系统科学基础

系统科学基础 系统科学基本概念 系统概念 系统SYSTEM这个词来自拉丁文 是 群 与 集合 的意思 系统可以定义为 具有一定功能的 相互间具有有机联系的 由许多要素或局部结构部分组成的整体 如波音747飞机由7千万个零部件组成一工作体 因此系统是由相互联系 相互依赖 相互制约 相互作用的事物和过程组织成的具有整体功能和综合行为的统一体 系统概念 为了实现系统自身的稳定和功能 系统需要以一定方式取得 使用 保持和传递能量 物质和信息 也需要对系统的各个构成部分进行组织 系统的内部组织是协同的 有序的 生物系统的组织是一种自组织 一切非自然系统的组织都是人为的组织 而工程中的自动控制系统 能够根据环境的某些变化重新组织自己的运动 系统无处不在 一个蒸汽机自动调节器是一个系统 一部自动机器是一个系统 一条生产线是一个系统 一个企业是一个系统 一个联合企业体系是一个系统 整个国民经济是一个系统 一个生物个体是一个系统 生物圈是一个系统 岩石圈是一个系统 大气圈是一个系统 整个自然界也是一个系统 一个行政组织是一个系统 整个社会是一个系统 整个社会组织中的各个要素本身也是一个系统 有小系统 大系统 也有巨型系统 有工程系统 生物系统 经济系统 信息系统 也有社会系统 有高速系统 也有慢速系统 有长久系统 亦有瞬态系统 系统的分解 系统是可以分解的 一个系统可以是一个更大系统的组成部分 而该系统本身又可包含若干个子系统 因此 系统是有层次的 每个系统都有它的层次结构 规模 环境和功能 如地球 太阳系 银河系 宇宙 系统思想的产生 用自发的系统概念考察自然界 这是古代中国和希腊唯物主义哲学思想的一个特征 古代辩证唯物的自然观 强调对自然界整体性 统一性 层次结构和有序性的认识 包含了系统思想的萌芽 但由于缺乏对整体系统各个环节及其联系的认识能力 因而对整体性和统一性的认识是不完全的 系统思想的产生 人类自有生产活动以来 无不在同自然系统打交道 且都有辩证地论述 周秦至西汉初年古代医学总集的 黄帝内经 强调人体各器官的有机联系 生理现象和心理现象的联系 身体健康与自然环境的联系 战国时期李冰父子设计修造了伟大的都江堰水利系统工程 共有分水 排砂 引水三大主体工程和一百二十个附属渠堰工程 各工程之间紧密联接构成一个系统工程总体 系统思想的产生 十五世纪下半叶 力学 天文学 物理学 化学 生物学等逐渐从混为一体的哲学中分离出来 近代自然科学发展了研究自然界的独特分析方法 包括具体实验 把自然界的细节从总的自然联系中抽出来 分门别类地加以研究 已经体现出了系统的思想 系统思想的产生 十九世纪上半期 能量转化 细胞和进化论的发现 使人类对自然过程相互联系的认识有了很大提高 建立在十九世纪自然科学成就基础之上的辩证唯物主义 认为物质世界是由无数相互联系 相互依赖 相互制约 相互作用的事物和过程所形成的统一整体 辩证唯物主义体现的物质世界普遍联系及其整体性的思想 也就是系统思想 系统科学 系统科学是在自然科学 数学科学和社会科学三大科学之外形成的新的科学技术 如同自然科学中不仅有工程技术 技术科学 而且还有基础科学如物理学 化学等一样 系统科学也有基础科学 系统科学这门基础科学的材料 一方面来自从工程技术实践 另一方面来自自然科学和数学科学中的系统理论成果 把两方面材料融会贯通 综合发展 就可以建立起系统科学的基础科学 系统科学 系统科学从到运筹学 控制论和信息论 再到系统学 形成一个体系 经过现代科学技术的飞速发展 大大丰富了的 系统观 