系统科学与系统工程.doc

第二章 系统科学与系统工程的理论基础2.1概述 依据系统思想建立完整科学体系称为系统科学 系统科学研究系统演化、发展的一般规律 系统科学的基本理论是系统学,它的技术基础是运筹学、控制论、信息论等，它的应用技术是系统工程。 系统科学的研究对象和其他学科不同，它不是研究某一特定形态的具体系统，它研究的是一般系统，反应的是自然界中各门科学、各个领域中共同的东西。 系统科学的研究内容是一般系统所具有的概念，系统所具有的共同性质和系统演化的一般规律，具体内容有：（1）一般系统的概念 系统的定义、元素与结构、物性与系统性，实现与层次、系统与环境、行为与功能、存在与演化、状态与过程、系统与信息、系统分类、模型方法与系统描述等。（2）简单系统理论： 线性系统理论、信息论、控制论、大系统理论、运筹学、灰色系统理论、黑箱方法等。（3）开放系统理论： 开放与封闭的概念，可逆与不可逆，有序与无序，熵及其应用、平衡无序、平衡有序、非平衡有序、生命系统理论等。（4）非线性系统理论（一） 连续动力学模型、轨道、初态与终态、暂态与空态、运动稳定性、结构稳定性、吸引子、系统相图、分叉与多样性、突变与奇异性、连续混沌、瞬态特性与过程。（5）非线性系统理论（二）离散动力学模型、离散映射、元胞自动机、布尔网络、神经网络、离散混沌等。（6）随机系统理论 随机过程与随机涨落、估计理论、主方程、朗之万方程，福克普朗克方程、随机稳定性、随机系统定态解、随机控制。（7）自组织理论 自组织概念，自组织与他组织、自组织结构、支配原理序参量方程、自适应、自复制、自瓦解、自创性等。（8）简单原系统熵与信息，统计综合，反应扩散模型，非线性振荡模型、微扰方法、时间均值分析、混沌的控制。 （9） 复杂适应系统理论 适应产生的复杂性、内部结构、内部模型、遗传算法echo模型、混沌边缘与复杂性、AN方法。（10） 开放的复杂原系统定性与定量相结合的综合集成法，从定性到定量的综合集成工程。2.2 一般系统论一、 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. 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”。观点：一般系统论坚决反对活力论与机械论1、反对简单相加的观点，认为系统不是简单地等于各部分之和；2、反对机械观点，认为有机整体各部分的关系不能用机械关系来解释；3、反对被动反应观点，即生物活动不是受环境刺激作出简单信息，而是具有自调功能的活动，机体对于环境的干扰具有调节能力。二、一般系统论的原则1、系统观点，即有机整体性原则认为一切有机体都是一个开放的系统，都是一个有机整体。2、动态观点，即自组织性原则认为一切生命现象本身都处于积极的活动状态，是自组织开放系统。3、组织等级观点认为事物存在着不同组织等级和层次，各自的组织能力不同，并具有自身目的的性和自身调节性。三、一般系统的内容一般系统论包括三个方面1、系统科学理论原理部分2、系统哲学系统的哲学基础和哲学意义3、系统技术应用技术四、一般系统论的适用范围不仅适合于有机体，而且也适合于经济、社会和科学技术等一切系统。2.3 大系统理论2.3.1什么是大系统？大系统的例子： 工程技术大系统大型工业企业，大型电力系统，交通运输系统，大型能源系统，大型建设工程 社会经济系统国家行政管理系统，国民经济管理系统，商业系统，卫生医疗系统，教育系统 生物生态系统人体控制系统，环境保护系统大系统的特征： 规模庞大，构成大系统的要素本身就是一个完整系统，如：大型钢铁联合企业往往由炼铁厂、炼钢厂、轧钢厂等要素组成，而这些工厂本身就自成一个系统。 结构复杂，各要素（子系统）之间存在多级递阶的复杂结构。 影响因素众多大系统一般都是多目标、多输入、多输出、多变量、多干扰的复杂系统，因此大系统往往具有不确定性（如模糊性、随机性等），并且由于信息不足，从而造成不确知性。同时，正因为对大系统的影响因素众多，所以大系统的数学模型往往是高维的、高阶的、系统分析和设计的工作量随维数增大即迅速增长，导致“维数灾”。