系统工程导论PPTNo2-1
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系统工程导论
第二章 系统工程理论与方法论
第一节：系统工程理论基础(自 学） 第二节：系统工程方法论及发展 第三节：系统分析原理及应用
第一节:系统工程理论基础
(1)系统科学体系 (2)系统工程理论
(1)系统科学的科学体系
系统科学定义：系统科学是一门从总体上研究 （复杂）系统共同运动规律的学科。 系统科学属于基础科学层次，主要讨论系统的 概念、特征、类型及演化（动态）规律，探讨 系统分析的方法和系统逻辑的具体应用。 重点是复杂系统演化规律的研究，难点是整体 与局部关系（结构）的研究。
（要素）的性质和功能的迭加；整体的运动特征
只有在比其部分（要素）所处层次更高的整体层 次上才能进行描述；整体与部分（要素）遵从不
同描述层次上的规律。简言之整体性也就是非还
原性或非加和性。
控制论（Cybernatics） 维纳于1948年出版了《控制论》一书 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。 对系统方法的启示： 黑箱-灰箱-白箱法 功能模拟法 反馈 数量化、最优化方法
1、物性与系统性(个性与共性)
物性——描述研究对象的物质特征； 系统性——描述研究对象的整体特征，即整体性。 系统往往与一修饰词组成复合词，如自然系统、 物理系统、生物系统、军事系统、经济系统。 （ 物性+系统性） 传统科学研究物性： 数、理、化、天、地、生 ... 系统科学研究系统性： 如整体与局部的关系 结构与功能的关系 稳定与演化的关系
3、钱学森提出的系统科学体系结构（1981）
自然科学 数 马 克 思 主 义 哲 学 学
社会科学 思维科学 系统科学 人体科学 …… 基础科学
技术科学的概括， 即为认识客观世界 的基本理论。
技 术 科 学 : 工 运 程 筹 技 学 直接改造 术 、 客观世界 : 信 各门 息 系统 论 工程 、 控 制 工程技术的 论
运筹学
• 运筹学是应用分析、试验、量化的方法，对经营管 理系统中的人、财、物等有限资源进行统筹安排， 为决策者提供有依据的最佳化方案，以实现最有效 的管理 • 运筹学往往运用模型化的方法，将一个已确定研究 范围的问题，依据预期的目标，将问题中的主要因 素及各种限制条件间的因果关系、逻辑关系建立数 学模型，通过模型求解来找出最佳方案 • 运筹学的分支
• 整体性体现的是非还原性或非加和性。
量子论从根本上动摇了还原论：描述微观世界最为成功的理
论是量子论。量子论认为，我们的世界是一个非机械的、
相互联系的、不可分割（还原）的世界。物质世界的根本 元素就不是被分割的机械的原子、质子、中子，而是一个 有机联系的整体。量子论问世导致了测不准原理的提出。 测不准原理认为无法还原位置和速度两个基本量。这表明， 在对待位置和速度这两个基本量上，还原论是失效的。微 观层次上的还原论失效，导致了机械的决定论的失效。
2、新三论
耗散结构理论（dissipative structure theory) 1969；比利时统计物理学家I.普利高津 所谓耗散结构就是包合多基元、多组元、多层次的 开放系统，处于远离平衡态时，在涨落的触发下， 从无序突变为有序，而形成的一种时间、空间或时 间-空间的结构(非平衡不一定导致有序，平衡不一 定是无序之本) 在耗散结构创立之前，世界被一分为二
• 线性规划、非线性规划、动态规划、排队理论、决 策理论等
1、老三论
一般系统论（general system theory) 1924-1928;奥地利理论生物学家L.VON 贝塔朗菲； 1945年发表《关于一般系统论》 研究复杂系统一般规律的学科 基本观点 整体性 开放性及目的性（有效性、适应性、寻的性） 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） 启示：主张以整体论代替还原论。（思想作用更大） 提出了系统的方法：核心在于优化，整体最优？。
信息论（不确定的减少） 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，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，以扩展人类的信息功能为主要研究目标 。 启示：
