第六讲系统科学方法

阿波罗登月计划
在六十年代的美国载人航天活动中，最为辉
煌的成就莫过于阿波罗载人登月飞行。
早在六十年代初，美国宇航局提出了“阿波罗登月计划”。 经过八年的艰苦努力，连续发射10艘不载人的阿波罗飞船 之后，终于在1969年7月16日发射成功载人登月的阿波罗11 号飞船。
系统论方法特点 1.整体性和综合化的原则 追求整体最优，因为 整体大于部分和：1+1>2 整体小于部分和：1+1<2（和尚） 2.动态性原则：变化、开放、相对 3. 模型化原则 4.最优化原则：总体最优
整体性原则：系统论的核心思想是系统的整体观念。贝塔朗 菲反对那种认为要素性能好，整体性能一定好，以局部说明 整体的机械论的观点。 体现在三个方面：
整体性原则
⑴整体的性质不是要素具备的。如H2O的性质与H或O都不同。 ⑵要素的性质影响整体。如一台机器中，一个部件出错，机器就会不 正常。 ⑶要素性质之间相互影响。 如班级上一个同学对科学感兴趣可能会带动其它同学也感兴趣，反之 一个同学无故旷课，会影响其它同学向他学。系统中各要素不是孤立 地存在着，每个要素在系统中都处于一定的位置上，起着特定的作用。 要素之间相互关联，构成了一个不可分割的整体。要素是整体中的要 素，如果将要素从系统整体中割离出来，它将失去要素的作用。正象 人手在人体中它是劳动的器官，一旦将手从人体中砍下来，那时它将 不再是劳动的器官了一样。
钱学森是中国现代科学家，世界著名火箭专家，中国工程控制论专家， 系统工程专家，系统科学思想家。 浙江省杭州市人，1911年12月11日生于上海。1934年毕业于上海交通 大学，1935年赴美国麻省理工学院留学，翌年获硕士学位，转入加利福 尼亚理工学院，在导师T.von.卡门的指导下深造。1938年获博士学位后 留校任教并从事火箭导弹研究。1947～1955年间任麻省理工学院和加利 福尼亚理工学院教授，1955年回国后，历任航空委员会委员，国防部第 五研究院副院长、院长，中国空间技术研究院院长，第七机械工业部副 部长，国防科学技术委员会副主任，国防科学技术工业委员会科学技术 委员会副主任。 以他在总体、动力、制导、气动力、结构、材料、计算机、质量控制等 领域的丰富知识，为组织领导中国运载火箭和航天器的研制工作发挥了 巨大作用。他对中国火箭导弹和航天事业的迅速发展作出了重大贡献。 钱学森的系统科学思想，首先表现在他提出了一个清晰的现代科学技术 的体系结构。他认为从应用实践到基础理论，现代科学技术可以分为工 程技术、技术科学、基础科学和马克思主义哲学四个层次。系统科学是 由系统工程这类工程技术，系统工程的理论基础象运筹学、控制论和信 息论这类技术科学，以及一切系统的一般理论“系统学”等组成的一个 新兴科学技术部门。系统工程是组织管理的技术，是一大类工程技术的 总称，而不是一个单一的学科。他提出要建立系统科学的基础科学“系 统学”。并亲自领导了系统学研讨班。
2，系统的特征
若干要素组成的有机整体 若干要素相互联系相互作用 整体有不同于各组成部分的新功能 与环境相联系
系统科学
系统论、信息论和控制论等学科是20世纪迅猛发展的学科。著名科学家 钱学森把它们统称为系统科学。 系统论是20世纪三四十年代产生和发展起来的。它由美籍奥地利生物学 家贝塔朗菲（L.V.Bertalanfy）创立。
世界至今为止，年代最久、唯一留存、以无 坝引水为特征的宏大水利工程。２２００多 年来，至今仍然连续使用，仍发挥巨大效益， 李冰治水，功在当代，利在千秋，不愧为文 明世界的伟大杰作，造福人民的伟大水利工 程。
都江堰
都江堰
丁渭.皇宫修复工程
北宋真宗年间，皇城失火，宫殿烧毁，大臣
丁渭主持了皇宫修复工程。他采用了这样一 套施工方案，先在需要重建的通衢大道上就 近取土烧砖，在取土后的深沟中引入汴水， 形成人工河，再由此水路运输建筑材料，从 而加快了工程进度，在皇宫修复后，又将碎 砖废土添入沟中，重修大道。
信息论方法
克劳德· 艾尔伍德· 香农（Claude Elwood
Shannon ，1916年4月30日—2001年2月26日）美 国数学家、信息论的创始人。 香农于1916年4月30日出生于美国密歇根州的 Petoskey，1936年毕业于密歇根大学并获得数学 和电子工程学士学位，1940年获得麻省理工学院 （MIT）数学博士学位和电子工程硕士学位。1941 年他加入贝尔实验室数学部，工作到1972年。 1956年他成为麻省理工学院（MIT）客座教授，并 于1958年成为终生教授，1978年成为名誉教授。 香农博士于2001年2月26日去世，享年84岁。
系统工程应用实例
20世纪40年代， 美国贝尔电话公司在设计电话通信网络时，
按时问顺序把工作划分为规 划、研究、开发、开发过程中的 研究、通用工程等 5个阶段，取得了良好效果，他们把这种 方法称为系统工程。 50 年代以后，系统工程在大型工程项目和军事装备 系统的 开发中充分显示了它在解决复杂问题时 的效用。 50年代未，美国在研制北极星导弹时首 先创用了计划协调技 术 PERT）。 60年代，美国国家航空航天局（NASA）在执 行阿波罗登月计划中把PERT发展成图解协调技术(GFRT)， 并应用计算机仿真技术，确保各项试验项目按期 完成。在解 决各种复杂社会技术系统和社会经济 系统的最优设计和最优 控制方面，系统工程也得 到广泛应用。 中国在导弹研制过程中，60年代初就己采 用了计划协调技术。
当代科学图景的革新 -----------系统科学方法
系统的概念及特征
1，系统的概念 “处于一定的相互关系中并与环境发生关系的各组成部分的总体”
--------贝塔朗菲 “系统是由两个以上可以相互区别的要素构成的复合体;各要素之 间存在一定的联系和相互作用形成特定的整体结构和适应环境的特定 功能” ----------张金马 “系统是由若干处于相互联系并与环境发生相互作用的要素或部 分所构成的整体”。 -----------陈振明
学方法的功能
是人们认识、研究、控制、设计复杂系统的
有效手段 为人们提供了制定了制定系统最佳方案以实 行优化组合和优化管理的手段 为人们提供了新的思维模式
一般系统方法
系统分析方法
信息论方法 反馈控制方法
黑箱方法
功能模拟方法
系统分析方法 为确定系统的组成、结构、功能、效 用，而对系统各种要素、过程和关系进行 考察的方法。 以整体为目标，以选择解决问题的最 佳方案为重点，是系统分析方法的特点。 完整的系统分析包括系统的目标分析、 结构分析、功能分析、环境分析和动态分 析等。
1948年，美国应用数学家香农
（C.E.Shannon）在《贝尔系统杂志》上发 表了《通讯的数学理论》这篇著名论文，从 而宣布了现代信息论的诞生。早期的信息论 是用数理统计方法来研究信息传递和信息处 理的科学，后来这一理论逐步扩大，形成了 用信息论来研究和处理一切问题的系统性理 论，该理论通常称为信息科学或信息系统。 根据香农理论，一般通信过程包括以下几个 环节： ①信源。②发送机。③信道。④接收器。⑤ 信宿。
信息论方法特点是：
（1）用信息概念作为分析和处理问题的基础，完全撇开对象 的具体运动形态。 （2）把系统有目的的运动抽象为一个信息变换过程。在信息 流动变换过程中，利用反馈信息来使得系统按预定目标实现 控制。 （3）把两个系统之间的相互联系看做是依赖信息通信进行信 息交换来实现。 信息概念的规定，可以从如下三个不同的角度去理解： （1）从认识论的角度，信息是指人们接收到的可以消除不确 定的新知识、新消息、新内容。接收到的新知识越多，消除 不确定性的程度越大，我们就说信息量大，否则就认为没有 信息或信息量小。 （2）从方法论的角度，信息是指研究和控制事物和过程的手 段，不掌握信息，人们就无法控制事物和过程，也无法认识 和改造事物和过程。 （3）从本体论的角度，信息是标志客观物质系统存在和运动 的基本属性，任何事物和过程都会发送信息。
结构与功能
系统的功能指在与外部环境相互联系和相互




