系统工程理论

系统工程理论第一节 体系科学的学科体系我国有名科学家钱学森提出了一个清晰的现代科学技巧的体系构造，认为从 应用实践到差不多理论，现代科学技巧能够分为四个层次：起首是工程技巧这一 层次，然后是直截了当为工程技巧供给理论差不多的技巧科学这一层次，再确实 是差不多科学这一层次，最后经由过程进一步综合、提炼达到最高概括的马克思 主义哲学。如图2-1 所示。在此差不多上他又进一步提出了一个体系科学的体系 构造。他认为体系科学是由体系工程这类工程技巧，体系工程的理论方法（像运 筹学、大年夜体系理论等）这一类技巧科学（统称为体系学），以及它们的理论 差不多和哲学层面的科学所构成的一类新兴科学。如图 2-2所示。图 2-1 现代科学技巧体系体系学重要研究体系的广泛属性和活动规律，研究体系演变、转化，协同和 操纵的一样规律、体系间复杂关系的形成轨则、构造和功能的关系、有序、无序 状况的形陈规律以及体系的仿确实基来源差不多理等，跟着科学的成长，它的内 容也赓续在丰富。因为其尚属于起步时期，还不敷成熟，因而学者们对体系科学 的学科体系的熟悉仍有较大年夜差别。体系工程是从实践中产生的，它用体系的 思惟与定量和定性相结合的体系方法处理大年夜型复杂体系的问题，它是一门交 叉学科。体系工程是把天然科学和社会科学的某些思惟、理论、方法、策略和手段等 依照总体调和的须要，有机地接洽起来，把人们的临盆、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运算机等技巧对象，对体 系的构成要素、组织构造、信息交换和反馈操纵等功能进行分析、设计、制造和 办事，从而达到最优设计、最优操纵和最优治理的目标，以便最充分地发挥人力、 物力和信息的潜力，经由过程各类组织治理技巧，使局部和整体之间的关系调和 合营，以实现体系的综合最优化。体系工程是一门工程技巧，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雷同。上述各门工程学都有其特定的工程物质对象，而体系 工程则不然，任何一种物质体系都能成为它的研究对象，同时还不只限于物质体 系，它能够包含天然体系、社会经济体系、经营治理体系、军事批示体系等等。 因为体系工程处理的对象主假如信息，因此体系工程是一门“软科学”。体系工程在天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 运算机技巧，经由过程体系工程，为社会科学研究增长了极为有效的定量方法、模型方法、仿照实验方法和优化方法。体系工程为从事天然科学的工程技巧人员和从事社会科学的研究人员的互相合作开创了宽敞的门路。图 2-2 体系科学的体系第二节 体系工程的理论差不多体系工程是一门交叉学科，有其宽广的理论差不多。体系工程的理论差不多 及对象的框架，大年夜致如图 2-3 所示。正如钱学森同志所说：“我认为把运筹学、操纵论和信息论同贝塔朗菲（一 样体系论）、普利高津（耗散构造理论）、哈肯（协同窗）、弗洛里希、艾肯等人 的工作融合贯穿，加以整顿，就能够写出体系学这本书”，可见体系论、信 息论、操纵论、运筹学是体系科学的重要理论差不多及对象。运筹学供给了定量 分析的对象，三论为体系科学的成长注入了新的思惟。下面就这几方面内容进行 扼要阐述。成长（理论差不协同窗-突变论系 统 工 程 理 论 基 础 及 工 具一运筹厂线性筹划 动态筹划 列队论 储备论 计策论 图论概率论、数理统计高等代数模糊数学集合论数理逻辑运算机科学仿照技巧工程技巧经济学心理学哲学社会科学图 2-3 体系工程理论差不多及对象一、操纵论（一）操纵论的产生与成长1947年由美国人维纳（Norbert Wiener）创建的操纵论（Cybernetics）是一门 研究体系的操纵的学科。维纳于1948 年出版了操纵论一书，他对操纵论的 定义是：“关于动物和机械中操纵和通信的科学。”明白地指明这门新科学既冲破 了动物和机械地界线，又冲破了操纵工程与通信工程地学科界线。因而维纳的操 纵论阐述着两个全然不雅念：一切有生命、无生命体系差不多上信息体系。 操纵的过程也能够说是信息活动的过程。不管是机械照样生物，在构成操纵体系 的前提下，都存在着对信息进行接收、存取和加工的过程。