大系统往往是由不同质的要素构成的工艺设备、人、管理条例、计算机 2.3.2 大系统理论的研究内容 大系统结构方案的研究 大系统稳定性研究 大系统的最优化问题研究 大系统模型简化的研究2.3.3 大系统的结构方案从结构上考虑，大系统一般分为递阶控制方案和分散控制方案一、递阶控制 “递阶”是“等级”的含义 递阶控制的特点：下级决策单元只接受上级决策单元的命令，上级决策单元不逾越下级决策单元而直接控制被控大系统。 整个递阶系统有一个总目标，各决策单元和谐地工作以实现总目标的优化。 递阶控制有两种控制方式： 扰动设定校正控制总任务第一层第二层第三层被控大系统直接控制层优 化 层决 策 层 1、多层控制 多层控制按照总任务和各层的任务目标进行分解、分层，各层运行的周期不同，愈到上层，运行周期愈长，解决总是愈复杂。多层控制常用于工业企业的生产安排和管理上。第一层是直接控制层，根据上层的决策（设定）直接控制大系统的运行过程或状态，处理经常发生的、变化快的外部扰动。第二层是优化层，根据上层给定的各项技术经济指标和约束条件，以及提供的资源等，建立优化模型以实现大系统的最优控制，并及时调节因条件变化而引起的扰动。第三层是决策层，例如根据市场供销情况来调节生产计划、修正营销策略等。2、多级控制将总目标分解成局部目标，并利用各级局部决策单元进行控制和协调。多级控制常用于经济管理组织机构，下级机关将劳动力组织到生产岗位上，上级机关指挥与协调各下级机关的工作。每一级却力求有效地管理其下一级，同时又紧跟其上一级的指挥，以保证整个组织机构高效率工作，并完成总任务。总任务局部决策单元输出输入 子系统 n子系统 2子系统 1局部决策单元局部决策单元 协调级二、分散控制输出输入子系统 n子系统 2子系统 1局部控制器n局部控制器2局部控制器1分散控制实际上是一种两级递阶控制的特例分散控制可以减少集中控制或递阶控制时在信息传输方面的技术困难和设备费用，但只能得到一个次优解。2.3大系统的稳定性大系统的稳定性分为 多级递阶稳定性 分散控制稳定性 多级递阶稳定性：研究如果各子系统稳定，则其相互关联满足什么条件时，大系统也是稳定的。分散控制稳定性：研究利用局部（各子系统）的输出加以反馈至各局部控制器，并寻找相应的控制规律，来保证整个大系统的稳定。2.3 大系统的模型简化 简化大系统模型方法：集结法：通过一个常量的集结矩阵，以低维状态空间描述来简化原是高维的系统，但却保留原系统的主要模式。线性化法2.3大系统优化 大系统优化分为静态优化和动态优化 大系统优化的主要任务是：按大系统的最优化目标和总体系统和各子系统之间的关系，以及各子系统之间的关系，最优地分配各子系统的子目标，并以此来控制子系统，从而使总体系统达到最优化。例：企业在现有人力、物力和财力的条件下，如何合理安排生产计划，如何开发新产品，如何提高产品质量和劳动生产率等等。大系统优化的主要方法：分解协调方法由于大系统的总目标和各个子系统的目标未必一致，或有矛盾，所以不能仅仅对大系统进行简单分解成若干子系统，而后对各子系统分别优化，最后加起来求得总目标优化，而必须采用特定的分解与协调方法，即把可分的大系统分解为若干互不相关的子系统，但这些互不相关的子系统又都是与大系统有关的，各子系统将性能反馈给大系统，用总目标衡量后，再将指示下达给各子系统，这就是大系统分解与协调的基本思想。 静态优化方法：Dantzig-Wolf大线性规划分解 动态优化方法拉格朗日乘子法法 进行各自子系统优化模型协调计算 各子系统优化规律综合为大系统优化2.4 运筹学运筹学是用数学方法研究系统最优化问题的学科，运筹学着重于发挥现有系统的效能，通过建立系统的数学模型，求出合理运用人力、物力和财力的最优方案。一、运筹学的起源 运筹学最早出现于1938年，当时纳粹德国经常派轰炸机越过英吉利海峡轰炸英国本土，为了预警，英国人沿海岸线建立了雷达系统。雷达系统由密布的雷达站组成雷达系统的预警信息传至防空指挥中心，使高射炮和战机能提前准备迎敌。 为了最大效用地发挥防空系统的作用，当时提出了一个问题：对整个防空系统进行研究，以解决各雷达站之间和雷达站与整个防空系统之间应如何协调配合才能有效地防备德国飞机入侵的问题。该项研究导致了运筹学的产生。 