类比方法 统计方法，概率论和随机过程 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、传递、加工、处理而实现其有目的性的运动的 一种研究方法）------变量筛选、特征选择（熵）
理论基础。
(2)SE理论
系统工程是一门交叉学科。理论基础涉及老三论 、新三论、运筹学、数理统计、数学等诸多学 科。 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。 可见，系统论、控制论、运筹学的理论基础地位 和重要性。
还原论和整体论之争
• ２０世纪基础科学的三大成就相对论、量子论 和复杂科学的核心思想和结论分别从宇观(时空 折叠、速度与应力)、微观（非连续性）和宏观 尺度下证实了还原论的局限性：其中，量子论 从根本上动摇了还原论。 • 复杂科学彻底动摇了还原论：混沌理论（蝴蝶 效应）推动了复杂科学的诞生，排除了拉普拉 斯决定论的可预见性的思想。因此，复杂科学 的问世彻底动摇了还原论——能用还原论近似 描述的仅仅是我们世界的很小的一部分。
• 一个是物理世界，这个世界是简单的、被动的、僵死的、不变 的、可逆的、和决定论的量的世界 • 另一个世界是生物界和人类社会，这个世界是复杂的、主动的 、活跃的、进化的，不可逆的，和非决定论的质的世界
耗散结构把这两个世界结合在一起共同思考，研究 远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的 一种理论
协同学（synergetics） 70年代初，联邦德国理论物理学家 H .哈肯（协同导致有序） 研究协同系统从无序到有序的演化规 律的新兴综合性学科 突变论（catastrophe theory）--风险（飞 机失事、信用失效、自然灾害等）(渐变) 60年代末，法国数学家 R.托姆 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。
思考题
2-1.简述一般系统论、控制论和信息论对系统 工程方法论的启示。 2-2.请设计适当项目，列表比较系统论、控制 论、信息论、耗散结构理论、协同学、突变 论的特点。
2、整体与局部的关系：涌现性
涌现的定义（斯文森，1989） 涌现是一组元素（或广义粒子）在一个广义的 “流场”作用下，从一种杂乱无章的状态向一种协调 一致的状态的自发转变。从广义上讲，涌现包括了现 实中所有新系统的出现、序的产生和层次复杂性的增 加。
涌现性的特点： （1）微观不可预测性：即使对低层次元素有完备的知识，也不可 能推断出高层次的结构。 （2）新质特性：涌现性对元素的性质而言是全新的，处在一种更 宏观的层次上，是在微观层次不存在的新质。 （3）不变性：涌现性相对于微观层次的元素状态而言，有一定的 不变性，元素总是处于微涨落不断变化的状态中，但整体的特性相对 不变。 （4）宏观约束性：系统的整体性约束元素的行为，即元素间的相 互作用产生了宏观层次上涌现的整体或约束，这种宏观约束又反过来 支配元素的行为。
20世纪40年代以后出现的部分系统学科分支
创 始 人 冯.诺依曼 冯.贝塔朗菲 C.E.香农 N.维纳 冯.贝塔朗菲 钱学森 H.H.哥德 R.别尔曼 M.D.曼萨诺维克 W.R.阿什布 R.罗森 扎德 L.普里高津 艾根 J.G.米勒 汤姆 P.齐格勒 J. H.荷兰德 H.哈肯 钱学森 J. H.荷兰德 巴拉巴斯 分支学科名称 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） 协同学 综合集成工程方法 复杂适应系统理论（CAS） 非标度网络 出现时间（年） 1944 1945 1948 1948 1949 1954 1957 1957 1961 1962 1962 1965 1969 1970 1970 1972 1972 1975 1977 1990 1994 1998
复杂科学彻底动摇了还原论：混沌理论推 动了复杂科学的诞生，排除了拉普拉斯决 定论的可预见性的思想。因此，复杂科学 的问世彻底动摇了还原论——能用还原论 近似描述的仅仅是我们世界的很小的一部
分。
整体论把世界宇宙看作是一Leabharlann Baidu统一的整体， 各种事物之间相互联系，不可机械地分割。整体 论思想是：整体的性质和功能不等同于其各部分