一切有生命、无 生命体系差不多上操纵体系。一个体系，必定有它的特定输出功能，而要具有这 种输出功能，必须有响应的一套操纵机制。操纵必须要有目标，没有目标，则无 所谓操纵。经由过程一系列有目标的行动及反馈使体系受到操纵。人们依照维纳 的定义形成的比较公认的看法是：“操纵论是以研究各类体系合营存在的操纵规 律为对象的一门科学。”钱学森认为其是二十世纪上半叶最庞大年夜的三项理论 （相对论、量子论、操纵论）之一。操纵论的成长已大年夜致经历了三个时代。从 40 年代末到 50 年代是第一个 时代，即经典操纵理论时代。在这一时代，重要的研究对象是单身分操纵体系， 重点是反馈操纵，借以实现的对象是各类各样的主动调剂器、伺服机构及其有关 的电子设备，侧重解决单机主动化和局部主动化问题。如用主动调剂器来操纵锅 炉水位，用伺服机构使雷达主动跟踪目标，操纵火炮主动对准等。然则这些差不 多上单变量主动操纵，只解决单输入与单输出体系的操纵问题，在应用上有必定 局限性。操纵论成长的第二个时代为 60 年代，即现代操纵理论时代。跟着导弹体系、 人造卫星、航天体系等科学技巧的灵敏成长，提出了多输入、多输出、高精度和 参数时变体系的分析和设计问题，以往经典操纵论已不克不及知足须要了。因而 这一时代，操纵论的重要研究对象就成了多身分操纵体系，研究重点是“最优操 纵”，研究借助的对象是电子运算机。美国科学家卡尔曼（Kalman）等人将量子 力学等内容引入到了操纵论中，扩大了经典操纵论的内容，将操纵论从“经典操 纵论”推向“现代操纵理论”，从单变量的主动调剂成长到多变量的最优操纵。进入 70 年代今后，是大年夜体系操纵理论时代。在这一时代，重要研究对 象是身分浩渺的大年夜体系，重点是大年夜体系多级递阶操纵，借助的对象是电 子运算机联机和智能机械，应用范畴重要为社会体系、经济体系、生态体系、治 理体系、情形体系等。这些大年夜体系是大年夜范畴复杂体系，其范畴宏大年夜、 构造复杂、环节数量大年夜或层次较多，其间关系错综复杂，阻碍身分浩渺，并 常带有随机性质的体系。研究大年夜体系的构造筹划、稳固性、最优化、建立模 型的模型简化等问题成为大年夜体系理论。分化与调和的方法是大年夜体系优化 的全然方法。（二） 操纵论的全然概念1. 操纵体系的构成操纵体系由施控器、受控器和操纵造用的传递者三者构成，形成一个整体的 操纵功能和行动，但这又是相关于某种情形而言。因而能够把施控器、受控器和 操纵造用的传递者三个部分所构成的、相关于某种情形而具有操纵功能与行动的 体系，称为操纵体系。操纵体系按照有无反馈回路而分为闭环操纵体系和开环操纵体系两大年夜 类。没有反馈回路的操纵体系叫开环操纵体系。具有反馈回路的操纵体系叫闭环 操纵体系。与开环体系比拟，它不仅多了一条把输出回输到本来的操纵器的反馈 回路及反馈装配，还多了一个比较器。如图2-4 所示。因为开环操纵体系是由体 系的输入直截了当操纵着它的输出的，因而对情形的适应才能差，只有当外界干 扰较小或干扰恒准时，这种操纵体系才能正常发挥感化。闭环操纵体系因为带有 反馈回路，因此它的输出是由输入和输出的回输合营操纵的，因而其对情形有较 大年夜的适应性。图 2 4 闭环操纵体系框图操纵论研究的重点是带有反馈回路的闭环操纵体系，并不是随便率性的操纵 体系。操纵论重要的不雅点是反馈，从反馈的不雅点看，反馈（负反馈）确实是 操纵的调剂行动，因而多把操纵论体系局限于带反馈回路的闭环操纵体系。操纵 论的另一个重要不雅点是信息。从信息的不雅点动身，能够认为操纵论所说的反 馈是指信息反馈。因而操纵论体系是经由过程信息的传输、变换和反馈来实现主 动调剂的操纵体系。2. 体系的稳固性体系处于情形之中，受到内、外部的干扰（即把体系从一种状况变迁到另一 种状况的感化），要包管体系确信的性质和功能，就必须具有抗干扰的稳固性。 稳固性分为第一类稳固性和第二类稳固性。当外界的变更不致使体系产生明显变 更时，也确实是说随便率性给定一个 0,必存在一个6 0使得|x - x 11 0，必存在一个6 0，当t t （ t体系复原正常的时刻）， 恢恢使得|x -x |0。因而熵是纷乱度（无序度）的度量。4. 