系统工程课件：第二章 系统工程的理论基础.ppt

1、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：运筹学第一节 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。马克思主义哲学自然科学数 学社会科学工程技术技术科学图2-1现代科学技术体系 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

2、，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。马克思主义哲学系统学运筹学巨系统理论控制论信息论各门系统工程自动化技 术 通信技术（系统观）系统科学哲 学基础科学技术科学工程技术图2-2 系统科学的体系 系统学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

3、仍有较大差异。 系统工程系统工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。 系统工程系

4、统工程是一门工程技术，但它与机械工程、电子工程、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。 1)

5、 控制论2) 信息论3) 一般系统论4) 大系统论第二节 系统工程的理论基础一、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

6、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

7、系统。恒温控制系统一般自动控制系统的结构图控制论和工程控制论控制论和工程控制论 工程控制论可以被理解为是控制论运用于工程技术方面而形成的自动控制理论。 控制论与工程控制论在学科体系中属于两个不同的层次，后者又称为自动控制理论，或简称为控制理论，还有人称为系统理论(System theory)。我们必须将控制论(Cybernetics)与控制理论(control theory)这两个概念区别开来。控制论和工程控制论控制论和工程控制论 从1944年开始，一批麻省理工学院教授Norbert Wiener为首的科学家，包括神经生理学家A.Rosenbluth、心理学家J.Bigelow、计算机科学家J

8、.von Neumann以及来自波士顿、纽约的一些学者、研究生就科学体系的统一方法论展开了热烈而有成效的讨论。他们把各个本来毫无联系的学科融会贯通起来，推陈出新，粹取和推广了一些带普遍意义的基本概念，例如信息、通信、系统、控制、反馈、平衡、稳定等等。Norbert Wiener在如此反复探讨的科学方法论命名为Cybernetics（Cybernetics由Norbert Wiener 从古希腊文转化而来，原意为掌舵术，包含了调节、操纵、管 理、指挥、监督等多方面的涵义），并在1948年巴黎召开的一次国际学术讨论会上公开发表，同年以Cybernetics, or Control and Comm

9、unication in the Animal and the Machine为题正式出版。控制论和工程控制论控制论和工程控制论 Cybernetics针对充满不定性和关联性的不完备的客观世界，用统一的、综合的科学观点和必要的数学语言，提出诸如信息、通信、系统、控制、反馈、平衡、稳定，因果、有序、有组织等一系列重要概念的内在联系和普遍意义，以整体观点研究物质世界和非物质世界，即机器或机构和生物或活体以及社会经济现象中发生的动态过程及其相互关系。概括的说它是研究包括人在内的生物系统和包括工程在内的非生物系统、以及二者有关的社会经济系统内部通信、控制、组织、平衡、稳定、计算及其与周围环境相互反馈作

10、用的科学方法论。它的思想方法是唯物的，分析方法是辩证的，认为信息过程是认识客体的前提，控制过程是改选客体的途径。信息和控制在Cybernetics中具有同等地位，两者是不可分割的，它们一起反映了客观世界的可知性和可改造性。控制论和工程控制论控制论和工程控制论 Cybernetics, or Control and Communication in the Animal and the Machine这本书翻译成汉语的题目为控制论：或在动物和机器中的通信和控制。按照汉语中“控制”（Control）概念，只不过是Cybernetics所包含的通信（信息）和控制两个孪生概念中的一个。控制理论（Con

11、trol theory）是在运用Cybernetics原理时发展起来的一整套数学理论和设 计方法。虽然目前发展已扩大应用到生物、生态、社会、经济等领域，但前期主要立足于工程技术，即为自动控制系统设计服务。早在Norbert Wiener提出Cybernetics之前，控制理论已经有了很大的发展，并根据社会生产的需要，在时域频域上围绕稳定性问题提出了相应的数学模型和反馈的概念，同时也得出稳定性的条件和判据。Norbert Wiener在总结前人的基础之上对控制的概念进行了拓展提出了Cybernetics的概念，其创立的本意在一定意义上更侧重信息的作用，更突出信息的本质，更强调信息在工程技术中、在

12、生物界、以及后来在社会经济领域所具有的特殊功能。系统工程和控制论 系统工程研究的系统是人工系统，人工系统都是受人控制或者是人们试图控制的系统。从控制的角度掌握系统运行 一般规律，控制系统的运行，这是控制论的主旨所在。 掌握和自觉运用控制规律，有助于系统工程实现总体目标的优化。 对于社会经济系统而言，由于其复杂性，一般用于工程控制系统的控制规律（如PID等）其适用性是不尽如人意的。 社会经济系统是复杂的大系统、巨系统，它们另有自身的控制规律，这些规律有的已被掌握，有的尚在探索中。对这种复杂系统控制规律的探索、掌握和应用，正是系统工程的任务之一。二、信息论 信息论于本世纪40年代末产生，其主要创立