第二章 系统工程理论与方法论
第一节：系统工程理论基础(自 学） 第二节：系统工程方法论及发展 第三节：系统分析原理及应用
第一节:系统工程理论基础
(1)系统科学体系 (2)系统工程理论
(1)系统科学的科学体系
系统科学定义：系统科学是一门从总体上研究 （复杂）系统共同运动规律的学科。 系统科学属于基础科学层次，主要讨论系统的 概念、特征、类型及演化（动态）规律，探讨 系统分析的方法和系统逻辑的具体应用。 重点是复杂系统演化规律的研究，难点是整体 与局部关系（结构）的研究。
（要素）的性质和功能的迭加；整体的运动特征
只有在比其部分（要素）所处层次更高的整体层 次上才能进行描述；整体与部分（要素）遵从不
同描述层次上的规律。简言之整体性也就是非还
原性或非加和性。
控制论（Cybernatics） 维纳于1948年出版了《控制论》一书 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。 对系统方法的启示： 黑箱-灰箱-白箱法 功能模拟法 反馈 数量化、最优化方法
1、物性与系统性(个性与共性)
物性——描述研究对象的物质特征； 系统性——描述研究对象的整体特征，即整体性。 系统往往与一修饰词组成复合词，如自然系统、 物理系统、生物系统、军事系统、经济系统。 （ 物性+系统性） 传统科学研究物性： 数、理、化、天、地、生 ... 系统科学研究系统性： 如整体与局部的关系 结构与功能的关系 稳定与演化的关系
3、钱学森提出的系统科学体系结构（1981）
自然科学 数 马 克 思 主 义 哲 学 学
社会科学 思维科学 系统科学 人体科学 …… 基础科学
技术科学的概括， 即为认识客观世界 的基本理论。
技 术 科 学 : 工 运 程 筹 技 学 直接改造 术 、 客观世界 : 信 各门 息 系统 论 工程 、 控 制 工程技术的 论
运筹学
• 运筹学是应用分析、试验、量化的方法，对经营管 理系统中的人、财、物等有限资源进行统筹安排， 为决策者提供有依据的最佳化方案，以实现最有效 的管理 • 运筹学往往运用模型化的方法，将一个已确定研究 范围的问题，依据预期的目标，将问题中的主要因 素及各种限制条件间的因果关系、逻辑关系建立数 学模型，通过模型求解来找出最佳方案 • 运筹学的分支
• 整体性体现的是非还原性或非加和性。
量子论从根本上动摇了还原论：描述微观世界最为成功的理
论是量子论。量子论认为，我们的世界是一个非机械的、
相互联系的、不可分割（还原）的世界。物质世界的根本 元素就不是被分割的机械的原子、质子、中子，而是一个 有机联系的整体。量子论问世导致了测不准原理的提出。 测不准原理认为无法还原位置和速度两个基本量。这表明， 在对待位置和速度这两个基本量上，还原论是失效的。微 观层次上的还原论失效，导致了机械的决定论的失效。
2、新三论
耗散结构理论（dissipative structure theory) 1969；比利时统计物理学家I.普利高津 所谓耗散结构就是包合多基元、多组元、多层次的 开放系统，处于远离平衡态时，在涨落的触发下， 从无序突变为有序，而形成的一种时间、空间或时 间-空间的结构(非平衡不一定导致有序，平衡不一 定是无序之本) 在耗散结构创立之前，世界被一分为二
• 线性规划、非线性规划、动态规划、排队理论、决 策理论等
1、老三论
一般系统论（general system theory) 1924-1928;奥地利理论生物学家L.VON 贝塔朗菲； 1945年发表《关于一般系统论》 研究复杂系统一般规律的学科 基本观点 整体性 开放性及目的性（有效性、适应性、寻的性） 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） 启示：主张以整体论代替还原论。（思想作用更大） 提出了系统的方法：核心在于优化，整体最优？。
信息论（不确定的减少） 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，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，以扩展人类的信息功能为主要研究目标 。 启示：
