系统工程课件第二章.ppt

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理论基础第三节系统工程理论新发展 第一节系统科学的学科体系 一 控制论 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 马克思主义哲学 自然辩证法 历史唯物主义 社会辩证法 社会科学 数学科学 自然科学 基础科学 物理学 生物学 其它技术科学 系统学 信息论 各门系统工程 自动化技术 通信技术 系统观 系统科学 人体科学 思维科学 哲学 基础科学 技术科学 工程技术 马克思主义哲学 运筹学 系统工程在自然科学与社会科学之间架设了一座沟通桥梁 现代数学方法和计算机技术 通过系统工程 为社会科学研究增加了极为有用的定量方法 模型方法 模拟实验方法和优化方法 系统工程为从事自然科学的工程技术人员和从事社会科学的研究人员的相互合作开辟了广阔的道路 系统工程理论基础及工具的框架 耗散结构理论 控制论 信息论 协同学 突变论 理论基础 发展 一般系统论 运筹学 线性规划 动态规划 排队论 存储论 对策论 图论 概率论 数理统计高等代数模糊数学集合论数理逻辑计算机科学模拟技术工程技术经济学心理学哲学社会科学 系统工程理论基础及工具的框架 一 控制论 一 控制论的产生与发展1947年由美国人维纳创立的控制论是一门研究系统的控制的学科 一切有生命 无生命系统都是信息系统 控制的过程也可以说是信息运动的过程 无论是机器还是生物 在构成控制系统的前提下 都存在着对信息进行接收 存取和加工的过程 一切有生命 无生命系统都是控制系统 控制论是以研究各种系统共同存在的控制规律为对象的一门科学 控制论的发展已大致经历了三个时期 从40年代末到50年代是第一个时期 即经典控制理论时期 反馈控制 第二个时期为60年代 即现代控制理论时期 最优控制 进入70年代以后 是大系统控制理论时期 大系统多级递阶控制 二 控制论的基本概念 控制系统的构成 系统的稳定性系统处于环境之中 受到内 外部的干扰 即把系统从一种状态变迁到另一种状态的作用 要保证系统确定的性质和功能 就必须具有抗干扰的稳定性 第一类稳定性 也就是说任意给定一个 必存在一个使得时 为系统的起始状态 为平稳状态 第二类稳定性 当系统所受到干扰偏离正常的状态时 在干扰消失后能自动恢复其正常状态时 也就是说任意给定一个 必存在一个 当 系统恢复正常的时间 使得 3 系统的稳定机制及控制方式反馈有两类 正反馈与负反馈 如果输出反馈回来放大了输入变化导致的偏差 这就是正反馈 正反馈的作用是用来放大某种作用或效应 使有直接关联的系统相互促进 协调发展 如果输出量反馈回来弱化了输入变化导致的偏差 这就是负反馈 负反馈的作用是保持系统行为的稳定 使系统的行为方向趋向一个目标 系统的结构 1 层次性是系统结构的普遍形式 整个宇宙可以看成一个系统 这个系统也有结构 它按自然发展规律形成等级秩序 这就是结构的层次性 2 结构具有相对性 较高层次具有较高的复杂性 系统与要素是相对于系统的等级和层次而言的 一般说来 高一级的结构层次对低一级的结构层次有着制约性 而低一级结构又是高一级结构的基础 低一级结构层次反作用于高一级结构层次 它们之间的关系是辨证的 3 各层次都有其自身的最佳规模 层次可以按照系统中各要素联系的方式 系统运动规律的类似性 人类认识尺度的大小 能量变化的范围和功能特点来划分 不当的层次划分会影响人们对客观系统的正确认识 4 结构具有稳定性 系统之所以能够保持它的有序性 就在于其各要素之间有着稳定的联系 结构的稳定性是指结构总是趋于保持某一状态 具有抗干扰力 5 结构具有开放性和动态性 系统总要与外界进行物质 能量和信息的交换 并在交换过程中使自身发展变化 由量变到达质变 这就是结构的开放性和动态性 这是绝对的 不存在绝对的封闭系统 系统各层次之间以及每个层次内部要素之间也都存在着物质 能量或 和 信息的联系 系统结构有其意义 结构说明存在的方式 不同结构为不同物 