系统科学的成就将形成直接改造客观世界的能力 促进其它科学技术的发展 现代科学技术体系学 从文艺复兴到产业革命 科学的发展主要是自然科学 十九世纪中期开始了社会科学的发展 在自然科学的部门中 十九世纪下半叶出现了工程技术 二十世纪初出现了技术科学 今天 自然科学 社会科学和技术科学是已经形成的三大科学技术体系 系统科学 思维科学和人体科学是正在形成的三个新的科学技术学科 直接与改造客观世界的实质活动相联 形成了现代科学技术体系学 系统工程 现代科学技术科学中 直接与改造客观世界的实践相联系的是一类新的工程技术 系统工程 这类工程技术的共同理论基础是运筹学 控制论和信息论等三门科学 系统工程 系统工程 指设计新系统的科学方法 系统分析 指对若干可供选择的执行特定任务的系统方案进行选择比验 如果上述选择比较着重在成本费用方面 即为费用效果分析 系统研究 指拟制定系统的实现程序 在科学技术体系结构中 系统工程如工程技术一样 用定量化系统方法处理大型复杂系统问题 系统工程也是一个总类名称 系统的分类 A 自然系统与人造系统 如一年四季生态环境系统与空调温室人造环境系统 太阳系统与卫星系统 B 实体系统与抽象 概念 系统 飞机系统与虚拟飞行模拟系统 因特网与信息高速公路 C 静态系统与动态系统 建筑系统与社会系统 D 开放系统与封闭系统 通信网络系统与化学反应罐内部系统 核反应堆系统 系统工程分类 系统工程不是一类系统的组织管理技术 而是各类系统组织管理技术的总称 各类系统工程的共同特点在于 把定量化的系统思想方法应用于组织管理的工程实践 寻求实践效果的优化 系统工程分类 因处理的体系性质不同 还可以再分门类 如工程体系的系统工程叫工程系统工程 生产企业或企业体系的系统工程叫经济系统工程 行政体系的组织运转叫行政系统工程 科学技术研究的组织管理叫科研系统工程 军事组织指挥叫军事系统工程 信息编码 传输 存储 检索 读出显示系统的组织管理叫信息系统工程 系统的特征 抽象系统的特征可分为以下几点 A 整体性 一体性 完整性 如飞机 卫星 汽车等等B 相关性 相互制约 如系统的部件之间和外部环境等 C 目的性与功能 系统都具有自己的功能和目的 如飞机在空中飞行 D 环境适应性 接口交换功能 如能承受环境变化的影响 实用性 E 动态性 系统运动形态 相互交换 可自适应调整系统与外界的相互影响 F 有序性 生与死的过程 如产品的生产 使用 损坏 系统工程的三个特点 A 研究的对象广泛 包括人类社会 生态环境 自然现象和组织管理 B 系统工程是一门跨学科的边缘学科 不仅要涉及数 理 化 生物等自然科学 还要用到社会学 心理学 经济学 医学等与人的思想 行为 能力等有关的学科 是自然科学与社会科学的交叉学科 系统工程形成了一套处理复杂问题的理论 方法和手段 使人们在处理问题时 有系统的整体的观点 系统工程的三个特点 C 在处理复杂的大系统时 常采用定性分析和定量计算相结合的方法 处理系统工程问题不仅要有科学性 而且要有艺术性和哲理性 因为研究的对象往往涉及到人 这就涉及到人的价值观 行为学 心理学 主观判断和理性推理等 因而系统工程研究的大系统非常复杂 商业部门的水桶效应以及工程对策 设计 生产 运输 销售 宣传 品牌 员工素质 管理人员素质 社会环境等等 工程系统工程 现代工程体系的规模和复杂性日益增长 出现了所谓大系统的工程体系 四十年代 美国研制原子弹的 曼哈顿计划 参加者一万五千人 六十年代 美国的 阿波罗载人登月计划 参加者四十二万人 五十年代末六十年代初我国开始着手的国防尖端技术工程发展计划等等 