管理系统工程 课件 第2章 系统思想与系统理论

第2章系统思想与系统理论学习目标思维导图了解并掌握系统思想的演变与发展过程，以及各阶段的主要特征了解并掌握经典的系统工程理论的主要观点Content目录012.1系统思想的发展及应用022.2系统工程的基础理论2.1系统思想的发展及应用012.1.1系统思想的起源与发展系统思想的发展大致经历了三个阶段：第一个阶段是古代朴素的系统思想阶段；第二个阶段是形而上学阶段；第三个阶段是科学的系统思想阶段。（1）古代朴素的系统思想阶段古希腊唯物主义哲学家德谟克利特提出“宇宙大系统”的概念古希腊哲学奠基人之一赫拉克利特提出“世界是包括一切的整体”亚里士多德提出“整体大于部分的总和”，欧洲思想史上第一个有意识地以系统整体思想为指导来研究自然，并对许多学科进行系统性分类的人。西周时代，出现了世界构成的“五行说”，即世界由金、木、水、火、土五种要素构成。《孙子兵法》从系统整体观念出发，对不同层次的战争系统与环境进行了全面分析，是我国古代深刻的军事思想的具体体现。《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。春秋末期思想家老子强调自然的统一性，指出“道生一、一生二、二生三、三生万物”。古代朴素的系统思想强调对自然界的总体性、统一性的认识，却缺乏对这一总体各个细节的认识能力，因而对总体和统一性的认识也是不完全的。2.1.1系统思想的起源与发展系统思想的发展大致经历了三个阶段：第一个阶段是古代朴素的系统思想阶段；第二个阶段是形而上学阶段；第三个阶段是科学的系统思想阶段。（2）形而上学阶段对自然界这个统一体各个细节的认识，是近代科学的主要任务。近代自然科学发展了研究自然界的方法论（称为还原论）及其一整套分析方法，包括实验、解剖、观察，数据的收集、分析与处理等，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。这种考察自然界的方法移植到哲学中，就成为形而上学的思维方式。形而上学的出现有其历史根源，也是时代的需要，在深入的、细节的考查方面比古代朴素的系统思想有了明显进步。在300多年（15世纪下半叶至18世纪上半叶）发展中，对科学、技术、文化的蓬勃发展起了不可磨灭的作用。形而上学撇开总体的联系去考查事物和过程，堵塞了自己从了解部分到了解总体、观察普遍联系的道路。形而上学避开事物的总体的联系来考察事物和过程，有很大的局限性。2.1.1系统思想的起源与发展系统思想的发展大致经历了三个阶段：第一个阶段是古代朴素的系统思想阶段；第二个阶段是形而上学阶段；第三个阶段是科学的系统思想阶段。（2）科学的系统思想阶段19世纪上半叶，能量转化、细胞学说和进化论的提出，为马克思主义哲学提供了丰富的资料，为唯物主义自然观建立了更加巩固的基础。19世纪的自然科学本质上是整理材料的科学，关于过程、关于这些事物的发生和发展以及关于把这些自然过程结合为一个伟大整体的联系的科学。马克思、恩格斯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，就是系统思想。2.1.1系统思想的起源与发展系统思想的发展大致经历了三个阶段：第一个阶段是古代朴素的系统思想阶段；第二个阶段是形而上学阶段；第三个阶段是科学的系统思想阶段。综上，系统思想的发展经历了从古代朴素的系统思想到形而上学，再到科学的系统思想的三个阶段，这三个阶段的特征形象通俗的比喻就如同“只见森林”，“只见树木”，再到“先见森林，后见树木”。在此过程，系统思想也完成了从经验到哲学，从思辨进展到定性论述的发展。著名的德国物理学家普朗克指出：“科学是内在的整体，它被分解为单独的部分不是取决于事物本身，而是取决于人类认识能力的局限性。实际上存在着从物理学到化学，通过生物学和人类学到社会学的连续的链条，这是任何一处都不能被打断的链条。”系统思想、系统工程和系统科学所研究的正是这根链条。