第二讲 系统工程理论

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二讲 系统工程理论,1,第二讲:系统工程理论,第一节：系统工程的理论基础,第二节：系统工程理论的新发展,2,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。”,3,系统工程的理论基础,控制论的发展已大致经历了三个时期。,从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。,4,系统工程的理论基础,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。,5,系统工程的理论基础,控制论的基本概念,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,6,输入 偏差 控制 输出,反馈,施控器,受控器,检测器,比较器,环 境,闭环控制系统框图,7,系统工程的理论基础,系统稳定性,负反馈,正反馈,系统的结构,层次性,相对性,较高层次具有较高的复杂性。系统与要素是相对于系统的等级和层次而言的。一般说来，高一级的结构层次对低一级的结构层次有着制约性，而低一级结构又是高一级结构的基础，低一级结构层次反作用于高一级结构层次，它们之间的关系是辨证的。,8,系统工程的理论基础,各层次都有其最佳规模,结构稳定性,结构开放性和动态性,9,系统工程的理论基础,控制论对系统工程方法论的启示,黑箱灰箱白箱法,黑箱永远有，白箱永不白,功能模拟法,形式化、数量化、最优化方法,10,系统工程的理论基础,控制论对系统工程方法论的启示,功能模拟法,功能模拟方法，就是以功能和行为的相似性为基础，用模型模仿原型的功能和行为的一种方法。电子计算机的创造就是功能模拟法应用成功的一个例子，早期的计算机就是从模拟人的计算功能开始的，但这种模型在外形和结构上与原型已很不一样。,11,系统工程的理论基础,控制理论分支与系统研究各方面的对应关系,控制论分支与系统工程研究的分类表,结构方面,行为方面,反馈性能,能控性、能观性,可靠性,大系统理论,稳定性,最优化,滤波、随机控制,鲁棒性,自适应、自组织、自学习,人工智能和模式识别,12,系统工程的理论基础,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,13,系统工程的理论基础,信息,申农将信息定义为“两次不定性之差”，即“不定性的减少的量”。从通讯角度看，信息是数据、信号等构成的消息所载有的内容。,消息是信息的“外壳”，信息是消息的“内核,。在同样一条消息中，对不同的人来讲，可能信息量很大，也可能信息量很小，甚至为零。,从实用角度看，信息是指能为人们所认识和利用的，但事先又不知道的消息、情况等。也就是说信息对于收信者来说，应该是有用的和未知的东西。,维纳则认为：信息不是物质也不是能量，在信息与物质、能量之间划了一条界限；信息是控制系统进行调节活动时，与外界相互作用、相互交换的内容；信息是系统的组织性的量度,。,14,系统工程的理论基础,信息的特点,信息源于运动,信息可以被感知、处理和利用,信息具有知识秉性，能消除不确定性,信息依赖于物质并在物质上传递、存储，但有不同于物质,信息的使用价值具有相对性,信息具有时效性,信息不守恒,15,系统工程的理论基础,信息论的启示,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、抽象出了信息论模型,针对信息的随机性特点，运用了统计数学（概率论与随机过程）解决了信息量问题。并扩展了信息概念，壮大了语义信息、有效信息、主观信息、相对信息、模糊信息等方面的内容,16,系统工程的理论基础,17,系统工程的理论基础,信息论的启示,运用信息的方法处理问题,把系统题有目的的运动抽象为一个信息交换过程,信息输入,信息存储,信息处理,信息输出,信息反馈,18,系统工程的理论基础,表现形式,变化过程,守恒,熵,物质,能量,信息,电子、细胞等,引力、热等,信号等,扩散、传递,能量转化,传递、存储,物质不灭,能量守恒,不守恒,热力学第二定律,信息熵,19,系统工程的理论基础,一般系统论的产生,实验科学时代的还原论；,经典自然科学中还原论占统治地位，把研究对象进行一层层地不断分解至基本单元，分解隔离为不同因果链，研究其基本单元因素，认为基本单元弄清了，因果量与因素弄清了，对象也就研究清楚了。这样的方法论和观点在古典自然科学中曾取得了很大成功，从而对其他科学研究产生了巨大影响。,生物学中机械论与活力论之争；,机械论认为一种原因导致一种结果。用分析方法把生物问题化为物理、化学问题来研究。通过对生物进行分解（生物系统器官组织细胞）研究，最终导致分子生物学产生，破译了遗传密码，取得了显赫的成就。但对更高层次的问题却仍然知之不多，如生命现象、生命组织。