系统工程理论

控制论

研究动态系统在变的环境条件下，如何保持平衡状态 或稳定状态的科学。
1控制论的产生
维纳（Norbert Wiener）于1948年出版了《控制论》一书，他对 控制论（Cybernetics）的定义是：“关于动物和机器中控制 和通信的科学。”
2维纳的控制论阐述了两个根本观念：


①一切有生命、无生命系统都是信息系统。无论是机器还是 生物，都存在着对信息进行接收、存取和加工的过程。 ②一切有生命、无生命系统都是控制系统。一个系统一定有 它的特定输出功能，必须有相应的一套控制机制
耗散结构理论（Dissipative Structure）。



3 几个基本观点： 开放系统是产生耗散结构的必要前提、维持和存在的 基础。 非平衡态是有序之源 非线性动力学机制 ：非线性机制所产生的非加和作用 是系统产生并保持耗散结构的根本原因 4耗散结构理论 意义 指出了化学、生态系统等许多复杂系统由无序转向有 序的一般规律，沟通了生命系统与非生命系统之间的 联系。 事物要发展就要保持系统是开放的，与外界有 能量、物质、信息的交换。
1
4、物理―事理―人理（WSR）系统方法论。 主要原则 遵循参与、综合集成、人―机结合且以人为主、迭代和 学习 WSR方法论的主要内容
1
三 系统分析
1．系统分析的定义及内容 系统分析概念 系统分析（SA）是在对系统问题现状及目标充分挖掘 的基础上，运用建模及预测、优化、仿真、评价等方法，对系 统的有关方面进行定性与定量相结合的分析，为决策者选择满 意的系统方案提供决策依据的分析研究过程。 SA是SE的核心内容、分析过程和基本方法。 2．系统分析的要素 （1)问题：对象，缺陷 (2)目的及目标 (3)方案 (4）模型 (5)评价 (6)决策者。
协同学



2 基本原理 (1)协同效用原理即“协同导致有序”。系统要素的协 同作用是任何复杂系统本身所固有的自组织能力，是 形成系统有序结构的内部作用力和关键。 (2)支配原理。复杂系统在由不稳定点向新有序时空结 构转变时，通常受到序参量的决定。在复杂系统中有 两类变量，即快变量与慢变量（即序参量），起支配 控制作用的变量是慢变量。 (3)自组织原理。系统在没有外部指令的条件下，其内 部子系统之间能够按照某种规则自动形成一定的结构 或功能，它具有内在性和自生性。在外部能量和物质 输入的情况下，系统会通过大量子系统间的协同作用， 在自身涨落力的推动下，形成新的时空结构。

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ


复杂适应系统（Complex Adaptive System,简称CAS） 1994年，霍兰正式提出理论。 CAS理论的基本思想可以用一句话概括：“适应性造就 复杂性。” CAS理论包括微观和宏观两个方面 在微观方面，CAS理论最基本的概念是具有适应能力的、 主动的个体，简称主体。这种主体在与环境的交互作 用中遵循一般的刺激━反应模型。所谓适应能力表现 在它能够根据行为的效果修改自己的行为规则，以便 更好地在客观环境中生存。 在宏观方面，由这样的主体组成的系统，将在主体之 间以及主体与环境的相互作用中发展，表现出宏观系 统的分化、涌现等种种复杂的演化过程。

突变论


1产生
法国数学家勒内•托姆（Rene.Thom）于1972年创立 突变论从量的角度研究各种事物的不连续变化问题， 进行从量变到质变的研究。它用数学模型来模拟突变 过程，考察这一过程从一种稳态到另一种稳态的跃迁。 运用的数学工具主要为拓扑学、奇点理论和结构稳定 性理论。 2托姆突变论的主要观点 (1)稳定机制是事物的普遍特性之一，是突变论阐述的 主要内容，事物的变化发展是其稳定态与非稳定态交 互运行的过程。 (2)质变可以通过渐变和突变两种方式来实现，如水在 常压下的沸腾是通过突变来实现的，而语言的演变则 是一个渐变过程。 (3)在一种稳定态中的变化属于量变，在两种结构稳定 态中的变化或在结构稳定态与不稳定态之间的变化则 是质变。
一般系统论

