2 SE理论

2.2 SE方法论
最具代表性的 系统工程方法论有:
霍尔“三维结构” 霍尔“三维结构” 并行工程 综合集成方法
• 切克兰德的“学习调查” 切克兰德的“学习调查” 法 • 兰德公司的系统分析
2.2 SE方法论
1.霍尔的三维结构—硬的系统工程方法论 霍尔的三维结构
1969年，美国贝尔电话公司的A.D.Hall 提出了一种论证较全面、且具有代表性 的系统工程方法论。
2.1．SE的学科体系
一、SE的学科体系结构
哲学
系统哲学
基础科学
系统科学
技术科学
技术科学
工程技术
系统工程
◇系统工程的研究范畴
根据国外文献的划分，可按组织化与繁简程度对系统 工程进行划分：
按系统繁简程度 按系统组织化程度
大系统 Ⅰ 系统工程 Ⅱ 未知领域
小系统 Ⅲ 工程科学 Ⅳ
概率、统计、 模糊数学
二．SE的理论基础 微分动力系统（differential dynamical systems）
60年代初，S.斯梅尔、廖山涛（北大数学教授） 系统科学的一个数学分支。主要研究随时间演 变的动力系统的整体性质及其在扰动中的变化
二．SE的理论基础
分岔理论（bifurcation theory）
50年代，苏联学者A.A.安德罗诺夫等 研究分岔现象的特性和产生机理的数学理论 （早在19世纪，C.雅可比、H.庞加莱等人就已引进“分岔”概 念）
二．SE的理论基础 控制论（ 控制论（Cybernatics） ）
维纳于1948年出版了《控制论》一书 年出版了《控制论》 维纳于 年出版了 定义控制论为“关于动物和机器中的控制与通信的理论” 定义控制论为“关于动物和机器中的控制与通信的理论”。 经典控制论——现代控制论——大系统控制理论
研究大系统的结构方案、稳定性、最优化、 建模及模型简化等。
二．SE的理论基础
一般系统论（general system theory) 一般系统论
基本观点： 基本观点： 整体性 （要素和系统不可分割） 开放性及目的性（有效性、适应性） 动态相关性（动态性取决于相关性） 等级层次性 有序性（结构或空间；发展或时间） 建立适合机体组织一切层次的系统理论。 贡献：建立适合机体组织一切层次的系统理论。 建立适合机体组织一切层次的系统理论
知识维（科学技术） 知识维（科学技术）
时间维： 时间维：按时间排列的 工作顺序。 工作顺序。
逻辑维（方法步骤） 逻辑维（方法步骤）
规划阶段 方案阶段 研制阶段 生产阶段 运行阶段 更新阶段
时间维
1.霍尔的三维结构 霍尔的三维结构
知识维（科学技术） 知识维（科学技术）
逻辑维： 逻辑维：每个阶段需 进行的工作步骤， 进行的工作步骤，是 运用系统工程方法进 行思考、 行思考、分析和解决 问题应遵循的一般程 序。
二．SE的理论基础 超循环理论（hypercycle theory）
1971，德国生物物理学家 M.艾根创立。 研究分子自组织的一种理论
突变论（catastrophe theory）
60年代末，法国数学家 R.托姆创立。 研究不连续现象的一个新兴数学分支，也 是一般形态学的一种理论，能为自然界中形态 的发生和演化提供数学模型。
三． SE理论的新发展
●复杂系统理论
●复杂系统研究的提出始于1999年4月2日,美国《科学 》(Science)杂志出版的专辑 《复杂系统》 ●有影响的研究机构 美国Senta Fe Institute,简称SFI)研究所,90年代开始研究. 主要工作:①1994年起,一年一度举办讲座,展示复杂性 研究最新成果 ②建立复杂系统建模的软件平台SWARM
将系统的整个管理过程分为前后紧密相连 的六个阶段和七个步骤， 的六个阶段和七个步骤，并同时考虑到为完成 这些阶段和步骤的工作所需的各种专业管理知 时间维、 组成， 三维结构由时间维 逻辑维、知识维组成 识。三维结构由时间维、逻辑维、知识维组成， 如图示： 如图示：
1.霍尔的三维结构 霍尔的三维结构
逻辑维（方法步骤） 逻辑维（方法步骤）
规划阶段 方案阶段 研制阶段 生产阶段 运行阶段 更新阶段
