系统科学与系统工程概述

第一章系统科学与系统工程1.1系统科学半个多世纪以来，在国际上“系统”作为一个研究对象引起了很多人的注意，吸引了众多领域的专家从事研究和应用，并逐步形成了一门新兴的学科体系，即“系统科学”。“系统”（system）这一概念来源于人类长期的社会实践。人们认识现实世界的过程是一个不断深化的过程。在古代，哲学家往往把世界看成一个整体，寻求共性和统一，但由于科学技术理论的贫乏，又缺乏观测和实验手段，所以对很多事物只能看到一些轮廓和表面现象，往往是只见森林而不见树木。随着科学技术的发展，理论逐渐丰富，工具与手段更先进了，认识也逐步深化，但仍受到当时科学技术水平的限制和世界观的局限，往往又只看到一些局部现象，致力于对微观现象的研究，以致只见树木而不见森林。进入19世纪以来，认识不断深化。在对个体、对局部有了更多、更深的了解以后，再把这些分散的认识联系起来，才看到了事物的整体，以及构成整体的各个部分之间的相互联系，从而形成了科学的系统观。现代科学的发展比过去更要求在多种学科门类之间进行相互渗透，这是在更深刻地分析的基础上向更高一级综合发展的新阶段，因而出现了许多交叉学科与边缘学科。系统科学也就是在这种背景下，在研究控制论、信息论、运筹学和一般系统论的过程中产生的一门交叉性学科。现在它已发展成与自然科学、社会科学并列的基础科学，是一门独立于其他各门科学的学科。1.1.1什么是系统“系统”一词来源于拉丁语的systema，一般认为是“群”与“集合”的意思。长期以来，它存在于自然界、人类社会以及人类思维描述的各个领域，早已为人们所熟悉。它频繁出现在学术讨论和社会生活中，但不同的人或同一个人在不同的场合会对它赋予不同的含义。究竟什么是系统呢？我们在此采用钱学森给出的对系统的描述性定义：系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合的具有特定功能的有机整体。这个定义与类似的许多定义一样，指出了作为系统的三个基本特征：系统是由若干元素组成的；这些元素相互作用、相互依赖；由于元素间的相互作用，使系统作为一个整体具有特定的功能。虽然有关系统的定义有很多种，但都有包含了上述三个基本的特征，也即它们是系统的基本出发点。因此，在美国的《韦氏（Webster）大辞典》中，“系统”一词被解释为“有组织的或被组织化的整体；结合着的整体所形成的各种概念和原理的结合；由有规则的相互作用、相互依赖的形式组成的诸要素集合。”在日本的JIS（日本工业标准）中，“系统”被定义为“许多组成要素保持有机的秩序向同一目的的行动的集合体。”前苏联大百科全书中定义“系统”为“一些在相互关联与联系之下的要素组成的集合，形成了一定的整体性、统一性。”《中国大百科全书·自动控制与系统工程》解释“系统”是“由相互制约、相互作用的一些部分组成的具有某种功能的有机整体。”1.1.2系统的特征由系统的定义，不难总结出一般系统应具有的下述特性。1．整体性系统整体性说明，具有独立功能的系统要素以及要素间的相互关系根据逻辑统一性的要求，协商存在于系统整体之中。就是说，任何一个要素不能离开整体去研究，要素之间的联系和作用也不能脱离整体去考虑。系统不是各个要素的简单集合，否则它就不会具有作为整体的特定功能，而脱离了整体性，要素的机能和要素之间的作用便失去了原有的意义，研究任何事物的单独部分不能得出有关整体性的结论。系统的构成要素和要素之间的机能、要素间的相互联系要服从系统整体的功能和目的，在整体功能的基础上展开各要素及相互之间的活动，这种活动的总和形成了系统整体的有机行为。在一个系统整体中，即系统工程导论-2-使每个要素并不都很完善，但它们也可以协商、综合成为具有良好功能的系统。相反，即使每个要素都是良好的，但作为整体却可能不具备某种良好的功能，也就不能称之为完善的系统。2．集合性集合的概念就是把具有某种属性的一些对象看成一个整体，从而形成一个集合。集合里的各个对象叫做集合的要素（子集）。