ch16_系统科学与系统工程

系统科学与系统工程主讲：毛光喜广东商学院信息学院教材：《系统科学概论》，吴义生主编，中央党校出版社1998年版。参考书目：1、《一般系统论》，[美]冯·贝塔朗菲著，清华大学出版社1987年版。2、《思维与方法新科学》，杨缦琳胡爱本张伟著，中国青年出版社1990年版。第一讲系统科学概说通过今天的学习，您将：1、了截什么是系统，什么是系统科学；2、掌握系统科学的研究对象、体系结构；3、了解系统科学的发展历史和现状；4、把握学习系统科学的现实意义。案例分析：一举而三役济北宋皇宫着火，烧成废墟，皇帝命令大臣丁谓限期重建。丁谓经过实地考察，提出：在皇城前的大道上取土烧砖，形成河道后引进汴水，然后用船把建筑材料运入工地，皇宫修好后，用工程遗留下来的碎砖废土填塞河道，修复原来的大道。一、系统科学的性质和特点1、什么是系统科学？系统科学是从系统的整体性、系统的结构和功能的角度去研究客观世界，探求客观世界中系统、信息、控制之间的联系及其性质和规律性的科学技术部门。系统整体性结构功能系统系统信息控制2、系统科学的性质¤系统科学是研究系统的基础学科。科学体系自然科学：研究客观世界中物质在时空中的运动。社会科学：研究客观世界中人类社会的运动和发展。系统科学：从系统的结构和功能的角度研究客观世界。行为科学：研究个人和社会的相互作用。思维科学：从人认识客观世界的角度研究客观世界。数学科学：研究客观世界中数量与质量的辩证统一。人体科学：研究人体在客观世界的运动和发展。文艺理论：研究人与客观世界相互作用后达到的美感。军事科学：研究客观世界中不同集团之间的矛盾和斗争。地理科学：研究人类生存和发展的基础。3、系统科学的特点①系统科学是横断科学；②系统科学的综合性；③系统科学的抽象性；④系统科学的数理性。二、系统科学的研究对象系统科学以系统现象、系统问题为研究对象。复杂简单无组织有组织ⅠⅢⅡⅣ三、系统科学的体系结构哲学基础科学技术科学工程技术系统科学系统学运筹学巨系统理论控制论信息论系统工程自动化信息技术马克思主义哲学思维科学自然科学数学科学社会科学（系统论）数学突变论基础科学物理学生物学其他技术学科四、系统科学的历史和现状1、系统的思想渊源赫拉克利特德谟克利特柏拉图亚里士多德（火）（逻各斯）（理念）（四因说）2、系统科学的形成系统工程系统理论系统科学的发展线索贝塔朗菲一般系统论维纳控制论申农信息论米勒一般生命系统论普利高津耗散结构理论哈肯协同学生物工程社会经济系统工程、仿生学、人工智能等五、学习系统科学的现实意义1、丰富人类知识宝库；2、帮助确立辩证唯物主义哲学观；3、促进科学思维方式的转变；4、推动工作方式的变革；5、促进决策的科学化；6、加强科学管理。第二讲走进系统图景通过今天的学习，您将1、了解系统、信息、控制的基本概念；2、了解系统思维的理路；3、了解系统论方法、信息论方法、控制论方法。一、放宽系统的视野1、东西辉映，异曲同工2、矛盾重重，疑窦丛生3、走出系统，溶与系统西方：推理印度：直觉中国：统觉先拆开，再拼回。整体的统一性。和合。思维的渊薮王国维：古今之成大业、大学问者，必经过三种之境界：“昨夜西风调碧树。独上高楼，望尽天涯路”，此第一境也；“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴”，此第二境也；“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”，此第三境也。(看山是山，看山不是山，看山还是山）还原论；形而上学；系统论。科学的呼唤科学：矛盾重重科学：需要反思世界是简单的，还是复杂的？世界是从有序走向无序，还是无序走向有序？物理学生物学力学拉普拉斯决定论随机性偶然性科学的来源是什么？她的归宿又在哪里？学科与学科之间的联系何在？系统观未来远古15世纪18世纪20世纪40年代20世纪60年代宇宙论机械论系统论控制论信息论耗散结构论突变论协同论一粒沙中见世界全息论部分是整体信息的浓缩；整体是部分放大。