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系统论与系统分析方法 系统概念系统思想系统论的基本规律与基本原理系统科学系统分析方法 1 一 系统概念 横看成岭侧成峰 远近高低各不同盲人摸象研究一个事物 有很多角度 如哲学的 美学的 数学的 经济的有没有一种能够全面了解 描述 分析 掌握事物的工具学呢 有 那就是 系统学 类别 自然科学总论 2 1 系统 贝塔朗菲的定义 系统是由相互联系 相互作用的诸元素的综合体 把贝塔朗菲的表述精确化 即定义1 1如果对象集S满足以下两个条件 1 S中至少包含两个不同对象 2 S中的对象按一定方式相互联系在一起 则称S为一个系统 称S中的对象为系统的组分 即组成部分 3 其他表述 系统 系统是由相互作用 相互联系 相互依赖的若干组成部分结合起来的具有某种或几种特定功能的有机整体 而且这个系统又是更大系统的子系统 系统是指为了达到某种共同的目标 由若干相互作用的要素有机结合而构成的整体 系统强调各要素共同致力于目标的实现而建立相互协调合作的关系 4 一个完整的系统是由输入部分 输出部分 转换过程 将系统的输入转换成输出 和系统运行过程中的信息反馈等环节构成的系统是相对于外部环境而言的 外部环境向系统提供劳力 手段 资源 能量 信息等 称为 输入 然后 系统应用自己自身所具有的功能 对输入的元素进行转化处理 形成有用产品 再 输出 到外部环境供其使用 5 辨析题 在现实世界中 人们凭经验可以指出各种各样的系统 却无法找出完全不能看成系统的事物 系统是普遍存在的 如 生产系统 经济系统 消费系统 科技系统 教育系统 交通系统 医药系统 服务系统 沙堆不是系统 区分堆与系统垃圾不是系统 杂乱无章 没有结构失盗的居室 结构已经被破坏 6 人类思维的特性 边界 串联 整合 曾有张老板和李老板为企业的合作问题在协商 两人觉得在办公室里谈判太乏味 于是去登山 在旅游中边玩边谈 一天 两人见到一只带着小熊的母熊正在向他们靠近 众所周知 带小熊的母熊对人的攻击性很强 两人赶紧逃跑 跑了一段距离后 张老板停下来 从旅行包里拿出运动鞋换上 李老板大叫 你换了鞋就能跑得比熊快吗 换好鞋的张老板边跑边回答 我肯定跑不过熊 但可以跑得比你快 问 二人思考问题有什么不同 7 边界 边界 边界是指人们在认识事物时首先对要认识的问题从无限的联系中隔离开来 使之能在人类的智力和能力可思考的范围内 一百货商店打广告 买左鞋 送右鞋 为什么你会觉得 另类 为什么某些学生从不认真学习 却也能安全通过考试 在光滑斜面上的一个载有物体的斜块的力学分析 8 思考和讨论 情景A 你已决定要去看场戏 花了30元买张门票 当你走进戏院时 发现门票掉了 你愿意再花30元重新买张门票吗 情景B 你已决定要去看场戏 入场门票价格为30元 当你到了戏院门口 发现遗失了30元钱 问 你还愿意掏30元买门票么 完全竞争和垄断竞争 寡头垄断在产品定价决策系统的系统边界有什么不同 小企业定价和大企业定价有什么不同 9 如何界定系统的边界 确定边界的最基本原则 1 逻辑上的理性 边界内有要素A和B 而C和A的关系与B同A的关系相当 B与C是同层次的 则C也应纳入系统 如 出门时穿雨鞋而不带伞 开小店卖盐而不卖酱油等是不可想象的一个卖立体画的小女孩2 边界外与边界内的独立性 边界内的变化独立于边界内 如 小企业扩张阶段的产品定价时无须考虑对市场价格的冲击要素扩张法如研究孩子的成长问题 孩子本身 家长 家庭 亲朋好友 家族 老师和同学 学校 10 串联 串联 人们在同一时间只能考虑一个方面的问题 问题得一个一个地想 即便是最简单的数学问题 也不能左脑思考一个 右脑思考一个 人类思维的局限性有没有例外 周伯通的双手互搏 奇人双手同时写不同的字 计算机的并联工作思维的串联性给我们思考整体与联系带来了困难 11 整合 整合 大脑虽然是一个问题一个问题地思考 但也存在着整合功能 这一功能把在不同时间的问题都联系起来 看工程三视图 整合出零件的立体形态 12 2 结构 元素 构成系统的最小组分或基本单元 即不可再细分或无须再细分的组成部分 机械系统 元素是不能再用机械方法分解的零件 而不是分子 原子 一个句子是个系统 每个字词就是其元素 而不是笔画 人口系统以人为元素 