第2章系统工程方法论

第2章系统工程方法论2.1  一般系统论2.2现代系统论(耗散结构理论、突变论和协同学、混沌理论等简介)2.3自动控制论2.4大系统理论2.5信息论2.6霍尔三维结构2.7切克兰德调查学习模式及综合集成方法论2.8 系统分析方法(不是系统评价、不应放在“系统评价”中)12相关内容安排：系统工程是一门交叉学科，它的基础理论较多，主要有：一般系统论、运筹学、耗散结构理论、混沌理论、经济控制论、自动控制论、信息论等，拟对后两者较详细介绍。系统工程的核心目标之一，是使系统运行在最优状态。因此，运筹学是系统工程的重要理论基础，它内容较多、独成一章。系统工程的方法论(任何系统对象都适用的分析方法)最主要的有：霍尔三维结构和切克兰德“调查学习”模式，老三论：系统论、信息论、控制论(Cybernetics)，新三论：耗散结构论(Dissipativestructuretheory)、协同论(Synergeticstheory)、突变论(Morphogenesis)、混沌理论、模糊理论、超循环理论、博弈论。学科创始人所在领域创立初衷一般系统论贝塔朗菲（奥—美）理论生物学解决生物学内部机械论与活力论之争信息论申农（美）数学物理学解决现代通讯问题控制论维纳（美）数学解决自动控制技术问题运筹学许多科学家数学解决二战中军事决策问题系统工程许多科学家自然科学解决大型组织的管理、决策问题耗散结构理论普利高津（比利时）物理化学解决自然系统的有序及控制问题协同学哈肯（德）理论物理学解决自然系统的有序及控制问题突变论托姆（法）数学专门研究突变现象超循环理论艾根（德）生物物理学研究生命起源系统工程方法论的起源系统论：关于系统的哲学和方法论，是系统科学通向哲学的桥梁和中介系统科学的基本理论层系统工程技术的直接理论层具体的工程技术层第一层系统观系统学运筹学巨系统理论控制论信息论系统工程自动化技术通信技术第二层第三层第四层系统科学系统论纵向提练“系统论”与其他“系统科学”的关系52.1一般系统论一般系统论的概念一般系统论：是研究系统的一般结构和规律的理论。它研究各种系统的共同特征，用数学方法描述其功能，寻求并确立适用于一切系统的原理、原则和数学模型，是具有逻辑和数学性质的一门新兴科学。它是适用于各种系统的一般原则和理论一般系统论内容：系统科学、系统技术、系统哲学等，是逻辑和数学的领域一般系统论的特点(美国哲学家E.拉兹洛归纳)是强调：(1)整体观点；(2)科学知识的系统化；(3)自然界的统一性；(4)重视人的因素。所有系统的共同基本特征：结构层级性、表相整体性、功能综合性、演变动态平衡性和时序性、有益性、量化性、优化性、信息化特性、人机化特性。0922‐03End62.1一般系统论一般系统论的基本观点：(1)一个系统是由许多相互关联、相互作用的部分组成的不可分割的整体，(2)较复杂的系统可进一步划分成更小、更简单的子系统，(3)用多个系统可组成更复杂的超系统。如：国家是大地区的子系统，大地区是国家的超系统；长江三角洲是中国的子系统，中国是长江三角洲的超系统。系统的变化总是朝着目标前进。为了达到一个共同的目标，系统需要通过各子系统之间的相互作用，以及与环境的相互作用，持续地调整与环境的关系，达到适应环境的目的，因而必须整体地对待各系统内部与各系统之间的关系。一般系统论的性质(贝塔朗菲提出)：1. 整体性2. 层次性3. 目的性4. 同形性7一般系统论的发展创始人：系统思想--如“牵一发而动全身”--源远流长。是加籍奥地利理论生物学家L.V.贝塔朗菲(L.Von.Bertalanffy)创立的。他在1952年发表“抗体系统论”，提出系统论思想。1973年他提出一般系统论原理，奠定这门科学的理论基础。他的论文《关于一般系统论》在1945年公开发表，他的理论到1948年在美国再次讲授“一般系统论”时，得到学术界的重视。