就是这类大工程系统 工程系统工程 研制一种战略核导弹 就是研制由弹体 弹头 发动机 制导 遥测 外弹道测量和发射等分系统组成的一个复杂系统 它可能又是由核动力潜艇 战略轰炸机 战略核导弹构成的战略防御武器系统的组成部分 导弹的每一个分系统在更细致的基础上化分为若干装置 如弹头分系统是由引信装置 保险装置和热核装置等组成的 一个装置还可更细致的分为许多电子和机械构件 在组织研制任务时 一直细分到由每一个技术人员承担的具体工作为止 工程系统工程 导弹武器系统是现代最复杂的工程系统之一 要靠成千上万人的大力协同工作才能研制成功 研制这样十类复杂工程系统所面临的基本问题是 怎样把比较笼统的初始研制要求逐步地变为成千上万研制任务参加者的具体工作 以及怎样把这些工作最终综合成 个技术上合理 经济上合算 研制周期短 能协调运转的实际系统 并使这个系统成为它所从属的更大系统的有效组成部分 美国最先出现了为导弹研制计划提供这种技术服务的新型机构 工程系统工程 工程系统工程的关键之一是总体设计 工程系统规划是工程系统总体设计部门所设计的 是工程系统的 总体 是工程系统的 总体方案 是实现工程系统的 技术途径 工程系统工程一般有两大方面的任务 以技术和经济数据为依据 对拟议的工程系统进行可行性研究 运行使用各个阶段的总体设计 工程系统工程 由于研制周期越来越长 为了避免人力 物力和财力的浪费 需要对拟建工程系统的必要性 技术经济可行性 技术经济指标和使用效率进行论证 评估和预测 进行工程系统的总体规划和总体设计 军事系统工程 总结截至拿破仑为止的军事历史 把军事领袖对军队的战略领导称之为艺术 在这里智力活动离开了严格的科学领域 即离开了逻辑学和数学的领域 而成为艺术 这里所谓艺术 是指军事领袖都是依靠自己的个人才智亲身设计战略计划并直接指挥军队的 这种才智是离开科学方法的战略领导 军事系统工程 第二次世界大战期间 一大批科学家被邀请去帮助解决复杂的战术决策问题 这些科学家以自觉而有组织的形式 在一个传统上靠艺术技巧处理问题的领域 播下了新思想的种子 用数学模型 模拟实验来实现决策选优和战术实施 这些有组织的科学活动 产生了两个有深远意义的结果 一是包括运筹学理论 对策模拟方法和电子计算机应用在内的现代参谋技术的发展 一是利用现代参谋技术为战术 装备运用 指挥控制和后勤保障等参谋业务提供定量材料的发展 军事系统工程 利用现代参谋科学方法和现代参谋组织 在战略 战术 装备运用 组织指挥 后勤保障等方面实施参谋职能的科学活动过程 称为军事系统工程 农业系统工程 农业是利用太阳光的能量 通过生物转化 生产出人们所需要的食物 工业原料和生物能源 并且改造自然 创造人类和生物本身所需要的理想生态环境的产业 综合经营的农业 包括粮食作物和经济作物的种植业 林业 牧业 禽业 渔业 包括养蚕 养蜂 以虫治虫等昆虫利用 包括利用微生物搞发酵饲料 沼气 微生物蛋白质等 包括副业加工编织 淀粉 豆制品 手工艺品等 即在传统的几业之外 还要加上生物资源业和微生物业等生物工程和基因工程 社会系统工程 系统思想用来研究社会 这是马克思的 资本论 所开拓的方向 用数学模型分析社会的经济活动 是以数学模型和计算机实验为基础的社会经济研究方法 用数学模型和计算机分析社会经济策略 问题已不在计算机速度方面 而是更多地集中在组织建立大型数据库和描述包含大量数据的计算结果上 几乎所有的社会经济策略 都可以进行计算机实验研究 数学模型和计算机提供的实验数据 可以作为预见社会经济策略效果的依据 