ch系統(tǒng)工程理論

第二章系統(tǒng)工程理論宗憲亮天津科大工業(yè)工程內(nèi)容系統(tǒng)工程的科學(xué)體系“舊三論”+運(yùn)籌學(xué)“新三論”系統(tǒng)工程理論的新發(fā)展系統(tǒng)工程的科學(xué)體系我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森提出了一個(gè)清晰的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)，認(rèn)為從應(yīng)用實(shí)踐到基礎(chǔ)理論，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)可以分為四個(gè)層次：首先是工程技術(shù)這一層次，然后是直接為工程技術(shù)提供理論基礎(chǔ)的技術(shù)科學(xué)這一層次，再就是基礎(chǔ)科學(xué)這一層次，最后通過(guò)進(jìn)一步綜合、提煉達(dá)到最高概括的馬克思主義哲學(xué)。如圖2-1所示。圖2-1現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系馬克思主義哲學(xué)自然科學(xué)數(shù)學(xué)社會(huì)科學(xué)工程技術(shù)技術(shù)科學(xué)系統(tǒng)工程的科學(xué)體系在此基礎(chǔ)上他又進(jìn)一步提出了一個(gè)系統(tǒng)科學(xué)的體系結(jié)構(gòu)。認(rèn)為系統(tǒng)科學(xué)是由系統(tǒng)工程這類(lèi)工程技術(shù)，系統(tǒng)工程的理論方法（像運(yùn)籌學(xué)、大系統(tǒng)理論等）這一類(lèi)技術(shù)科學(xué)（統(tǒng)稱(chēng)為系統(tǒng)學(xué)），以及它們的理論基礎(chǔ)和哲學(xué)層面的科學(xué)所組成的一類(lèi)新興科學(xué)。如圖2-2所示。馬克思主義哲學(xué)社會(huì)科學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)數(shù)學(xué)突變論自然科學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)物理學(xué)生物學(xué)其它技術(shù)科學(xué)系統(tǒng)學(xué)運(yùn)籌學(xué)巨系統(tǒng)理論控制論信息論各門(mén)系統(tǒng)工程（系統(tǒng)觀）系統(tǒng)科學(xué)人體科學(xué)思維科學(xué)哲學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)科學(xué)工程技術(shù)圖2-2系統(tǒng)科學(xué)的體系系統(tǒng)學(xué)主要研究系統(tǒng)的普遍屬性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究系統(tǒng)演化、轉(zhuǎn)化、協(xié)同和控制的一般規(guī)律，研究系統(tǒng)間復(fù)雜關(guān)系的形成法則、結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系、有序、無(wú)序狀態(tài)的形成規(guī)律以及系統(tǒng)仿真的基本原理等，隨著科學(xué)的發(fā)展，它的內(nèi)容也不斷在豐富。由于其尚屬于起步階段，還不夠成熟，因而學(xué)者們對(duì)系統(tǒng)科學(xué)的學(xué)科體系的認(rèn)識(shí)仍有較大差異。系統(tǒng)工程是從實(shí)踐中產(chǎn)生的，它用系統(tǒng)的思想與定量和定性相結(jié)合的系統(tǒng)方法處理大型復(fù)雜系統(tǒng)的問(wèn)題，是一門(mén)交叉學(xué)科。系統(tǒng)工程是系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用部分，是系統(tǒng)科學(xué)中與社會(huì)經(jīng)濟(jì)決策和工程管理關(guān)系最密切的一部分。“工程”系統(tǒng)工程工程的觀念是在人們處理自然、改造自然的社會(huì)生產(chǎn)過(guò)程中所形成的工程方法論，傳統(tǒng)的工程觀念是指生產(chǎn)技術(shù)的實(shí)踐而言，而且以硬件為目標(biāo)與對(duì)象，如機(jī)械工程、電氣工程、鐵路工程、水利工程等。