系统的集合性表明，系统是由两个或两个以上的可以互相区别的要素所组成的。这些要素可以是具体的物质，也可以是抽象的或非物质的软件、组织等。例如，一个计算机系统，一般都是由CPU、存储器、输入输出设备等硬件组成，同时还包含有操作系统、程序开发工具、数据库等软件，它们形成一个完整的集合。3．层次性系统作为一个相互作用的诸要素的总体来看，它可以分解为一系列的子系统，并存在一定的层次结构。这是系统结构的一种形式。在系统层次结构中表述了在不同层次子系统之间的从属关系或相互作用的关系。在不同的层次结构中的子系统存在着不同的运动形式，它们一起构成了系统的整体运动特性，为深入研究复杂系统的结构、功能和有效地进行控制与调节提供了条件。4．相关性组成系统的要素是相互联系、相互作用的，相关性说明这些联系之间的特定关系和演变规律。例如，城市是一个大系统，它由资源系统、市政系统、文化教育系统、医疗卫生系统、商业系统、工业系统、交通运输系统、邮电通讯系统等相互联系的部分组成，通过系统内各子系统相互协调的运转去完成城市生活和发展的特定目标。各子系统之间具有密切的关系，相互影响、相互制约、相互作用，牵一发而动全身。要求系统内的各个子系统根据整体目标，尽量避免系统的“内耗”，提高系统整体运行的效果。5．目的性通常系统都具有某种目的。为达到既定的目的，系统都具有一定的功能，而这正是区别这一系统和那一系统的标志。系统的目的一般用更具体的目标来体现。比较复杂的社会经济系统都具有不止一个目标。因此，需要用一个指标体系来描述系统的目标。比如，衡量一个工业企业的经营业绩，不仅要考核它的产量、产值指标，而且要考核它的成本、利润和质量指标。在指标体系中各个指标之间有时是相互矛盾的，为此，要从整体出发，力求获得全局最优的经营效果，这就要求在矛盾的目标之间做好协调工作，寻求平衡或折衷方案。6．适应性任何一个系统都存在于一定的物质环境之中，因此，它必然要与外界产生物质、能量和信息交换，外界环境的变化必然会引起系统内部各要素的变化。不能适应环境变化的系统是没有生命力的，只有能够经常与外界环境保持最优适应状态的系统，才是具有不断发展势头的理想系统。例如，一个企业必须经常了解市场动态、同类企业的经营动向、有关行业的发展动态和国内外市场的需求等环境的变化，在此基础上研究企业的经营策略，调整企业的内部结构，以适应环境的变化。1.1.3系统的分类在自然界和人类社会中普遍存在着各种不同性质的系统。为了对系统的性质加以研究，需要对系统存在的各种形态加以探讨。1．自然系统与人造系统按照系统的起源，自然系统是由自然过程产生的系统。这类系统是自然物（矿物、植物、动物等）所形成的系统，像海洋系统、生态系统等。人造系统则是人们将有关元素按其属性和相互关系组合而成的系统，如人类对自然物质进行加工，制造出各种机器所构成的各种工程系统。实际上，大多数系统是自然系统与人造系统的复合系统。如在人造系统中，有许多是人们运用科学技术，改造了自然系统。随着科学技术的发展，出现了越来越多的人造系统。但是，值得注意的是，许多人造系统的出现，却破坏了自然生态系统的平衡，造成严重的环境污染和生态系统良性循环的破坏。近年来，系统工程愈来愈注意从自然系统的属性和关系中，探讨研究人造系统。第一章系统科学与系统工程-3-2．实体系统与概念系统凡是以矿物、生物、机械和人群等实体行为构成要素的系统称之为实体系统。凡是由概念、原理、原则、方法、制度、程序等概念性的非物质实体所构成的系统称为概念系统，如管理系统、军事指挥系统、社会系统等。在实际生活中，实体系统和概念系统在多数情况下是结合的，实体系统是概念系统的物质基础，而概念系统往往是实体系统的中枢神经，指导实体系统的行为。如军事指挥系统中既包括军事指挥员的思想、信息、原则、命令等概念系统，也包括计算机系统、通讯设备系统等实体系统。3．动态系统和静态系统动态系统就是系统的状态变量随时间变化的系统，即系统的状态变量是时间的函数。而静态系统则是表征系统运行规律的数学模型中不含有时间因素，即模型中的变量不随时间变化，它是动态系统的一种极限状态，即处于稳定的系统。