结构决定系统的性能 要素相同而结构不同 功能也不同 如石墨与金刚石同由碳原子组成 但由于结构不同 它们的性质便迥然不同 系统的能控性 能观性系统具有能控性 系统能通过控制函数 输入 在有限时间内将系统由初态XR转移到状态空间原点 系统具有能达性 系统初始时刻位于状态空间原点 如果系统能通过控制函数 输入 在有限时间内将系统由初态转移到状态空间任意一点 状态初始 设定点 原点 假定系统初始状态为X t0 若依据有限时间区间J内所测得的输出和外加的输入能够确定出系统的初态X t0 如果J是t0开始以后的区间 称该系统在t0时刻具有能观性 若J是t0以前到t0的区间 则该系统在t0时刻具有能构性 t0 J X t0 X tJ tJ J X tJ tJ 6 闭环控制系统的动态过程定常控制系统的目标固定 其输入的目标值是给定的 当干扰存在时 系统能自动地使输出保持在给定值上下的容许范围内 随动系统的目标是运动变化的 其输入的目标值是随时间变化的 其输出能以一定精度跟随输入的变化而变化 如导弹的自动寻的系统就是这类系统 初始状态 SetPoint O Input 二 控制论对系统工程方法论的启示 1 黑箱 灰箱 白箱法控制论创始人维纳 模型在科学中的作用 若干可选择的结构被密封在 闭盒 中 研究它们的唯一途径是利用闭盒的输入和输出 这里的闭盒就是黑箱 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 白箱则指系统内部的构成都是十分清楚的系统 介于两者之间的系统称为灰箱 黑箱方法 采用不打开系统 活体 仅从系统的整体联系出发 通过系统的输入和输出关系的研究 去认识和把握系统的功能特性 探索其结构和机理的研究方法 打开黑箱 在任何场合也只是打开其中的某一层次 事物本质的层次性 决定了事物的黑箱总是一层套一层 永远不会完结 黑箱永远有 白箱永不白 人类认识的不同阶段 灰箱的方法 对系统有部分的认识 但不够完全 利用灰箱方法可以比黑箱的方法更容易解决问题 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 特点 功能模拟以功能和行为相似性为基础 而不是模拟事物的外形 结构 所模拟的是一切具有通讯和控制功能系统的合乎目的性的行为 在传统模拟中 模型只是认识原型的手段 在功能模拟中 模型是具有生物目的行为的机器 模型本身就是研究的目的 3 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 三 控制理论分支与系统研究各方面的对应关系 控制论分支与系统工程研究的分类表 二 信息论 一 信息论的产生与发展本世纪40年代末产生 主要创立者是美国的数学家申农 C E Shannon 和维纳 信息的概念和方法已经广泛应用于物理学 化学 生物学 心理学 经济学 哲学等学科中 一门以信息为主要研究对象 以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容 以计算机 光导纤维为主要研究工具 以扩展人类的信息功能为主要研究目标的信息科学正在形成 三种类型 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 二 信息论的基本概念 信息定义从通讯角度看 信息是数据 信号等构成的消息所载有的内容 消息是信息的 外壳 信息是消息的 内核 在同样一条消息中 对不同的人来讲 可能信息量很大 也可能信息量很小 甚至为零 维纳则认为 信息不是物质也不是能量 在信息与物质 能量之间划了一条界限 信息是控制系统进行调节活动时 与外界相互作用 相互交换的内容 信息是系统的组织性的量度 2 信息概念的特点1 信息源于运动 无运动则无信息 世界上没有静止的事物 因而它们都具有信息的表征 信息可以被感知 处理和利用 其符合人们认识事物的规律 3 信息具有知识秉性 它能用以消除人们对事务运动状态或存在方式的认识上的不确定性 有信息就获得了某种知识 