[工学]第五讲 系统和系统理论.ppt

第五讲 系统与系统理论 陈发俊 副教授 安徽医科大学人文社会科学学院 *1 系统论 1、系统学一般系统论 2、系统方法运筹学 3、系统工程 Date2 一、一般系统论简介 u“系统”概念的内涵 u“系统”的特征 u系统的分类 u物质系统的层次结构 Date3 “系统”概念的内涵 把极其复杂的研究对象称为系统， 即由相互作用和相互依赖的若干组 成部分结合成具有特定功能的有机 整体，而且这个系统本身又是它们 从属的更大系统的组成部分。 （钱学森） Date4 “系统”概念的内涵 系统是处于一定相互联系中的与环境发生关系的 各组成成份的总体。 贝塔朗菲（一般系统论创立者） “相互作用”指的是，若干要素（P）处于若干 关系（R）中，以致一个要素P在R中的行为不同 于它在另一关系R中的行为。如果要素的行为 在R和R中并无差异，那么就不存在相互作用， 要素的行为就不依赖于R和R。 贝塔朗菲，一般系统论：基础发展和应用 林康义等译，清华大学出版社1987年6月，P51） Date5 对系统概念内涵的分析 物质系统是由两个或两个以上的物质要素构成的。 这些共存于一个统一体中的要素是具有一定的差异性 的，甚至是异质的。 例 这些共存于一个统一体中的要素是通过相互联系，即 通过相互影响，相互制约，相互作用构成统一的整体 。如果各部分之间互不相干，则不能构成系统。 例 这些相互联系的物质要素所构成的统一整体是具有特 定功能的统一整体。这里的功能主要指的是整体功能 ，是不能简单地还原为其构成要素的功能的。 Date6 对系统概念内涵的分析 这种特定的功能，是物质系统与其 外部环境系统的相互联系中显示出 来的，也就是说物质系统的特定功 能是在物质系统与物质系统的相互 联系中表现出来的。 Date7 对系统概念内涵的分析 某一物质系统的环境系统是相对于 我们考察对象的范围而言的，把一 定区域的物质要素所构成的统一整 体视为一个物质系统的话，这个区 域之外的全部要素所构成的系统就 是该物质系统的环境系统。 Date8 和实生物 国语郑语中录史伯之言：“ 先王以土与金木水火杂以成百物， 是以和五味以调口，刚四支以卫体 ，和六律以聪耳，声一无听， 色一无文，味一无果（美），物一 不讲（媾）。” （一种音调不能谱成动听的乐曲，一种颜色不能形成好看的纹饰 ，一种味道的饭菜吃不饱肚子，同一种性别的动物难以交配）讲 的是“和异而生物”。 Date9 和实生物 古希腊哲学家赫拉克里特也提出过十分相似的 思想：“自然也追求对立的东西，它是用对立 的东西制造出和谐，而不是用相同的东西，例 如将雌雄相配，而不是将雌配雌、将雄配雄； 联合相反的东西造成协调，而不是联合致 的东西。艺术也是这样做的，显然是模仿自然 。绘画在画面上混合着白色和黑色、黄色和红 色的成分，造成酷肖原物的形象。音乐混合音 域不同的 高音和低音、长音和短音，造成一 支和谐的曲调。书法混合元音字母和辅音字母 ，拼写出完整的字句。 返回 Date10 例 汉高祖刘邦得天下之后，在一次聚会时，问众卿：“皆言其情，吾所 以有天下者何？项氏所以失天下者何？” 高起、王陵对曰：“陛下使人攻城略地，所降下者，因以与之，与天 下同利也。项羽妒贤嫉能，有功者害之，贤者疑之，战胜而不与 人功，得地而不与人利，此其所以失天下也。” 刘邦总结说：“运筹帷幄之中，决胜于千里之外，我不如子房；镇 国家，抚百姓，给饷馈，不绝粮道，吾不如萧何；连百万之众， 战必胜，攻必取，吾不如韩信。三人皆人杰，吾能用之，此吾所 以取天下也。项羽有一范增而不能用，此所以为我擒也。”刘邦总 结的很有道理，他手下的这三位大将，各有其长，在刘邦的领导 下，能有机地结合起来，充分发挥作用，所以能取得胜利。这是“ 合异生物”的典范。 return Date11 系统的特征 整体性 有机关联性 动态性 有序性 预决性 Date12 1.系统的整体性 所谓整体性，是针对机械论的系统 观而提出的。无论哪种观点，都不 否认系统是由其组成部分（要素或 子系统）构成的。 Date13 1.系统的整体性 如果认为系统的性质或特点是其组 成部分的性质或特点的简单总和（ 代数和，或说具有可加性），则是 一种机械的系统观。 