ch16_系统科学与系统工程.ppt

系统科学与系统工程,主讲：毛光喜,广东商学院信息学院,教 材： 系统科学概论，吴义生主编， 中央党校出版社1998年版。 参考书目： 1、一般系统论， 美冯贝塔朗菲 著， 清华大学出版社1987年版。 2、思维与方法新科学， 杨缦琳 胡爱本 张伟 著， 中国青年出版社1990年版。,第一讲 系统科学概说,通过今天的学习，您将： 1、了截什么是系统，什么是系统科学； 2、掌握系统科学的研究对象、体系结构； 3、了解系统科学的发展历史和现状； 4、把握学习系统科学的现实意义。,案例分析：一举而三役济,北宋皇宫着火，烧成废墟，皇帝命令大臣丁谓限期重建。,丁谓经过实地考察，提出：在皇城前的大道上取土烧砖，形成河道后引进汴水，然后用船把建筑材料运入工地，皇宫修好后，用工程遗留下来的碎砖废土填塞河道，修复原来的大道。,一、系统科学的性质和特点,1、什么是系统科学？,系统科学是从系统的整体性、系统的结构和功能的角度去研究客观世界，探求客观世界中系统、信息、控制 之间的联系及其性质和规律性的科学技术部门。,2、系统科学的性质, 系统科学是研究系统的基础学科。,3、系统科学的特点,系统科学是横断科学； 系统科学的综合性； 系统科学的抽象性； 系统科学的数理性。,二、系统科学的研究对象,系统科学以系统现象、系统问题为研究对象。,复杂,简单,无组织,有组织,三、系统科学的体系结构,哲 学,基础科学,技术科学,工程技术,系统科学,系 统 学,运筹学,巨系统理论,控制论,信息论,系统工程,自 动 化,信息技术,马克思主义哲学,思维科学,自然科学,数学科学,社会科学,（系统论）,数 学,突变论,基础科学,物 理 学,生 物 学,其他技术学科,四、系统科学的历史和现状,1、系统的思想渊源,（火）,（逻各斯）,（理念）,（四因说）,2、系统科学的形成,系统工程,系统理论,系统科学 的 发展线索,贝塔朗菲 一般系统论,维纳 控 制 论,申农 信 息 论,米勒 一般生命系统论,普利高津 耗散结构理论,哈肯 协同学,系统工程、仿生学、人工智能等,五、学习系统科学的现实意义,1、丰富人类知识宝库；,2、帮助确立辩证唯物主义哲学观；,3、促进科学思维方式的转变；,4、推动工作方式的变革；,5、促进决策的科学化；,6、加强科学管理。,第二讲 走进系统图景,通过今天的学习，您将,1、了解系统、信息、控制的基本概念； 2、了解系统思维的理路； 3、了解系统论方法、信息论方法、控制论方法。,一、放宽系统的视野,1、东西辉映，异曲同工,2、矛盾重重，疑窦丛生,3、走出系统，溶与系统,西方：推理,印度：直觉,中国：统觉,先拆开，再拼回。,整体的统一性。,和合。,思维的渊薮,王国维：古今之成大业、大学问者，必经过三种 之境界：“昨夜西风调碧树。独上高楼，望尽天涯路”， 此第一境也；“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴”， 此第二境也；“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在 灯火阑珊处”，此第三境也。,(看山是山，看山不是山，看山还是山）,还原论； 形而上学； 系统论。,科学的呼唤,科学：矛盾重重,科学：需要反思,世界是简单的，还是复杂的？,世界是从有序走向无序，还是无序走向有序？,科学的来源是什么？她的归宿又在哪里？,学科与学科之间的联系何在？,系统观,未来,远古,15世纪,18世纪,20世纪40年代,20世纪60年代,宇宙论,机械论,系统论 控制论 信息论,耗散结构论 突变论 协同论,一粒沙中见世界,全息论,部分是整体信息的浓缩； 整体是部分放大。