A B C D
E
F
G
2.2 SE方法论
索马里海盗问题
1.弄清问题 弄清问题 2.目标选择 目标选择 stop
击毁海盗船 利：20% 政府、军方： 政府、军方：
结论
知识维
商船是否应 配武器？ 配武器？ 保护商船
卡姆定理（KAM theorem）
50年代中至60年代初，A.H柯尔莫戈罗夫、B.И.阿诺德、J.莫 泽先后提出和证明 关于哈密顿力学系统运动稳定性的一种论断，它反映“弱”不 可积（或接近可积）系统的运动规律，该定理是牛顿力学在20世 纪的重大进展
二．SE的理论基础
泛系理论（pansystems theory）
钱学森提出的系统工程学科体系结构： 钱学森提出的系统工程学科体系结构：
基础科学
数 马 克 思 主 义 哲 学
学
社会科学
思维科学
自然科学
技术科学的概括， 技术科学的概括， 系 即为认识客观世界 统 的基本理论。 的基本理论。 哲
学
人体科学 …… 系统科学
技 术、 : 信 各门 息 系统 工程 论 、 控 制直接改造 论客观世界
系统建模 运 筹 学 系统设计
规划论 对策论 决策论 库存论 图论
策 社 会 学 学 济 学 学 科 学 系统工程 系 经 理 科 理 术 心 文 管 人 织 组 自 工程 专 物 动 理 业 化 科 理 技 学 论 测 量 技 术 术 技 程 工
二．SE的理论基础
一般系统论（general system theory) 一般系统论 1924~1937，奥地利理论生物学家L.VON 贝塔朗菲 在芝加哥大学提出了一般系统论的概念； 1945年，在《德国哲学周刊》上发表《关于一般系统论》。
对系统方法的启示：
黑箱-灰箱-白箱法 功能模拟法 形式化、数量化、最优化方法
二．SE的理论基础
信息论
美国数学家申农（ 美国数学家申农（C.E.Shannon）和维纳 ） 信息科学）以信息为主要研究对象， （信息科学）以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用 方法为主要研究内容，以计算机、光导纤维等为主要研究工具， 方法为主要研究内容，以计算机、光导纤维等为主要研究工具，以 扩展人类的信息功能为主要研究目标。 扩展人类的信息功能为主要研究目标。 类比方法 统计方法 信息方法（运用信息的观点， 系统看作是借助于信息的获取、 看作是借助于信息的获取 信息方法（运用信息的观点，把系统看作是借助于信息的获取、传 加工、处理而实现其有目的性的运动的一种研究方法 的一种研究方法） 递、加工、处理而实现其有目的性的运动的一种研究方法）
第二章 SE理论与方法论 理论与方法论
2.1 SE的学科体系 的学科体系 SE的学科体系结构 一、SE的学科体系结构 SE的理论基础 二、SE的理论基础 SE理论的新发展 三、SE理论的新发展 2.2 SE方法论 方法论 一、系统工程的五种方法论 二、系统分析原理及应用
2.1．SE的学科体系
一、SE的学科体系结构
三． SE理论的新发展
3）开放的复杂巨系统 ●由我国研究人员提出。 ●这类系统中的子系统是人，其演化机制 目前尚不 清楚。 ●钱学森提出：从定性到定量的综合集成方法。 ——具体采用人机对话的科学研讨厅体系。
2.2 SE方法论
——解决问题应遵循的步骤、程序和方法
一、系统工程的五种方法论 二、系统分析原理及应用
弊：80% 结论 利：70% 弊：30%
√
逻辑维
逻辑维（方法步骤） 逻辑维（方法步骤）
规划阶段 方案阶段 研制阶段 生产阶段 运行阶段 更新阶段
A B C D
E
F
G
1.霍尔的三维结构 霍尔的三维结构
知识维（科学技术） 知识维（科学技术）
1976，吴学谋（中科院武汉数理所研究员）创立。 一种研究广义系统、关系的理论和方法，又称泛系 方法或泛系方法论
灰色系统理论（gray systems theory）
1979，邓聚龙（华中科技大教授）创立。 关于信息不完全或不确定系统的控制理论，应用在 系统预测等方面
