第2章-系统工程基本理论

系统工程SystemsEngineering2020/4/22北京物资学院信息学院1本章主要内容2020/4/22北京物资学院信息学院22.1概述2.2系统论基础2.3控制论基础2.4信息论基础2.5运筹学基础2.6复杂系统理论第2章系统工程基本理论2020/4/22北京物资学院信息学院32.1概述2.2系统论基础2.3控制论基础2.4信息论基础2.5运筹学基础2.6复杂系统理论2.1概述为系统工程提供理论和方法的技术科学主要有系统论，控制论和信息论、最优化理论等（其中，系统论、信息论、控制论简称“三论”，是系统科学的重要理论基础及工具）。系统论是系统科学的主体理论基础。2020/4/22北京物资学院信息学院42.1概述表2-1系统工程的部分方向2020/4/22北京物资学院信息学院5系统工程的方向对应的学科基础系统工程的方向对应的学科基础工程系统工程工程设计教育系统工程教育学科研系统工程科学学社会系统工程社会学、未来学企业系统工程生产力经济学计量系统工程计量学信息系统工程信息学、情报学标准系统工程标准学军事系统工程军事科学农业系统工程农事学经济系统工程政治经济学行政系统工程行政学环境系统工程环境科学法治系统工程法学第2章系统工程基本理论2020/4/22北京物资学院信息学院62.1概述2.2系统论基础2.3控制论基础2.4信息论基础2.5运筹学基础2.6复杂系统理论2.2系统论基础贝塔朗菲是美籍奥地利生物学家，1945年，他在《德国哲学周刊》第18期上发表了《关于一般系统论》，这是系统科学的奠基之作，标志着系统科学的诞生。一般系统论用相互关联的综合性思维来取代分析事物的分散思维，概括了整体性、关联性、动态性、有序性、终极性（目的性）等系统的共性，突破了以往分析方法的局限性。2020/4/22北京物资学院信息学院72.2系统论基础一般系统论的基本思想是：从系统观点、整体观点、动态观点测绘法，把有机体描绘成由诸多要素、按严格等级层次组成的动态的开放系统，具有特殊的整体功能。科学研究对象：系统、整体、整体性方法论上反对还原论2020/4/22北京物资学院信息学院82.2系统论基础一般系统论的延伸:有关的学科和理论，如管理理论、运筹学、信息论、控制论、科学学、哲学、行为科学等。它给各门学科带来新的动力和新的研究方法，沟通了自然科学与社会科学、技术科学与人文科学之间的联系，促进了现代科学技术发展的整体化趋势，使许多学科面貌焕然一新。2020/4/22北京物资学院信息学院92.2系统论基础2.2.1系统的观点贝塔朗菲将系统定义为“相互作用的诸要素的复合体”。这个定义强调了系统的整体性和联系性，是系统科学的基本观点。结构功能相关规律、信息反馈规律、竞争协同规律、涨落有序规律、优化演化规律作为系统的五个重要规律。2020/4/22北京物资学院信息学院102.2系统论基础2.2.1系统的观点1.整体与涌现性系统观点首先是整体观点。整体才具有而孤立的部分及其总和不具有的特性，称为整体涌现性或突现性（wholeemergence）。（1）整体是指由事物的各内在要素相互联系构成的有机统一体及其发展的全过程（整体性观点应用于过程系统）。（2）局部是指组成有机统一体的各个方面、要素、分支及其发展全过程中的某一阶段或某一区间。2020/4/22北京物资学院信息学院112.2系统论基础2.2.1系统的观点1.整体与涌现性系统的整体特性既包括质的方面又包括量的方面，并以二者的统一体现出来。如果整体与部分之间存在某种可以从量上比较的同质特性，整体涌现性就是“整体不等于部分之和”。2020/4/22北京物资学院信息学院122.2系统论基础2.2.1系统的观点2.结构、子系统、层次系统组分（元素）及组分之间一切联系方式的总和称为系统的结构（structure）。子系统（subsystem）相对于系统整体而言就是系统的部分或组分，但它本身就是一个系统，具有系统的基本特性。