创立标志：1968年贝塔朗菲出版的专著：《GeneralSystemTheory：Foundations，Development，Applications》,该书被公认为“一般系统论”的代表作、是“一般系统论”的创立标志。2.1一般系统论82.2.1耗散结构理论耗散结构理论：是用热力学和统计物理学方法，研究耗散结构形成的条件、机理和规律的理论耗散结构理论的创始人是伊里亚∙普里戈金(IlyaPrigogine)教授，由于对非平衡热力学尤其是建立耗散结构理论方面的贡献，他荣获了1977年诺贝尔化学奖。普里戈金早期从事化学热力学研究，1945年得出了昀小熵产生原理，此原理和翁萨格倒易关系一起为近平衡态线性区热力学奠定了理论基础。普里戈金以多年的努力，试图把昀小熵产生原理延拓到远离平衡的非线性区，但以失败告终，在研究了诸多的远离平衡现象后，他认识到系统在远离平衡态时，其热力学性质可能与平衡态、近平衡态有重大原理差异。以普里戈金为首的布鲁塞尔学派又经过多年的努力，终于建立起一种新的关于非平衡系统自组织的理论──耗散结构理论。这一理论于1969年由普里戈金在一次“理论物理学和生物学”的国际会议上正式提出。2.2现代系统论简介92.2.2突变论“突变”一词的法文原意是“灾变”，强调变化过程的间断或突然转换。突变论的研究内容：从一种稳定组态跃迁到另一种稳定组态的现象和规律。突变论的创始人：法国数学家雷内托姆，他于1972年发表的《结构稳定性和形态发生学》一书阐述了突变理论，荣获国际数学界昀高奖——菲尔兹奖。突变论是研究客观世界非连续变化现象的一门新兴科学，20世纪70年代创立后，十数年间获得迅速发展和广泛应用，引起了科学界的重视。突变论的主要特点是用形象而精确的数学模型描述和预测事物的连续中断质变过程。突变论是一门着重应用的理论，它既可以用在“硬”科学方面，又可以用于“软”科学方面。当突变论视为一门数学分支时，它是关于奇点的理论，它可以根据势函数将临界点分类，并且研究各种临界点附近非连续现象的特征。突变论提出，高度优化的设计很可能有许多不理想的性质，因为结构上昀优，常常伴随着对缺陷的高度敏感性，会产生特别难以对付的破坏性，以致发生真正的“灾变”。在系统建造中，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、出现突然全面塌陷。突变论不仅能应用于许多不同领域，而且也能以许多不同的方式来应用。2.2现代系统论简介102.2.3混沌理论（ChaosTheory）混沌理论概念：是系统从有序状态突然变到无序状态的一种演化理论。它探讨确定性系统出现内在“随机过程”的形成途径和机制。混沌现象是一种确定、但不可预测的运动状态。它的外在表现类似纯粹随机运动、不可预测，但实质上有别随机运动：混沌运动在动力学上是确定的，它的不可预测性来源于运动的不稳定性。或者说混沌系统对无限小的初值变动和微小扰动都很敏感，无论多小的扰动在长时间后，也会使系统彻底偏离原来的演化方向。混沌现象是自然界中的普遍现象，天气变化就是一个典型的混沌运动实例。混沌现象的一个著名表述就是蝴蝶效应：南美洲一只蝴蝶扇一扇翅膀，就会在北美的佛罗里达引起一场飓风。“相对论消除了存在绝对空间和时间的幻想；量子力学则消除了可控测量过程的牛顿力学的梦想；混沌理论则消除了拉普拉斯决定论式的可预测幻想”：第一，就是未来无法确定。如果你某一天的确定与事实相符，那是你撞上了；第二，事物的发展是通过自我相似的秩序实现的。看见云彩，知道它就是云彩，看见一座山，知道它就是一座山，凭什么？就是自我相似。这是混沌理论两个基本的概念。2.2现代系统论简介112.2.3混沌理论（ChaosTheory）混沌理论特点一、混沌理论是一种兼顾定性思考与定量分析的方法。用以探讨动态系统中（如：人口移动、化学反应、气象变化、社会行为等）无法用单一的数据关系、必须用整体连续的数据关系才能加以解释和预测的行为。二、混沌一词原指宇宙形成之前的混乱状态。