细胞不是 人文社会系统一般无法划分出彼此界限分明的元素 称要素为宜 如战争系统的要素是兵力 武器 士气 人心向背 战略战术等 13 广义结构含义 元素或要素之间的一切联系的总和 联系形式多样 时间联系 空间联系 持续的 瞬间的 确定性的 不确定性的结构 略去无关紧要的 偶发的 无规则的联系 元素之间相对稳定的 有一点规则的联系方式的总和 结构种类 空间 时间 对称 非对称 深层 表层 硬结构 软结构 14 子系统 在元素众多 结构复杂的系统中 元素之间有一种成团现象 一部分元素按某种方式更紧密地联系在一起 具有相对独立性 有自己的整体特性 不同集团的元素之间往往不是直接相互联系 而是通过所属集团而联系在一起 这类集团称为子系统或分系统 系统是否需要划分为子系统 取决于系统元素的种类 差异和联系方式的复杂性 而不在于元素多少 15 3 功能 系统的功能 环境对系统的输入导致系统相应的输出 这种系统与环境相互联系和作用过程的能力就是系统的功能 系统的功能很多 有好的 也有坏的 完整地了解系统功能是很难的 人们往往用特定输入条件下的特定输出 特定的环境因素下的系统的行为来说明功能 功能和结构 是观察系统的两个视角 16 性能和功能 系统在内部联系和外部联系中表现出来的特性和能力 成为系统的性能 系统行为引起环境中某些事物发生变化 成为系统的功能 如 可以流动是水的性能 利用水来输送木材是河水的功能 17 如果不同子系统之间有功能上的分工合作 即按照功能划分子系统 就说该系统具有功能结构 如 人体系统有消化 循环 免疫等子系统的划分 导弹系统有弹头 弹体 动力装置 控制装置等功能子系统的划分 高校教学单位的划分如果不同子系统彼此没有功能上的差别 划分为子系统仅仅是因为元素太多 必须分片管理 就说该系统是非功能结构的 如 一个连队分为三个班管理 18 功能和结构 一种流行观点 功能与结构有对应关系 功能决定结构 如 一个球队的业绩和教练水平有很大关系但任意挑选11个球员 再高明的教练也无法训练出世界级水平的足球队 系统的功能与环境有关如 高射炮打蚊子 某君在甲单位是一条虫 在乙单位是一条龙总之 元素 结构 环境三者共同决定系统的功能 19 4 层次 一个客观对象 被认为是系统时 往往可以从不同的视角去观察其存在及特征 这就是系统层面的意思 视角有很多 不同的视角所观察到的内容和意思不同 如 可以从美学的视角观察建筑物 也可在力学结构的意义下看待 20 复杂的系统往往具有多个层次空间层次结构 要素之间的相互作用与其在系统内的空间位置密切关 如东西部经济差距时间层次结构 系统的变化与时间的变化相关联 如GDP的增长功能层次结构 系统的不同层次具有不同的作用 如企业各级管理层的权限 21 二 系统思想1 古代 22 23 2 近代 24 贝塔朗菲 1937年第一次提出一般系统论的概念 强调把有机体视作为一个整体 生命是一个开放系统 要从生物体与环境的相互作用中说明生命的本质 认为生物系统是分层次的 60年代出现了一系列关于系统的新学科 新理论 耗散结构 协同学 突变论 混沌学 3 现代 25 4 经济学 26 5 管理学 27 三 系统论的基本规律与基本原理 1 结构功能规律2 信息反馈规律3 竞争协同规律4 涨落有序规律5 优化演化规律 基本规律 基本原理 1 整体性2 层次性3 开放性4 目的性 5 突变性6 稳定性7 组织性8 相似性 28 四 系统科学 系统论控制论信息论 耗散结构论协同学突变论 29 一般系统论 1924 1928年奥地利理论生物学家L von贝塔朗菲多次发表文章表达一般系统论的思想 提出生物学中有机体的概念 强调必须把有机体当作一个整体或系统来研究 才能发现不同层次上的组织原理 提出用数学模型来研究生物学的方法和机体系统论的概念 把协调 有序 目的性等概念用于研究有机体 形成研究生命体的三个基本观点 即系统观点 动态观点和层次观点 1937年贝塔朗菲第一次提出一般系统论的概念 1947 1948年贝塔朗菲进一步阐明了一般系统论的思想 指出不论系统的具体种类 组成部分的性质和它们之间的关系如何 存在着适用于综合系统或子系统的一般模式 原则和规律 一般系统论包括极广泛的研究领域 其中有三个主要的方面 关于系统的科学 又称数学系统论 这是用精确的数学语言来描述系统 