系统论的观点是：整体大于各孤立 部分之和（亚里斯多德的著名悖论 命题）。 Date14 系统的整体性 “整体大于部分之和”的含义：组合性（ constitutive）特征不能用孤立部分的特征来 解释。因此，复合体特征与其要素相比似乎是 “新加的”或“突现的”。然而，如果我们知 道了一个系统所包含的所有组成部分以及它们 之间的各种关系，那么就可能从组成部分的行 为推导出这个系统的行为。 三个臭皮匠，赛过诸葛亮。协同出现新功能， 不是各自独立简单相加。 Date15 系统的整体性 按照一般系统论的观点，系统决不是其各个部 分的简单相加，而是各个部分的有机结合。为 了理解一个系统，就不仅需要了解其各个部分 ，而且需要了解各个部分之间的相互关系和相 互作用。只有从各个部分的相互关系和相互作 用中，才能发现系统的一般方面、发现其一致 性和同态性，发现系统的规律。贝塔兰菲认为 ，这一点正是系统思想的核心。他甚至以此给 出了一般系统论的一个定义：一般系统论是关 于“整体“的一般科学。 Date16 科学自然观 逻辑数学 方法 经验 社会技术、文化要素 B A 科学的有机系统整体 Date17 系统的有机关联性 有机关联性原则： 一是系统内部诸要素的有机关联； 二是系统同外部环境的有机关联。 Date18 系统的有机关联性 一般系统论所研究或处理的系统基 本上都是开系统。开系统与外界有 物质的、能量的、信息的交换，有 相应的输入和输出以及量的增加或 减少。系统的这种性质很重要。 Date19 系统的有机关联性(continue) 系统内部诸要素之间的有机关联可以用 数学语言加以描述。（仍不完备） （1，2， ） （1,2,n） 表示系统中某元素的某种量。联立 方程组表明，任意的一个量的变化 都要受到所有的的制约。反之，任一 的变化也会影响到其它量。系统是一 个由相互关联的要素构成的整体。 Date20 红楼梦第七十四回： 抄检大观园 贾探春： “可知咱们这样大户人家，若从外头 杀来，一时是杀不死的。这可是古人说 的百足之虫，死而不僵，必须先从家里 自杀自灭起来，才能一败涂地呢!” Date21 系统的有机关联性 医学美学的“真、善、美”关系 真准确、有效 善治病救人、解除痛苦 美不留创伤、伤口美观 Date22 系统的动态性 任何系统都随时间不断地变化，另 外从生物学的角度看，动态也是系 统保持静态的前提。例如：生命有 机体保持体内平衡的基础之一是新 陈代谢的存在。 有机关联性各要素间空间的分 布 动态性原则时间上的变化。Date23 系统的动态性 一方面，系统内部的结构分布不是 固定不变的，而是随时间变化的。 另一方面，系统的开放性质，有机 关联性质强调的是系统同外界进行 物质、能量、信息的关联和交换。 Date24 系统的动态性 动态可以表现为相对的稳态，稳态 不是静态，而是含有动态的一种运 动状态。如“渐进分异”，“发育 ”等概念都有运动的含义。 Date25 系统的动态性 任何系统都是开放系统，开放系统 每时每刻都处于物质、能量、信息 的交换、流动之中。开放系统是系 统处于动态的条件，动态又是开放 系统的必然表现。 Date26 系统的有序性 无序是系统熵最大的一种状态，用物理学语言 描述之，就是热力学系统分子最均匀的状态。 远离无序的状态就是有序状态。 系统从无序到有序标志着系统的组织性或组织 化程度的增长。系统的组织性与系统内部要素 的有机关联性及其动态过程都有关系。 系统的有机关联性所表现出的结构、层次以及 系统的动态性所表现的渐进分异的方向性，都 使系统具有有序性的特点。 Date27 无 序 状 态 有 序 状 态 Date28 系统的预决性（finality,或目的 性） 系统的预决原则，又被称为终极原 则或者目的原则。这就是说，系统 的有序是具有方向性的，系统的这 种方向性又受到系统的目的性或者 预决性制约。 Date29 系统的预决性（finality,或目的性） 一般系统论认为，系统的有序性不 是为有序而有序的，而是按一定方 向而有序，不仅如此，这种方向是 由一定的预决性或目的性所支配的 。 Date30 系统的预决性（finality,或目的性） 贝塔朗菲认为，一个系统不仅要由实际 条件来决定，而且要受所达到的最后状 态所制约。