信息的共享性有其自身特性 不同于实物的交流 在实物交流中 一方得到的正是另一方失去的 而在信息的交流中 一方得到了新的信息 而另一方并无损失 4 信息依赖于物质而存在并在物质上传递 存储 它又不同于物质 可以脱离产生者而被传递 但信息的变化 传递需要能量 如印刷书籍 刻录光盘都要消耗能量 5 信息的使用价值具有相对性 由于人的知识素养与思维方法不同 以及理解处理问题的能力不同 对于同一信息 可以得出截然不同的价值观 6 信息具有时效性 由于客观事物的不断发展变化 使反映其变化规律的信息源源不断的产生 信息活动是动态的 信息是有寿命 有时效的 7 信息不守恒 可以放大 缩小 湮灭 信息不遵守能量守恒定律 常常由于传递过程中所受到的干扰 造成信息的损失 随事物发展变化 信息会出现 老化 现象 因此人类应不断认识新事物 开发新信息 信息本身是可以增殖的 在科学的历史上 往往一个新的发现会触发多种可能的信息 3 信息 物质 能量的比较 通讯问题的模型 5 信息量 不同信息所含有的信息量是有大小之分的 信息量就是用来度量信息大小的量 如 反常的事件比正常的事件所含信息量大 稀有事件比正常事件所含信息量大等等 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 信息源可能发出的全部符号所包含的信息量之和 总信息量 计算出信源发出的每一个符号所包含的平均信息量 信息熵 一个系统所获信息量越大 系统就越有序 熵就越少 反之 所获信息量越小 系统就越无序 熵就越大 信息与熵是互补的 它们的这种互补关系 表现在计算公式上仅差一个负号 熵的获得永远意味着信息的丢失 而不是别的 二 信息论及方法论的启示 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 抽象出了信息论模型 针对信息的随机性特点 运用了统计数学 概率论与随机过程 解决了信息量问题 并扩展了信息概念 壮大了语义信息 有效信息 主观信息 相对信息 模糊信息等方面的内容 2 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 信息方法以信息为基础 把系统有目的的运动抽象为一个信息变换过程 传统方法注重的是物质和能量在事务运动变化过程中的作用 而信息方法是以信息的运动作为分析和处理问题的基础 在分析和处理问题时 它完全撇开系统的具体运动形态 把系统的有目的的运动抽象为信息变换过程 传统方法在研究问题时 主要运用剖析法 这不利于掌握事物间的内在联系 甚至以孤立 静止的方法来研究事物 忽视事物的整体性能 可见 传统方法对于复杂的系统 特别是活的有机体 往往显得无能为力 信息方法是用联系 转化的观点 综合研究系统运动的信息过程 在对复杂事物进行研究时 不对事物的整体结构进行剖析 而是从其信息流程加以综合考察 获取关于整体的性能和知识 信息方法的意义就在于它指示了机器 生物系统的信息过程 揭示了不同系统的共同信息联系 指示了某些事物运动规律 如遗传现象 生物解体等活动规律 有利于管理 决策科学化 信息是管理 决策的基础 现代化管理 决策系统必须有信息系统功能 指明了信息沟通的重要性 在信源 信道 信宿间要有有效的沟通 三 一般系统论 一 一般系统论产生过程1 实验科学时代的还原论 未领略整体大于部分之和 主要任务是分析事物内部细节 客观上要求人们分门别类地进行研究 因而科学的主要趋势是分化 与之相适应的是分析解剖法 还原论 把研究对象进行一层层地不断分解至基本单元 分解隔离为不同因果链 研究其基本单元因素 认为基本单元弄清了 因果量与因素弄清了 对象也就研究清楚了 2 生物学中机械论与活力论之争 机械论认为一种原因导致一种结果 把生物问题化为物理 化学问题来研究 通过对生物进行分解 生物 系统 器官 组织 细胞 研究 最终导致分子生物学产生 破译了遗传密码 取得了显赫的成就 特点 侧重于分析事物的各个部分 分析方法前提 部分之间的相互作用不存在 或弱到可忽略 描述部分行为的关系式是线性的 