开放体系的热力学第二定律体系的熵变更ds可由两部分构成ds二d s + d s。eides是体系与外界交换物质和能量而引起的熵流，dis是体系内部自发产生的熵，因自发过程是弗成逆的，如上面所说会产生熵增，因而d.s0。但des可正 ie可负，依不合状况而定。若des0,则物质和能量的交换增长了体系的总熵，加 快了体系趋势均衡态的活动。若des 0,则表示体系均衡态受到扰动，但保持 近于均衡。若 des 0，体系赓续从情形中猎取物质和能量，从而给体系带来负熵， 使全部体系的有序性的增长大年夜于无序性的增长，新的构造和新的组织就能自 发地势成，这种远离均衡态地开放体系就称为耗散构造，如生命体系、社会体系 都属于这种耗散构造。开放体系的热力学第二定律沟通了生命体系与非生命体系之间的接洽，开放 体系与孤立（封闭）体系的接洽。（二）耗散构造理论简介1969年比利时物理学家普利高津（IP rigogine）对非均衡态弗成逆过程的研 究提出了一种学说：一个远离均衡态（均衡态时熵最大年夜）的开放体系（不管 是力学、物理化学的，照样生命的），在外界前提产生变更达到必定阈值时，量 变能够产生质变（由无序到有序的突变）。突变后形成的有序状况称耗散构造。 如贝纳德流确实是一种耗散构造。有序的耗散构造与均衡构造不合，均衡构造虽 稳固有序，然则一种“逝世”构造，它不须要靠外界供给物质、能量来保持。而 稳固有序的耗散构造是一种“活”构造，它要赓续同外界交换物质、能量来保持 其有序状况。恰是因为它要经由过程这种有序状况去耗散物质和能量，因此被称 为耗散构造。耗散构造定量研究描述了无序向有序的转化，同一了非生命与生命 体系之间的接洽。耗散构造的形成是有前提的：一、体系必须是远离均衡态的开放体系，体系 要与外界变换能量与物质，才有可能降低自身的熵。当体系处于均衡态或近均衡 态时，体系不克不及产生新构造，其总的偏向是趋于无序或趋于均衡。因而要形 成耗散构造，体系就要远离均衡态。二、体系内部具有非线性动力学机制。体系 要素间的非线性互相感化是推动体系向有序成长的内部动力。这种非线性机制能 促使体系各要素间产生相干效应（使体系元素耦合，产生自组织构造）和临界效 应（临界点上掉稳，形成新构造），从而使体系由纷乱无序向有序改变。线性互 相感化起的是数量上的叠加感化，具有自力性、平均性和对称性，它不克不及带 来质的变更。非线性机制所产生的非加和感化是体系产生并保持耗散构造的根来 源差不多因。耗散构造理论的意义在于它指出了化学、生态体系等专门多复杂体系由无序 转 向有序的规律是一样的，沟通了生命体系与非生命体系之间的接洽。事物要寻求 成长，就得保持其体系是开放的，与外界有能量、物质、信息的交换，如现代企 业治理体系必须是开放的，一个封闭、没有竞争机制的企业难以存活。耗散构造 理论提出停止了科学界对时刻可逆与否，世界进化与退化的争辩。它把经典力学 与热力学，以及热力学与生物进化论结合了起来。普利高津认为时刻不仅仅是力 学方法中的一个活动参量，同时时刻接洽着事物的往常、现在和今后。经由过程 对体系演变史的考察，时刻不再是体系外界的参数，而成了非均衡体系内部进化 的度量。时刻不雅念能分为不合的层次，个中与经典力学相接洽的时刻是可逆的， 它仅仅是活动的几何参量，与热力学相接洽的时刻是弗成逆的，与生物进化论层 次相接洽的时刻是与汗青相接洽的，这些不合层次的时刻互相接洽，并依照必定 前提而过渡。普利高津的这种熟悉同一了可逆与弗成逆，进化与退化间的抵触， 为人类展现了一种全新的科学的天然不雅和体系的方法论。耗散构造理论 30多 年的成长取得了庞大年夜成就，成为现代体系科学的一个重要理论分支。B. 协同窗协同窗是七十年代后期由西德理论物理学家哈肯（Haken）创建的。早在60 年代初激光问世时，哈肯就积极从事激光理论研究，他发明激光显现出丰富的合 作现象，从而得出了协同感化的重要概念，但协同窗恰是形成框架是 1977 年。 协同窗是一种研究各类不合体系在必定外部前提下，体系内部各子体系之间经由 过程非线性互相感化产生协同效应，使体系从混沌无序状况向有序状况，从初级 有序向高等有序以及从有序又转化为混沌的机理和合营规律的理论。