没有固定的运动途径和模式，通过与内外环境交换信息、物质、能量，促使系统走向一个给定的目标。这种动态的过程以一种稳态的形式出现，是一种动态的平衡。比如，分解和合成的平衡。贝塔朗菲把这种自我调节的稳态看作是“生命系统的基本特征。所有其他的特征，如代谢、生长、发育、繁殖、自主性活动等，都是这个事实的昀终结果。”第3章系统工程理论－18－贝塔朗菲一般系统论的要点¾贝塔朗菲所用的“稳态”（StedyState）即不同于物理学中的平衡，亦不同于坎农的自稳态（Homeostasis）。¾“虽然自稳态模型超越了旧有的机械论框架，它承认周期性的自我调节过程中有目标的方向性活动，但它仍然依附于机械理论，因为反馈模型本质上依然是建立在被动的刺激－反应框架基础上，仅仅在此基础上增加了反馈环而已，而大量的事实证明，基本的生命行为是自发的过程。”¾研究已经显示，器官的自律性活动，如心脏、呼吸中枢等的运动具有自发性，并不是仅对刺激作出反应。当有机体处于一个缺乏外界刺激的环境中时，其正常状态不是静止而是运动的。¾对刺激概念必须作出修正，如果有机体基本上是一个自主的系统，那么刺激（外界条件的改变）并不引起一个过程而是修正这一过程，这就导致一个重要结论，与通常看法相反，并不是刺激而是内在状态同正常状态的距离，才决定了有机体的反应，这种需要对动物来说表现为寻找食物、寻偶等。¾所以，贝塔朗菲认为他的系统哲学观点中，极其关键的核心内容是“有机体并不是被动地对刺激作出反应，而是一个在本质上能自主活动的系统。”只有首先意识到这一事实，才能理解人类关系的各个领域。第3章系统工程理论－19－贝塔朗菲一般系统论的要点¾贝塔朗菲还总结了开放系统演化中逐步机械化这一事实。原始的系统往往具有全能性或无限的可能性（杜里舒的海胆卵实验），随着过程的展开，这些特征逐渐丧失，代之而起的是功能的精确化固定化，无限的可能性被有限的现实性所替代。¾从广泛的意义来看，许多系统（生物、工程、社会乃至人类思想）的演化进程中，都体现出这种逐步的机械化过程以及为此而付出的代价。系统演化在某方面的过份展开，同时也意味着特化。第3章系统工程理论－20－贝塔朗菲一般系统论的要点¾（5）有序性系统的结构、层次（在某个时点上）及其运动的方向性（在一段时间内）都表明系统具有有序性的特征。系统的存在必然表现为某种有序状态，系统越是趋向有序，它的组织程度越高，稳定性也越好。系统从有序走向无序，它的稳定性便随之降低。完全无序的状态就是系统的解体。第3章系统工程理论－21－贝塔朗菲一般系统论的要点¾（6）目的性为了避免误解（主要是避免与古人的“目的论”混同），也有人把它称为“预决性”。贝塔朗菲认为，系统的有序性是有一定方向的，即一个系统的发展方向：不仅取决于偶然的实际状态，还取决于它自身所具有的、必然的方向性，这就是系统的目的性。强调系统的这种性质的普遍性，认为无论在机械系统或其他任何类型系统中它都普遍存在。（人性化思维的体现）第3章系统工程理论－22－贝塔朗菲一般系统论的要点¾（6）统一性不同层次上的系统运动规律具有统一性，不同系统之间存在着系统同构。系统论与简化论都主张客观世界运动规律的统一性。但是：简化论将高层次的复杂运动简化、还原为简单的机械运动；系统论反对将不同层次运动规律的进行归结，主张不同层次运动的关联性，并按照系统的同构原理，从中抽出具有共性的一般运动规律。第3章系统工程理论－23－系统的同构¾系统同构是一般系统论的重要理论依据和方法论的基础。¾系统同构一般是指不同系统的数学模型之间存在着数学同构。¾数学同构有两个特征：（1）两个数学系统的元素之间能建立一一对应关系。（2）两个数学系统各元素之间的关系，经过这种对应之后仍能在各自的系统中保持不变。例如一个由质量、弹簧和阻尼器组成的力学系统与含有电阻、电容和电感的串联谐振电路之间存在的数学同构。¾不同系统间的数学同构关系是等价关系，根据等价关系可将现实系统划分为若干等价类。对于不同的等价类,只要挑出各自的代表加以研究就够了。第3章系统工程理论－24－系统的同构¾因此，借助于数学同构的研究，可在现实世界中各种不同的系统运动中找出共同规律。现实系统间的数学同构是建立计算机模拟的依据。¾有些系统