13、者是美国的数学家香农（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：即香农信息论。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

14、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。信息论和系统工程 客观世界是由物质、能量和信息三大要素组成的住处 是客观存在的，系统的反馈主要是信息的反馈，研究系统不能不研究住处 。 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。 信息是系统工程的基本概念，信息论是系统工程的理论基础之一。三、一般系统论一般系统论的产生 一般系统论是通过对各种不同的系统进行科学理论研究而形成的关于适用一切种类系统的学说。其主要创始人是美国的理论生

15、物学家L.V.贝塔朗菲。 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、系统的多级递阶性和系统的有序性 一般系统论采用微分方程组描述系统 一般系统论的创始人贝塔朗菲主张用机体论取代机械论，他将一般系统论的研究内容概括为关于系统的科学、数学系统论、系统技术、系统哲学等，他说：“我们提出一门称为一般系统论的新学科，这是逻辑和数学的领域，它的任务乃是确立适用于各种系统的一般原则”四 、大系统与大系统理论大系统 目前没有严格的定义，一般所说的大系统是指包括工程技术、社会经济、生物、生态等各领域的大型而复杂的系统。其特征就是规模庞大，结构复杂，功能综合。大系统理论 研究对象是大系统

16、，即研究规模庞大、结构复杂、目标多样、功能综合、因素众多的各种工程或非工程的大系统的综合自动化问题的理论。是控制论、系统工程、运筹学的继续和发展。涉及到工程技术、社会经济、生物生态三个领域。第三节 系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

17、。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

18、、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。 4、 耗散结构理论。20世纪70年代比利时物理学家普利戈金提出。获1977年诺贝尔奖。 耗散结构一个远离平衡的开放系统（力学的、物理的、化学的、生物的），在外界条件变化达到某一特定阈值时，量变可能引起质变。系统通过不断与外界交换能量与物质，就可能从原来的无序状态转变为一种时间、空间、或功能的有序状态。 如贝纳尔对流现象中薄层流体表现出从无序到有序的运动。贝纳尔对流（Bnard convecti

19、on）在远离平衡态的系统所发生的热对流，它具有宏观的空间有序结构，是耗散结构的一种存在形式。法国学者贝纳尔（Bnard）于1900年发现如下现象：他在很大的水平放置的扁平圆形容器内充满一层液体，其液面与容器的底分别与T1、T2温度热源接触，且T2T1。在温度差T2-T1不大时，系统的传热能达到稳态，这时在同一高度的水平截面上各点的宏观特征均相同，因而具有水平方向的平移不变性。可是，一旦其温度差T=T2-T1达到并超过某一临界值Tc时，从上面俯视扁平容器，发现液体表面出现较规则的六角形图案，每个六角形中心的液体均向上流（或向下流），而边界处的液体均向下流（或向上流）。从纵剖面可看到流体在作一个个

20、环流，相邻环的环流方向相反，这种规则的水花结构称为贝纳尔对流图案。贝纳尔对流现象5、 协同学理论。 由联邦德国物理学家（主要研究激光理论） 哈肯提出。 1977年哈肯编写了协同学导论，建立了协同学。协同学揭示了自组织的内在动力机制。哈同通过研究，将系统分成许多子系统，它们之间以很有规律的方式相互合作与竞争，这些竞争和合作的协同效应，以及由此 带来的有序参量的支配过和，是系统自组织的动力。 支配原理是协同学理论的核心原理。 协同学认为：考察复杂系统的演变可以发现绝大多数的因素是一些衰减得很快的变量称之为快变量；而另一些少数的变量，在系统的发展中变化较慢，并且主宰着整个系统的演变方向，决定着系统的

21、客观（有序）状态称之为慢变量或序参量。 当一个竞争系统中同时存在几个序参量就会发生合作、反馈、制约或斗争的种种协同作用当系统处于稳定状态时，就是包含着由几个序参量所决定的客观结构的“种子形态”，这些“种子”哪些能最终主导整个系统或最终成为系统结构的一部分，这些取决于序参量在系统中具体的竞争与合作的态势。 自组织理论：按哈肯的理解，没有外部工头的命令，工人们依靠某种相互默契，协同工作，各尽职责生产产品。自组织的显著特点，表现在行动是在没有外部命令的情况下产生的。即对于自组织系统来说，运动是由内因所驱使，只有当子系统之间存在着作用与反作用，当且仅当相互作用达到了协调、同步时才会出现。 协同作用广泛

