系统工程理论基础

1 2020 4 16 第二章系统工程理论基础 2 1系统科学的学科体系钱学森提出现代科学技术的体系结构首先是工程技术这一层次 其次是直接为工程技术提供理论基础的技术科学这一层次 然后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 钱学森又提出系统科学的体系结构 如图2 2所示 2 2020 4 16 3 2020 4 16 4 2020 4 16 图2 2系统科学的体系系统学 系统理论 主要研究系统的普遍属性和运动规律 即研究系统演化 转化 协同和控制的一般规律 研究系统间复杂关系的形成规律 结构和功能的关系 有序 无序状态的形成规律等 系统工程把自然科学和社会科学的某些思想 理论 方法 策略和手段等 根据总体协调的需要 有机地联系起来 应用定性和定量分析相结合的方法和计算机等技术工具 对系统的构成要素 组织结构 信息交换和反馈控制等功能进行分析和设计 以实现系统的综合最优化 5 2020 4 16 2 2系统工程的理论基础系统工程宽广的理论基础及工具框架如图2一3所示 图2一3系统工程理论基础及工具 6 2020 4 16 控制论 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 控制论的产生与发展维纳 NorbertWiener 于1948年出版了 控制论 一书 他对控制论 Cybernetics 的定义是 关于动物和机器中控制和通信的科学 维纳的控制论阐述了两个根本观念 7 2020 4 16 一切有生命 无生命系统都是信息系统 无论是机器还是生物 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 一个系统一定有它的特定输出功能 必须有相应的一套控制机制 控制论的发展经历了三个时期 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 控制论发展的第二个时期为20世纪60年代 即现代控制理论时期 20世纪70年代以后是第三个时期 即大系统控制理论时期 8 2020 4 16 控制论的基本概念和分类控制系统的构成 由施控器 受控器和控制作用的传递者三个部分所组成 图2一4闭环控制系统框图 9 2020 4 16 控制系统的分为开环控制系统和闭环控制系统1 开环控制系统 由系统的输入直接控制着它的输出的 没有反馈回路 对环境的适应能力差 只有当外界干扰较小或干扰恒定时 这种控制系统才能正常发挥作用 2 闭环控制系统 具有反馈回路的控制系统 输出由输入和输出的回输共同控制 对环境有较大的适应性 与开环系统相比 它不仅多了一条把输出回输到原来的控制器的反馈回路及反馈装置 还多了一个比较器 如图2 4所示 10 2020 4 16 控制论重点研究带有反馈回路的闭环控制系统 控制论首要的观点是反馈 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 如果输出反馈回来弱化了输入变化导致的偏差 这就是负反馈 正反馈的作用是用来放大某种作用或效应 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 机器和生物一般都通过负反馈来达到控制目的 负反馈是系统稳定的基本机制 11 2020 4 16 控制论的另一个重要观点是信息 控制系统是通过信息的传输 变换和反馈来实现控制的 控制论对系统工程方法论的启示黑箱一灰箱一白箱法所有的科学问题都是作为 闭盒 黑箱 问题开始的 研究途径是利用闭盒的输入和输出 12 2020 4 16 黑箱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系统 白箱指系统内部的构成十分清楚的系统 灰箱指介于两者之间的系统称 黑箱方法 就是采用不打开系统 活体 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 任何时候 人们总得采用不打开黑箱的方法研究事物 解决问题 13 2020 4 16 灰箱方法则指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方法更容易解决问题 这方面的知识可以参考灰色系统理论的有关书籍 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 如早期的计算机就是从模拟人的计算功能开始的 是一个成功的例子 又如对苍蝇复眼功能的模拟 造出蝇眼式照相机 它们的构造物质截然不同 但达到了功能上的模拟 这种方法实际上是把研究对象作为一种黑箱 14 2020 4 16 信息论信息论的产生与发展于20世纪40年代末产生 其主要创立者是美国的数学家申农和维纳 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 主要研究通信问题 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 包括前两项的研究内容 还包括所有与信息有关的领域 15 2020 4 16 信息论的基本概念信息的定义申农将信息定义为 两次不定性之差 即 不定性减少的量 信息 量 通信前的不确定性 通信后尚存的不确定性 2 1 从通信角度看 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 从实用角度看 信息是指能为人们所认识和利用的 但事先又不知道的消息 情况等 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 信息是系统的组织性的量度 16 2020 4 16 信息概念的特点信息源于运动 事物都具有信息表征 信息可以被感知 处理和利用 