后来，美国参与进来，开展了诸如护航舰队的规模、反潜水艇战、组织有效的对敌轰炸等研究，均属于运筹学范畴。 二战后，运筹学的研究和应用转入到民用，如石油企业制订生产计划等，再后来进入到经济管理，服务性行业等。二、运筹学方法应用运筹学处理问题时，首先要求从系统观点出发分析。问题：不仅要求提出需要解决的问题和希望达到的目标，而且还要弄清问题所片的环境条件，以及问题中主要因素与各种环境条件之间的因果关系和其他逻辑关系，以使应用有关科学方法对问题寻求最优解答。 应用运筹学处理问题的一般步骤： 决 策解的评价最 优 化模型建立提出问题明确需要解决的问题、目标及其所处环境和约束条件。对问题进行数学描述，然后据此来建立相应的数学模型。确定与数学模型有关的各种系数，选择求解方法，求出最优解答。根据系统评价准则对所得解进行评价，并据此修正有关参数的值。提供决策信息。三、运筹学内容多分支应用科学，主要分支有：线性规划 非线性规划 整数规划动态规划 图论和网络理论 排队论决策论 对策论 存贮论四、线性规划数学描述：在一组线性约束条件下寻求一个线性目标函数的极值问题。工程含义：用一组线性的等式不等式的代数方程去描述和求解在一定的资源条件下，如何合理地运用这些资源来达到产量（利润）最大或成本（费用）最小的目标的数学方法。例：某厂生产A、B两种产品，其单件所需原材料及工时的消耗定额和利润如表单件定额资源产品 A B 资源限制 原料(kg) 工时（小时） 4 7 5 3 200 150利润（元件） 40 30问如何安排A，B产品的生产计划，使该厂获得利润最大？解：设x1，x2分别A，B产品的产量，则该问题的线性规划模型目标函数：max Z=40x1+30x2约束条件：4x15x2 200 7x13x2 150非负条件：x10 x20非负条件是指A、B充其量不生产x10，x2 0，但不能为负值，线性规划的应用：下料问题，生产计划安排问题、运输问题、分配问题，五、非线性规划 非线性规划是指目标函数或约束条件不全是线性方程的规划问题。实际问题中碰到的一般都是非线性规划问题。例：某公司经营两种设备，第一种设备每件售价30元，第二种设备每件售价450元。根据统计售出一件第一种设备所需的营业时间平均0.5小时，第二种设备是（20.25x2）小时，其中x2 是第二种设备的售出数量。已知该公司在这段时间内总营业时间为200小时，试决定使其营业额最大的营业计划。解：设该公司经营第一种设备x1件，第二种设备x2 件，则营业额最大的目标函数为 max z=30x1+450x2营业时间限制： 0.5x1+(2+0.25x2)x2800非负性约束： x10 x20其中营业时间约束 0.5x1+2x2+0.25x2800六、动态规划 将系统运行过程分为若干相继的阶段，而在每个阶段都要作出决策的过程，就称多段决策过程。 多段决策过程的每一段的结束状态就是下一段的初始状态。单从某一段来看，其决策是最优的，但对于下一段却未必最有利，所以多段决策过程的策略选择要通盘考虑。 选定一个策略使多段决策问题总体的目标函数达到最优，就是多段决策过程的最优化问题。 多段决策过程的最优问题应用动态规划来求解。 动态规划由美国数学家贝尔曼于50年代提出，其中的思想为“最优性原则”：用一个基本的递推关系式，从整个问题的终点出发，由后向前使过程连续递推，直至到达过程终点，直到找到最优解。例：最短路线问题 GS | 第一阶段 | | 第二阶段 | | 第三阶段 | | 第四阶段 |C2B2A2 欲从S点出发到达目的地G，使总距离最短。图上的数字代表距离。解：用动态规划方法解此类问题时，首先把从S到G所经历的地点划分为若干阶段，然后从最后一个阶段开始讨论最优化路线。按图所示，划分四个阶段：G, C2B2A2GC1B1A1GC2C1B221B13C24GC144503035844034 , S C 第四阶段 G CC到G的最短距离为4 ，填入C的圈中C到G的最短距离为3，填入C的圈中为0 B C第三阶段 B CB到G的最短距为4，填入B圈中B到G的最短距为5，填入B圈中 A B第二阶段 A BA到G的最短距为10，填入A圈中A到G的最短距为8，填入A圈中54S034584 A第一阶段 S AS到G的最短距为13，填入S圈中 所以S到G的最短距为13，路径为双线所示其方法为：从最后阶段起，依次决定某阶段到终点的最短距，而计算本阶段最短距时，只与下阶段到终点的最短距有关。