这也就是说，一个系统的发 展方向，不但受到实际状态和条件的影 响，而且取决于对未来状态的预测。 因此，在研究一个系统时，其变化不仅 可以从实际状态方面来表示，而且可以 从其距离达到稳定状态的目标有多远来 表示。 Date31 系统的分类 根据物质系统与其环境相互联系 的程度孤立系统、封闭系统与 开放系统。（从物质、能量交换方 面看） 根据物质系统自身组织程度的高 低有序系统和无序系统 Date32 系统的分类 根据构成物质系统要素的多少以 及要素与要素之间构成方式的复杂 程度简单系统和复杂系统 根据物质系统空间域的大小 微观（细胞、分子以下）系统、宏 观系统、宇观系统（指星系以上） 。 Date33 系统的分类 根据人类在物质系统构建中的地 位和作用，天然系统和人工系 统。 根据物质系统状态参量和时间 的关系动态系统和静态系统。 Date34 四、物质系统的层次结构 每一个物质系统是其要素的系统， 同时也是更大系统的要素。这就是 所谓的物质系统的层次。 Date35 四、物质系统的层次结构 自然界物质系统的层次具有无限性 ，即层次是无穷的。物质的无限可 分不应理解为无休止地机械分割， 而应理解为层次的无限性（量的无 限扩张和质的无限多样性）。 Date36 四、物质系统的层次结构 例如：原子分子分子团细胞 组织器官系统人家庭 社团人类地球生态地球 （每一环节都是一个关节点） Date37 高低层次间的关系 高层系统是由低层系统构成的， 各要素相互作用产生了整体结构及 功能。 低层系统并不因高层系统的产生 而消失。 Date38 高低层次间的关系 要素处于系统中因受到制约，性 质有所改变。 结合度随层次增设而降低。因此 ，在处理高层次问题时可以把低层 次系统（要素）当作黑箱来考虑。 Date39 AB S2 S1 S Date40 系统的结合度问题的启示 资治通鉴 ： 初命晋大夫魏斯、赵籍、韩虔 为诸侯。 解放战争时期国民党打败仗与蒋介 石的越权指挥 企事业单位行政管理问题 Date41 作业 搜集一个与自己专业有关的应用 系统理论的实例，并论述。 下次课堂讨论 Date42 二 系统工程 除一般系统论外（general system theory）外，系统论还应包括系统 工程和系统方法运筹学（ systems engineering and operational research），后二个方面的知识具有 较强的可操作性和实践意义。 Date43 古代系统工程的典范都江堰 Date44 都江堰的分水排沙原理 Date45 系统方法运筹学 运筹学是关于决策问题的科学，研究范 围十分宽泛，大致可归并于以下个方 面。 分配问题。对资源、人员、设备、时 间等进行有效地分配。 库存问题。太多则积压，太少则脱销 ，军用物质更如此。 Date46 运筹学研究的问题 排队问题。以打开水为例说明之。有四个人 排队在一个水龙头下接开水，这四个人分别带 1、2、3、4个水瓶，如果拿4只水瓶的人先冲 ，按冲每瓶水2分钟计算，依次冲完需要84 634221=60分钟（相当于一个人等60分 钟的时间）。而如果让只带一只水瓶的人先冲 ，依次冲完则只需要24436281=40 分钟。 Date47 运筹学研究的问题 顺序问题。公共服务系统要考虑的问题。如 何安排服务设施的秩序。如医院就医顺序。 更新问题。汽车的报废。设备更新。 路线问题。最有效路程。推销员走几个城 市最佳路线。以走跳棋为例。 对抗问题。寻求最优对抗策略。如孙膑赛 马。（博奕论 game theory） 搜索问题。寻求最大的发现机率。如开密 码箱。 Date48 囚徒困境 （the Prisoners Dilemma） 两个涉嫌共谋犯罪的嫌疑犯被捕后被警察关在 相互隔离的牢房中。他们面临的选择是：或者 坦白或者保持沉默(即不坦白)。他们被告知： 如果某个嫌疑犯坦白而其同伙不坦白，则 坦白者可获自由而拒不坦白者要被判10年监禁 ；如果二人都坦白，则二人都被判5年监禁 ； 如果二人都不坦白，则二人皆被判1年监禁 。 Date49 嫌疑 犯甲 坦白-5，-50，-10 沉默-10，0-1，-1 嫌疑犯乙 坦