系统科学及其发展趋势.ppt

1、2020/8/25,1,八十年代 钱学森“三论”：一般系统论、控制论、信息论,系统科学及其发展趋势 陈潮填 （计算机学院院长、教授、博士）,2020/8/25,2,一、系统科学的含义,1学科范围 理学 系统科学 （01 系统理论 02 系统分析与集成） 工学 控制科学与工程（ 系统工程）2系统科学的体系(钱学森) 系统是由若干要素以一定结构形式联结构成的具有某种功能的有机整体， 而且这个系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。,2020/8/25,3,钱学森提出的系统科学体系结构,2020/8/25,4,系统论是研究系统的一般模式、结构、性能、行为和规律的学问，研究各种系统的共同特征，定

2、量地描述其功能，寻求并确立适用于一切系统的原理、原则和模型。,1)认识系统和特点弄清系统的组成和特点， 如元素、结构，环境，整体性、功能、特性、行为等 2)发现现象和规律揭示和描述系统存在、演化、协同、发展的一般规律 如物理、化学、生物、经济学等 3)探索思路和方法分析问题思考路径和技术方法， 如控制论、信息论、运筹学等 4)解决现实和工程协调、控制、管理、改造、设计和运用系统，达优化目标： 如各种系统工程 自动化技术、通信技术等 5)丰富哲学和思维系统哲学、系统思维,2020/8/25,5,3.系统的属性,（1）.系统的特性 整体性：系统整体的功能不等于各部分功能之和，1+12, 涌现 关联

3、性：包括整体内部的关联、整体与环境的联系，结构性 层次性 目的性 环境适应性 开放性,2020/8/25,6,（2）.系统的行为 演化过程动态性系统的结构、状态、特性、行为、功能等随着时间的变化, 稳定性、发展、自组织、自适应,（3）.系统的功能系统整体性的外在表现 发动机的功能是为车辆或飞行器提供推力 学校的功能是为社会培养人才、提供科研成果、提供社会服务。 了解功能结构是把握系统特性的重要方面,2020/8/25,7,4.学科特点,1)学科交叉，以理为主、理工交叉、理工经管相结合，“T”字型人才 2)方法互通 了解对象要素、结构、环境，信息、反馈； 处理问题认识、描述、规划、设计、管理、控

4、制 熟悉工具数学、计算机 3)成果实用研究课题现实、与社会实际紧密结合，与国计民生密切相关。,2020/8/25,8,二、系统科学的主要方法,1系统工程方法论 1) 美国霍尔（A. D. Hall）的“三维结构”方法论(1969),2020/8/25,9,时间进程（时间维）： 规划阶段；方案阶段；研制阶段； 生产阶段；运行阶段；更新阶段 系统论方法的基本步骤（逻辑维）： 提出、明确问题；选择目标、要素及其相互关系； 调查研究收集数据，系统综合，构建逻辑和数学模型； 根据问题的性质和研究目标，分析系统的特点和研究采用的具体方法；系统评价、根据要求选择最佳方案，提出备选方案和评价标准；评估备选方案

5、、作出决策、提出最可行方案；付诸实施、总结提高。,2020/8/25,10,2) 英国切克兰德的软系统方法,2020/8/25,11,2.系统分析方法 把要解决的问题作为一个系统，对系统要素进行综合分析，找出解决问题的可行方案的方法,要素：目的和目标、可行方案、费用、模型、效果、评价标准、结论； 程序： 原则：以目标为中心，局部与总体结合、定性与定量结合、抓主要矛盾； 技术方法：模型化方法、定量化方法、最优化方法 系统定性预测方法（市场调查预测法、德尔菲法、交叉概率法、 领先指标分析法、类推法）、 定量预测方法（ 简单算术平均法、平滑预测法、回归分析法） 系统评价方法（单项评价法、关联矩阵法、

6、层次分析法、模糊综合评价法） 系统决策分析方法（确定型决策、风险型决策、不确定型决策、 多阶段决策、冲突分析）,2020/8/25,12,3. 系统方法论,还原论方法和整体论方法结合， 分析方法与综合方法结合， 定性描述与定量描述结合， 局部描述与整体描述结合， 确定性描述与不确定性描述结合， 静力学描述与动力学描述结合， 理论方法与经验方法结合， 精确方法与近似方法结合， 科学理性与艺术直觉结合,2020/8/25,13,三. 系统科学发展历史,普朗克（M. Planck, 提出量子论）认为，“科学是内在的整体，它被分解为单独的部门不是取决于事物的本质，而是取决于人类认识能力的局限性。” 系