动态规划的应用： 资源分配问题：有限资源分给若干使用单位，使最后获得的总收益为最大。 库存问题：合理制定各时期库存量，一方面满足各时期需求，一方面总库存费用最少。 设备更新问题 排序问题七、排队论研究排队现象的统计规律性，指导随机服务系统的最优设计和最优经营策略。例：超市服务台S1 S2 Sn 顾客到达时间：随机服务占用时间：随机设几个服务台最好？因素：排队长度（过长，失去顾客）服务台投资（设备、人员）随机空闲率8、对策论研究对抗性的竞争局势的数学模型，探索最优对抗策略（又称博奕论）例：下棋、打牌齐王赛马：上、中、下三种多齐王、田忌、孙膑9、存贮论最优存贮策略 例：工厂生产原料 十、图论、决策论2.6信息论 一、信息论的基本思想 信息论是一门研究信息传输和信息处理一般规律的学科。 信息论起源于通讯理论，是美国科学家香农（Shannon）在1948年创立的 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。所以系统，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。 二、什么是信息香农对信息的定义：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。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。 三、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： pppn1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。设该消息列中包含的消息总数为N，N非常大。在统计意义上，该序列N中包含消息xi的数目为piN个。定义一：以概率p0发生的可能消息所包含的信息量等于概率p的倒数的对数 其中，取对数是为了运算方便（乘法可加性：取倒数是为了信息量大于零（因为p1），所以，所有xI包含的信息量为将序列N中所有消息包含的信息量之和除以N得到序列中每个可能信息xi的平均信息为所以，H是可能消息集合X的整体平均信息量，亦即单位消息的信息量，信息论中把H称为信息熵。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。信息熵的特性（1） 非负性 H0等号只有在某个XI为必然事件，其余为不可能事件时才成立。（2）对称性H只与概率分布（p1p2pn）有关，与pi序无关。（3）极值性信息熵在等概率分布（均匀分布）下取最大值，即 若 则 其余任意组合p1pi 最大熵定理说明：概率分布越均匀，熵越大， 概率分布越不均匀，熵越小（极端情况下，消息集合中只有一个必然消息，其余为不可能消息，则熵为0）。（4）联合性任给两个消息集合X、Y，则有 H（XY）为联合熵，两个消息集合的联合熵不大于这两个消息集合之熵的和等于只有当XY相互独立时成立 四、信息与系统的关系 信息是系统的一种重要特征 不存在与系统无关的信息，也不存在没有信息的系统 有系统内部、系统与环境之间的相互作用，就有信息的产生和交换 系统的形成，发展，运行都离不开信息的活动。 普利高律把信息概念引入耗散结构理论 哈肯出版专著信息与自组织试图推广信息概念，按信息原理阐述一般自组织过程，用信息概念定义复杂性。 艾根认为生命的起源过程存在信息危机，所超循环看作克服信息危机必须的系统机制。 系统科学的各个层面无一不充斥着信息的概念。2.7管理科学一、传统管理模式19世纪后期自由资本主义向垄断资本主义过渡工业生产规模日益扩大生产方式：家庭手工业、作坊式社会化机器生产众多工作聚在一起进行既有分工又有合作的生产劳动。 一切一切，需要有人专门从事生产活力的组织和管理工作 出现了管理层， 管理的方式：传统管理模式特点：一切按照业主的经验办事，听从老板的安排例如：一项生产任务如何分工、规定多少时间完成，产品质量的鉴定，产品成本的核算等等。