第一章：系统工程概述

第一章 系统工程概述 第一节：系统工程的产生 、 发展及应用 第二节：系统工程的研究对象 第三节：系统工程的概念与特点第一章 系统工程概述一、系统思想及系统理论的产生与发展系统思想的发展经历了三个阶段，即： “ 只见森林 ” （朴素的系统思想）阶段 “ 只见树木” 阶段 “ 先见森林，后见树木 ” （科学的系统思想）阶段。古代中国和古希腊在系统思想的产生与早期发展中具有突出地位和贡献。第一节 系统工程的产生 、 发展及应用系统思想的回顾系统思想的回顾整体思想和联系思想 是科学系统思想的核心与实质。二、系统工程的理论的形成与发展系统理论包括：1、 老三论 （形成于二十世纪四十年代）：一般系统论、控制论和信息论。2、 新三论 （形成于二十世纪七十年代）：耗散结构理论、协同论和突变论。 一）控制论 （ Cybernatics）控制论是用数学工具研究控制机构或控制系统运行一般规律的科学 1、控制论的产生与发展1947年由美国人维纳（ Norbert Wiener）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。 ” 控制论的发展已大致经历了三个时期。 从 20世纪 40年代末到 50年代是第一个时期， 即 经典控制理论 时期。在这一时期，主要的研究对象是单因素控制系统，即单输入单输出的自动调节系统，重点是反馈控制，借以实现的工具是各种各样的自动调节器、伺服机构及其有关的电子设备，着重解决单机自动化和局部自动化问题。控制论发展的第二个时期为 60年代， 即 现代控制理论 时期。这一时期，控制论的主要研究对象就成了多因素控制系统，研究重点是 “ 最优控制 ” ，研究借助的工具是电子计算机。以火箭运载的卫星、飞船、导弹等的飞行为例 : 火箭的质量特性要用变质量力学来描述；控制是在远距离上实现的；火箭的距离、速度、加速度、飞行姿态、多级工作程序等参数都需要控制 , 因而是一种多输入多输出的多路控制；控制要求高度精确；地面系统复杂而庞大 , 控制问题复杂。一般认为 , 现代控制理论的奠基者是匈牙利出生的美国人卡尔曼。 进入 70年代以后，是 大系统控制理论 时期。 在这一时期，主要研究对象是因素众多的大系统，重点是大系统多级递阶控制，借助的工具是电子计算机联机和智能机器，应用领域主要为社会系统、经济系统、生态系统、管理系统、环境系统等。 2 、控制系统控制系统由施控器、受控器和控制作用的传递者三者组成，形成一个整体的控制功能和行为，但这又是相对于某种环境而言。因而可以把施控器、受控器和控制作用的传递者三个部分所组成的、相对于某种环境而具有控制功能与行为的系统，称为 控制系统 。3 、控制论对系统工程方法论的 启示黑箱 灰箱 白箱法功能模拟法 （如：蝇眼照相机）形式化、数量化、最优化方法 举例：恒温箱 下图 是恒温箱的人工控制系 统 的 结 构 图 。要求恒温箱中的温度保持恒定。 为 了 测 量恒温箱中的温度，安装一个温度 计 来指示恒温箱中的温度， 这 个温度就是系 统 的 输 出量，或称被控制量。操作者始终观 察温度 计 的温度，当小于恒温箱 给 定 时 ，就增大加 热 装置的 电流；相反当大于恒温箱 给 定 时 ，就减小 电 流。 这样 恒温箱就能保持给 定的温度。人在 这 个系 统 中有以下的作用：1 观 察恒温箱中温度。2比 较 恒温箱中温度与 给 定温度的差 值 。3 调节 加 热电 流的大小。人工控制系 统结 构 图 了解了人工控制系 统 的原理，我 们 只要用一些 设备 模仿和代替人的智能，就可以把它 变 成自 动 控制系 统 。首先用 热电 偶来代替温度 计 来 测 量温度的 值 ，然后用比 较放大 电 路代替人 对 温度的比 较 ，用 电 机代替人手来 转动恒温箱的 电 流 调节 装置。只要放大 电 路的极性和 电 机的转动 方向合理 选择 ，就可以完成自 动 控制恒温箱温度的工作。自 动 控制系 统 的 结 构 图 下 图 所示。自 动 控制系 统结 构 图二）信息论 （ informatics）1、 信息论的基本思想v信息论是一门研究信息传输和信息处理一般规律的学科。