,1980年，潜科学杂志发表了我国学者张颖清 的生物全息律，首次提出生物全息律。,1、进一步消除了整体和部分之间的隔阂； 2、丰富和深化了整体和部分之间的相关性； 3、提供了一种新的认识方法； 4、为预测分析和泛化分析提供了依据。,理想的非系统状态，在空间分布上具有各向 同性、均匀性、二点之间距离不等性三个特点。在 这一范围中，信息量等于零，而熵无限大，它没有 任何系统，到处是单一的重复，绝对的混乱。,相对性原则；主体性原则； 不完全原则；否定原则。,二、系统论,1、系统的概念,系统是存在于一定环境之中的，由若干相 互联系、相互作用的要素所构成的，具有特定 功能的整体。,系统的普遍性,系统的组成部分要素,万事万物自成系统，又互成系统。,要素是系统存在的基础，系统是按一定结 构相互联系、相互作用的要素组成的。,要素的性质不同，构成不同的系统； 系统性质、不同数量的要素构成不同的系统； 要素在系统中的作用不同。,2、系统的一般特性,有机整体性,层 次 性,稳 定 性,（非加和性）,（相对性）,有 序 性,（时间序、空间序、时空序）,动 态 性,开 放 性,（动态平衡）,3、整体和部分,有机统一；,整体具有不同于部分的新质；,正效应和负效应。,4、结构和功能,表现,结构,功能,结构和功能的关系,稳定性 层次性 相对性 可变性,基础,同构同功 异构异功 同构异功 异构同功,5、系统与环境,系统,环境,6、系统的演化,产生,存在,变化和发展,消亡,7、系统的分类,按性质分,按存在和运动状态分,系统行为的复杂程度分,按子系统的数量及其相互联系分,按与环境的关系分,按系统的等级分,按系统内不同变量间关系分,按确定性分,钱学森的分类,8、系统方法,系统分析方法,目标分析,结构分析,功能分析,环境分析,动态分析,分解协调方法,系统分解,系统协调,（结构分解、功能分解、内外关联 分解、目标分解、过程分解等）,实现整体优化,三、控制论,1、控制的概念,控制是带目的性的因果联系，即产生原 因系统对产生结果系统有目的的影响干预。,施控系统,受控系统,控制主体,控制对象,控制,两人打架,可能打重了，打死了对方,可能打轻了，被对象打,可能打的不轻不重，两败俱伤,在一个系统中，被控制对象存在多种可能性。控制 就是要在这些可能性中进行有方向的选择，以期达到预 期目的，使系统趋于稳定状态。（控制的作用）,首先对系统的信息进行 分析、比较、判断,其次根据内部、外部变 化随时调整,再次通过系统联系和信 息处理多次往返,2、控制方式,控制方式是指在控制系统中为了实现控制的目的 和完成控制任务所采取的控制方法。,反馈控制,定值控制,程序控制,随动控制,随机控制,模糊控制,量优控制,3、控制系统,施控系统,受控系统,控制作用,反馈作用,环境（介质）,控 制 系 统,敏感环节,决策环节,执行环节,中间转换环节,开环控制系统,闭环控制系统,施控装置,受控装置,输入,指令,输出,施控装置,受控装置,输入,指令,输出,反馈装置,目标值,4、控制理论和控制技术,工程控制论,生物控制论,社会和经济控制论,智能控制论,自动调节和单机自动化,最优控制和局部自动化,系统控制和管理自动化,人工智能和智能自动化,控制理论,控制技术,5、控制论方法,黑箱方法,灰箱方法,白箱方法, 功能模拟法,四、信息论,1、信息的概念,信息是对事物存在方式、运动状态、相互 联系的特征的一种表达和陈述。,表现为文字、图象、图形、语言、声音等形式。