信息能消除人们对事物运动状态认识上的不确定性 信息共享不同于实物的交流 信息可以脱离产生者而被传递 信息的使用价值具有相对性 信息具有时效性 信息不遵守能量守恒定律 17 2020 4 16 信息 物质 能量的比较表2一1物质 能量 信息三者的比较 18 2020 4 16 通信问题的模型通信过程构成 信源 发信者 发出信息 通过信息通道来传送信息 最后由信宿 收信者 获取信息 申农通信系统结构模型 如图2 5所示 图2一5申农通信系统结构模型 19 2020 4 16 信息量度量信息大小的量 信源产生的通信信息 正是概率论中所研究的随机现象 信息的定量描述就可用概率的方法来实现 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 概率小的事件发生时所含的信息量大 如P i 1 10所含的信息量很低 p i 1 10000所含的信息量很高 如果事先知道某事情肯定会发生 出现概率为1 有消息告诉我们这件事的确发生了 并没有消除任何不确定性 所得信息量为0 采用对数作为信息的度量 若某事件出现概率为p 则这一事件所具有的信息量为 20 2020 4 16 2 2 单位为比特 bit 信息量常用单位 如上抛一硬币 只有两种可能性状态 正面朝上或反面朝上 每种状态出现的概率为0 5 每种状态所具有的信息量为 1bit是含有两个独立等概率可能状态的事件 择其中之一时所具有的信息量 信息源可能发出的全部符号所包含的信息量之和 就是信源所具有的总信息量 计算出信源发出的每一个符号所包含的平均信息量 这个平均值就是信源平均信息量 即信息熵 计算信源信息量的一般方法 申农信息熵公式 整个信源的各状态所具有的平均不定性数量的数学期望 即平均信息量 2 3 21 2020 4 16 信息熵与物理学中熵在计算公式上仅差一个负号 熵是系统紊乱程度的表征 而信息是表示系统不定性的减少 一个系统所获信息量越大 系统就越有序 熵就越小 反之 所获信息量越小 系统就越无序 熵就越大 信息量是一个可以看作几率量的对数之负数 它实质上就是负熵 熵的获得永远意味着信息的丢失 而不是别的 信息论及方法论的启示信息方法 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 信息方法把系统有目的的运动抽象为一个信息变换过程 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 22 2020 4 16 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 有利于管理 决策科学化 指明了信息沟通的重要性 一般系统论一般系统论的产生过程实验科学时代的还原论自然科学初期 实验科学时代 主要任务是分析事物内部细节 收集 整理资料 分门别类地进行研究 科学的主要趋势是分化 与之相适应的是分析解剖法 还原论占统治地位 曾取得了很大成功 从而对其他科学研究产生了巨大影响 但局限性也日渐显现 23 2020 4 16 一般系统论的产生20世纪20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 因此冯 贝塔朗菲开始了理论生物学的研究 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 24 2020 4 16 一般系统论的基本观点系统的整体性 要素和系统不可分割 凡系统的组成要素都不是杂乱无章的偶然堆积 而是按照一定的秩序和结构形成的有机整体 系统整体的功能不等于各组成部分的功能之和 在系统论中 1加1不等于2 这是贝塔朗菲著名的 非加和定律 系统整体具有不同于各组成部分的新性质或功能 系统的开放性系统的动态相关性系统的层次性 25 2020 4 16 系统的有序性系统方法论的启示系统方法论主张以系统的观点去看整个世界 不能片面 孤立地看问题 系统方法论主张以整体论代替还原论 对事物的层层剖析 弱化事物各部分间的联系 认为整体是部分的简单加和 这种思想不利于从总体把握事物 对事物的整体功效认识不清 系统方法论主张以目的论代替因果论 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运动规律 26 2020 4 16 系统方法要求遵循整体性 动态性和最优化原则 耗散结构理论耗散结构理论 协同学 突变论是对系统论的发展 起源牛顿时间和梅格森时间在牛顿力学体系中时间无方向性 可逆的 具有对称性但在进化论中时间却是不可逆的 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 退化与进化两种趋势 27 2020 4 16 退化 即从有序向无序的转变 如冷热物体相接触 冷变热 热变冷趋于相同温度 一滴墨水滴入水中而淡化 非生命系统从高级向低级的变迁 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 在19世纪热力学第二定律认为孤立体系总是朝着熵取最大值的状态即最无序的状态演化 熵增原理让人们得出了 宇宙热寂说 的悲观结论 认为世界在退化 而达尔文的生物进化论认为 生物界的从简单到复杂 由低级到高级 序是不断增进的 向人们描述的是世界在由低级向高级转变的进化场景 生物进化论这两种截然相反的结论造成了科学界 哲学界的长期争论 28 2020 4 16 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 而不产生其他影响 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他影响 能量的耗散性 为描述自发过程耗散能量和增加无序程度的特性 德国物理学家R 克劳修斯引入了熵的概念 熵是一种状态函数 通常用S表示 对孤立系统 熵永不减少 恒有 