全凭业主或老板主观经验来安排、估计和判断，经常是缺乏科学依据，缺乏科学指导，带有很强的主观性和盲目性，制约了生产力发展。随着经济、社会、政治、技术的发展 传统管理模式已远远不能适应生产力发展的需要 导致了科学管理模式的产生 科学管理模式的总结、升华、成为科学管理论。 二、科学管理论美国工程师Taylor（泰罗）在米德维尔钢铁厂采用科学管理模式，提高了工作效率，减少了劳动人员，取得了很好的效果。例如：厂里的生产操作业多种多样，但工人使用的工具铁铲的大小形状却是同样的。所以，挖一满铲的煤仅重3.5磅，工人很轻松就能操作，但每控一次仅此一点重量，明显效率太低，无用功与耗时太多。挖同样一铁铲的铁矿石却重达38磅，工作往往挥之不动，只好随机性不满铲，有时多、有时少，同样效率太低。所以，各种铲挖作业的负重相差如此大，显然用同样大的铁铲是不合理的。Taylor经多次试验，确定一生产最理想的重量是21.5码，为此设计了能适应不同生产控作业的各种铁铲，并仔细研究了工人的操作方法、劳动强度和时间消耗。 经过这样的改进，这个厂的生产控生产率有了显著提高，使从事铲挖作业的工人人数从500名减少到140名。 这就是科学管理方式的巨大作用。现代科学管理的重要作用。三、Taylor的科学管理的主要内容1、科学管理的中心问题和目的是提高劳动生产率，提高经济效益。例：Taylor选择合适而技术熟练的工人，记录其中一天的劳动消耗时间，据此来判定一个工人“合理的日工人量”即“工作定额原理”。 2、参与每项工作的工人应在“不损害其健康的情况下能维持很长年限的工作速度”为标准，据此判定工作定额。3、 操作标准化，工具标准化、作业环境标准化 标准化原理 造就工作的熟练4、 建立一种鼓励性的计件工资报酬制度5、 工人和雇主双方都必须认识到提高劳动生产率对双方都有利益，应互相协作，共同为提高生产率而努力。6、 把管理和执行分开7、 推行“职能制”，按专业分工设置各职能部门和主管领导。8、 组织机构上的管理控制机制、层次化管理、责任到位。 四、Taylor科学管理理论的贡献与局限性从以上内容看，Taylor受时代和科技、社会、生产力发展水平的限制，提出的管理科学理论所解决的还是生产作业等方面的问题，近来注意到管理组织和管理职能之间的相互关系，所采用的方法较之现代科学管理还非常幼稚，但毕竟为二十世纪中期以后发展起来的现代化、系统化管理准备了条件，奠定了基础。 五、法约尔经营管理理论法国采矿工程师法约尔（同泰罗同时代）全面总结了他任法国某矿冶公司总经理的经营管理经验，形成了一套比较完整的经营管理理论，并于1916年发表了工业管理和一般管理一书，指出企业的整个经营管理活动应包括六个方面： 技术活动 生产、制造、加工 商业活动 采购与销售 财务活动 资本筹集和运用 安全活动 财产和人员安全 会计活动 货物盘存、资产负债表、成本考核、统计 管理活动 规划、组织、指挥、协调、控制就管理活动来说，有14条原则 分工：劳动专业化是提高组织机构工作效率的必需手段。 权力与责任：权力与责任相当一致，因为因果 纪律：纪律的实质是遵守企业内部各方面达成的协议，纪律执行的好坏主要取决于领导人能否以身作则，赏罚分明。 命令的统一：受雇人员只能接受上级的命令 指挥的统一：为达到同一目标而进行的集体活动，只能有一个领导和一项计划。 个人利益服从整体利益 职工的报酬：报酬及支付方式要公平，给雇主和雇员以最大满足。 集权：集权程度随不同情况而变。 管理层次：企业内部权力应由上而下逐级下放，以形成一个多级递阶的管理结构。 秩序：企业要秩序化运行。 公正：主管人员对下属要公正，可以使下属忠于职守。 保持人员稳定 发挥职工的主动精神和创造精神 集体与协作精神：在企业内形成良好的工作气氛 六、现代管理科学 当今社会正处于“信息化”“多样化”“复杂化”“协作化”和“最优化”的社会之中，企业经营的特点是： 1、企业已经从单纯的“生产型企业”转变为“经营开发型企业”。企业管理的范围已日益扩大，企业管理不仅要重视生产组织活动，而且要重视产品的销售和市场动态研究，更要重视技术和企业人才的开发，把满足市场和用户需要、适应市场变化作为搞好企业管理的基本出发点。