7、统思想发展历程 经验 哲学 科学、 思辨 定性 定量 古代农事、工程 形而上学辩证唯物主义 系统思想 医药、天文 古希腊朴素的 分门别类 相互联系 数量、计算机 唯物主义自然观,2020/8/25,14,2. 系统科学产生背景,文艺复兴时期 牛顿、笛卡儿、伽利略、莱布尼兹等创立的分析、还原方法 把研究对象分解成部分，以为部分研究清楚了，整体也就清楚。如果部分还研究不清楚，再继续分解下去进行研究，直到弄清楚为止。 物理学的物质结构：分子原子质子、中子夸克 生物学对生命的研究也到了基因层次。 肉眼放大镜显微镜更精密仪器 但是，认识了基本粒子还不能解释大物质构造，知道了基因也回答不了生命是什么。 不

8、能解释生物机体的秩序、目的性和精神，特别是经济、社会等复杂问题。,2020/8/25,15,由上往下分解，还需要由下往上 40年代美籍奥地利理论生物学家贝塔朗菲： 对生物在分子层次上了解得越多，对生物整体反而认识得越模糊。 1945年提出一般系统论， 任务“是确立适用于系统的一般原则”， 概括共性：整体性、关联性、动态性、有序性、终极性（目的性）等,2020/8/25,16,运筹学,30年代末，英国研制雷达系统 武器系统的分析、评价和有效运行制约因素（约束条件） 实现的目标（使其达到极大或极小）。把共性概括成数学模式：联立约束条件方程和目标函数方程并求解。 二战后，军事、战争经济、工业管理。

9、1) 控制论，美国维纳，1948年提炼出极为广泛的一大类系统的共性和规律； 2) 信息论，美国香农1948年从信息语法建立传递信息的通信系统模型； 电子计算机，1948年，冯诺伊曼（von Neumann）实现人类智能的物化,2020/8/25,17,自组织理论,3) 耗散结构理论, 比利时物理化学家普利高津(1977年获诺贝尔化学奖)，1969年。把形成的新有序结构称为“耗散结构”。结构产生的自组织途径。 4) 协同学，德国物理学家哈肯研究结构自发形成的机制，1969年。序参量。 5) 超循环理论，德国生物物理学家艾根，1979年 。 6) 突变论 法国数学家托姆，1972年； 7)混沌学理

10、论、分形论； 8)非线性科学 9)复杂性科学,2020/8/25,18,圣菲研究所：美国新墨西哥州, 1984年,3位诺贝尔奖获得者：盖尔曼（M. Gell-Mann，物理学家）、阿罗（K. J. Arrow，经济学家）、安德森（P. W. Anderson，物理学家）， 宗旨是开展跨学科、跨领域的研究复杂性研究。他们认为事物的复杂性是从简单性发展来的，是在适应环境的过程中产生的。把经济、生态、免疫系统、胚胎、神经系统及计算机网络等称为复杂适应系统，认为存在某些一般性的规律控制着这些复杂适应系统的行为,2020/8/25,19,物理、生物、社会、经济等领域发出共同呼声：突破还原论。 美国科学(

11、Science)杂志于1999年4月2日发表了一个题为“复杂系统”的专辑，邀请物理、化学、生物、经济、生态环境、神经科学等方面8位科学家，撰写对复杂系统的研究进展，前言标题为“超越还原论”。 四.系统理论的主要研究成果 （略）,2020/8/25,20,五. 系统科学的应用：系统工程,1)系统工程的含义 系统工程是组织管理系统的技术，它根据系统总体目标的要求，从系统整体出发，运用综合集成方法把与系统有关的学科理论方法与技术综合集成起来，对系统结构、环境与功能进行总体分析、论证、设计和协调，包括系统建模、仿真、分析、优化、设计与评估，以求得可行的、满意的或最好的系统方案并付诸实施。 广义的系统工

12、程：从整体上对系统进行合理的规划、研究、开发、研制、设计、试验、运用而采取的思想、组织管理程序和方法等。经验性、哲理性。 狭义的系统工程：为了最好地达到系统目的，对系统的结构、组成元素、信息传输、控制机构等进行分析、设计的技术，主要指系统模拟、分析、综合设计、优化等技术性、理论性,2020/8/25,21,2系统工程的方法,研究对象复杂的大系统，规模大、技术复杂、专业部门多、关系错综复杂，需要从整体和相互联系的角度去考虑问题，制定一套处理复杂系统和组织工作的科学方法及程序。 研究思路整体性 乌杰：“建设市场经济必须整体推进，配套改革，否则的话搞单项突破，必然导致腐败和低效率的官僚主义”。两点论

13、，一分为二。分析重点结构、要素、信息、反馈， 应用知识综合应用自然科学和社会科学有关思想、理论和方法；利用工具电子计算机、数学,2020/8/25,22,研究方法：步骤、方法、工具、技术； 定性定量；微观宏观；还原论整体论；科学经验哲学 研究深度：认识、描述事物，分析系统构成的 结构、原因、功能； 研究子系统联系的特征、机理、规律和复杂特性； 揭示产生混沌、涌现、自组织、自适应、自相似等 机理，演化内在规律 研究目的：控制系统的协同、演化、优化最优规划、最优设计、最优管理、最优控制、预测未来,2020/8/25,23,3. 应用事例,20世纪40年代美国贝尔电话公司首先使用了“系统工程” 二战