2.1.2我国古代朴素系统思想的应用（1）都江堰大型水利工程都江堰水利工程位于成都平原西北风景秀丽的灌县，是公元前256年秦昭襄王时期，由当时的蜀郡太守李冰父子率领当地民众修筑的。它纵跨四川二十七个县市、灌溉面积达九百多万亩，使川西平原不受旱灾与水灾的侵袭，成为富饶的天府之国。2.1.2我国古代朴素系统思想的应用（1）都江堰大型水利工程都江堰水利工程有“鱼嘴”岷江分水工程，“飞沙堰”分洪排沙工程，“宝瓶口”引水工程三大主体部分，加上一系列灌溉渠道网等一百二十多个附属工程，巧妙地结合，形成一个完整的系统，并与大自然浑为一体。都江堰于2000年被列入《世界遗产名录》。世界遗产委员会的评价：建于公元前3世纪，位于四川成都平原西部的岷江上的都江堰是中国战国时期秦国蜀郡太守李冰及其子率众修建的一座大型水利工程，是全世界迄今为止年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。2200多年来，至今仍发挥着巨大效益，李冰治水，功在当代，利在千秋，不愧为文明世界的伟大杰作，造福人民的伟大水利工程。2.1.2我国古代朴素系统思想的应用（2）田忌赛驷公元前350多年的战国时期，齐威王与大臣田忌赛驷，赌注为千金。他们的驷各有上、中、下三个等级。田忌的上等驷劣于齐王的上等驷而优于齐王的中等驷；田忌的中等驷劣于齐王的中等驷而优于齐王的下等驷；田忌的下等驷劣于齐王的下等驷。如果用同等驷比赛，田忌必定3场皆输。田忌在谋士孙膑的建议下，先用下等驷对齐王上等驷，然后用上等驷对齐王中等驷，用中等驷对齐王下等驷，结果一负二胜，赢得千金。2.1.2我国古代朴素系统思想的应用（3）丁渭复宫室北宋祥符年间，宫中失火。那时，丁晋公丁渭奉命主管修复被烧毁的宫室，但是取土很远是个困难，丁晋公就命令工匠在大街上挖土。没过几日，大街就成了深沟。丁晋公命令工匠将汴河河水引进沟中，再用很多木排竹筏和船将修缮宫室要用的材料顺着沟中的水运进宫中。宫殿修完后，再把废弃的砖瓦、灰土等填到深沟里，又把它恢复为街道。做了一件事却解决了三件费力的事，节省下来的钱用亿万计算。丁渭取土复宫室的方案，把皇宫修复全过程看成一个系统，划分成许多并行的与交叉的工序子系统，统筹规划，通过挖河一举解决就地取土、方便运输、清理废料三个问题，实现“一举三得”，充分体现系统思想。2.1.2我国古代朴素系统思想的应用（4）千年大运河纵贯中国南北的大运河，是世界上开凿最早、规模最大、里程最长的人工运河，至今已流淌2500余年。大运河始凿于春秋时期，历经隋、唐、元、明等朝代大规模扩建与改造，形成了包括京杭大运河、隋唐大运河、浙东大运河在内的庞大水运网络，全长超3200公里，地跨北京、天津、河北、山东、河南、安徽、江苏、浙江等8个省（直辖市），35座城市，是中国古代南北交通的大动脉。大运河还是综合交通网络关键一环。在古代，以漕运为核心，与沿岸道路运输协同，形成水陆联运格局。水运工程、引水工程、蓄水济运工程、河道整治工程、防灾减灾工程等子系统相互配合，共同实现了漕粮运输、商业航运、灌溉、防洪等多重功能。现代，大运河与周边铁路、公路、港口相互衔接，共同构建区域综合运输体系，提升物流效率。2014年，大运河被列入世界遗产名录。Content目录012.1系统思想的发展及应用022.2系统工程的基础理论2.2系统工程的基础理论022.2系统工程的基础理论系统论(SystemTheory)、控制论(Cybernetics)和信息论(InformationTheory)是20世纪40年代先后创立并获得迅猛发展的三门系统理论的分支学科。由于这三个理论得到了广泛应用，因此被人们称为系统科学领域中的“经典三论”。人们摘取了这三论的英文名字的第一个字母，把它们称之为SCI论。耗散结构论(DissipativeStructureTheory)、协同论(Synergetics)、突变论(CatastropheTheory)是20世纪70年代以来陆续确立并获得极快发展的三门系统理论的分支学科，被称为“新三论”，也称为DSC论。