第2章 系统工程理论

2019年8月12日第1页系统工程导论（IntroductiontoSystemsEngineering,ISE）第二章系统工程理论Chapter2SystemsEngineeringTheory同济大学机械工程学院周炳海博士教授[e-mail]2019年8月12日第2页第二章系统工程理论系统科学的学科体系(DisciplinaryArchitectureofSystemsScience)系统工程的理论基础(TheoreticalFoundationofSystemsEngineering)系统工程理论的新发展(NewDevelopmentofSystemsEngineering)主要内容(Contents)2019年8月12日第3页2.1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(EngineeringTechnology)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(TechnologicalSciences)再就是基础科学这一层次(FundamentalSciences)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(MarxistPhilosophy)现代科学技术(Modernscienceandtechnology)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现代科学技术体系2019年8月12日第4页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，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。2.1系统科学的学科体系现代科学技术(Modernscienceandtechnology)马克思主义哲学社会科学数学科学数学突变论自然科学基础科学物理学生物学其它技术科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）系统科学人体科学思维科学哲学基础科学技术科学工程技术系统科学的体系2019年8月12日第5页系统学主要研究内容:系统的普遍属性和运动规律，系统演化、转化、协同和控制的一般规律，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仍有较大差异。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。2.1系统科学的学科体系系统学(Systematic)Systemsengineeringgeneratesfrompractice,itusesthesystem'sthinkingandquantitativeandqualitativesystemsapproachtodealwiththeproblemoflargecomplexsystems,itisacross-disciplinary.2019年8月12日第6页系统工程是：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；(Someideas,theories,methods,strategiesandmeansofthenaturalsciencesandsocialsciencesareorganicallylinkedaccordingtotheneedforoverallcoordination;)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。2.1系统科学的学科体系系统工程(SystemsEngineering)2019年8月12日第7页系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(Anyphysicalsystemscanbetheirobjectofstudy,butnotlimitedtothephysicalsystems)，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可以是信息，所以系统工程也是一门“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。2.1系统科学的学科体系系统工程(SystemsEngineering)2019年8月12日第8页“老三论”：系统论(SystemTheory)信息论(InformationTheory)控制论(Cybernetics)“新三论”：耗散结构理论(DissipativeStructureTheory)突变论(CatastropheTheory)协同论(synergetics)系统科学的分类(ClassificationofSystemsScience)2.1系统科学的学科体系2019年8月12日第9页控制论的产生与发展：1947年由美国人维纳（NorbertWiener）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。”(Theanimalandmachinecontrolandcommunicationsscience)2.2系统工程的理论基础控制论(Cybernetics)Cyberneticsistheinterdisciplinarystudyofthestructureofregulatorysystems.Cyberneticsiscloselyrelatedtocontroltheoryandsystemstheory.Bothinitsoriginsandinitsevolutioninthesecond-halfofthe20thcentury,cyberneticsisequallyapplicabletophysicalandsocial(thatis,language-based)systems.2019年8月12日第10页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。2.2系统工程的理论基础控制论(Cybernetics)2019年8月12日第11页控制系统: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，称为控制系统。2.2系统工程的理论基础控制论(Cybernetics)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。2019年8月12日第12页控制论对系统工程方法论的启示：黑箱—灰箱—白箱法功能模拟法形式化、数量化、最优化方法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2.2系统工程的理论基础控制论(Cybernetics)2019年8月12日第13页信息论于本世纪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。2.2系统工程的理论基础信息论(Informationtheory)Informationtheoryisabranchofappliedmathematicsandelectricalengineeringinvolvingthequantificationofinformation.InformationtheorywasdevelopedbyClaudeE.Shannontofindfundamentallimitsonsignalprocessingoperationssuchascompressingdataandonreliablystoringandcommunicatingdata.Sinceitsinceptionithasbroadenedtofindapplicationsinmanyotherareas,includingstatisticalinference,natuallangualgeprocessing,cryptographygenerally,networksotherthancommunicationnetworks—asinneurobiology,theevolutionandfunctionofmolecularcodes,modelselectioninecology,thermalphysics,quantumcomputing,plagiarismdetectionandotherformsofdataanalysis.2019年8月12日第14页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。2.2系统工程的理论基础信息论(Informationtheory)2019年8月12日第15页信息论研究运用了类比方法和统计方法①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。②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。2.2系统工程的理论基础信息论(Informationtheory)2019年8月12日第16页Systemstheoryisthetransdisciplinarystudyofsystemsingeneral,withthegoalofelucidatingprinciplesthatcanbeappliedtoalltypesofsystemsinallfieldsofresearch.Thetermdoesnotyethaveawell-established,precisemeaning,butsystemstheorycanreasonablybeconsideredaspecializationofsystemsthinkingandageneralizationofsyst