因此，“经营开发型企业”不仅要搞好企业的微观控制和管理，还要对诸如企业今后的改造和发展等重大战略问题进行宏观的规划和战略决策。 2、从系统观点分析，现代工业企业是一个组织化的复杂大系统，它由技术、生产、计划、销售、财务、会计、人事等子系统所组成，这些子系统存在着相互支持又相互制约的关系。 、行为科学，新的组织理论等的形成及其在企业管理中的应用，促进企业管理重视人的因素，重视各级管理组织的取、责、权、利的合理划分和相互关系的协调。、 现代化管理的基本内容 经营决策的科学化 管理方法的最优化 管理工具的现代化 管理体制的合理化2.8 系统科学的若干重要研究领域和进一步发展方向系统科学产生几十年来，众多科学家持续不断地努力，取得了很多理论性成果。目前，学术界一致公认的重要研究领域有：1、 耗散结构理论2、 协同学3、 突变理论4、 混沌与分叉理论5、 自组织系统6、 超循环理论7、 有序与无序本课对这些理论不作介绍，有兴趣着以后可加深研究 尽管系统科学的研究已经取得了很大成功，但仍有许多方面的工作有待深入进行，主要有：1、 复杂系统的一般性质和行为规律复杂系统演化规律的研究，复杂系统研究的方法论，非线性动力学系统、不确定性、突变、分叉、混沌、稳定性。2、 复杂系统的建模和描述方法面向对象的方法，形式化方法，数学模型3、 复杂性科学应用研究金融系统的复杂性，社会经济系统的复杂性，生物系统的复杂性，资源环境系统的复杂性。4、 复杂性科学理论研究复杂系统的演化、复杂系统研究的方法论等。5、 复杂系统的模拟与行为预则计算机模拟方法、数值计算6、 特定类型复杂系统的研究经济系统、社会系统、生态系统、军事系统7、 对系统生长、演化的组织以及人工生命进行深入研究，建立适应社会、经济、生态、军事等系统的自创性、自适应、自复制、自瓦解的理论体系。8、 在开放的复杂原系统概念的基础上，建立开放的复杂原系统的方法论，结合具体应用、实现真正意义上定性与定量的综合集成。9、 系统科学与人工智能的相互交叉开放的复杂原系统与人工智能相结合，建立人机智能系统。 10、有关工具、平台、软件的研究11、系统哲学分支认识的界限问题，复杂性属于本体论还是认识论 12、建立适合所有层次的一般系统的数学理论，对一般系统的层次结构进行统一描述。13、对一般系统论、耗散结构、协调学等广泛学科成就进行全面总结，发展系统科学理论。第三章 系统工程方法论3.1 系统工程与传统工程3.1.1 系统工程的任务系统工程的任务，一方面是在开发新的系统（如太空飞船系统、地铁系统、新型工程系统）过程中，解决系统的最优设计、最优管理、最优控制、最优制造等一系列问题，这些问题多属于工程技术系统。另一方面的任务，是用系统的思想和方法重新评价、预测、分析和规划现有的系统，使其充分挖掘潜力，具有新的功能，或找出改进完善的方向，一般称之为“系统化”。3.1.2 “硬技术”与“软技术”、“软科学” “系统工程”与传统工程，如“机械工程”“化学工程”“电力工程”等是有很大差异的。 传统工程侧重于对能量、物质进行变换，完成各种“硬件”生产任务称为“硬技术”。 系统工程侧重于信息聚集、加工、处理和变换，完成各种“软件”生产任务，生产出各种无形产品，如“规划”“设计”、“决策”“制度”、程序“等，因此系统工程称为“软技术”，系统科学称为“软科学”。对于一个大型的工作任务或系统来讲，既需要“硬技术”也需要“软技术”。3.1.3 内容的明确性 传统工程目的，约束条件解决问题的方法 一清二楚 称“内容明确的问题”评价方法 系统工程目的，约束条件解决问题的方法 不明确 称“内容不明确的问题”评价方法 不甚明确3.1.4 目标层次性系统工程大目标是抽象的 大目标具体化评价方法是抽象的 评价方法具体化系统目标多方面、多层次的 目标分解、层次化 评价方法多方面、多层次的3.1.5 解决系统工程问题的工具系统工程涉及到：技术、社会、经济、政治、环境多领域所以系统工程问题的理论和方法涉及到多种学科知识3.2 系统思想处理系统工程问题要由系统思想来指导，系统思想表现在：3.2.1 总体思想 直接要开发的对象系统内部系统围绕该对象系统的各种环境条件和其他因素外部系统“内部系统”“外部系统”总体系统 “外部系统”对“内部系统”在功能、费用、工期、规模等方面提出要求，并在资金投入、原材料、技术、劳动力、环境保护等方面提出约束，或施加一定干扰。