,分析方法侧重于分析事物的各个部分。分析方法的应用取决于两个前提：部分之间的相互作用不存在，或其弱得可以在某些研究中忽略；描述部分行为的关系式是线性的。因而这种方法在处理各部分间有紧密联系的系统及非线性系统问题上有局限性。,；,20,系统工程的理论基础,一般系统论的产生,本世纪,二十年代美籍奥地利生物学家冯贝塔朗菲,在对生物学的研究中发现把生物分解的越来越多，反而会失去全貌，对生命的理解和认识反而越来越少。因此开始了理论生物学研究，创立了一般系统论。,1945,年关于一般系统论的发表，成为系统论形成的标志。,21,系统工程的理论基础,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,系统的层次等级性,系统的有序性,22,系统工程的理论基础,系统方法论告诉我们要以系统的观点去看整个世界，不能片面、孤立地看问题。系统方法论主张以思辨原则代替实验原则，不能机械地看问题，尤其是在处理复杂、有机程度高的系统时，这一点显得尤为重要。,系统方法论主张以整体论代替还原论。,对事物的层层剖析，弱化事物各部分间的联系，认为整体是部分的简单加和，这种思想不利于从总体把握事物，对事物的整体功效认识不清。系统方法论启示我们以目的论代替因果论。,异因可以同果，为达到一定目的，可采取不同方式。人类经济社会不是偶然事件的产物，而是有目的性的复杂系统，研究问题的出发点是认识其目的、服务于目的,23,系统工程的理论基础,系统方法,整体性,整体出发、从系统目标出发进行研究，注意各要素间的相关关系。整体不等于各部分之和。如解决环保问题，就要将环境、能源、生产、经济统为一体，不能以孤立的观点来认识环境问题。,动态性,从时间轴上看其产生、发展过程及前景。如开发新产品时要注意开发时间与技术更新。,最优化,要求的整体最优，而不拘泥于局部最优。,24,系统工程的理论基础,耗散结构理论,平衡结构：稳定有序的死结构,耗散结构：突变形成，稳定的活结构，需要交换物质、能量和信息,系统的熵,进化与退化,进化：无序有序,退化：有序无序,系统必须是远离平衡态的开放系统,系统内部具有非线性动力学机制,自组织临界性,无序有序的转化,系统的演化,25,系统工程的理论基础,协同学,哈肯创立协同学,激光现象：丰富合作的结果,从无序到有序是不平衡、非平衡或者距离平衡态的距离,协同有序原理,支配原理,自组织原理,26,系统工程的理论基础,协同学与耗散结构小结,耗散结构要求系统开放、远离平衡态、有物质、能量交换，以及内部的非线性机制,负熵产生促进内部协同的促协力,子系统之间的促协力决定系统未来,耗散结构惯性原理,合并溶合原理,突发干扰,27,系统工程的理论基础,突变论,法国数学家勒内托姆于,1972,年创立,以往的数学只能解决连续变化（离散连续）问题，,渐变论是学术界的主导思想，对那些突然出现的非连续性变化显得无能为力，不能解释突变问题。,突变理论从,量的角度,研究各种事物的不连续变化问题，进行,从量变到质变的研究,。,它用形象而精确的数学模型来模拟突变过程，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。,运用的数学工具主要为拓扑学、奇点理论和结构稳定性理论,28,系统工程的理论基础,突变论以稳定性理论为基础，通过对系统稳定性的研究，阐明了稳定态与非稳定态，渐变与突变的特征及其相互关系，揭示了,突变现象的规律和特点,稳定机制是事物的普遍特性之一，是突变论阐述的主要内容，事物的变化发展是其稳定态与非稳定态交互运行的过程。,29,系统工程的理论基础,质变可以通过渐变和突变两种途径来实现，如水在常压下的沸腾是通过突变来实现的，而语言的演变则是一个渐变过程。,质变到底是以哪种方式来进行的，,关键是要看质变经历的中间过渡态是不是稳定的。如果是稳定的，那么就是通过渐变方式达到质变的；如果不稳定，就是通过质变方式达到的。,在,一种稳定态中的变化属于量变,，在两种结构稳定态中的,变化或在结构稳定态与不稳定态之间的变化则是质变。,量变必然体现为渐变，突变必然导致质变，而,质变则可以通过突变和渐变两种方式来实现,。,30,系统工程的理论基础,运筹学,线性规划,在经营管理工作中，往往碰到如何恰当地运转由人员、设备、材料、资金、信息、时间等因素构成的体系，以便最有效地实现预定工作任务的问题。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。如果约束条件表示为线性方程式，目标函数表示为线性函数时，就叫线性规划。,一般线性规划的数学模型为要求目标函数实现最大化（或最小化）,由,m,种有限资源构成的一组约束条件,，,各变量不能取负值，即,如果在所要考虑的数学规划问题中，目标函数与约束条件是非线性的，就叫非线性规划问题。如果决策变量中要求取值必须满足整数的线性规划问题，就称为整数规划。