活力论认为生物体中存在一种有目的的超物质的 活力 断言有机界与无机界之间存在一道不可逾越的鸿沟 活力论的生命观虽然正确地指出了生命现象不能归结为机械 物理 化学的过程 但在解释生命现象的复杂性时 除了从外部加进一种超自然的活力外 什么问题也没解决 3 一般系统论的产生 本世纪二十年代美籍奥地利生物学家冯 贝塔朗菲在对生物学的研究中发现把生物分解的越来越多 反而会失去全貌 对生命的理解和认识反而越来越少 因此开始了理论生物学研究 创立了一般系统论 1945年 关于一般系统论 的发表 成为系统论形成的标志 二 一般系统论的基本观点 1 系统的整体性 系统最本质的属性 贝塔朗菲指出 一般系统论是对整体和完整性的科学探索 系统的整体性 系统整体性原理概括如下 系统与要素 整体与部分 是 合则两存 分则两亡 的性质 要素和系统不可分割 凡系统的组成要素按照一定的秩序和结构形成的有机整体就是系统的有机性 贝塔朗菲著名的 非加和定律 系统整体的功能不等于各组成部分的功能之和 系统的非加和性分为两种情况 一是 整体大于部分之和 这种现象称为系统整体功能放大效应 二是 整体小于部分之和 这种现象称为系统整体功能缩小效应 系统整体具有构成该整体的各个部分自身所没有的新的性质或功能 2 系统的开放性贝塔朗菲认为 一切有机体之所以有组织地处于活动状态并保持其活的生命运动 是由于系统与环境处于相互作用之中 系统与环境不断进行物质 能量和信息的交换 这就是所谓的开放系统 系统的目的性 有效性 适应性 寻的性 是存在的 不是完全由因果律决定的 开放系统可以保持自身的稳定结构和有序状态 或增加其既有秩序 这正是系统目的性的表现 把系统的开放性 有序性 结构稳定性和目的性联系起来 这正是贝塔朗菲一般系统论的核心和重要成果 3 系统的动态相关性任何系统系统状态是时间的函数 即 系统的动态性 系统的动态性 取决于系统的相关性 系统的相关性是指系统的要素之间 要素与系统整体之间 系统与环境之间的有机关联性 它们之间相互制约 相互影响 相互作用 存在着不可分割的有机联系 动态相关性的实质是揭示要素 系统和环境三者之间的关系及其对系统状态的影响 4 系统的层次等级性系统是有结构的 而结构是有层次 等级之分的 系统由子系统构成 低一级层次是高一级层次的基础 层次越高越复杂 组织越有序 并且系统本身也是另一系统的一个组成要素 系统中的不同层次及不同层次等级的系统之间相互制约 相互关联 自然系统 社会系统都有层次结构 等级层次结构存在于一切物质系统 因而人们对事物的认识也只是对其某一层面的认识 5 系统的有序性 系统结构的有序性 若结构合理 则系统的有序程度高 有利于系统整体功效的发挥 系统发展的有序性 系统在变化发展中从低级结构向高级结构的转变 正体现了系统发展的有序性 这是系统不断改造自身 适应环境的结果 系统结构的有序性 系统空间有序性 系统发展的有序性 系统时间有序性 两者共同决定了系统的时空有序性 三 系统方法论的启示 系统方法论告诉我们要以系统的观点去看整个世界 不能片面 孤立地看问题 系统方法论主张以思辨原则代替实验原则 不能机械地看问题 尤其是在处理复杂 有机程度高的系统时 这一点显得尤为重要 系统方法论主张以整体论代替还原论 四 系统方法 从系统的观点出发 在系统与要素 要素与要素 系统与外部环境的相互关系中揭示对象系统的系统特性和运动规律 从而最佳地处理问题 遵循 整体性 历时性 动态性 最优化 要求的整体最优 四 耗散结构理论 协同学 突变论原理启示 A 耗散结构理论 一 起源1 牛顿时间和梅格森时间如经典力学的牛顿方程 在牛顿力学体系中时间是无方向性的 可逆的 具有对称性 但在进化论中时间却是不可逆的 如热传导方程 时间箭头 有意义 梅格森强调指出 物理学时间和进化论及生物学时间不同 前者是可逆的 其中没有新生事物出现 后者是不可逆的 不断出现新生事物 2 退化与进化退化 即从有序向无序的转变 如冷热物相接触 冷变热 热变冷趋于相同温度 一滴黑水滴入水中而淡化 进化 则是向更高有序状态的转变 