要求约束干扰对内部系统的“输入” “内部系统”对“外部系统”也有要求、影响、干扰内部系统的“输出”如：资源供应、运输保证、对社会带来的正面影响、负面影响，是否带来技术的提高，国际声誉、能源紧张、环境污染。输出外部系统输入 内部系统 系统工程的总体思想：从系统总体出发，充分考虑“输入”和“输出”的各种因素开发内部系统3.2.2 最优思想 系统工程的目标和约束往往是多方面、多层次的，且随社会、经济、全球化、技术、市场等多种因素不断变化，所以要追求系统的总体最优，不是局部最优。 系统工程的主要任务是开发整体（综合）最优系统，包括：最优设计、最优管理、最优性能、最优控制 为达到系统整体最优建立目标体系和评价体系目标体系和评价体系要注重定量和定性方法相结合。3.2.3 组合思想 系统是由具有一定功能的要素组合而成 组合思想即：合理选择要素，既能满足系统目标、又没有不必要的要素 选择要素的原则：尽可能选已有要素、尽可能选标准化、规格化、通用化的要素。例：建大厦，要素为砖、水泥、钢筋、木材等不同水平的建筑师却可以建出不同水平的房子来，原因在于组合思想的水平不同。3.2.4 分解和协调思想 大系统一般结构复杂 复杂的大系统可以分解为结构相对简单的若干子系统，简化处理例：大工厂分解为分厂，分厂分解为车间，车间分解为工段 同一级的子系统相互关联，要求相互之间密切配合，协调完成大系统的任务是为协调汽车制造厂： 一般来说，目标分解，功能协调3.2.5 反馈思想 反馈的信息用来分析、评价、决策支持市场调查、民意测验3.3 系统工程方法一般来说，解决一个系统工程问题有六个过程： 问题界定 目标确定 方案汇总 模型建立 评价决策 实施管理3.3.1 问题界定问题界定即系统工程的需求分析，或明确系统工程问题的性质，划定总是的涉及范围。问题界定包括：系统边界确定，系统环境分析一、系统边界 系统边界就是属于系统的要素和不属于系统的要素之间的分界线，即确定系统边界就是确定什么因素属于系统要素的范围。例：某企业经济活动作为一个系统，相关的因素有：劳动力、资金、厂房、设备、原材料、用户、合作者、竞争对手哪一些因素应划归系统 确定系统边界（或划归系统）的原则 对所研究的问题或系统具有举足轻重的影响 具有可控制性（由系统的设计或系统运营进行控制调节） 对系统行为产生直接影响 系统越复杂，归入系统的要素越多二、系统与环境 对所研究的系统能产生作用或影响，但不属于系统因素的，划归为环境。 系统要素具有限的，作为一个有限的存在，都有其外界或环境。 环境通常是指存在于系统外的物质量、能量的、信息的相关因素的总称。 系统与环境相互作用，之间通常有物质、能量和信息交换。 环境对系统产生输入作用，系统反过来对环境产生输出作用。三、系统环境分析 系统环境分析即为了解影响系统的环境因素及这些因素与系统之间的关系。 系统环境分为三大类： 物理技术环境：科技、自然环境 经济管理环境：组织、政策、政府作用、产品、市场、经营 社会人际环境：国家、文化、人群、 集团、队例：上海新港建设（选址）港址选择涉及：政治、经济、地理、技术、交通、城市设施 、政策环境党和国家总方针 国民经济要求 改革开放要求、 物理技术环境气候条件（风级、浪高），航道（现状、稳定性、增得可能性）岸滩河势，回淤（游积量，清淤条件）地质条件（软土层、岩层） 主要港口建筑物（围堰、码头、防波堤）规模（泊位数、船型） 运行与维修（航行、装卸、运行、维修）、 经济与经营环境投资额、建设周期、投资回收期、每年可创利税对农业、渔业、副业、服务业、航运业、工业、上海市、长江流域，全国经济国际贸易的影响。、 对周边城市及地区的规划与发展影响、 与全国交通网络的联系、 资源环境：是否符合国家能源政策，对上海能源的影响，需投入的能源（煤、油等），电力供应，征用的土地及可能性，淡水供应能力，建材供应，施工能力，副食品供应。、 环境保护废水排放、废气排放，对生态影响，对风景区，名胜古迹影响。