v信息论起源于通讯理论，是美国科学家申农（Shannon） 在 1948年创立的。v信息论的基本思想和方法完全撇开了物质、能量等各种具体客观形态，而把任何通讯和控制系统都看作是一个信息的传输和加工处理系统，把系统有目的运动抽象为信息变换过程，通过系统内部的信息交流使系统维持正常的有目的的运动。所有系统，在信息论的框架中，是一个进行信息变换和信息处理的机构。 人们根据不同的研究内容，把信息论分成三种不同的类型。狭义信息论： 即申农信息论。主要研究消息的信息量、信道（传输消息的通道）容量以及消息的编码问题。一般信息论： 主要研究通讯问题，但还包括噪声理论、信号滤波与预测、调制、信息处理等问题。广义信息论： 不仅包括前两项的研究内容，而且包括所有与信息有关的领域。 2、什么是信息v申 农对信息的定义：不确定性的减少即：信息量是把某种不确定性趋向于确定的一种度量，信息量的大小取决于消息的不确定减少程度，不确定减少程度越大，则信息量越大；不确定减少程度小则信息量越少。v消息与信息：消息是信息的携带者，但并非每条消息都带有信息，或带有同等信息量的信息。例：到会场找人消息 A： 某人在会场里消息 B： 某人在会场的偶数排显然，对找到该人这一目的来说，消息 B所含的信息量比消息 A大，因为消息 B更容易减少不确定性。 例：气象预报 甲 乙 “甲地晴 ”比 “乙地晴 ”的 不确定性 来的小 某一事物状态出现的概率越小，其不确定性越大。某一事物状态出现的概率接近于 1,即预料中肯定会出现的事件，那它的不确定性就接近于零。3、信息的度量 信息熵设描述某一事件的消息源可能发出的消息分为x=(x , x xn)而各可能消息是否会发出的概率为 p , p , pn， 并满足归一性条件：p p pn 1按以上概率从消息源中随机地发送消息，形成一个消息序列。定义一：若某事件出现概率为 p， 则这一事件所具有的信息量为：定义二：可能消息集合 X的整体平均信息量称为信息熵，简称为熵。 公式为：思考：一场球赛，双方势均力敌与双方实力悬殊，哪一种更吸引观众（信息量大）？信息论研究运用了类比方法和统计方法 信息论运用了科学抽象和类比方法，将消息、信号、情报等不同领域中的具体概念，进行类比，抽象出了信息概念和信息论模型。 针对信息的随机性特点，运用统计数学（概率论与随机过程），解决了信息量问题，并扩展了信息概念，充实了语义信息、有效信息、主观信息、相对信息、模糊信息等方面的内容。三）一般系统论1 、 一般系统论的产生背景：本世纪初，物理学、力学、化学等已得到深入发展、学科体系已趋于完整。生物学却仍处于一种想象，试验的阶段。例如，生命的起源、生命的本质等问题，就存在两种激烈争论的观点：机械论与活力论。v 机械论：认为生物体应像机械体一样服从物理学、化学所阐明的各种规律，也就是说，把生命问题简化为物理和化学问题，纯粹用物理原因和化学原因来说明一切生命的生理现象和心理过程。所以无法说明生命体的统一性。v 活力论：认为不能把生命现象简单地归结为物理与化学过程，但却用 “ 超自然的活力 ” 来解释生命现象，认为有机界和无机界之间有一道不可逾越的鸿沟，支配生物体的是一种超物质力量。美藉奥地利生物理论专家贝塔朗菲等人不满于机械论和活力论的解释，提出有有机体概念，强调要从整体关联角度看问题。后来， “ 有机体 ” 概念被进一步发展为 “一般系统论 ” 。现代系统论的发展有两个主要线索 ： 一个是从研究生物有机体角度产生的一般系统论， 另一个是从研究技术工程及劳动管理角度产生的系统工程学。2 、一般系统论的基本观点系统的整体性系统的开放性系统的动态相关性系统的多级递阶性系统的有序性3 、对系统方法论及系统方法的启示四）耗散结构理论、协同学、突变论原理等新 的系统理论及其启示1. 耗散结构理论 (dissipative structure theory)1969；比利时统计物理学家 I.普利高津研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论2. 协同学 (synergetics)70年代初，联邦德国理论物理学家 H.哈肯研究协同系统从无序到有序的演化规律的新兴综合性学