,物质世界的三大支柱：物质、能量、信息,信息的特征, 普遍存在；, 可识别和共享；, 可转换和传输；, 可存储和压缩；, 可扩散和扩充；, 可再生和替代。,信息的功能,信息是重要的资源；,信息是现代化的工具；,信息是系统的联系中介；,信息是社会进步的关键环节。,2、信息论,申农的通信系统模式,信息论的发展,3、信息科学,4、信息方法,信息方法就是 运用信息的观点， 把系统看作是借助 于信息的获得、传 递、加工、处理而 实现其目的的一种 研究方法。,第三讲 系统理论及系统工程,通过本讲的学习，您将：,1、掌握耗散结构的基本含义及其实际应用； 2、了解自组织的原理、形式及判别依据； 3、把握线性系统、非线性系统的基本原理； 4、了解随机、混沌、灰色系统的基本理论。,一、自组织和他组织系统,1、组织(Organization),2、自组织(Self-Organization),组织力和组织指令来自系统内部的，是自组织。,定义：,分类：,按结构分：平衡结构和耗散结构； 按运动方式分： 按形式分：,自组织形式：自创生、自生长、自适应、自复制,自组织的判断依据：,自由能判据； 熵的变化； 信息量变化； 序参量。,自组织原理：,突现原理； 开放性原理； 非线性原理； 反馈原理； 不稳定原理； 支配原理； 协同原理； 环境选择原理。,3、他组织(Heter-Organization),定义：,类型：,组织力和组织指令来自系统外部，系统是在 外界特定的干预下获得空间、时间上的功能和结 构的，是他组织。,指定式、诱导式、限定边界条件式。,仿自组织的他组织系统,非仿自组织的人工创造物,自组织与他组织的辨证统一,二、耗散结构,1、基本概念,耗散结构是一个远离平衡态的开放 系统，通过不断地与外界交换物质和能 量，在外界条件的变化到达一定阈值时 ，可能从原有的混沌无序的混乱状态， 转变为一种在时间上、空间上或功能上 的有序状态。,耗散结构是一种“活”的结构，它是靠不 断“耗散”环境提供的物质和能量来维持它的 生命活力。,时间上的微观运动可逆与宏观运动不可逆。 进化与退化。 孤立系统、封闭系统与开放系统。 系统状态：平衡态、非平衡态。 熵和熵增大原理。,2、耗散结构的形成条件,开放系统； 远离平衡态； 非线性相互作用； 涨落导致有序； 正反馈机制。,3、耗散结构的哲学问题,时间： 可逆性与不可逆性、对称性和对称性； 结构： 平衡和平衡、有序和无序、稳定和不稳定； 世界： 简单性和复杂性、局部性和整体性； 规律： 决定论和非决定论。,4、耗散结构的理论的实际实际应用,应用的条件和方法： 系统必须是开放系统； 系统必须远离平衡态； 有序是来自涨落的有序； 程序和步骤： 确定问题； 确定熵； 建立模型； 确定有序程度，做相应判断； 实施。,三、线性和非线性,1、线性系统,线性系统指的是因变量和自变量之 间呈比例关系变化，在变化过程中，二 者之间的比值不变。,线性相互作用： 独立性、时空上的均匀性、对称性。,线性系统： 在线性系统中，整体等于部分之和。 （叠加原理）判断叠加原理的基本依据。,线性特征在本质上只有一种，不同线性系统函数 （直线）只是比例系数的差别，经过简单的数学变换 （平移或旋转），可以完全重合。,2、非线性系统,通常是叠加原理不成立，非线性方程通常没有解析表达形式的解。,非线性相互作用： 非独立的相干性； 在时空中的非均匀性； 其多体间的非对称性。,四、随机系统,在非确定性系统中，凡是含有内部 随机参数、外部随机干扰和观测噪声等 随机变量的系统，如果根据系统某一时 刻的状态和输入，能够确定下一时刻的 状态或输出的概率分布，就称为随机系 统。,必然性：如果条件实现，事件一定发生；