研究适用于一切系统的根本学说 系统技术 又称系统工程 这是用系统思想和系统方法来研究工程系统 生命系统 经济系统和社会系统等复杂系统 系统哲学 它研究一般系统论的科学方法论的性质 并把它上升到哲学方法论的地位 30 控制论 控制论的奠基人是诺伯特 维纳 他于1943年在 行为 目的和目的论 中 首先提出了 控制论 这个概念 第一次把只属于生物的有目的的行为赋予机器 阐明了控制论的基本思想 控制论是研究各类系统的调节和控制规律的科学 它是自动控制 通讯技术 计算机科学 数理逻辑 神经生理学 统计力学 行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门学科 它研究生物体和机器以及各种不同基质系统的通讯和控制的过程 探讨它们共同具有的信息交换 反馈调节 自组织 自适应的原理和改善系统行为 使系统稳定运行的机制 从而形成了一大套适用于各门科学的概念 模型 原理和方法 控制论的研究表明 无论自动机器 还是神经系统 生命系统 以至经济系统 社会系统 撇开各自的质态特点 都可以看作是一个自动控制系统 在这类系统中有专门的调节装置来控制系统的运转 维持自身的稳定和系统的目的功能 控制机构发出指令 作为控制信息传递到系统的各个部分中去 由它们按指令执行之后再把执行的情况作为反馈信息输送回来 并作为决定下一步调整控制的依据 31 信息论 信息论的创始人美贝尔电话研究所的数学家申农 C E Shannon 他为解决通讯技术中的信息编码问题 突破发老框框 把发射信息和接收信息作为一个整体的通讯过程来研究 提出发通讯系统的一般模型 同时建立了信息量的统计公式 奠定了信息论的理论基础 信息论是关于信息的本质和传输规律的科学的理论 是研究信息的计量 发送 传递 交换 接收和储存的一门新兴学科 信息论用数理统计方法来研究信息的度量 传递和变换规律 它主要是研究通讯和控制系统中普遍存在着信息传递的共同规律以及研究最佳解决信息的获限 度量 变换 储存和传递等问题的基础理论 信息论将信息的传递作为一种统计现象来考虑 给出了估算通信信道容量的方法 信息传输和信息压缩是信息论研究中的两大领域 这两方面又由信息传输定理 信源 信道隔离定理相互联系 32 耗散结构论 耗散结构理论的创始人是伊里亚 普里戈金 IlyaPrigogine 教授 由于对非平衡热力学尤其是建立耗散结构理论方面的贡献 他荣获了1977年诺贝尔化学奖 耗散一词 原意是开放系统与外界进行的物质 能量 信息的交换运动 耗散结构则是指远离平衡态的开放系统 通过耗散运动形成的一种动态稳定的有序化结构 即由原来混浊无序的状态转变成一种在空间上 时间上或功能上的有序状态 耗散结构论探讨系统从无序转变为有序的条件 相干行为和机制 探讨耗散结构的形成和生长的动力学 研究怎样通过 涨落 的作用使系统有序化以及研究在什么情况下可以有效地运用耗散结构的概念和范畴 耗散结构理论可概括为 一个远离平衡态的非线性的开放系统 不管是物理的 化学的 生物的乃至社会的 经济的系统 通过不断地与外界交换物质和能量 在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时 通过涨落 系统可能发生突变即非平衡相变 由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上 空间上或功能上的有序状态 这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构 由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持 因此称之为 耗散结构 33 协同学 协同学是20世纪70年代初联邦德国理论物理学家哈肯创立的 协同学研究协同系统在外参量的驱动下和在子系统之间的相互作用下 以自组织的方式在宏观尺度上形成空间 时间或功能有序结构的条件 特点及其演化规律 协同系统的状态由一组状态参量来描述 这些状态参量随时间变化的快慢程度是不相同的 当系统逐渐接近于发生显著质变的临界点时 变化慢的状态参量的数目就会越来越少 有时甚至只有一个或少数几个 协同学的主要内容就是用演化方程来研究协同系统的各种非平衡定态和不稳定性 又称非平衡相变 