第二章：系统工程理论

1、系统工程（Systems Engineering, SE）现代管理的系统思维与系统分析方法,西安交通大学管理学院 袁治平,第二章 系统工程理论,第一节：系统科学的学科体系 第二节：系统工程的理论基础 第三节：系统工程理论的新发展 第四节：系统工程模型技术的新进展,第二章 系统工程理论,第一节 系统科学的学科体系,我国著名科学家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：首先是工程技术这一层次，然后是直接为工程技术提供理论基础的技术科学这一层次，再就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。

2、,在此基础上他又进一步提出了一个系统科学的体系结构。认为系统科学是由系统工程这类工程技术，系统工程的理论方法（像运筹学、大系统理论等）这一类技术科学（统称为系统学），以及它们的理论基础和哲学层面的科学所组成的一类新兴科学。如图2-2所示。,图2-1现代科学技术体系,图2-2 系统科学的体系,系统学主要研究系统的普遍属性和运动规律，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法则、结构和功能的关系、有序、无序状态的形成规律以及系统仿真的基本原理等，随着科学的发展，它的内容也不断在丰富。由于其尚属于起步阶段，还不够成熟，因而学者们对系统科学的学科体系的认识仍有较大差异。系统工

3、程是从实践中产生的，它用系统的思想与定量和定性相结合的系统方法处理大型复杂系统的问题，它是一门交叉学科。,系统工程是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，把人们的生产、科研、经济和社会活动有效地组织起来，应用定量和定性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、设计、制造和服务，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目的，以便最充分地发挥人力、物力和信息的潜力，通过各种组织管理技术，使局部和整体之间的关系协调配合，以实现系统的综合最优化。,系统工程是一门工程技术，但它与机械工程、电子工程

4、、水利工程等其它工程学的某些性质不尽相同。上述各门工程学都有其特定的工程物质对象，而系统工程则不然，任何一种物质系统都能成为它的研究对象，而且还不只限于物质系统，它可以包括自然系统、社会经济系统、经营管理系统、军事指挥系统等等。由于系统工程处理的对象主要是信息，所以系统工程是一门“软科学”。,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。,第二章:系统工程理论,第二节 系统工程的理论基础,

5、一、控制论 1、控制论的产生与发展 1947年由美国人维纳（Norbert Wiener）创立的控制论（Cybernetics）是一门研究系统的控制的学科。维纳于1948年出版了控制论一书，他对控制论的定义是：“关于动物和机器中控制和通信的科学。”,控制论的发展已大致经历了三个时期。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。在这一时期，主要的研究对象是单因素控制系统，重点是反馈控制，借以实现的工具是各种各样的自动调节器、伺服机构及其有关的电子设备，着重解决单机自动化和局部自动化问题。 控制论发展的第二个时期为60年代，即现代控制理论时期。这一时期，控制论的主要研究对象就成

6、了多因素控制系统，研究重点是“最优控制”，研究借助的工具是电子计算机。,进入70年代以后，是大系统控制理论时期。在这一时期，主要研究对象是因素众多的大系统，重点是大系统多级递阶控制，借助的工具是电子计算机联机和智能机器，应用领域主要为社会系统、经济系统、生态系统、管理系统、环境系统等。 2 、控制系统 控制系统由施控器、受控器和控制作用的传递者三者组成，形成一个整体的控制功能和行为，但这又是相对于某种环境而言。因而可以把施控器、受控器和控制作用的传递者三个部分所组成的、相对于某种环境而具有控制功能与行为的系统，称为控制系统。,3 、控制论对系统工程方法论的启示,黑箱灰箱白箱法 功能模拟法 形式

7、化、数量化、最优化方法,4 、控制理论分支与系统研究各方面的对应关系,表21 控制论分支与系统工程研究的分类表,二、信息论,信息论于本世纪40年代末产生，其主要创立者是美国的数学家申农（C.E.Shannon）和维纳。,人们根据不同的研究内容，把信息论分成三种不同的类型。 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。,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

8、息、信号、情报等不同领域中的具体概念，进行类比，抽象出了信息概念和信息论模型。 针对信息的随机性特点，运用统计数学（概率论与随机过程），解决了信息量问题，并扩展了信息概念，充实了语义信息、有效信息、主观信息、相对信息、模糊信息等方面的内容。,三、一般系统论 1 、一般系统论产生过程 实验科学时代的还原论 生物学中机械论与活力论之争 一般系统论的产生 2 、一般系统论的基本观点 系统的整体性 系统的开放性 系统的动态相关性,系统的多级递阶性 系统的有序性 3 、对系统方法论及系统方法的启示 四、耗散结构理论、协同学、突变论原理等新 的系统理论及其启示 五、运筹学,第二章:系统工程理论,第三节 系

9、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，这些不同领域的科学成就，除了具有本学科的特点之外，实际上都在不同程度上揭示了系统的一些性质和规律。,2、系统工程作为一门软科学，日益受到人们的重视。从20世纪70年代开始，社会上出现了一种从重视硬技术转向重视软技术的变化。软科学是日本学者在70年代提出的，软科学需要运用现代科学技术体系以至整个人类知识体系所提供的知识，去研究和解决实践中的复杂性

10、问题，为决策和组织管理提供科学依据。,3、20世纪80年代中期，国际科学界兴起了对复杂性问题的研究，一个突出的标志是1984年在美国新墨西哥州成立了以研究复杂性为宗旨的圣塔菲研究所(SantaFe Instituet，简称SFI)。1994年，在圣菲研究所成立10周年之际，霍兰正式提出复杂适应系统(Complex Adaptive System，简称CAS)理论。CAS理论的提出对于人们认识、理解、控制、管理复杂系统提供了新的思路。由于其思想新颖和富有启发性，它已经在许多领域得到了应用。在经济、生物、生态与环境以及其它一些社会科学与自然科学中，CAS理论的概念和方法都得到了不同程度的应用和验证。,思考讨论题,1 、系统工程与系统科学的联系和区别是什么？ 2 、控制论的两个基本观点及其意义是什么？ 3 、系统结构有哪些特点？ 4 、简述控制论对系统工程方法论的启示。 5 、功能模拟法与传统模拟法的区别有哪些？ 6 、信息概念的特点有哪些？ 7 、申农信息熵与物理学中的熵有什么关系？ 8 、请说明信息方法论与传统方法的区别，以及信息方 法的意义。,本章讲义,9、简述一般系统论的产生