2.2.1一般系统论一般系统论是系统工程的重要理论基础。一般系统论的创始人是美籍奥地利理论生物学家贝塔朗菲(L.Von.Bertalanffy)。1925年，他首次提出了系统论的思想。贝塔朗菲把生物的整体、生物整体及其环境作为系统来研究，并且研究更广泛的问题，例如人的生理、人的心理以及社会现象等。1937年提出了一般系统论原理，为系统论奠定了理论基础。贝塔朗菲旗帜鲜明地提出了系统观点、动态观点和等级观点。系统观点即整体观点，生物体是一个开放系统，生命的本质不仅要从生物体各个组成部分的相互作用去认识，而且要从生物体和环境的相互作用中去说明。动态观点，生物体是一个能动系统，具有自身目的性与自动调节性，以其组成物质的不断变化为自身存在的条件。等级观点，生命问题本质上是个组织问题，而生物体组织是有序的。2.2.1一般系统论一般系统论指出复杂事物功能远大于某个组成因果链中各环节的简单总和，认为一切生命都处于积极运动状态，有机体作为一个系统能够保持动态稳定是系统向环境充分开放，获得物质、信息、能量交换的结果。系统论强调整体与局部、局部与局部、系统本身与外部环境之间互为依存、相互影响和制约的关系。贝塔朗菲充分肯定马克思和恩格斯所提出的辩证唯物主义思想对于系统理论形成与发展的作用，他认为虽然起源有所不同，一般系统论的原理和辩证唯物主义的类同，是显而易见的。一般系统论与系统工程的其他理论分支的关系十分密切，互相促进。2.2.2控制论以美国数学家维纳（NorbertWiener）为首的一批科学家，通过总结前人的经验，针对充满矛盾性、不定性和关联性的不完备的客观世界，在深刻揭示了信息、反馈、通信、控制、系统、平衡、因果、稳定、有序、组织等一系列科学概念的本质联系和普遍性的基础上，创立了控制论。1948年维纳出版了第一本控制论著作《控制论或关于在动物和机器中控制和通信的科学》，标志着这门学科的诞生，维纳也被誉为控制论的创始人。维纳的控制论主要阐述了两个基本观点：第一，一切系统都是信息系统。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。第二，一切系统都是控制系统。一个系统一定有它的特定输出功能，而要具有这种输出功能，必须有相应的一套控制机制。控制必须要有目标，没有目标，则无所谓控制。通过一系列有目的的行为及反馈使系统受到控制。2.2.2控制论控制论摆脱了牛顿经典力学和拉普拉斯机械决定论的束缚，使用新的统计理论研究系统运动状态、行为方式和变化趋势的各种可能性。控制论是研究系统的状态、功能、行为方式及变动趋势，控制系统的稳定，揭示不同系统共同的控制规律，使系统按预定目标运行的技术科学。控制论是研究生命系统和非生命系统以及与两者均有关的社会经济系统内部通信、控制、调节、组织、平衡、稳定、计算及其周围环境相互作用或反馈的各种自然科学和社会科学的统一的科学方法论。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。控制论为系统工程实践中对各种系统采取有效的控制策略提供了基础理论和方法。2.2.3信息论信息论的创始人是美国贝尔电话研究所的数学家香农（ClaudeElwoodShannon，1916—2001年），他为解决通信技术中的信息编码问题，突破老框框，把发射信息和接收信息作为一个整体的通信过程来研究，提出通信系统的一般模型，同时建立了信息量的统计公式，奠定了信息论的理论基础。信息论是用概率论和数理统计方法，从量的方面来研究系统的信息如何获取、加工、处理、传输和控制的一门科学。信息就是指消息中所包含的新内容与新知识，用来减少和消除人们对于事物认识的不确定性。信息论认为，系统正是通过获取、传递、加工与处理信息而实现其有目的的运动。信息论能够揭示人类认识活动产生飞跃的实质，有助于探索与研究人们的思维规律并推动人们的思维活动。2.2.3信息论客观世界是由物质、能量、信息三大要素组成的。