3一般系统论的基本观点 系统整体性
①要素和系统不可分割 ②系统整体的功能不等于各组成部分的功能之和 ③系统整体具有不同于各组成部分的新性质或功能

系统的开放性
系统与环境不断进行物质、能量和信息的交换

系统的动态相关性
系统的层次等级性 系统的有序性
要素、系统和环境三者之间的关系及其对系统状态的影响

系统是有结构的，而结构是有层次、等级之分的。

一是系统结构的有序性。二是系统发展的有序性
一般系统论

4系统方法论的启示

系统方法论主张以系统的观点去看整个世界，不能片面、孤 立地看问题。 系统方法论主张以思辨原则代替实验原则，不能机械地看问 题 系统方法论主张以整体论代替还原论。对事物的层层剖析， 弱化事物各部分间的联系，认为整体是部分的简单加和，这 种思想不利于从总体把握事物，对事物的整体功效认识不清 系统方法论主张以目的论代替因果论。
20世纪40年代末产生，其主要创立者是美国的数学家申农和维 纳 2申农将信息定义为“两次不定性之差”，即“不定性减少的 量”。 信息(量)=通信前的不确定性—通信后尚存的不确定性 信息量



度量信息大小的量。在申农的信息论中，信息被看作系统不确定 性的减少。信源产生的通信信息，正是概率论中所研究的随机现 象。信息的定量描述就可用概率的方法来实现。 反常的事件比正常的事件所含信息量大，稀有事件比正常事件所 含信息量大等。概率小的事件发生时所含的信息量大，如P（i)＝ 1/10所含的信息量很低，p（i）＝1/10000所含的信息量很高。 如果事先知道某事情肯定会发生，出现概率为1，有消息告诉我 们这件事的确发生了，并没有消除任何不确定性，所得信息量为 0。 采用对数作为信息的度量
第二章 系统工程理论与方法论
一 系统工程理论
二 系统工程方法论
三 系统分析
1
一 系统工程理论 钱学森提出现代科学技术的体系结构
一 系统工程理论 系统工程理论基础及工具
一般系统论



1一般系统论产生背景 实验科学时代的还原论 主要任务是分析事物内部细节，收集、整理资料，客 观上要求人们分门别类地进行研究，因而科学的主要 趋势是分化，与之相适应的是分析解剖法。 2一般系统论的产生 20世纪20年代美籍奥地利生物学家冯· 贝塔朗菲在对生 物学的研究中发现把生物分解的越多，反而会失去全 貌，对生命的理解和认识反而越来越少。因此开始了 理论生物学研究，创立了一般系统论。1945年《关于 一般系统论》的发表，成为系统论形成的标志。
系统工程理的新发展





开放的复杂巨系统 1990年《自然杂志》第一期发表钱学森、于景元、戴 汝为三人署名的文章：“一个科学新领域—开放的复 杂巨系统及其方法论”，首次向世人公布了这一新的 科学领域 基本观点。 ①系统本身与系统周围的、环境有物质的交换、能量 的交换和信息的交换。由于有这些交换，所以系统是 产开放的”。 ②系统所包含的子系统很多，成千上万，甚至是上亿 万，所以是“巨系统”。 ③子系统的种类繁多，有几十、上百，甚至几百种， 所以是“复杂的”。 开放的复杂巨系统广泛存在于现实世界。例如，人脑 系统、人体系统、社会系统、地理环境系统和星系系 统等，开放的复杂巨系统涉及到生物学、医学、生态 学、天文学和社会科学等学科领域。
协同学


1 产生 原西德理论物理学家哈肯（Haken）长期从事激光理论 研究，发现激光呈现出丰富的合作现象，从而得出了 协同作用的重要概念，于20世纪70年代后期创立了协 同学。 哈肯认为系统由无序到有序的关键不在平衡、非平衡 或者离平衡态有多远。关键在于组成系统的各子系统 在一定条件下，它们之间的非线性作用、相互协同和 合作，自发产生有序结构，因此强调了协同现象的普 遍性和重要性。
二 系统工程（基本工作过程）方法论
1、霍尔的三维结构
1
2、切克兰德方法论
1
3、从定性到定量的综合集成系统方法论 中国科学家钱学森等针对开放复杂巨系统问题，于20世 纪90年该方法论以对社会系统、人体系统、地理系统等 3类复杂巨系统的研究实践为基础，形成一个整体，其 主要特点是 ①根据开放的复杂巨系统的复杂机制和变量众多的特点，把 定性研究与定量研究有机地结合起来，从多方面的定性认识上 升到定量认识；②按照人一机结合的特点，将专家群体（各方 面有关专家）、数据和各种信息与计算机技术有机结合起来； ③由于系统的复杂性，把科学理论与经验知识结合起来，把人 对客观事物星星点点的知识综合集中起来，力求问题的有效解 决；④根据系统思想，把多种学科结合起来进行研究； ⑤根据复杂巨系统的层次结构，把宏观研究与微观研究统一起 来；⑥强调对知识工程及数据挖掘技术等的应用。该方法论在 社会经济系统工程等领域已得到了成功应用。