例如一个化工生产系统是一种连续生产过程，系统中的参数是随着时间变化而变化的动态系统。大多数系统都是动态系统。但是，由于动态系统中各种参数之间的相互关系是非常复杂的，要找出其中的规律性非常困难。有时为了简化起见而假设系统是静态的，或使系统中的参数随时间变化的幅度很小而视同静态的。4．开放系统与封闭系统开放系统是指系统与环境之间具有物质、能量与信息的交换的系统。例如，生态系统，商业系统、工厂生产系统。这类系统通过系统内部各子系统的不断调整来适应环境变化，以使其保持相对稳定状态，并谋求发展。开放系统一般具有自适应和自调节的功能。开放系统是具有生命力的系统，一个国家，一个地区，一个企业都应该是一个开放系统，通过和外界环境不断地交换物质、能量和信息，而谋求不断地发展。封闭系统是指系统与环境之间没有物质，能量和信息的交换，由系统的界限将环境与系统隔开，因而呈一种封闭状态的系统。这类系统要能存在，要求该系统内部的各个子系统及其相互关系之中存在着某种均衡关系，以保持系统的持续运行。研究开放系统，不仅要研究系统本身的结构与状态，而且要研究系统所处的外部环境，剖析环境因素对系统的影响方式及影响的程度，以及环境随机变化的因素。由于环境是动态变化着的，具有较大的不确定性，甚至出现突变的环境。所以当一个开放系统存在于某一特定环境之中时，该系统必须具有某些特定的功能。值得强调的是，现实世界中没有完全意义上的封闭系统。系统的开放性和封闭性概念不能绝对化，只有作为相对的程度来衡量才比较符合实际。5．简单系统、简单巨系统和复杂巨系统按复杂程度可分为简单系统、简单巨系统和复杂巨系统。简单系统是指组成系统的子系统（要素）数量比较少，而且子系统之间的关系也比较简单的系统，如一个工厂、一台设备等。简单巨系统是指组成系统的子系统数量非常多、种类相对也比较多（如几十种、甚至上百种），但它们之间的关系较为简单的系统，如激光系统等。研究处理这类系统的方法不同于一般系统的直接综合法，而是采用统计方法加以概括，耗散结构理论和协同学理论在这方面作出了突出的贡献。复杂巨系统是指组成系统的子系统数量很多，具有层次结构，它们之间的关系又极其复杂的系统，如生物体系统、人脑系统、社会系统等。其中社会系统是以有意识活动的人作为子系统的，是最复杂的系统，所以又称为特殊的复杂巨系统。这些系统又都是开放的，所以也称为开放的复杂巨系统。目前，研究、处理开放复杂巨系统的方法尚在探讨中。1.1.4研究问题的系统科学思想学习与研究系统科学为的是用系统的思想去分析问题、解决问题。在这过程中，大致可以从下面三个方面入手。1．研究方法的整体性这是指既要把研究对象看作是一个整体，又要把研究对象的过程看作为一个整体，从整体与部分、整体与环境相互联系、相互制约、相互依赖的关系中揭示研究对象的性质和运动规律。也就是说，一方面要把研究对象看作是一个为实现特定目标、由若干要素结合成的整体来处理，即使它是由各个结构和功能不同的部分组成；另一方面把研究对象的研系统工程导论-4-制过程也作为一个整体来对待，即将整个系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用等过程作为一个整体，分析这些工作环节的联系，建立系统研制全过程的模型，全面考虑和改善整个工作过程，以实现综合最优化。在处理子系统与子系统，或者子系统与系统之间的关系时，都应以整体最优为出发点来选择解决方案，并协调好局部和整体之间的关系。为揭示和把握研究对象的整体性，常采取的方法是综合—分析—综合的模式。即首先从整体出发，对事物进行综合研究；然后以综合为指导，对事物的组成部分分别进行分析，研究它们之间的内在联系；最后以分析为基础再进行整体的综合研究。2．处理问题的综合性综合性包括以下几方面的内容。系统目标的多样性与综合性，即要统筹兼顾，综合考虑，而不能顾此失彼；处理问题时要全面综合考虑某项措施可能产生的多方面后果，防患于未然；综合利用多种技术，形成新的技术综合体。一个大型复杂的系