,31,系统工程的理论基础,动态规划,它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，以寻求最优决策序列的方法，如研究水利资源多级分配的优化问题,排队论,它研究排队现象的统计规律性，并用以指导服务系统的最优设计和最优经营策略，又称为随机服务系统理论。,对策论,它用来研究对抗性的竞争局势的数学模型，探索最优的对抗策略。,存储论,存储论就是应用数学方法研究在什么时间，以多少数量，从什么供应渠道来补充这些设备，使得在保证生产正常运行的情况下，保持库存和补充采购的总费用最少,32,系统工程理论的新发展,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，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,33,系统工程理论的新发展,复杂适应系统,聚集：个体通过粘着形成较大的主体,非线性,流,多样性,标识：方便互相识别和选择，实现信息交流,内部模型：内部复杂机制,积木：构件组合、涌现,34,系统工程理论的新发展,复杂适应系统,主体是主动地、活的实体,个体与环境协同演化,宏观和微观相互联系,引进了随机因素的作用,35,系统工程理论的新发展,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。,自然科学与社会科学的相互渗透日益深化,由于社会经济系统的规模日益庞大,，影响决策的因素日益复杂，在决策过程中有许多不确定的随机因素需要考虑，因此，现代决策理论和方法有了很大的发展。,DSS,专家系统,AI,36,系统工程理论的新发展,决策,部门,提出问题和形成判断,建模、仿真分析优化,结果分析与综合集成,结论,与,建议,系统运行,系统评价,专家体系,统计数据信息资料,37,系统工程理论的新发展,系统工程作为一门软科学，日益受到人们的重视。,在系统工程一类软科学中，所研究的系统对象，往往可以分为“硬系统”和“软系统”两类。所谓硬系统一般是偏工程、物理型的，它们的机理比较明显，因而比较容易用数学模型来表述，有较好的定量方法可以计算出系统的行为和最优解。,所谓“软系统”一般是偏社会、经济型的，它们的机理往往并不清楚，较难完全用数学模型来表述，而常用定量与定性相结合的方法来处理问题,38,系统工程理论的新发展,过分定量化、过分数学化的模型难以解决一些社会实际问题，许多学者开始了反思。到,20,世纪,80,年代，在美、英出现了一批新的系统方法论，他们的共同特点是偏软，大多没有数学模型，而强调思考方法、工作过程和人的参与等。,Checkland,在他的著作软系统方法论一书中，基于系统的目标、结构、机理特征，将系统分为两种，即,目标明确、结构清晰、机理清楚、可用数学模型表达的硬系统，,和,目标不明确、结构不良、机理不清楚、难以应用数学模型表达、偏社会、经济、文化、生物的软系统，,并将处理前者的问题称为问题，处理后者的问题称为“议题”,(Issues),，将解决这两种问题的方法分别称为“软”系统方法和“硬”系统方法,39,系统工程理论的新发展,40,系统工程理论的新发展,41,系统工程理论的新发展,系统工程研究与应用范围越来越广泛， 对象规模越来越大，并朝着巨系统方向发展,简单系统,判断一个系统是否是简单系统的主要标准，在于此系统是否可以采用牛顿力学的方法来刻画系统的演化,简单巨系统,简单巨系统内子系统的数目一般很多，通常多到无法一个一个地描写每一个子系统地运动。简单巨系统内子系统之间的相互作用一般不太复杂，在,多数情况下，相互作用是已知的，是确定的，,人们可以用确定的规律来描写各子系统之间相互作用。但是简单巨系统,的整体性质不能从子系统叠加得出，而会出现新的性质，对此我们称之为“涌现”出新的性质,。这是简单巨系统和简单系统之间的根本区别。,简单巨系统至少可以分成两个层次，即系统层次和子系统层次。,42,系统工程理论的新发展,复杂巨系统,在巨系统中，如果组分种类繁多(几十、上百、上千或更多)，并有层次结构，它们之间的关联方式又很复杂(如非线性、不确定性、模糊性、动态性等)。,特殊复杂巨系统,钱学森提出的“开放的复杂巨系统”有三个层次的含义：(1)系统本身与系统周围的环境有物质的交换、能量的交换和信息的交换。由于有这些交换，所以是“开放的”；(2)系统所包含的子系统很多，成千上万，甚至是上亿万。所以是“巨系统”；(3)子系统的种类繁多，有几十、上百，甚至几百种。所以是“复杂的”。,43,思考题,系统工程与系统科学的联系和区别是什么？,控制论的两个基本观点及其意义。,系统结构有哪些特点？,简述控制论对系统工程方法论的启示。,功能模拟法与传统模拟法的区别有哪些？,信息概念的特点有哪些？,简述一般系统论的产生背景及其基本观点。,什么是耗散结构？形成耗散结构的条件有哪些？以及耗散结构理论的意义。,协同学与耗散结构理论在研究上的区别有哪些？,复杂适应系统理论的基本思想是什么？,44,