“新三论”的启示

（1)社会经济系统虽显现了一些物理化学规律，但从 根本上看有许多超出规律的规律。 (2)社会经济系统从低级向高级转变必定依赖于开放、 内部协同的条件。 (3)无论是渐变还是突变，都是有规律可循的，高度简 化下，可以定量地描述、预测市场的变化规律。


系统工程理论的新发展
协同学
3协同学与耗散结构小结 (1)耗散结构要求系统开放，远离平衡态，有物质、能 量交换，以及内部的非线性机制。而协同学把研究从 远离平衡态的开放系统扩展到近平衡态和平衡态系统。 （2）协同学：子系统之间的协作力（可正、可负、可为 零）决定系统的未来走向。协作力大于零，系统走向 高级稳态；协作力小于零，系统走向混乱。 （3)耗散结构惯性原理：一旦形成耗散结构就有一定抗 干扰能力。 (4)耗散结构吞并溶合原理：外来小系统与大的耗散结 构相遇并相互作用时，小系统不能足以破坏大系统时， 则被后者吞并且溶合，并不影响后者的基础结构。
控制论 3控制论对系统工程方法论的启示 （1）黑箱一灰箱一白箱法 （2）功能模拟法 以功能和行为的相似性为基础，用 模型模仿原型的功能和行为的一种方法。 （3）形式化、数量化、最优化方法 控制论的提出促使人们对系统采用形式化加以抽象， 进行数量化加以定量描，并寻求系统的最优化。
信息论 1信息论产生
耗散结构理论（Dissipative Structure）。



1 背景：耗散结构概念是相对于平衡结构概念提出来的。 长期以来，在物理学中人们只研究平衡系统的有序稳 定结构，并认为倘若系统原先处于一种混乱无序的非 平衡状态时，不可能呈现出一种稳定有序结构。 1969年比利时物理学家普利高津（I. Prigogine)提出了 耗散结构学说： 2概念：一个远离平衡态的开放系统（不管是力学、物 理的、化学的，还是生物的和社会的），在外界条件 发生变化达到一定阈值(临界值)时，量变可以发生质变 （由无序到有序的突变）。通过与外界交换物质、能 量和信息等，使系统从原来的无序状态转变为一种时 间、空间或功能的有序状态，这种远离平衡态的、稳 定的、有序结构被称为“耗散结构
信息论

若某事件出现概率为p，则这一事件所具有的信息 量为 单位为比特(bit)，信息量常用单位 计算出信源发出的每一个符号所包含的平均信息量， 这个平均值就是信源平均信息量，即信息熵。

信息论

2信息论启示 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、传送、加工、处理而实现其有目的性的运动 的一种研究方法 信息方法在分析和处理问题时，把系统有目的的 运动抽象为一个信息变换过程。不对事物的整体 结构进行剖析，而是从其信息流程加以综合考察， 获取关于整体的性能和知识。 信息方法的意义就在于它指示了机器、生物系统 的信息过程，揭示了不同系统的共同信息联系； 有利于管理、决策科学化；指明了信息沟通的重 要性。
1
4、物理―事理―人理（WSR）系统方法论。
中国系统工程专家顾基发和英国华裔专家朱志昌于90年 代中期提出
物理主要涉及物质运动的机理，通常要用到自然科学知识， 主要回答这个“物”是什么，它需要的是真实性；
事理是做事的道理，主要解决如何去安排这些事物，通常 用到管理科学方面的知识，主要回答怎样去做； 人理是做人的道理，处理任何事和物都离不开人去做，以 及由人来判断这些事和物是否得当，通常要用到人文社会 科学的知识，主要回答应当如何. WSR作为一个统一的工作过程 可由理解领导意图、调查分析、形成目标、建立模型、协 调关系、提出建议等6个步骤来构成