层次是系统由元素整合为整体过程中的涌现等级，不同性质的涌现形成不同的层次，不同层次表现出不同的涌现性。2020/4/22北京物资学院信息学院132.2系统论基础2.2.2系统的环境、行为和功能1.系统的环境广义上讲，一个系统之外的一切与它相关联的事物构成的集合，称为该系统的环境。环境与系统之间的相互关系是系统的外部规定性。在一定意义上，抽象系统界限的划分和确定主要取决于分析人员或决策者。不同的决策者或分析人员可能会根据自己的研究目的取不同的界限来划分系统和环境。2020/4/22北京物资学院信息学院142.2系统论基础2.2.2系统的环境、行为和功能2.系统的行为行为是刻画系统与环境相互关系的概念。系统相对于它的环境所表现出来的任何变化，或者说，系统可以从外部探知的一切变化，称为系统的行为。行为属于系统自身的变化，是系统自身特性的表现，但又同环境有关，反映环境对系统的作用或影响。2020/4/22北京物资学院信息学院152.2系统论基础2.2.2系统的环境、行为和功能3.系统的功能功能是指系统与外部环境相互联系和相互作用中表现出来的性质、能力和功效。功能是刻画系统行为，特别是系统与环境关系的重要概念。结构是功能的基础，功能依赖于结构；结构决定功能，功能对结构具有一定的反作用。2020/4/22北京物资学院信息学院162.2系统论基础2.2.3系统的状态及其演化1.系统的状态2020/4/22北京物资学院信息学院17状态变量：独立性和完备性状态变量一般是时间的函数，不同时刻状态变量通常取不同的值。状态变量也是环境参数的函数，参数的变化反映了系统外界环境的变化引起的系统结构的改变。状态变量经常也是位置的函数，当系统所处的范围较大时，往往存在一定的空间分布，不同位置上系统的状态变量有不同的取值。时间环境参数位置2.2系统论基础2.2.3系统的状态及其演化1.系统的状态根据研究问题的需要，我们可将系统状态分为平衡态和非平衡态两种。平衡态是指系统状态不仅不随时间变化，而且系统内部空间各处的状态变量取值也完全相同的状态。非平衡态是指不满足以上条件的状态，即要么系统状态随时间变化，要么空间各处的状态变量取值不同。2020/4/22北京物资学院信息学院182.2系统论基础2.2.3系统的状态及其演化2.系统的演化2020/4/22北京物资学院信息学院19在足够大的时间尺度上看，世界上的系统都处于演化之中系统的状态、特性、结构、行为、功能等随时间的推移而发生的变化一个是进化；一个是退化系统内部组分之间的相互作用和外部环境的变化系统的状态分为两类：暂态（或称驰豫态）和终态演化的动力基本方向普遍性系统的演化演化的系统状态2.2系统论基础2.2.3系统的状态及其演化3.动态系统的稳定性稳定性（Stability）指的是系统结构、状态、行为的恒定性，即系统结构、状态、行为的抗干扰能力。稳定性问题是动态系统理论的首要问题。稳定性是系统的一种重要维生机制，稳定性愈好，系统的维生能力愈强。一个不稳定的系统无法正常运行，无法实现其功能目标，是没有用的。2020/4/22北京物资学院信息学院202.2系统论基础2.2.4系统论的方法2020/4/22北京物资学院信息学院21系统论方法是不同方法和描述形式间的融会贯通（4）确定性描述与不确定描述相结合（2）定性描述与定量描述的相结合（1）还原论与整体论的相结合（3）局部描述与整体描述相结合2.2系统论基础2.2.4系统论的方法1.还原论与整体论相结合整体论强调的是整体地把握对象，还原论则主张把整体分解为部分来研究。系统论正是通过综合整体论的思想、改进还原论的局限性而发展起来的。它在了解事物各部分精细结构的基础之上，再从整体上来认识和处理问题。这样，一方面克服了还原论零碎地认识事物的片面性，另一方面也更正了古代整体论的直观性和笼统性，真正地达到了科学地把握全局。2020/4/22北京物资学院信息学院222.2系统论基础2.2.4系统论的方法2.定性描述与定量描述相结合对任何事物都可以从定性与定量两个方面加以描述。