22、地表现在生物系统、自然系统和社会系统中。如人体就是一个高度协同的有序结构：如果人体内部各子系统间的联系和协调出现紊乱，人便会生病，药物和各种治疗方法的作用就是调节各子系统的联系，使它们能协调地运行，使整体再回到高度民主协调的有序状态-健康状态。 协同学理论可以解释企业内部的改组及虚拟企业、民营企业等。6. 突变论 突变论是研究客观世界非连续性突然变化现象的一门新兴学科，以法国数学家R.托姆为代表。 突变论研究的内容是从一种稳定组态跃迁到另一种稳定组态的现象和规律。 突变论指出，系统所处的状态，可用一组参数描述，当系统处于稳定态时，标志该系统状态的某个函数就取唯一的值。当参数在某个范围内变化，该

23、函数值有不止一个极值时，系统必处于不稳定状态。 高度优化的设计很可能有许多不理想的性质。因为最优，常常联系着对缺陷的高度敏感性，会产生难于对付的破坏性，以致发生真正的“突变”。在工程建造中，高度优化的设计常常具有不稳定性，当出现不可避免的制造缺陷时，由于结构高度敏感，其承载能力将会突然变小，出现全面的塌陷。 应用突变论可以解释：经济危机的爆发，战争爆发，社会舆论等。（经济危机的复苏不属突变，是缓慢滑升的）“三论”和“新三论”（自组织理论） 一般系统论 控制论 信息论 耗散结构理论 突变论 协同论三论新三论自组织理论和系统工程 自组织是系统科学 一个重要的概念，是复杂系统演化时出现的一种现象。自

24、组织理论正是研究客观世界中自组织现象的产生、演化等理论的。 从物理、化学的研究开始，近年来，在生物学、社会学、经济学和哲学等领域都有许多发展和应用，产生了许多新思想和新方法。对复杂系统的研究提供了强有力的工具。第四节 运筹学 运筹学（Operation Research）是应用分析、试验和量化的方法，对经济管理系统中人力资源、资金资源、物质资源在有限的情况下进行统筹安排，为决策者提供充分依据的最优方案，以实现最有效的管理。 运筹学的分支：线性规划（Linear Program）、非线性规划（Non-Linear Program）、动态规划（Dynamic Program）、排队论（Queue

25、Theory）、储存论（Inventory Theory）和对策论（Game Theory）。线性规划和非线性规划 在经营管理中，需要恰当地运转由人员、设备、材料、资金、时间等因素构成的体系，以便有效地实现预定工作任务。这一类统筹计划问题用数学语言表达出来，就是在一组约束条件下寻求一个目标函数的极值问题。 当约束条件为线性方程式，目标函数为线性函数时，就为线性规划问题；当目标函数和约束条件是非线性时，就叫非线性规划问题。动态规划 有些决策问题不是静态的问题，而是复杂的需要多段决策，前一阶段的决策将影响到下一阶段的决策。 动态规划是将一个复杂的多段决策问题分解为若干相互关联的较易求解的子决策问题

26、，以寻求最优决策的方法。对策论 两方或多方为获取某种利益，达到某种目的进行较量，从而导致优胜劣汰的现象，叫做竞争。参与竞争的各方都是理智的主体，拥有各自的策略集（使用对自己有利的策略），通过策略较量而分出胜负、输赢的，属于策略性竞争。如何在竞争中通过正确运用策略以赢得竞争，就是对策问题。 对策活动可以看成由局中人（拥有策略、参与竞争者）、策略集和得失函数三个要素组成的系统 例：田忌赛马排队论 排队论主要研究排队现象的统计规律性，用以指导服务系统的最优设计和最优经营策略。 服务系统中，顾客和服务台有相互依存和制约关系。顾客是随机到达的，服务台的服务能力有限，于是形成有时顾客为等待服务而排队，有时

27、服务台因没有顾客而空闲。 顾客来到服务台（称为输入）有其自身的统计特性，排队等待服务须遵守排队规则，服务台提供服务也有一定的服务规则，三者相互关联和制约形成一种特殊的系统 。 根据每种具体情况下输入、排队和服务的特性，在服务台收益、服务强度和顾客需要（尽量减少排队损失）之间作出合理的安排，就是排队问题。存储论 人们在生产和日常生活活动中往往将所需的物资、用品和食物暂时地储存起来，以备将来使用或消费。这种储存物品的现象是为了解决供应(生产)与需求(消费)之间的不协调的一种措施，这种不协调性一般表现为供应量与需求量和供应时期与需求时期的不一致性上，出现供不应求或供过于求。人们在供应与需求这两环节之间加入储存这一环节，就能起到缓解供应与需求之间的不协调，以此为研究对象，利用运筹学的方法去解决最合理、最经济地储存问题。 专门研究这类有关存储问题的科学，构成运筹学的一个分支，叫作存储论(inventory)，也称库存论。