、 每周内重大工程关系南水北调 三峡工程、 军事与军港建设的关系 对社会治安、国家安全的关系3.3.2 目标确定 目标是系统期望达到的结果 目标的确定关系到整个工程的方向、范围、投资、周期、人员分配等决策，目标不正确会延缓系统工程的进行，甚至带来损失。例：二战时期，美国商船安全问题有限的高射炮装在陆地上，船上（各建一部分）目标：高射炮命中率 陆：15 船：4 高船安全率 陆：75 船：90一、目标分类方法1、 根据来源分类第一类与外部环境有关的目标：生产目标、市场目标、发展目标第二类与内部环境有关的目标：成本目标、效率目标、质量目标2、 根据设计要求分类第一类是运行目标：技术目标第二类是经济目标：总产值、投资回收期第三类是社会目标：扩大就业率，有利社会安定第四类是环境目标：防止污染、减少公害3、 考虑目标的着眼点：政治、国防、社会、技术、经济、生态、资源二、确定目标的原则和方法1、 原则： 长远性选择有重大影响的事项为目标 总体性着眼于总体效果，不要偏重于局效益 可行性（可操作性）所确定的目标应是可以达到或经过努力能够达到的，不能不顾具体条件的限制去制定无法达到的目标。 单义性目标含义要清楚，对目标只能有一种理解，含义不能模糊，似是而非。 具体性目标必须具体，内涵应清楚。 标准性有衡量达到目标及程度的客观明确标准。 一致性如有多个,必须综合，协调、统一。 有序性如有多个目标，应排出先后，轻重次序2、 方法 比较法 分析法 随机观察法 专家法3.3.3 方案汇总 一、方案方案是实现系统目标（集）的办法和方式，也就是说，当系统目标确定后，实现目标的途径、方法、方式和措施的总称。当实现系统目标有多种方案时，应进行方案汇总，评价决策，选出最佳方案。二、制定方案的原则1、 目的性：方案应服从于目标2、 可行性：方案应满足客观约束条件3、 详尽性：方案应是多样的，应把所有备选方案列举出来4、 排斥性：方案之间应该是相互排斥的，不允许某一方案包含在另一方案之中。5、 可比性：方案之间应是可以比较的，并有明确的比较指标。三、制定方案的方法系统的类型多种多样，系统的功能多种多样系统的目标多种多样，所以系统的方案多种多样常用的制定方案的方法：目标手段考察法，形态结构分析法会议法3.3.4 模型建立一、模型的定义 系统的模型就是对系统特征的概括和描述 模型是对系统这一实体的抽象 系统模型帮助人们对系统加深理解，进行评价、决策二、模型的分类1、 形象模型 实体模型系统本身当系统较小、易得、廉价、安全时，可以把系统本身作为模型直接加以研究例：自行车性能实验，直接用自行车进行实验 比例模型对系统按一定比例放大或缩小后得出的实体例：飞机模型、船模、战争沙盘、试验田，教学中的分子模型各种照片2、 模拟模型利用相似性原理，找出另一种具有相同或相似特征的系统作为所研究系统的模型。例如：机械学上的 质量阻尼弹簧系统可用 电路上的 电阻电感电容系统作为模型3、 数学模型用数学原理或方法描述系统要素或变量之间相互作用和因果关系的模型称为数学模型。按所采用的数学方法不同，分为解析模型：用解析的数学公式表示 较难 有些问题数学关系十分复杂，无法确知 网络模型：用网络图的形式来描述系统要素及其关系模型目录树结构 图表模型：用图形或表格形式来描述系统例：某企业产值模型 产值 年1997199819992000 万元1000190024005000 逻辑模型：用逻辑关系表达的模型 A=B 仿真模型：无法用精确的数学表达式给出，只能模仿实际情况一步工地进行计算和分析的模型。例：洲际导弹飞行过程中遇到气流变化时其飞行姿态的适应性。三、模型的作用1、 便于了解系统的整体结构2、 便于研究系统的特征3、 便于预测未来趋势4、 便于对方案进行评价5、 用安全、节省、快速的方法得到系统的特征性结论四、建立系统模型的方法1、 直接分析法利用自然科学或社会科学的已知规律直接分析系统要素间的结构关系。2、 数据分析法利用反映系统功能或特征的某些数据，经过分析后揭示系统要素间的未知结构关系，再进一步建立系统模型。例：数理统计中的回归分析方法3、 比拟思考法寻找与所研究系统有本质共性的另一系统, 把后者作为模型的方法称比拟思考法。例：前述的机械系统 质量阻尼弹簧和电系统 电阻电感电容3.3.5 评价决策一、评价评价是对各方案实现系统目标的优劣程度的判