如生物由简单到复杂 由低级到高级的转变 进化与退化是一对矛盾 表征着事物运行的两种趋势 3 热力学第二定律和熵热力学第二定律的克劳休斯 Clolisius 表述为 不可能把热从低温物体传到高温物体 而不产生其它影响 热传导的不可逆性 开尔文 Kelvin 表述为 不可能从单一热源中取热使之完全变为有用功而不产生其它影响 能量的耗散性 熵 描述自发过程单方向的状态函数 熵的统计热力学 S kLnp k为玻尔兹曼常数 p是热力学几率 例 有N1 N2个粒子分别分布在在1室和2室 将其间挡板抽掉 粒子在两室中的分布共有 当N1 N2时 P最大时出现的可能性最大 因此可以说热力学第二定律说明一切不可逆过程都倾向于使体系的最小几率状态趋于一种几率最大状态 熵趋最大 即熵增 因而熵是混乱度 无序度 的度量 4 开放系统的热力学第二定律 des是系统与外界交换物质和能量而引起的熵流 dis是系统内部自发产生的熵 因自发过程是不可逆的 会产生熵增 因而 但des可正可负 依不同状况而定 若des 0 则物质和能量的交换增加了系统的总熵 加速了系统趋向平衡态的运动 若des 0 则表示系统平衡态受到扰动 但保持近于平衡 若des 0 系统不断从环境中获取物质和能量 从而给系统带来负熵 使整个系统的有序性的增加大于无序性的增加 新的结构和新的组织就能自发地形成 这种远离平衡态地开放系统就称为耗散结构 如生命系统 社会系统都属于这种耗散结构 开放系统的热力学第二定律沟通了生命系统与非生命系统之间的联系 开放系统与孤立 封闭 系统的联系 二 耗散结构理论简介 1969年比利时物理学家普利高津 I Prigogine 对非平衡态不可逆过程的研究提出了一种学说 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 临界值 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 耗散结构的形成条件 系统必须是远离平衡态的开放系统 系统要与外界变换能量与物质 才有可能降低自身的熵 系统内部具有非线性动力学机制 系统要素间的非线性相互作用是推动系统向有序发展的内部动力 这种非线性机制能促使系统各要素间产生相干效应 使系统元素耦合 产生自组织结构 和临界效应 临界点上失稳 形成新结构 从而使系统由混乱无序向有序转变 非线性机制所产生的非加和作用是系统产生并保持耗散结构的根本原因 耗散结构理论的意义在于它指出了化学 生态系统等许多复杂系统由无序转向有序的规律是一般的 沟通了生命系统与非生命系统之间的联系 事物要寻求发展 就得保持其系统是开放的 与外界有能量 物质 信息的交换 例如封闭 没有竞争机制的企业难以存活 B 协同学 协同学正是形成框架是1977年 协同学是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 它以信息论 控制论 耗散结构理论 突变论等现代科学理论的新成果为基础 同时采用了统计学与动力学考查相结合的方法 通过类比 对各学科中的从无序到有序的现象建立了一整套数学模型和处理方案 从而可把在一门学科中所取得的成果 很快推广到其它学科类似现象上去 系统由无序到有序的关键在于组成系统的各子系统在一定条件下 它们之间的非线性作用 相互协同和合作 自发产生有序结构 因此强调了协同现象的普遍性和重要性 协同学着重研究系统中各元素间的合作 它不仅研究开放系统从无序到有序的演化规律 而且也研究其从有序到无序的演化规律 真正统一了有序与无序 协同学较耗散结构理论来说有更广的适用领域 它把研究从远离平衡态的开放系统扩展到近平衡态和平衡态系统 协同学的出现把非平衡系统的自组织理论推到了一个新的发展阶段 协同学的基本原理 协同效用原理即 协同导致有序 系统的有序性是由系统要素的协同作用形成的 协同作用是任何复杂系统本身所固有的自组织能力 是形成系统有序结构的内部作用力 支配原理 复杂系统在由不稳定点向新有序时空结构转变时 通常受到序参量的决定 