信息是一种客观存在。任何系统的运行都离不开信息的传递和交换。系统内要素与要素之间、局部与局部之间、局部与系统之间、系统与环境之间的相互联系和作用，都要通过交换、加工和利用信息来实现；系统的演化，整体特性的产生，高层次的出现，都需要从信息观点来理解。信息也是系统工程的基本概念，信息论是研究信息的采集、度量、传输、识别和处理中的一般规律的新兴学科，是系统工程的理论基础之一。现在，信息论已远远地超越了通信的范围，经济、管理和社会的各个领域对信息论都开展了研究和应用。信息论不仅是控制论、自动化技术和现代化通信技术的理论基础，还为研究大脑结构、遗传密码、生命系统和神经病理学等新兴学科领域的研究开辟了新的途径，也为管理科学化和决策科学化提供了依据。2.2.4耗散结构理论耗散结构论(DissipativeStructureTheory)是1969年比利时物理学家普利高津(Prigogine)对非平衡态的不可逆过程进行研究时所提出的一种理论。理论认为：一个远离平衡态的开放系统（无论是力学、物理化学的，还是生命的），通过不断地与外界环境交换物质和能量，在外界条件的变化达到一定的阈值时，由于非线性的复杂因素而出现涨落（系统的非稳定状态），系统会突然出现以新的方式组织起来的现象，由量变可以发生质变，从原来混沌无序的混乱状态，转变为在时空或功能上的有序状态。突变后形成的有序状态称耗散结构。普利高津把这种关于在远离平衡态情况下所形成的新的、稳定的有序结构的理论命名为“耗散结构理论”。2.2.4耗散结构理论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。如现代企业管理系统必须是开放的，一个封闭、没有竞争机制的企业难以存活。统一了可逆与不可逆、进化与退化之间的矛盾，为人类展现了一种全新、科学的自然观和系统的方法论。耗散结构理论不仅发展了经典热力学与统计物理学，还推进了理论生物学，为系统有序结构稳定性提供了严密的理论根据，是现代系统工程的一个重要理论。2.2.5协同学理论协同论（Synergetics）是20世纪70年代后期由德国理论物理学家哈肯（Haken）创立。协同论是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，从低级有序状态向高级有序状态，以及从有序状态向混乱状态转化的机理和共同规律的理论。哈肯认为系统由无序到有序的关键不在于平衡、非平衡或者离平衡态有多远，而在于组成系统的各子系统在一定条件下，相互之间的非线性作用、协同和合作，以及自发产生有序结构，因此强调了协同现象的普遍性和重要性。协同论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。协同论所阐述的基本原理主要为协同效用原理、支配原理和自组织原理。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。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。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。2.2.5协同学理论2.2.6突变理论突变论（CatastropheTheory）由法国数学家勒内•托姆（ReneThom）于1972年创立，以不连续现象为研究对象，是一个新的数学分支，也是系统科学发展中的一个重要分支。突变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，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。突变论认为突变现象的本质是系统从一种稳定状态到另一种稳定状态的跃迁。因此，系统的结构稳定性是突变理论的研究重点。2.2.6突变理论突变论主要观点：第一，稳定机制是事物