14、后,美国兰德公司， 研究大型社会、经济系统问题，倡导系统分析 50年代美国一些大型工程项目和军事装备系统开发 美国的导弹研制、1969年，阿波罗飞船登月计划 60年代我国导弹研制 70、80年代社会、经济、自然等各领域,2020/8/25,24,4.我国系统工程的应用领域,工程系统 社会系统 经济系统 农业系统 企业系统 科学技术管理系统 军事系统 环境生态系统 人才开发系统：运输系统 （11）能源系统 （12）区域规划系统 人口、物理、生命、认知、网络、物流等,2020/8/25,25,六、系统科学在中国的发展状况,1.发展过程 1955年运筹学，华罗庚60年代初起推广“统筹法”。 1978

15、年9月，钱学森、许国志、王寿云发表了“组织管理的技术系统工程”，提出了利用系统思想把运筹学和管理科学统一起来。 1979年10月，中科院、教育部、中国社科院、一至八机部、总参、总后、军事科学院、国防科委等150名代表，举行系统工程学术讨论会，钱学森等21名知名科学家联合倡议。 1980年11月成立中国系统工程学会,2020/8/25,26,1986年开始，钱学森指导“系统学讨论班”， 提倡“整体论与还原论的辩证统一”。 形成以简单系统、简单巨系统、复杂巨系统 （包括社会系统）为主线的系统学提纲和内容， 明确系统学是研究系统结构与功能（包括演化、协同与控制）一般规律的科学， 对社会经济系统等复杂

16、系统进行研究， 提炼与总结出开放的复杂巨系统概念、从定性到定量的综合集成法,2020/8/25,27,钱学森：“逻辑思维，微观法；形象思维，宏观法；创造思维，宏观与微观相结合。创造思维才是智慧的源泉，逻辑思维和形象思维都是手段”。 把专家体系、信息与知识体系以及计算机体系有机结合起来，构成一个高度智能化的人机结合与融合体系。 利用人机结合、人网结合，以人为主的信息、知识和智慧的综合集成技术，把人的思维、思维的成果、人的经验、知识、智慧以及各种情报、资料和信息集成起来，从多方面的定性认识上升到定量认识,2020/8/25,28,2.中国系统工程学会,第一届理事会（1980.11） 名誉理事长：钱

17、学森薛暮桥(1904-2005) 理事长：关肇直 副理事长：刘豹、李国平、宋健、张钟俊、陈珽、薛葆鼎 秘书长：许国志 其他早期人物：王众托王慧炯吴文俊吴几康沈元汪浩汪应洛郑维敏罗沛霖钱伟长越民义谢力同翟力林、戴汝为、刘源张、张嗣瀛、钟山、李京文 17个专业委员会 系统理论、模糊数学与模糊系统、系统动力学等专业委员会，军事、社会经济、教育、科技、农业、信息、人机环境、医药卫生、决策科学、法制等系统工程专业委员会。,2020/8/25,29,中国系统工程主要人物,1)钱学森理工科 钱学森院士原全国政协副主席、中国科协主席 宋健院士原国务委员、国家科委主任，全国政协原副主席 戴汝为院士、中科院自动化

18、研究所研究员 郭 雷院士、中科院数学与系统科学研究院院长 刘源张院士、中科院数学与系统科学研究院研究员 汪应洛院士、西安交通大学管理学院名誉院长 王众托院士、大连理工大学 李京文院士中国社会科学院学部委员2)成思危管理科学，全国人大副委员长 3)乌杰系统辩证法，原国家体改委副主任,2020/8/25,30,3.系统科学的体系结构和重要地位,人类正探索从渺观、微观、宏观、宇观到胀观5个层次时空范围的客观世界。其中宏观层次就是我们所在的地球，又产生生命、生物，出现人类和人类社会。 自然科学从物质在时空中的运动、物质运动的不同层次、不同层次的相互关系； 社会科学从人类社会发展运动，即从人类社会内部运动以及人类社会发展运动和客观世界的相互影响的角度研究整个客观世界。 钱学森提出一个现代科学技术体系相互关系图,2020/8/25,31,马 克 思 主 义 哲 学,2020/8/25,32,七. 学习系统理论的作用、意义,中国科学院院长路甬祥：“当代对科学发展起核心作用的已不再是一两门科学技术，而是越来越关注复杂系统的研究”，“尤其是对社会、经济、脑和生命、生态、网络等复杂系统的研究，将对经济、社会、人与自然的协调发展，对科技的进步本身产生重大影响”。 李政道：“我猜想21世纪的方向要整体