它以信息 论、操纵论、耗散构造理论、突变论等现代科学理论的新成果为差不多，同时采 取了统计学与动力学考察相结合的方法，经由过程类比，对各学科中的从无序到 有序的现象建立了一整套数学模型和处理筹划，从而可把在一门学科中所取得的 成果、专门快推广到其它学科类似现象上去。哈肯认为体系由无序到有序的关键不在均衡、非均衡或者离均衡态有多远。 关键在于构成体系的各子体系在必定前提下，它们之间的非线性感化、互相协同 和合作，自发产生有序构造。是以强调了协同现象的广泛性和重要性。协同窗侧 重研究体系中各元素间的合作，它不仅研究开放体系从无序到有序的演变规律， 同时也研究其从有序到无序的演变规律，真正同一了有序与无序。因而协同窗较 耗散构造理论来说有更广的有用范畴，它把研究从远离均衡态的开放体系扩大到 近均衡态和均衡态体系。协同窗的显现把非均衡体系的自组织理论推到了一个新 的成长时期。协同窗所阐述的基来源差不多理重要为协同效用道理、安排道理和自组织道 理。协同效用道理即“协同导致有序”，体系的有序性是由体系要素的协同感化 形成的，协同感化是任何复杂体系本身所固有的自组织才能，是形成体系有序构 造的内部感化力。体系的这种自组织现象，只能在含有大年夜量子体系的复杂体 系中才能实现，只有在大年夜量子体系之间才会存在十分复杂的接洽，才能产生 体系整体的有序活动。安排道理：复杂体系在由不稳固点向新有序时空构造改变时，平日受到序参 量的决定。在复杂体系中有两类变量，即快变量与慢变量（即序参量），它们的 地位不合，起安排操纵造用的变量是慢变量。快变量在体系受到干扰而偏离稳态 时，老是偏向于使体系从新回到本来的稳态，这种变量起了一种类似阻尼的感化， 同时衰减得也专门快，因此叫快变量。慢变量在体系因涨落而偏离稳态时，老是 偏向于使体系加倍偏离本来的稳态而走向非稳态，这种变量在体系处于稳态与非 稳态的临界区时，显现出一种无阻尼特点，同时衰减得专门慢，因而称为慢变量。 应用绝热消去法，消去快变量，能够大年夜大年夜简化问题，易于求解。自组织道理：体系在没有外部指令的前提下，其内部子体系之间能够或许按 照某种规矩主动形成必定的构造或功能，它具有内涵性和自生性。在外部能量和 物质输入的情形下，体系会经由过程大年夜量子体系间的协同感化，在自身涨落 力的推动下，形成新的时空构造。协同窗是一门横断科学和边沿科学。因为它研究和揭示了在必定前提下，不 合体系经由过程子体系间的协同感化与自组织，从无序向有序改变的合营规律和 特点，因而它在天然科学和社会科学范畴有着宽敞的应用前景。C. 协同窗与耗散构造小结1. 耗散构造要求体系开，远离均衡态，有物质、能量交换，及内部的非线性 机制。而把研究从远离均衡态的开放体系扩大到近均衡态和均衡态体系，认为非 均衡并不必定导致有序，而均衡也并不料味着确实是无序之本。2. 同外部的交换可产生负熵流，产生促进内部协同的促合力。促合力与交换 量成正比。3. 子体系之间的协作力（可正、可负、可为零）决定体系的今后走向。协作 力大年夜于零，体系走向高等稳态；协作力小于零，体系走向纷乱。4. 耗散构造惯性道理：一旦形成耗散构培养有必定抗干扰才能。5. 兼并溶合道理：外来小体系与大年夜的耗散构造相遇并互相感化时，小体 系不是足以破坏大年夜体系时，则被后者兼同时溶合，并不阻碍后者的差不多构 造。6. 突发干扰：使体系崩溃时，体系可产生向上或向下的活动，一样情形下形 成高一级的耗散构造。D. 突变论突变理论是法国数学家勒内托姆（Rene Thom）于1972年创建的。它是 一个新的数学分支，也是体系科学成长中的一个重要分支。以往的数学只能解决 连续变更（离散连续）问题，渐变论是学术界的主导思惟，对那些突然显现的非 连续性变更显得力所不及，不克不及说明突变问题。突变理论从量的角度研究各 类事物的不连续变更问题，进行从量变到质变的研究。它用形象而精确的数学模 型来仿照突变过程，其要点在于考察这一过程从一种稳态到另一种稳态的跃迁。 应用的数学对象重要为拓扑学、奇点理论和构造稳固性理论。突变论以稳固性理论为差不多，经由过程对体系稳固性的研究，说清晰明了 稳固态与非稳固态，渐变与突变的特点及其互相关系，揭示了突变现象的规律和 特点。托姆的突变论不雅点重要有以下几点： a. 稳固机制是事物的广泛特点之 一，是突变论阐述的重要内容，事物的变更成长是其