我国及希腊古代哲学家对于宇宙起源就持混沌论观点，主张宇宙由混沌之初逐渐形成、现今有条不紊。在井然有序的宇宙中，西方自然科学家经过长期探索，逐一发现众多自然界中的规律，如大家耳熟能详的地心引力、杠杆原理、相对论等。这些自然规律都能用单一的数学公式描述，并可以依据此公式准确预测物体的行径。三、近半世纪以来，科学家发现，许多自然现象即使可用纯粹数学公式描述，其行径也无法预测。如气象学家Edward Lorenz发现，简单的热对流现象居然能引起令人无法想象的气象变化，产生所谓的“蝴蝶效应”，亦即某地下大雪，经追根究底，发现是几个月前远在异地的蝴蝶拍打翅膀产生气流所至。一九六○年代，美国数学家Stephen Smale发现，某些物体的行径经过某种规则性的变化，随后的发展并无一定的轨迹可寻，呈现失序的混沌状态。2.2现代系统论简介122.2.3混沌理论（ChaosTheory）混沌理论特点四、混沌现象起因于物体不断以某种规则复制前一阶段的运动状态，而产生无法预测的随机效果。所谓“差之毫厘，失之千里”正是此一现象的昀佳批注。具体而言，混沌现象发生于易变动的物体或系统，该物体在行动之初极为单纯，但经过一定规则的连续变动，却产生始料未及的后果，也就是混沌状态。但此混沌状态不同于一般杂乱无章的混乱状况，此混沌现象经过长期及完整分析，可以从中理出某种规则。混沌现象虽然昀先用于解释自然界，但是在人文及社会领域中因为事物之间相互牵引，混沌现象尤为多见。如股市的起伏、人生的平坦曲折、教育的复杂过程。五、混沌理论在教育行政、课程与教学、教育研究、教育测验等方面已经有些许应用的例子。由于教育的对象是人，人是随时变动起伏的个体，而教育的过程基本上遵循一定的准则，并历经长期的互动，故，相当符合混沌理论的架构。因此，依据混沌理论，教育系统容易产生无法预期的结果。此一结果可能是正面的，也可能是负面的。不论是正面的还是负面的，重要的是，教育的成效或教育的研究除了短期的观察之外，更应该累积长期数据，从中分析出可能的脉络，以增加教育效果的可预测性，并运用其扩大教育效果。2.2现代系统论简介132.2.3混沌理论（ChaosTheory）混沌理论特点六、过去决策基础的三个主要假定和三个新的现实根据混沌理论，格拉斯提出，过去决策基础的三个主要假定(如下)不再成立：假定1：企业是一个“说到做到”的封闭系统。外界对企业行动没有多大干扰。假定2：经营环境是稳定的。管理者能把握环境、制定详尽具体的战略。假定3：管理者对事件的因果关系有足够认识。他们能顺藤摸瓜，找出每一事件将会导致的结果。•在格拉斯看来，这些旧的假定已经被三个新现实所替代：现实1：企业是复杂的“开放”系统，既影响它所处的环境，又在很大程度上受环境的影响。这意味着，企业的行动可能无法达到预期的结果。现实2：环境瞬息万变(不断创造着机会和威胁)。高层管理者不能指望制定出实施时仍完全有效的详尽战略。•现实3：作为传统决策理论基础的简单线性因果关系模型已经失灵。因此，各种事件的后果是无法预料的。2.2现代系统论简介142.2.4运筹学简介运筹学：是优化和决策的应用数学运筹学本身也在不断发展，现在已经是一个包括好几个分支的数学领域。比如：数学规划（又包含线性规划；非线性规划；整数规划；组合规划等）、图论、网络流、决策分析、排队论、可靠性数学理论、库存论、对策论、搜索论、模拟等等。运筹学有广阔的应用领域它已渗透到诸如控制、服务、库存、搜索、人口、对抗、时间表、资源分配、厂址选择、能源、设计、生产、可靠性、等各个方面。运筹学是软科学中“硬度”较大的一个领域它兼有逻辑的数学和数学的逻辑之性质，是系统工程学和现代管理学中的一种基础理论和不可缺少的方法和工具。运筹学已被应用到各种管理工程中，在现代化建设中发挥重要作用2.2现代系统论简介152.3.1 控制系统的描述和有关概念 控制系统有外部和内部两方面的表现。(1)外部表现形式，主要用系统的输入和输出来描述：输入变量12()(),(),()TrUtututut输