系統(tǒng)工程將這一觀念和方法應(yīng)用于社會(huì)系統(tǒng)中，其所處理的對(duì)象不僅包含傳統(tǒng)工程觀念中的自然對(duì)象（即硬件），而是在傳統(tǒng)的工程觀念的基礎(chǔ)上增添了新的內(nèi)容，也即以軟件為目標(biāo)與對(duì)象。實(shí)際上，系統(tǒng)工程所討論的工程是泛指一切有人參與的、以改變系統(tǒng)某一特征為目標(biāo)的，從命題到出成果的工作過(guò)程。系統(tǒng)工程使得人們能夠以工程的觀念和系統(tǒng)理論研究和解決各種復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題。系統(tǒng)工程的理論基礎(chǔ)“舊三論”一般系統(tǒng)論貝塔朗菲

控制論維納NorbertWiener

信息論香農(nóng)ClaudeElwoodShannon

(01)一般系統(tǒng)論貝塔朗菲認(rèn)為，在各種不同的系統(tǒng)中，會(huì)存在某種相似性或同構(gòu)性。一般系統(tǒng)論的任務(wù)是要找到不同系統(tǒng)，不同學(xué)科之間的共同語(yǔ)言和術(shù)語(yǔ)。一般系統(tǒng)論可以理解為關(guān)于任意系統(tǒng)研究的一種一般的理論與方法論。產(chǎn)生過(guò)程：早在1924年至1927年貝塔朗菲就就多次發(fā)表文文章，主張把把有機(jī)體當(dāng)作作系統(tǒng)來(lái)考察察，認(rèn)為生物物學(xué)的主要任任務(wù)就是發(fā)現(xiàn)現(xiàn)生物系統(tǒng)中中不同層次的的組織原則。。1932年和1934年，他先后發(fā)發(fā)表了《理論論生物學(xué)》和和《現(xiàn)代發(fā)展展理論》兩部部著作，闡明明了系統(tǒng)的整整體性原則，，主張用數(shù)學(xué)學(xué)和模型方法法研究生物現(xiàn)現(xiàn)象，提出了了機(jī)體系統(tǒng)論論的思想。1937年，貝塔朗菲菲在美國(guó)芝加加哥大學(xué)哲學(xué)學(xué)討論會(huì)上，，首次提出了了一般系統(tǒng)概概念。1945年，他在《德德國(guó)哲學(xué)周刊刊》上發(fā)表了了《關(guān)于一般般系統(tǒng)論》。。但遺憾的是是，這篇重要要論文幾乎不不被人所知。。1948年在美國(guó)再次次講授“一般般系統(tǒng)論”時(shí)時(shí)，才得到學(xué)學(xué)術(shù)界的重視視。1968年貝塔朗菲發(fā)發(fā)表的專(zhuān)著《《一般系統(tǒng)理理論基礎(chǔ)、發(fā)發(fā)展和應(yīng)用》》，確立了該學(xué)學(xué)科的學(xué)術(shù)地地位。主要思想觀點(diǎn)點(diǎn)：整體性要素和系統(tǒng)不可分割系統(tǒng)的總體功能不等于系統(tǒng)各組成部分功能之和系統(tǒng)整體具有不同于各組成部分的新功能開(kāi)放性系統(tǒng)與環(huán)境的的相互作用，，進(jìn)行物質(zhì)、、能量和信息息的交換，才才是一切有機(jī)機(jī)體處于其活活動(dòng)狀態(tài)并保保持其活的生生命運(yùn)動(dòng)從數(shù)學(xué)上證明明了開(kāi)放系統(tǒng)統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)相關(guān)性系統(tǒng)處于不斷斷發(fā)展變化之之中，是時(shí)間間的函數(shù)動(dòng)態(tài)性取決于于系統(tǒng)的相關(guān)關(guān)性層次等級(jí)性有序性結(jié)構(gòu)有序性發(fā)展有序性貝塔朗菲對(duì)系系統(tǒng)論的貢獻(xiàn)獻(xiàn)：劃分了開(kāi)放系系統(tǒng)和封閉系系統(tǒng)，明確提提出了開(kāi)放系系統(tǒng)必須不斷斷與外界進(jìn)行行物質(zhì)與能量量的交換，并并同時(shí)調(diào)整其其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以以達(dá)到動(dòng)態(tài)平平衡。創(chuàng)立了一般系系統(tǒng)論，并指指出一般系統(tǒng)統(tǒng)論是研究““整體”的科科學(xué)。指出:“系統(tǒng)統(tǒng)思想即使不不能用數(shù)學(xué)表表述，也仍然然保持其價(jià)值值?！