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1 第二章系统工程理论 第一节 系统科学的学科体系第二节 系统工程的理论基础第三节 系统工程理论的新发展第四节 系统工程模型技术的新进展 2 第二章系统工程理论 第一节系统科学的学科体系 我国著名科学家钱学森提出了一个清晰的现代科学技术的体系结构 认为从应用实践到基础理论 现代科学技术可以分为四个层次 首先是工程技术这一层次 然后是直接为工程技术提供理论基础的技术科学这一层次 再就是基础科学这一层次 最后通过进一步综合 提炼达到最高概括的马克思主义哲学 如图2 1所示 3 在此基础上他又进一步提出了一个系统科学的体系结构 认为系统科学是由系统工程这类工程技术 系统工程的理论方法 像运筹学 大系统理论等 这一类技术科学 统称为系统学 以及它们的理论基础和哲学层面的科学所组成的一类新兴科学 如图2 2所示 图2 1现代科学技术体系 4 图2 2系统科学的体系 5 6 系统学主要研究系统的普遍属性和运动规律 系统演化 转化 协同和控制的一般规律 系统间复杂关系的形成法则 结构和功能的关系 有序 无序状态的形成规律以及系统仿真的基本原理等 随着科学的发展 它的内容也不断在丰富 由于其尚属于起步阶段 还不够成熟 因而学者们对系统科学的学科体系的认识仍有较大差异 系统工程是从实践中产生的 它用系统的思想与定量和定性相结合的系统方法处理大型复杂系统的问题 它是一门交叉学科 7 第二章 系统工程理论 第二节系统工程的理论基础 一 控制论1 控制论的产生与发展1947年由美国人维纳 NorbertWiener 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 8 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 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 9 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 10 11 3 控制论对系统工程方法论的启示 黑箱 灰箱 白箱法黑箱是指人们一时无需或无法直接观测其内部结构 只能从外部的输入和输出去认识的现实系统 比如中医看病 通过 望 闻 问 切 等外部观测作出诊断 开出处方 功能模拟法以功能和行为的相似性为基础 用模型模仿原型的功能和行为的一种方法 电子计算机的创造就是功能模拟法应用成功的一个例子 早期的计算机就是从模拟人的计算功能开始的 但这种模型在外形和结构上与原型已很不一样 形式化 数量化 最优化方法控制论的提出促使人们对系统采用形式化加以抽象 进行数量化加以定量描述 并寻求系统的最优化 12 表2 1控制论分支与系统工程研究的分类表 4 控制理论分支与系统研究各方面的对应关系 13 二 信息论 信息论于本世纪40年代末产生 其主要创立者是美国的数学家申农 C E Shannon 和维纳 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 14 启示 1 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 15 一般地讲 若某事件出现概率为p 则这一事件所具有的信息量为整个信源的各状态所具有的平均不定性数量就是的数学期望 即平均信息量 16 2 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取 传送 加工 处理而实现其有目的性的运动的一种研究方法 如效用曲线的获取及应用 17 三 一般系统论1 一般系统论产生过程实验科学时代的还原论 没有整体大于部分之和的系统思想 生物学中机械论与活力论之争一般系统论的产生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 18 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整体性 动态性和最优性四 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耗散结构理论一个远离平衡态 平衡态时熵最大 的开放系统 不管是力学 物理化学的 还是生命的 在外界条件发生变化达到一定阈值时 量变可以发生质变 由无序到有序的突变 突变后形成的有序状态称耗散结构 19 协同学一种研究各种不同系统在一定外部条件下 系统内部各子系统之间通过非线性相互作用产生协同效应 使系统从混沌无序状态向有序状态 从低级有序向高级有序以及从有序又转化为混沌的机理和共同规律的理论突变理论用形象而精确的数学模型来模拟突变过程 其要点在于考察这一过程从一种稳态到另一种稳态的跃迁 以稳定性理论为基础 通过对系统稳定性的研究 阐明了稳定态与非稳定态 渐变与突变的特征及其相互关系 揭示了突变现象的规律和特点 20 新三论 的启示1 社会经济系统虽显现了一些物理化学规律 但从根本上看有许多超出规律的规律 2 社会经济系统从低级向高级转变必定依赖于开放 内部协同的条件 3 无论是渐变 还是突变都是有规律是可循的 高度简化下 可以定量地描述 预测市场变化 五 运筹学 21 第二章 系统工程理论 第三节系统工程理论的新发展 1 系统工程作为一门交叉学科 日益向多种学科渗透和交叉发展 系统工程的大量实践 运筹学 控制论 信息论等学科的迅速发展 以及其它科学技术部门 特别是物理学 数学 理论生物学 系统生态学 数量经济学 定量社会学等 都有了新的发展和突破 这些不同领域的科学成就 除了具有本学科的特点之外 实际上都在不同程度上揭示了系统的一些性质和规律 22 2 系统工程作为一门软科学 日益受到人们的重视 从20世纪70年代开始 社会上出现了一种从重视硬技术转向重视软技术的变化 软科学是日本学者在70年代提出的 软科学需要运用现代科学技术体系以至整个人类知识体系所提供的知识 去研究和解决实践中的复杂性问题 为决策和组织管理提供科学依据 23 3 20世纪80年代中期 国际科学界兴起了对复杂性问题的研究 一个突出的标志是1984年在美国新墨西哥州成立了以研究复杂性为宗旨的圣塔菲研究所 SantaFeInstituet 简称SFI 1994年 在圣菲研究所成立10周年之际 霍兰正式提出复杂适应系统 ComplexAdaptiveSystem 简称CAS 理论 CAS理论的提出对于人们认识 理解 控制 管理复杂系统提供了新的思路 由于其思想新颖和富有启发性 它已经在许多领域得到了应用 在经济 生物 生态与环境以及其它一些社会科学与自然科学中 CAS理论的概念和方法都得到了不同程度的应用和验证 24 思考讨论题 1 系统工程与系统科学的联系和区别是什么 2 控制论的两个基本观点及其意义是什么 3 系统结构有哪些特点 4 简述控制论对系统工程方法论的启示 5 功能模拟法与传统模拟法的区别有哪些 6 信息概念的特点有哪些 7 申农信息熵与物理学中的熵有什么关系 8 请说明信息方法论与传统方法的区别 以及信息方法的意义 2