1980年，《潜科学》杂志发表了我国学者张颖清的《生物全息律》，首次提出生物全息律。1、进一步消除了整体和部分之间的隔阂；2、丰富和深化了整体和部分之间的相关性；3、提供了一种新的认识方法；4、为预测分析和泛化分析提供了依据。非系统理论及其思考理想的非系统状态，在空间分布上具有各向同性、均匀性、二点之间距离不等性三个特点。在这一范围中，信息量等于零，而熵无限大，它没有任何系统，到处是单一的重复，绝对的混乱。①相对性原则；②主体性原则；③不完全原则；④否定原则。二、系统论1、系统的概念系统是存在于一定环境之中的，由若干相互联系、相互作用的要素所构成的，具有特定功能的整体。物质能量信息系统的普遍性系统的组成部分——要素万事万物自成系统，又互成系统。要素是系统存在的基础，系统是按一定结构相互联系、相互作用的要素组成的。要素的性质不同，构成不同的系统；系统性质、不同数量的要素构成不同的系统；要素在系统中的作用不同。2、系统的一般特性①有机整体性②层次性③稳定性（非加和性）（相对性）④有序性（时间序、空间序、时空序）⑤动态性⑥开放性（动态平衡）3、整体和部分①有机统一；②整体具有不同于部分的新质；③正效应和负效应。天净沙•秋思枯藤老树昏衙，小桥流水人家，古道西风瘦马，夕阳西下，断肠人在天涯。4、结构和功能表现①结构②功能③结构和功能的关系稳定性层次性相对性可变性基础同构同功异构异功同构异功异构同功5、系统与环境系统环境6、系统的演化产生存在变化和发展消亡7、系统的分类①按性质分②按存在和运动状态分③系统行为的复杂程度分④按子系统的数量及其相互联系分⑤按与环境的关系分⑥按系统的等级分⑦按系统内不同变量间关系分⑧按确定性分⑨钱学森的分类8、系统方法系统分析方法目标分析结构分析功能分析环境分析动态分析分解协调方法系统分解系统协调（结构分解、功能分解、内外关联分解、目标分解、过程分解等）实现整体优化三、控制论1、控制的概念控制是带目的性的因果联系，即产生原因系统对产生结果系统有目的的影响干预。施控系统受控系统控制主体控制对象控制两人打架可能打重了，打死了对方可能打轻了，被对象打可能打的不轻不重，两败俱伤在一个系统中，被控制对象存在多种可能性。控制就是要在这些可能性中进行有方向的选择，以期达到预期目的，使系统趋于稳定状态。（控制的作用）首先对系统的信息进行分析、比较、判断其次根据内部、外部变化随时调整再次通过系统联系和信息处理多次往返2、控制方式控制方式是指在控制系统中为了实现控制的目的和完成控制任务所采取的控制方法。反馈控制定值控制程序控制随动控制随机控制模糊控制量优控制3、控制系统施控系统受控系统控制作用反馈作用环境（介质）控制系统总经理副总经理总会计师总经济师市场总监人力资源总监生产部财务部发展规划部市场部人力资源部公共关系部董事会敏感环节决策环节执行环节中间转换环节开环控制系统闭环控制系统施控装置受控装置输入指令输出施控装置受控装置输入指令输出反馈装置目标值4、控制理论和控制技术工程控制论生物控制论社会和经济控制论智能控制论自动调节和单机自动化最优控制和局部自动化系统控制和管理自动化人工智能和智能自动化控制理论控制技术5、控制论方法①黑箱方法②灰箱方法③白箱方法④功能模拟法黑箱输入输出输入输出灰箱白箱输入输出四、信息论1、信息的概念信息是对事物存在方式、运动状态、相互联系的特征的一种表达和陈述。表现为文字、图象、图形、语言、声音等形式。物质世界的三大支柱：物质、能量、信息信息的特征①普遍存在；②可识别和共享；③可转换和传输；④可存储和压缩；⑤可扩散和扩充；⑥可再生和替代。使用者信息源使用者使用者语言、图象等信息的功能①信息是重要的资源；②信息是现代化的工具；③信息是系统的联系中介；④信息是社会进步的关键环节。