协同学中求解演化方程的方法主要是解析方法 即用数学解析方法求出序参量的精确的或近似的解析表达式和出现不稳定性的解析判别式 34 2020 2 5 35 突变论 突变论的创始人是法国数学家雷内托姆 他于1972年发表的 结构稳定性和形态发生学 一书阐述了突变理论 荣获国际数学界的最高奖 菲尔兹奖章 突变 一词 法文原意是 灾变 是强调变化过程的间断或突然转换的意思 突变论的主要特点是用形象而精确的数学模型来描述和预测事物的连续性中断的质变过程 突变论认为 系统所处的状态 可用一组参数描述 当系统处于稳定态时 标志该系统状态的某个函数就取唯一的值 当参数在某个范围内变化 该函数值有不止一个极值时 系统必然处于不稳定状态 很长时间以来 关于质变是通过飞跃还是通过渐变 在哲学上引起重大争论 突变论认为 在严格控制条件的情况下 如果质变中经历的中间过渡态是稳定的 那么它就是一个渐变过程 质态的转化 既可通过飞跃来实现 也可通过渐变来实现 关键在于控制条件 36 系统哲学 系统观将 系统 作为一个全新的科学范例引进以后 形成了对思想和世界观的系统观 主要涉及系统本体论 系统认识论以及人和世界的关系 系统的基础科学 系统学在一般系统论 耗散机构 协同学的学科成果上 系统科学研究一般系统的基本概念 性质以及系统进化的一般规律 其中包括研究一般系统的几百年概念和性质的系统概念论 研究适用于各种具体系统的一般演化模式和规律的系统进化论 运用数学语言和严格演绎方法所建立的系统数学 系统科学的体系 37 系统的方法科学 技术科学是根据系统科学的基本概念和基本原理研究系统方法的理论 其大致包括信息论 控制论 大系统理论 运筹理论 经济系统理论等 系统的应用科学 系统工程系统的应用科学是把系统基础科学的概念理论和系统方法科学的理论方法具体运用到人们实践活动之中 它把定量和定性相结合的系统思想和系统方法处理大型复杂系统的问题 无论是系统的设计或组织建立 还是系统的经营管理 都可以看成是一种工程实践 这就是系统工程 38 系统科学的体系结构图 马克思主义哲学 系统学 运筹学 控制论 信息论 各门系统工程 自动化技术 通信技术 哲学 基础科学 技术科学 工程技术 39 系统科学的一般研究方法 40 系统科学的研究模型 41 五 系统分析方法 1 系统分析 systemsanalysis 概念系统分析是系统综合 优化 决策 以及系统设计的基础 系统分析指从系统的观点出发 对事物进行分析研究 寻找可能采取的方案 并通过分析对比 为达到预期目标而选出最优方案 这样一个有目的 有步骤的探索和分析的过程称为系统分析 系统分析不同于其它分析技术 它必须从系统总体最优出发 采用各种分析工具和方法 系统分析不仅分析技术经济方面的有关问题 而且还分析包括政策 法令 社会风俗 资源等环境因素 分析组织体制 信息等各方面的问题 42 系统分析的目的 通过系统分析找到解决问题的 实现目标的好方案 系统问题 系统分析 最优或满意的方案 43 系统分析的要素 目的和目标 希望达到的目的和目标 方案 为达到目标所必需的技术和手段 费用和效益 系统方案所需的费用和可能获得的效益 模型 建立各种备选系统方案及其相应的模型 评价标准 根据有关技术经济指标确定评价标准 44 2 系统分析的步骤明确问题 目标选择 系统方案综合 形成可供选择的系统方案 系统分析 建立模型 系统选择 最优化 决策 实施 45 系统分析的步骤 46 1 问题的提出 对某一系统进行分析时 首先必须明确所要分析问题的目的和系统当前的状态 分析问题的构成 范围 也就是要回答做什么 为什么要做 2 系统环境分析 外部条件构成对系统的影响和约束 科学 技术 政治经济 文化 教育 人口 气候 生态等构成系统的环境因素 环境独立于系统控制 对系统产生影响 系统分析时 把握与系统有物资 能量 信息交换的主要外部条件 作为系统的环境因素加以分析 47 3 系统结构层次分析 系统分析中 重点研究各要素的特点 功能以及它们之间的相互联系和作用的方式 把握系统的结构 特别是结构的层次性 复杂的系统要通过层次分析将之简化 4 确定系统目标 选定系统的总目标是系统分析的主要根据 遵循一般系统论的原则 即整体性原则和相互联系的原则 48 5 建立模型 通过模型技术 建立问题的数学或其它形式的模型 