定性特性多数情况下表现了事物的本质属性，是定量描述的基础；在定性描述的同时，我们也必须借助于定量描述，给出定性描述的具体特性，使定性描述更加客观和精确。定性描述与定量描述相互结合，正是系统论研究问题的基本方法之一。2020/4/22北京物资学院信息学院232.2系统论基础2.2.4系统论的方法3.局部描述与整体描述相结合描述系统包括描述整体和描述局部两个方面。系统研究的基本方法之一，就是在系统整体观的对照下建立对局部的描述，同时综合对所有局部的描述，建立关于对系统整体的描述。微观描述和宏观描述就是一种特殊的局部描述与整体描述。2020/4/22北京物资学院信息学院242.2系统论基础2.2.4系统论的方法4.确定性描述与不确定性描述相结合对于系统演化进行定量描述可以有两种方式：确定性描述和不确定性描述。过去确定性的描述是指以牛顿力学为代表的描述，而不确定性的描述特指由统计力学和量子力学发展起来的概率论的描述。2020/4/22北京物资学院信息学院25第2章系统工程基本理论2020/4/22北京物资学院信息学院262.1概述2.2系统论基础2.3控制论基础2.4信息论基础2.5运筹学基础2.6复杂系统理论2.3控制论基础控制论（cybernetics）是在20世纪30、40年代自动控制、电子计算机、通信技术和生物学、数学等学科蓬勃发展的背景下产生的。1948年，美国数学家维纳将机器与生物的控制和通信机制进行类比，抽象出共同特征，创立了控制论。控制论提炼出的基本概念，诸如目的、行为、通信、信息、输人、输出、反馈、控制以及在这些概念基础上的控制论系统模型，即输入一输出反馈控制模型，具有广泛的普遍意义，并且紧密联系着基础理论和应用技术两头。2020/4/22北京物资学院信息学院272.3控制论基础2.3.1控制论的发展1.社会背景第二次世界大战在客观上大大促进了科学的进步、技术的发展，特别是与作战有关的科学技术。2.理论渊源（1）数学和物理学为控制论的产生提供了数量计算和演化机制分析的基础。（2）生命科学为控制论的产生提供了可供类比的对象。（3）计算机科学和逻辑学的发展与控制论的产生和发展互为因果、相互促进。2020/4/22北京物资学院信息学院282.3控制论基础2.3.2控制论的基本概念1.控制论控制论的创始人维纳曾经给出了控制论的经典定义：控制论是关于动物和机器中控制和通信的科学理论。由维纳给出的定义出发，现在人们对控制论的公认说法是：控制论是以研究各种系统共同存在的控制规律为对象的一门科学。2020/4/22北京物资学院信息学院292.3控制论基础2.3.2控制论的基本概念2.控制2020/4/22北京物资学院信息学院30控制必须有目的控制是一个反复的行为过程控制：根据信息选择目的的行为及实现这一行为的过程。2.3控制论基础2.3.2控制论的基本概念2.控制2020/4/22北京物资学院信息学院31控制实现的条件：①必须了解事物状态发展的可能性空间；②必须确切清楚自己希望事物朝着可能性空间中的哪个或哪些状态演化；③必须能够改变和创造条件，使事物朝着第二条所选的目标方向转化发展。2.3控制论基础2.3.2控制论的基本概念3.输入与输出环境对系统的作用和影响称为系统的输入系统对环境的作用和影响称为系统的输出2020/4/22北京物资学院信息学院32输入可控输入与不可控输入反应时间（时滞）输出2.3控制论基础2.3.2控制论的基本概念4.反馈所谓反馈，就是系统的输出对于输入的影响根据反馈对被控对象作用方向，分为负反馈和正反馈两种。2020/4/22北京物资学院信息学院33被控对象反馈输出扰动控制器输入2.3控制论基础2.3.3控制系统及其分类1.控制系统施控装置：有传感器和控制器中间元件叫做执行元件被控对象接受控制之后，对外产生输出。2020/4/22北京物资学院信息学院34施控主体受控客体输入扰动输出2.3控制论基础2.3.3控制系统及其分类2.按控制任务进行控制系