类比方法 统计方法，概率论和随机过程 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、传递、加工、处理而实现其有目的性的运动的 一种研究方法）------变量筛选、特征选择（熵）
理论基础。
(2)SE理论
系统工程是一门交叉学科。理论基础涉及老三论 、新三论、运筹学、数理统计、数学等诸多学 科。 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。 可见，系统论、控制论、运筹学的理论基础地位 和重要性。
还原论和整体论之争
• ２０世纪基础科学的三大成就相对论、量子论 和复杂科学的核心思想和结论分别从宇观(时空 折叠、速度与应力)、微观（非连续性）和宏观 尺度下证实了还原论的局限性：其中，量子论 从根本上动摇了还原论。 • 复杂科学彻底动摇了还原论：混沌理论（蝴蝶 效应）推动了复杂科学的诞生，排除了拉普拉 斯决定论的可预见性的思想。因此，复杂科学 的问世彻底动摇了还原论——能用还原论近似 描述的仅仅是我们世界的很小的一部分。
• 一个是物理世界，这个世界是简单的、被动的、僵死的、不变 的、可逆的、和决定论的量的世界 • 另一个世界是生物界和人类社会，这个世界是复杂的、主动的 、活跃的、进化的，不可逆的，和非决定论的质的世界
耗散结构把这两个世界结合在一起共同思考，研究 远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的 一种理论
协同学（synergetics） 70年代初，联邦德国理论物理学家 H .哈肯（协同导致有序） 研究协同系统从无序到有序的演化规 律的新兴综合性学科 突变论（catastrophe theory）--风险（飞 机失事、信用失效、自然灾害等）(渐变) 60年代末，法国数学家 R.托姆 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。
思考题
2-1.简述一般系统论、控制论和信息论对系统 工程方法论的启示。 2-2.请设计适当项目，列表比较系统论、控制 论、信息论、耗散结构理论、协同学、突变 论的特点。
2、整体与局部的关系：涌现性
涌现的定义（斯文森，1989） 涌现是一组元素（或广义粒子）在一个广义的 “流场”作用下，从一种杂乱无章的状态向一种协调 一致的状态的自发转变。从广义上讲，涌现包括了现 实中所有新系统的出现、序的产生和层次复杂性的增 加。
涌现性的特点： （1）微观不可预测性：即使对低层次元素有完备的知识，也不可 能推断出高层次的结构。 （2）新质特性：涌现性对元素的性质而言是全新的，处在一种更 宏观的层次上，是在微观层次不存在的新质。 （3）不变性：涌现性相对于微观层次的元素状态而言，有一定的 不变性，元素总是处于微涨落不断变化的状态中，但整体的特性相对 不变。 （4）宏观约束性：系统的整体性约束元素的行为，即元素间的相 互作用产生了宏观层次上涌现的整体或约束，这种宏观约束又反过来 支配元素的行为。
20世纪40年代以后出现的部分系统学科分支
创 始 人 冯.诺依曼 冯.贝塔朗菲 C.E.香农 N.维纳 冯.贝塔朗菲 钱学森 H.H.哥德 R.别尔曼 M.D.曼萨诺维克 W.R.阿什布 R.罗森 扎德 L.普里高津 艾根 J.G.米勒 汤姆 P.齐格勒 J. H.荷兰德 H.哈肯 钱学森 J. H.荷兰德 巴拉巴斯 分支学科名称 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） 协同学 综合集成工程方法 复杂适应系统理论（CAS） 非标度网络 出现时间（年） 1944 1945 1948 1948 1949 1954 1957 1957 1961 1962 1962 1965 1969 1970 1970 1972 1972 1975 1977 1990 1994 1998
复杂科学彻底动摇了还原论：混沌理论推 动了复杂科学的诞生，排除了拉普拉斯决 定论的可预见性的思想。因此，复杂科学 的问世彻底动摇了还原论——能用还原论 近似描述的仅仅是我们世界的很小的一部
分。
整体论把世界宇宙看作是一Leabharlann Baidu统一的整体， 各种事物之间相互联系，不可机械地分割。整体 论思想是：整体的性质和功能不等同于其各部分