社会系统工程 正确建立宏观经济的数学模型 把数学模型和拟议的建设方案或改进措施结合起来 在计算机上进行社会建设的模拟实验 从模拟实验结果中 选出两个以上实现经济 社会协调发展的方案 提供国家权力机构审查决策 在建设规划和计划实施过程中 根据执行情况和政治 经济 科技的新发展 及时进行新的计算分析 提出调整规划计划的报告 这就是社会系统工程大致的实践过程 系统工程方法论 系统工程方法论是解决系统工程问题的一整套公开的程序和方法 已经被越来越多的人所认识 言语教学和图解是系统工程方法论进行相互沟通的要素 许多学者对系统工程方法进行了大量的探讨工作 但是企图找到能够处理世界上所有问题的标准方法的想法是不现实的 也是根本不可能的 系统工程方法论 然而 实践证明 尽管没有这样一个方式方法 总还可以找到一个能适应各种不同问题的方法思路和思想方法 即方法结构 在这些方法结构中 在国外影响最大的是美国学者霍尔提出的系统工程三维结构 简称三维结构 它概括地表示出系统工程的步骤和阶段 以及涉及到的知识范围 它是各种具体系统工程方法的基础 其三维是时间 逻辑和知识 系统工程三维结构 时间维表从规划到更新的大略顺序 共分为七个阶段 1 规划阶段 谋求系统工程的政策或规划 2 拟订方案 提出具体的计划方案 3 研制阶段 实现系统的研制方案 并做出生产计划 4 生产阶段 生产出系统的零部件及整个系统 并提出系统的安装计划 5 安装阶段 把系统安装好 并完成系统的运行计划 6 运行阶段 系统为预定的使用服务 7 更新阶段 取消旧系统以新系统代之 或将原系统改进 使之更有效地工作 系统工程三维结构 逻辑维系的每一个阶段要完成的步骤 共有七个步骤 1 摆明问题 尽量全面地收集和提供有关要解决问题的历史 现状及发展趋势的资料和数据 2 系统指标设计 弄清并提出解决问题需要达到的目的 而且实行衡量是否达到目的的标准 3 系统综合一一把可能入选的能够达到目标的政策 活动 控制或整个系统概念化 条理化 系统工程三维结构 4 系统分析和建立模型 根据目标的达到 问题的解决和需求的满足去加深理解所提出的政策 活动 控制或系统的相互关系 性能和特征 建立模型是对系统工程中活动的一个抽象 它必须反映现实 又往往高于现实 建立模型的关键是要抓住主要矛盾 这样 通过模型中各变量要素的分析研究得出的结论才会是有效的 否则 会带来灾难性后果 5 最优化或选择阶段的评定 精心选择所提出政策的参数与系数 使得每个政策都是能够满足系统指标的最优政策 系统工程三维结构 6 决策 选定一个或多个政策或进一步考虑系统的价值 7 实施计划或执行下一个阶段计划 不断修改 完善上述六个步骤 并把它们确定下来 以保证顺利地进入系统工程的下一个阶段 知识维 指的是完成上述各阶段 步骤所需的各种专业知识和技术素养 系统工程活动矩阵 七个逻辑步骤和七个时间阶段归纳在一起 形成所谓系统工程活动矩阵 利用三维结构及其活动矩阵 可以得到预测工业与社会改革的经济成本和社会收益的模型 进一步确立实行改革所必需的各种技术的有关成本 收益因素的初始结构 根据这种初始结构再进行评定 测辨和改进 以确保所选取的改动 不但在技术上是完善的 而且是以最小的代价获取最大的社会收益 开放系统 开放系统是一种新兴的技术 严格地讲 开放系统是一类系统的总称 我们之所以说它是一种新技术 是因为它体现了一种新的系统设计思想和策略 是对传统系统设计方法的一次革命 开放系统的形成和发展已经 且将继续对信息产业产生巨大的影响 这种影响不仅是针对厂商的 也是针对用户的 