在复杂系统中有两类变量 起支配控制作用的变量是慢变量 快变量在系统受到干扰而偏离稳态时 总是倾向于使系统重新回到原来的稳态 这种变量起了一种类似阻尼的作用 并且衰减得也很快 所以叫快变量 自组织原理 系统在没有外部指令的条件下 其内部子系统之间能够按照某种规则自动形成一定的结构或功能 它具有内在性和自生性 在外部能量和物质输入的情况下 系统会通过大量子系统间的协同作用 在自身涨落力的推动下 形成新的时空结构 C 协同学与耗散结构小结 1 耗散结构要求系统开放 远离平衡态 有物质 能量交换 及内部的非线性机制 而把研究从远离平衡态的开放系统扩展到近平衡态和平衡态系统 认为非平衡并不一定导致有序 而平衡也并不意味着就是无序之本 2 同外部的交换可产生负熵流 产生促进内部协同的促协力 促协力与交换量成正比 3 子系统之间的协作力 可正 可负 可为零 决定系统的未来走向 协作力大于零 系统走向高级稳态 协作力小于零 系统走向混乱 4 耗散结构惯性原理 一旦形成耗散结构就有一定抗干扰能力 5 吞并溶合原理 外来小系统与大的耗散结构相遇并相互作用时 小系统不是足以破坏大系统时 则被后者吞并且溶合 并不影响后者的基础结构 6 突发干扰 使系统崩溃时 系统可产生向上或向下的运动 一般情况下形成高一级的耗散结构 D 突变论 突变理论是法国数学家勒内 托姆 Rene Thom 于1972年创立的 突变理论从量的角度研究各种事物的不连续变化问题 进行从量变到质变的研究 它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 运用的数学工具主要为拓扑学 奇点理论和结构稳定性理论 突变论观点 a稳定机制是事物的普遍特性之一 事物的变化发展是其稳定态与非稳定态交互运行的过程 b质变可以通过渐变和突变两种途径来实现 质变到底是以哪种方式来进行的 关键是要看质变经历的中间过渡态是不是稳定的 c 在一种稳定态中的变化属于量变 在两种结构稳定态中的变化或在结构稳定态与不稳定态之间的变化则是质变 量变必然体现为渐变 突变必然导致质变 而质变则可以通过突变和渐变两种方式来实现 控制变量 状态变量 尖顶型 E 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 1 线性规划2 动态规划3 排队论4 对策论5 存储论根据运筹学所解决的问题 运筹学研究的对象是人类某些活动的理性行为 也称为 事理 因此 对已有成果的解释和发现新的规律乃是运筹学的重要使命 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自然科学与社会科学的相互渗透日益深化 2 系统工程作为一门软科学 日益受到人们的重视 硬系统 一般是偏工程 物理型的 它们的机理比较明显 因而比较容易用数学模型来表述 有较好的定量方法可以计算出系统的行为和最优解 软系统 一般是偏社会 经济型的 它们的机理往往并不清楚 较难完全用数学模型来表述 而常用定量与定性相结合的方法来处理问题 Checkland在他的著作 软系统方法论 一书中 基于系统的目标 结构 机理特征 将系统分为两种 即目标明确 结构清晰 机理清楚 可用数学模型表达的硬系统 和目标不明确 结构不良 机理不清楚 难以应用数学模型表达 偏社会 经济 文化 生物的软系统 并将处理前者的问题称为问题 处理后者的问题称为 议题 Issues 将解决这两种问题的方法分别称为 软 系统方法和 硬 系统方法 软系统与硬系统的对比 基于系统特性及系统参与者价值观不同而应用不同方法的分类 三 复杂适应系统理论 1994年 霍兰正式提出复杂适应系统理论 ComplexAdaptiveSystem 简称CAS 基本思想 适应性造就复杂性 在微观方面 CAS理论的最基本的概念是具有适应能力的 主动的个体 简称主体 这种主体在与环境的交互作用中遵循一般的刺激 反应模型 所谓适应能力表现在它能够根据行为的效果修改自己的行为规则 以便更好地在客观环境中生存 在宏观方面 