dS 0 2 6 这是热力学第二定律在孤立系统中的一种数学表示形式 29 2020 4 16 熵的统计热力学表示 2 7 式中k为玻尔兹曼常数 p是热力学几率 热力学第二定律表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dS 0 熵是混乱度 无序度 的度量 开放系统的热力学第二定律系统的熵变化dS可由两部分组成 30 2020 4 16 dS diS deS 2 8 diS 是系统内部混乱性自发产生的熵 因自发过程是不可逆的 依据热力学原理产生熵增 因而diS 0 deS 是系统与外界交换物质 能量和信息而引起的熵流 熵交换 但deS可正可负 有四种可能情形 1 若deS 0 系统是封闭的 与外界没有交换 内部的熵产生使系统混乱程度不断增加 不可能出现系统自组织 只可能有组织的退化 若deS 0 则表示系统平衡态受到扰动 但保持近于平衡 2 若deS 0 与外界交换得到的是正熵 增加了系统的总熵 总熵变dS 0 加速了系统趋向平衡态的运动 系统以比封闭状态下 31 2020 4 16 以更快的速度增加混乱程度 不会发生自组织 3 若deSdiS 从环境中得到的负熵大于内部的熵增加 总熵变dS 0 系统出现减熵过程 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 即自组织过程 只有正确而又充分地对外开放 才能保证系统出现自组织 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 32 2020 4 16 耗散结构理论简介耗散结构概念是相对于平衡结构概念提出来的 1969年比利时物理学家普利高津 I Prigogine 提出了耗散结构学说 一个远离平衡态 平衡态时熵最大 的开放系统 不管是力学 物理的 化学的 还是生物的和社会的 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 通过与外界交换物质 能量和信息等 使系统从原来的无序状态转变为一种时间 空间或功能的有序状态 这种远离平衡态的 稳定的 有序结构被称为 耗散结构 DissipativeStructure 如贝纳德流就是一种耗散结构 33 2020 4 16 平衡结构虽稳定有序 但是一种 死 结构 它不需要靠外界供应物质 能量来维持 耗散结构是一种 活 结构 它要不断同外界交换物质 能量来维持其有序状态 普利高津着重阐述的几个基本观点 1 开放系统是产生耗散结构的必要前提 维持和存在的基础 2 非平衡态是有序之源 3 涨落导致有序 4 非线性动力学机制 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 34 2020 4 16 耗散结构演化过程多级分支图多级分支图 35 2020 4 16 图中 x为系统的某一特征量 例如是化学反应系统中某一成分的浓度 入为某一物理量 例如控制化学反应的一个参数 当系统离开平衡状态不远时 近平衡区 即影响系统的参数入数量不大时 可以得出单一热力学分支a 当入超过某一阈值入1时 在B点之后会出现2个分支 得到3个解 b1 b2和b3 其中b1和b3是稳定解 b2是不稳定解 稳定解用实线表示 不稳定解用虚线表示 到达入2以后 又可以得出C1 C2 C3等稳定解和不稳定解 以此类推 在各分支点之后 则出现新的结构 在分支点附近 系统有几种状态可供选择 究竟哪一种状态成为现实 完全依赖于涨落和控制参量的改变方式 36 2020 4 16 耗散结构理论具有普遍科学方法论的性质耗散结构理论是科学 技术 经济 管理等领域用以解决一系列综合问题的方法论工具 耗散结构理论表明以物质 能量和信息为基本要素的复杂系统 可以用一种普遍适用的概念和规律来描述 如有序 涨落 失稳 分支等 耗散结构理论推进了系统自组织理论的发展 对系统科学的发展有重要理论意义 协同学协同学是研究开放系统在保证外流条件 如何能够自发地产生一定的系统有序结构或动能行为的一门新兴学科 深刻地反映了自然界和人类社会不断发展与演化的机制 37 2020 4 16 原西德理论物理学家哈肯 Haken 长期从事激光理论研究 发现激光呈现出丰富的合作现象 从而得出了协同作用的重要概念 于20世纪70年代后期创立了协同学 哈肯认为 任何一个包括有大量子系统的复杂系统 在与外界环境有物质 能量 信息交换的开放条件下 通过各子系统之间的非线性的相干作用 就能产生各子系统相互合作的协同现象 使系统能够自动地在宏观上产生空间 时间或功能的有序结构 出现新的稳定状态 系统演化的这种过程 称为自组织 自组织是指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和功能 它具有内在性和自主性 自组织的演化过程是开放系统中大量子系统集体的 自发的 自动的协同合作效应 38 2020 4 16 哈肯认为系统由无序到有序的关键不在平衡 非平衡或者离平衡态有多远 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 协同学的基本原理 1 协同效用原理即 协同导致有序 2 支配原理 两类变量 快变量与慢变量 即序参量 起支配控制作用的变量是慢变量 3 自组织原理 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 以及内部的非线性机制 而协同学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 39 2020 4 16 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 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