睂?duì)系統(tǒng)方法論論及系統(tǒng)方法法的啟示以系統(tǒng)的觀點(diǎn)點(diǎn)看整個(gè)世界界，不能片面面、孤立地看看問(wèn)題以思辨原則代代替實(shí)驗(yàn)原則則，不能機(jī)械械地看問(wèn)題，，尤其是在處處理復(fù)雜、有有機(jī)程度高的的系統(tǒng)時(shí)以整體論代替替還原論啟示我們以目目的論代替因因果輪控制論1947年由由美國(guó)人維納納（NorbertWiener）創(chuàng)立的控制論（Cybernetics）是一門(mén)門(mén)研究系統(tǒng)的的控制的學(xué)科科。維納于1948年出出版了《控制制論》一書(shū)，，他對(duì)控制論論的定義是：：“關(guān)于動(dòng)物物和機(jī)器中控控制和通信的的科學(xué)。”（（1964年在在瑞典斯德哥哥爾摩因心臟臟病發(fā)作去世世）控制論的基本本含義是：現(xiàn)現(xiàn)代的自動(dòng)機(jī)機(jī)器和人都是是由感覺(jué)裝置置(器官)、、動(dòng)作裝置(器官)、傳傳遞信息的系系統(tǒng)(神經(jīng)系系統(tǒng))所組成成的一種系統(tǒng)統(tǒng)。自動(dòng)機(jī)器器和人都是在在接收、處理理、傳遞和存存貯信息，并并利用信息去去完成動(dòng)作，，實(shí)現(xiàn)與外界界的聯(lián)系。在在系統(tǒng)工作中中，反饋控制制給定控制信信號(hào)使動(dòng)作裝裝置(器官)動(dòng)作。動(dòng)作作結(jié)果由感覺(jué)覺(jué)裝置(器官官)檢測(cè)出來(lái)來(lái)，并反饋回回去與給定信信號(hào)相比較。。如果比較有有偏差，偏差差信號(hào)會(huì)繼續(xù)續(xù)控制動(dòng)作裝裝置(器官)動(dòng)作，直到到偏差信號(hào)消消失為止?？刂普摰陌l(fā)展展經(jīng)典控制理論論：?jiǎn)我蛩?，，重點(diǎn)是反饋饋控制現(xiàn)代控制理論論：多因素，，重點(diǎn)是最優(yōu)優(yōu)控制大系統(tǒng)控制理理論：大系統(tǒng)統(tǒng)，重點(diǎn)是多多級(jí)遞階控制制控制論的基本本概念控制論對(duì)系統(tǒng)統(tǒng)工程方法論論的啟示黑箱-灰箱-白箱法黑箱灰箱白箱黑箱方法是指指在不打開(kāi)黑黑箱的前提下下，利用外部部觀測(cè)、試驗(yàn)驗(yàn)，通過(guò)輸入入、輸出信息息，來(lái)研究對(duì)對(duì)象的功能和和特性，探索索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)和機(jī)理的科科學(xué)方法。確認(rèn)黑箱觀察黑箱闡明黑箱驗(yàn)證黑箱一無(wú)所知略知一二一清二楚功能模擬法形式化、數(shù)量量化、最優(yōu)化化方法信息論Inhiswords"Ijustwonderedhowthingswereputtogether."ClaudeElwoodShannon(April30,1916-February24,2001)hasbeencalled"thefatherofinformationtheory".對(duì)信息量的認(rèn)認(rèn)識(shí)理解分析問(wèn)題的認(rèn)認(rèn)識(shí)過(guò)程：對(duì)一問(wèn)題毫無(wú)無(wú)了解，對(duì)它它的認(rèn)識(shí)是不不確定的；通過(guò)各種途徑徑獲得信息，，逐漸消除不不確定性；對(duì)這一問(wèn)題非非常的了解，，不確定性很很小獲取信息的過(guò)過(guò)程是一個(gè)是是由未知到已已知的過(guò)程，，或者說(shuō)由不不確定到確定定的過(guò)程。因因此信息可以以看作是消除除了不確定性性。用消除不確定性的多少來(lái)度量信息！黑箱不確定度A灰箱不確定度B白箱不確定度C信息I信息II對(duì)信息量的認(rèn)認(rèn)識(shí)理解衡量信息多少少的物理量稱(chēng)稱(chēng)為信息量。。信息量的大小小與消息所描描述事件的出出現(xiàn)概率有關(guān)關(guān)。若概率很小，，受信者感覺(jué)覺(jué)很突然，該該消息所含信信息量就很大大；若概率很大，，受信者事先先已有所估計(jì)計(jì)，則該消息息信息量就越越?。蝗羰苄耪呤盏降酵耆_定的的消息，則沒(méi)沒(méi)有信息量。。當(dāng)你要到大會(huì)會(huì)堂（20排排）去找某一一個(gè)人時(shí)，甲甲告訴你一條條消息：此人人坐在前十排排；乙告訴你你一條消息：：此人坐在第第十五排。問(wèn)問(wèn)誰(shuí)提供的信信息量大？某人在哪？