由这样的主体组成的系统 将在主体之间以及主体与环境的相互作用中发展 表现出宏观系统的分化 涌现等种种复杂的演化过程 CAS系统中的个体一般称为元素 部分或子系统 adaptiveagent 具有适应能力的个体 研究适应和演化过程中概念 1 聚集 aggregation 主要用于个体通过 粘着 adhesion 形成较大的所谓的多主体的聚集体 aggregationagent 由于个体具有这样的属性 它们可以在一定条件下 在双方彼此接受时 组成一个新的个体 聚集体 在系统中像一个单独的个体那样行动 2 非线性 nonlinearity 指个体以及它们的属性在发生作用时 并非遵从简单的线性关系 特别是在和系统或环境的反复的交互作用中 这一点更为明显 CAS理论认为个体之间相互影响不是简单的 被动的 单向的因果关系 而是主动的 适应 关系 在这种情况下 线性的 简单的 直线式的因果链已不复存在 实际的情况往往是各种反馈作用 包括负反馈和正反馈 交互影响的 互相缠绕的复杂关系 3 流 flow 在个体与环境之间 以及个体相互之间存在着物质流 能量流和信息流 这些流的渠道是否通畅 周转迅速到什么程度 都直接影响系统的演化过程 4 多样性 diversity 在适应过程中 由于种种原因 个体之间的差别会发展与扩大 最终形成分化 这是CAS的一个显著特点 霍兰指出 正是相互作用的不断适应的过程 造成了个体向不同的方面发展变化 从而形成了个体类型的多样性 而从整个系统来看 这事实上是一种分工 如果和前面提到的聚集结合起来看 这就是系统从宏观尺度上看到的 结构 的 涌现 即所谓的 自组织现象 的出现 5 标识 tagging 为了相互识别和选择 个体的标识在个体与环境的相互作用中是非常重要的 因而无论在建模中 还是实际系统中 标识的功能与效率是必须认真考虑的因数 标识的作用主要在于实现信息的交流 流的概念包括物质流和信息流 起关键作用的是信息流 在以往的系统研究中 信息和信息交流的作用没有得到足够的重视 这是对于复杂系统行为的研究难以深入的原因之一 CAS理论在这方面的发展就在于把信息的交流和处理作为影响系统进化过程的重要因数加以考虑 6 内部模型 internalmodels 这一点表明了层次的概念 每个个体都是有复杂的内部机制的 对于整个系统来说 这就统称为内部模型 7 积木 buildingblocks 复杂系统常常是在一些相对简单的构件的基础上 通过改变它们的组合方式而形成的 因此 事实上的复杂性往往不在于构件的多少和大小 而在于原有积木的重新组合 CAS理论思想是认识一个飞跃 1 主体是主动的 活的实体 2 个体与环境 包括个体之间 的相互影响和相互作用 是系统演化和进化的主要动力 3 把宏观和微观有机地联系起来 4 引进了随机因数的作用 使CAS具有更强的描述和表达能力 回声模型 Echomodel 进攻标识 用于主动与其他主体联系和接触 防御标识 用于其他主体与自己联系时决定应答与否 资源库 用于储存加工资源 回声模型机制 1 增加 交换条件 机制 2 增加 资源转换 机制 3 增加 粘着 机制 4 增加 选择交配 机制 5 增加 条件复制 机制 即在进攻标识与防御标识相符的条件下 还要加上某种交换条件的确认 即主体具备加工 利用和重组资源的能力 增加这一功能为主体的分工和专门化打下了基础 即若干主体通过建立固定的联系 成为一个多主体的聚合体在系统中一起活动 即主体可以有选择地与其他主体结合 通过交换形成新的更强的主体 即主体在资源充裕 条件适宜的情况下 复制增加自身的功能 SWARM CAS理论的另外一个重要特点就是它的可操作性 圣菲研究所开发的软件平台 SWARM 具体实现了这个特点 SWARM是一个高效率的 可信的 可重用的软件实验平台 为科学家们提供了一个标准的软件工具集 从而提供一个设备精良的软件实验环境 帮助人们集中精力于复杂的研究工作 而不必自己动手制造工具 SWARM的建模思想是建立一系列独立的个体 通过独立事件之间进行交互 考察和研究系统的行为和演化规律