开放系统定义 开放系统是对一个不断发展和厂家中立系统的有效配置 操作过程 可替换的接口 服务的内容 协议和格式的规范等方面内容所进行的描述 它的应用和组成部分可以用不同厂家的其它相同部件实现替代 如总线的接口定义和通信协议等 开放系统有两个最基本的特点 开放系统所采用的规范是厂家中立的 或者说是与厂家无关的 开放系统允许用不同厂家的产品替换 这种替换包括对整个系统及其组成部件 模块 开放系统的实质是 制定规则 引入竞争机制 开放系统标准 开放系统标准主要是指开放系统开发环境和开放系统运行环境标准 而不是指一个特定的开放系统所采用的标准 由于开放系统技术起步还不久 ISO还很难制定出一个好的完整标准 但开放系统的发展又急需一个标准的开发环境和运行环境 因此开放系统也只能以现有的技术为基础逐步发展 驱动开放系统发展的基本要素 任何一门新技术的发展都要受到四个基本要素的驱动 这四个基本要素是功能 可用性 复杂性和价格 对一种新技术而言 其功能往往在开始时是不完善的 但会随着技术的发展逐渐上升 同样 一种新技术的可用性在开始时一般都很有限 但随着发展会逐渐扩大 相反 一种新技术的复杂性开始往往很高 然后在后续版本中逐渐减少 同样 价格也是从开始的很高逐渐降低 开放系统集成技术及其发展 可以将开放系统分为应用开发和运行环境两部分 开放系统应用开发和运行环境为各种应用系统的开发和运行提供了统一的支撑平台 而开放系统将应用开发和运行环境连接在一起 开放系统互操作性也就大大加强 这也是开放系统发展最快的一个方面 开放系统集成技术及其发展 可以说 开放系统产品为不同厂家的产品集成在一起提供了统一的场所 开放系统产品不只是连接同类环境 今后将更多地用于连接不同环境 开放系统的这种功能对厂家来说是非常有益的 因为没有关于格式及协议的共识 互操作性将很难达到 随着市场的发展和开放意识的增强 厂家急需开发与其它厂家产品建立连接的技术 没有一个共同的标准 这种开发将更加费时费力 因此厂家自然将标准看成是降低开发费用的一种途径 当然厂家也不会放弃其专用协议 因为厂家需通过它来提高效率 开放系统互连模型 开放系统互连模型 OPENSYSTEMINTERCONNECTION 是国际标准化组织 INTERNATIONALSTANDARDIZATIONORGANIZATION 七十年代提出了开放系统互连 模型 这是一个定义连接异种计算机的标准主体结构 为 开放 系统提供了基础 开放 表示能够使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统进行连接 OSI参考模型 OSI参考模型是设计和描述网络通信的基本框架 OSI参考模型的系统结构是层次式结构 由七层组成 OSI参考模型定义了不同计算机互连标准的框架结构 得到了国际上的承认 被认为是新一代网络的结构 它通过分层把复杂的通信过程分成了多个独立的 比较容易解决的子问题 在OSI模型中 下一层为上一层提供服务 而各层内部的工作与相邻层是无关的 OSI参考模型中的7个层次 各层的功能 应用层 用户只需关心要交换的信息 使用 如发电子邮件 表示层 完成数据转换 格式化和文本压缩 用进程协议数据表示信息 秘书 会话层 提供两进程之间建立 维护和结束连接的功能 需要命名约定方案和编址方案 收发 传输层 提供建立 维护和拆除传送连接功能 选择网络层的最佳服务 完成透明数据传输 提供错误恢复和流量控制 邮递 各层的功能 网络层 控制分组传输 路由选择 拥挤控制 网络互联等功能 根据传输层的