模型不是系统本身 而是对系统的描述 模仿或抽象 反映实际系统的主要特征 利用模型预测每一方案可能产生的结果 并根据其结果说明各方案的优劣 49 6 系统优化 用最优化理论和方法 对所构造的系统模型进行最优化求解 有足够定量的因素 用数学的方法建立数学模型 运用运筹学等技术寻求最佳方案 复杂问题可运用计算机求解 定量优化基础上 再考虑定性因素进行综合 调整 使整体优化更合实际 50 7 综合评价 对系统的若干方案进行优化后 还要进行综合评价 几个替代方案各有千秋 需要按所制定的系统指标体系 定出综合评价的标准 通过评价标准对各方案进行综合评价 确定各方案的优劣顺序 提供给决策者进行决策 若决策者对上述方案不满意 则按前面的步骤 对因素进行调整 重新分析 若决策者对方案满意 则实施之 51 3 问题分析技术 问题分析是以系统思想指导解决问题的一种方法 问题例 1 厂里的A号机器 产量始终没有达到设计产量的80 各种想法都试过 仍然没有解决问题 2 公司的主打产品挂壁式空调的返修率上升3 女朋友突然对我很冷淡4 董事会要求公司利润比上年增长15 但公司似乎无这么大的潜力 这是一个大问题 注 问题4 不是问题分析技术解答的范围 因为这不是原因导致的绩效问题 52 基于原因造成的绩效下降问题类型 从系统的角度来讲 可以认为是系统的功能出了问题 根据结构决定功能的原理及功能与环境的关系 可以认为是某一子系统的结构出了问题 或系统运行的环境发生了改变 再或者是输入的变化 例如 企业的利润出现大幅下滑人事管理系统 产品质量 财务系统 市场环境 到底是哪里出了问题 1 找到功能不正常的那个系统 2 再找出差错的具体位置 53 问题分析技术步骤 问题定义 确认绩效下降已超出正常波动范围 不要给正常的人诊断疾病 从四个方面收集资料 组织信息问题确认 即发生问题的对象与范围的缩小 发生地点 从空间方面描述记录绩效下降问题 发生时间 从时间特征描述与记录 如首发时间 频率 周期性规律问题广度 即问题的严重程度 54 分析可能的原因 找出逻辑上的相似对象比较在广义时空上 功能上 对象方面的差异 如打字速度慢 找一个快手比较一下动作的差异 就可找到自己打字慢的原因 针对可能的原因进行检验 排除法筛选证实真正的原因 55 案例 美国石油运输技术方案的产生 美国在阿拉斯加东北部地普拉德霍湾油田向本土运输原油问题是一个具有戏剧性却耐人寻味的真实故事 问题背景 油田每天有200万吨原油要运回美国本土 油田处于北极圈内 海湾常年处于冰冻状态 最低气温在 50摄氏度以下 56 一开始很自然地产生两个方案 由海路用油轮运输 用带加温设备的油管输送 57 对于方案一 其优点是运价比较低 存在问题是 油轮需要破冰船的引航下航行 破冰船本身增加了费用 而可靠性与安全性地问题很突出 可以想象万一破冰船出故障整个船队的困境 在起点与始点都要建造大型油库 估算油库规模需达到油田日产量地十倍 对于方案二 其优点是管道输油在技术上已经成熟 然而由于特殊地气候环境 加温系统的管理及加温能源的输送优势一些棘手的问题 另一方面是带有加温系统地管道不能直接铺设在冻土里 因为冻土层受热融化无法固定管道 估算有一半管道需用底架支撑 这样架设管道的成本是铺设地下管道的三倍 58 决策人员面对这种情况做出了相当耐人寻味的决定 把方案二作为参考方案作进一步细致研究 并拨经费继续研究竞争方案 实际上体现了决策人员引导寻找新方案地方向 三号方案地出台 其原理是把一定量地海水加入到原油中 使低温下原油与海水地混合物成乳状液态 仍能在管道内畅流 这样就可能避免加温系统的问题 该方案获得了好评 并申请了专利 就其原理而言 加盐水降低液体的固化点并不新鲜 然而该方案的创造性在综合中得以体现 59 由马斯登和胡克等人提出的第四方案成了这一问题的终结者 两位有丰富石油知识的专家注意到地下石油是油气合一的 这种混合物的熔点很低 他们提出将天然气转换成甲醇 甲醇再与石油混合 以降低混合物地固化点 增加流动性 这个方案尽管原理上与第三方案类同 但更加完美 60 从这个例子中可以看到 研究的对象是需要解决低温环境下的石油运输问题 最终方案却并没有局限于在运输方式上寻求答案 而是在运输的对象物上面做文章 这种分析问题和解决问题的思路和方法就是来自于系统分析 61 丁渭