二．SE的理论基础 钱学森—— 我认为把运筹学、控制论和信息论 同贝塔朗菲（一般系统论）、普利高津 （耗散结构理论）、哈肯（协同学）、 艾根（超循环理论）等人的工作融会贯 通，加以整理，就可以写出《系统学》 这本书了。
有组织系统
无组织系统
2.1．SE的学科体系
二．SE的理论基础
系统工程是一门交叉学科，有着宽广的 理论基础。
20世纪 年代以后出现的部分系统学科分支 世纪40年代以后出现的部分系统学科分支 世纪
分支学科名称 创 始 人 冯.诺依曼 冯.贝塔朗菲 C.E.香农 C.E.香农 N.维纳 N.维纳 冯.贝塔朗菲 钱学森 H.H.哥德 H.H.哥德 R.别尔曼 R.别尔曼 M.D.曼萨诺维克 M.D.曼萨诺维克 W.R.阿什布 W.R.阿什布 R.罗森 R.罗森 扎德 L.普里高津 L.普里高津 艾根 J.G.米勒 J.G.米勒 汤姆 P.齐格勒 P.齐格勒 H.荷兰德 J. H.荷兰德 H.哈肯 H.哈肯 钱学森 H.荷兰德 J. H.荷兰德 巴拉巴斯 对策论 一般系统论 信息论 控制论 开放系统理论 工程控制论 系统工程 动态规划论 一般系统的数学理论 自组织系统原理 自复制自动机 模糊集与系统 耗散结构理论 超循环理论 生命系统理论 突变理论 建模与仿真理论 遗传算法（GA） 遗传算法（GA） 协同学 综合集成工程方法 复杂适应系统理论（CAS） 复杂适应系统理论（CAS） 非标度网络 1944 1945 1948 1948 1949 1954 1957 1957 1961 1962 1962 1965 1969 1970 1970 1972 1972 1975 1977 1990 1994 1998 出现时间（ 出现时间（年）
贝塔朗菲认为：生命首先是一个自我组织系统， 贝塔朗菲认为：生命首先是一个自我组织系统，作为有组织的复合 体不断经历着发展和展开，向着更高层次的分化前进， 体不断经历着发展和展开，向着更高层次的分化前进，作为整体它不能 还原为部分，其发展了的形态与早先的形态有着质的区别。 还原为部分，其发展了的形态与早先的形态有着质的区别。而且有机体 不是静态的而是动态的，不是封闭的而是开放的，不是被动地等待反应， 不是静态的而是动态的，不是封闭的而是开放的，不是被动地等待反应， 而是自动地主动地寻求刺激。 而是自动地主动地寻求刺激。
③提出了复杂适应系统理论CAS ④出版杂志《Complexity 》(复杂性)
三． SE理论的新发展
●学术观点 认为取得一定研究成就的系统有三类: 1)非平衡系统 多指由无生命子系统组成的系统,每个子系统非常简单,多是 分子、原子、离子等，子系统之间的相互作用也较简单。 主要采用远离平衡的自组织理论（耗散结构、协同学等） 来讨论系统的演化。
二．SE的理论基础 钱学森—— 我认为把运筹学、控制论和信息论 同贝塔朗菲（一般系统论）、普利高津 （耗散结构理论）、哈肯（协同学）、 艾根（超循环理论）等人的工作融会贯 通，加以整理，就可以写出《系统学》 这本书了。
论 计 论 工程 系统 论 论 论
应 用 数 学
统计 模 程
系统分析 系统工程 系统评价
二．SE的理论基础
耗散结构理论（dissipative structure theory) 耗散结构理论 1969年，比利时统计物理学家I.普利高津创立。 研究自发形成的宏观有序现象——自组织现象。 自组织现象。 研究自发形成的宏观有序现象 自组织现象 协同学（synergetics） 协同学 70年代初，德国理论物理学家 H.哈肯创立。 研究协同系统从无序到有序状态的演化规律。 研究协同系统从无序到有序状态的演化规律。
三． SE理论的新发展
●学术观点 认为取得一定研究成就的系统有三类: 1)非平衡系统
2）复杂适应性系统 是将生物体的适应环境、生长繁殖、遗传变异等 生物演化性质条理化、规范化，建立用计算机模拟 的子系统的演化机制。子系统具有一定的智能。 使系统类似生物体，进而研究由这些子系统组成 的系统整体，在一定外界条件下的演化性质。