甲：把會(huì)堂分分為前后兩部部分，告訴你你某人在前半半部分。兩種種可能，概率率為：0.5。乙：把會(huì)堂分分為20排，，告訴你某人人在那15排排。20種可可能，概率均均為：1/20。信息量的計(jì)算算某人只能坐第第1排（概率率0.1），，第2排（概概率0.1）），第5排（（概率0.3），第10排（概率0.5）。甲甲告訴你在第第10排，乙乙告訴你在第第6排。信息量的計(jì)算算那么，完全知知道某人在那那里的話，所所需信息量是是多少？一消息由0、、1、2、3四種符號(hào)組組成，各符號(hào)號(hào)出現(xiàn)概率分分別為3/8，1/4，，1/4和1/8。消息息總長(zhǎng)57個(gè)個(gè)符號(hào)，其其中0出現(xiàn)23次，1出出現(xiàn)14次，，2出現(xiàn)13次，3出現(xiàn)現(xiàn)7次。用上上述二種方法法求該消息的的信息量?，F(xiàn)代電子計(jì)算算機(jī)之父馮··諾伊曼：““闡明復(fù)雜性性和復(fù)雜化概概念應(yīng)當(dāng)是20世紀(jì)科學(xué)學(xué)的任務(wù)，就就像19世紀(jì)紀(jì)的熵和能量量概念一樣。?！毙畔⒄摷捌浞椒椒ㄕ摰膯⑹臼绢?lèi)比方法和統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法信息方法用信息概念作作為分析處理理問(wèn)題的基礎(chǔ)礎(chǔ)，拋開(kāi)研究究對(duì)象的具體體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)動(dòng)形態(tài)，把系系統(tǒng)有目的的的運(yùn)動(dòng)抽象為為一個(gè)信息變變換過(guò)程。信息→輸輸入→存存儲(chǔ)→處處理→輸輸出→信信息↑————————反饋——————————↓運(yùn)籌學(xué)關(guān)于決策的科科學(xué)，系統(tǒng)工工程的基礎(chǔ)理理論與數(shù)學(xué)工工具田忌賽馬系統(tǒng)工程－戰(zhàn)略部署克敵制勝！運(yùn)籌學(xué)－戰(zhàn)術(shù)安排運(yùn)籌學(xué)主要分分支線性規(guī)劃動(dòng)態(tài)規(guī)劃排隊(duì)論對(duì)策論存儲(chǔ)論“新三論”耗散結(jié)構(gòu)理論論普普利高津協(xié)同論哈哈肯突變論勒勒內(nèi)··托姆20世紀(jì)六六七十年代,出現(xiàn)了所謂謂的自組織理理論,它是在在一般系統(tǒng)論論和控制論的的基礎(chǔ)上形成成的理論。自組織理論的的研究指出:系統(tǒng)存在和和生存有賴(lài)于于系統(tǒng)本身復(fù)復(fù)制其行為和和組織的能力力,這是自組組織理論的最最基本的觀點(diǎn)點(diǎn),從而催生生出了極其豐豐富的成果。。這一理論強(qiáng)調(diào)調(diào)了系統(tǒng)在自自組織過(guò)程中中對(duì)自身結(jié)構(gòu)構(gòu)和行為的創(chuàng)創(chuàng)新,只有開(kāi)開(kāi)放系統(tǒng),才才可能有自身身組織和行為為的創(chuàng)新,并并且是在遠(yuǎn)離離平衡狀態(tài)下下通過(guò)不斷的的能量、物質(zhì)質(zhì)和信息的流流通來(lái)進(jìn)行;同時(shí),該理理論也指出了了自組織系統(tǒng)統(tǒng)的各部分之之間是一種非非線性關(guān)系,一般用非線線性方程來(lái)描描述的。它的的研究對(duì)象主主要是復(fù)雜自自組織系統(tǒng)（（生命系統(tǒng)、、社會(huì)系統(tǒng)））的形成和發(fā)發(fā)展機(jī)制問(wèn)題題，即在一定定條件下，系系統(tǒng)是如何自自動(dòng)地由無(wú)序序走向有序，，由低級(jí)有序序走向高級(jí)有有序的。耗散結(jié)構(gòu)理論論、協(xié)同論和和突變論就是是自組織理論論的的代表。?！靶氯摗钡牡膯⑹旧鐣?huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)統(tǒng)雖然出現(xiàn)了了一些物理化化學(xué)規(guī)律，但但從根本上看看有許多超出出規(guī)律的規(guī)律律社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)統(tǒng)從低級(jí)向高高級(jí)轉(zhuǎn)變必定定依賴(lài)于開(kāi)放放、內(nèi)部協(xié)同同的條件無(wú)論是漸變還還是突變，都都是有規(guī)律可可循的，高