2、信息论申农的通信系统模式信源编码消息信道信号译码信宿噪声噪声+信号消息信息论的发展狭义信息论一般信息论广义信息论3、信息科学信息论电子学控制论计算机科学自动化技术人工智能数学物理4、信息方法信息方法就是运用信息的观点，把系统看作是借助于信息的获得、传递、加工、处理而实现其目的的一种研究方法。第三讲系统理论及系统工程通过本讲的学习，您将：1、掌握耗散结构的基本含义及其实际应用；2、了解自组织的原理、形式及判别依据；3、把握线性系统、非线性系统的基本原理；4、了解随机、混沌、灰色系统的基本理论。一、自组织和他组织系统1、组织(Organization)宇观层次：星云、星系、银河系、太阳系等；宏观层次：地球，山川、海洋、建筑物等；微观层次：晶体结构、原子结构等2、自组织(Self-Organization)组织力和组织指令来自系统内部的，是自组织。定义：分类：按结构分：平衡结构和耗散结构；按运动方式分：按形式分：自组织形式：自创生、自生长、自适应、自复制自组织的判断依据：自由能判据；熵的变化；信息量变化；序参量。自组织原理：突现原理；开放性原理；非线性原理；反馈原理；不稳定原理；支配原理；协同原理；环境选择原理。3、他组织(Heter-Organization)定义：类型：组织力和组织指令来自系统外部，系统是在外界特定的干预下获得空间、时间上的功能和结构的，是他组织。指定式、诱导式、限定边界条件式。仿自组织的他组织系统非仿自组织的人工创造物自组织与他组织的辨证统一二、耗散结构1、基本概念耗散结构是一个远离平衡态的开放系统，通过不断地与外界交换物质和能量，在外界条件的变化到达一定阈值时，可能从原有的混沌无序的混乱状态，转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。耗散结构是一种“活”的结构，它是靠不断“耗散”环境提供的物质和能量来维持它的生命活力。时间上的微观运动可逆与宏观运动不可逆。进化与退化。孤立系统、封闭系统与开放系统。系统状态：平衡态、非平衡态。熵和熵增大原理。2、耗散结构的形成条件——开放系统；——远离平衡态；——非线性相互作用；——涨落导致有序；——正反馈机制。3、耗散结构的哲学问题时间：可逆性与不可逆性、对称性和对称性；结构：平衡和平衡、有序和无序、稳定和不稳定；世界：简单性和复杂性、局部性和整体性；规律：决定论和非决定论。4、耗散结构的理论的实际实际应用应用的条件和方法：系统必须是开放系统；系统必须远离平衡态；有序是来自涨落的有序；程序和步骤：确定问题；确定熵；建立模型；确定有序程度，做相应判断；实施。三、线性和非线性1、线性系统线性系统指的是因变量和自变量之间呈比例关系变化，在变化过程中，二者之间的比值不变。线性相互作用：独立性、时空上的均匀性、对称性。线性系统：在线性系统中，整体等于部分之和。（叠加原理）判断叠加原理的基本依据。线性特征在本质上只有一种，不同线性系统函数（直线）只是比例系数的差别，经过简单的数学变换（平移或旋转），可以完全重合。2、非线性系统通常是叠加原理不成立，非线性方程通常没有解析表达形式的解。非线性相互作用：非独立的相干性；在时空中的非均匀性；其多体间的非对称性。四、随机系统在非确定性系统中，凡是含有内部随机参数、外部随机干扰和观测噪声等随机变量的系统，如果根据系统某一时刻的状态和输入，能够确定下一时刻的状态或输出的概率分布，就称为随机系统。必然性：如果条件实现，事件一定发生；或然性：在条件实现下，事件可能发生、可能不发生。事件出现频率具有稳定的或然性，就称之为随机性。五、混沌系统混沌是指非确定性系统内部的非线性性质所引起的非周期状态。混沌说明了未来并不完全包含在过去之中。混沌不是无序，更不是紊乱。简单原因可能导致复杂结果。六、灰色系统灰色系统理论由我国学者于1982年首先提出。灰黑白灰化白化灰色系统黑色系统白色系统七、系统工程1、系统工程的特征：研究方法整体化；应用技术综合化；寻求目标的最优化；涉及多个领域和学科。2、系统工程的程序和步骤预备研究主体研究详细研究系统建立系统试运行系统使用调整、修改或放弃方案