作用过程中所具有的行为，能力和功效。 结构是功能的基础，功能是结构的表现 系统结构是否合理，是通过特定功能来表现 的 结构相对稳定，功能易于变化的 结构与功能是相互制约的。
要素不变时，结构决定功能：如种类无数的有机物几乎都主要 是碳、氢、氧、氮组成。常常是组成结构不同。又如电子元件 不同的组合可以形成各种家电。（当然反过来，结构相同，要 素不同，功能不同） 结构、要素都不同则可以有相同的功能：如人脑系统和 计算 机系统在部分功能上相似。利用这一原则，可以设计各种仿真 系统。 同一结构可能有多种功能：如一付中药可能有多种疗效。 最优化原则：为最好的实现目标而通过改变要素和结构使系统 功能最佳。如田忌赛马的故事；战争时的布阵；材料的人工设 计等。决策论，分配论讨论优化问题。

贝塔朗菲，L.V.（Luduig Von Bertalanffy)
加拿大籍奥地利理论生物学家，一般系统论的创始人。 1901年9月19日生于奥地利首都维 也纳附近的阿茨格斯多夫。 1926年获维也纳大学哲 学博士学位，毕业后在该校任教。 1937～1938年 在美国芝加哥大学任教。 1948年任加拿大渥太 华大学医疗系系主任、教授。 1954～1955年参加 国际斯但福研究所行为科学研究会。 1954年同 A.拉波波特等人一起建立一般系统论研究会， 出版《行为科学》杂志和《一般系统年鉴》。 1955～ 1958年任蒙塔西郎医院生物研究所主任兼南加 利福尼亚大学访 问教授。 1961～1969年任阿尔 贝塔大学理论生物学教授。 1969～1972年任纽 约州立大学理论生物学研究中心教授。 1972年6月12日卒 于美国纽约州布法罗。
系统方法（系统工程）
系统工程（systems engineering）是统筹全局综合
协调研究系统的科学技术，是系统 开发、设计、实 施和运用的工程技术，是在系统思 想指导下，综合 应用自然科学和社会科学中有关 的先进思想、理论、 方法和工具（当今，主要是电 子计算机），对系统 的结构、功能、要素、信息和反 馈等，运用多学科 成果，进行分析、处理和解决实 际问题，以达到最 优规划、最优设计、最优管理和 最优控制的目的。 系统工程是系统科学中直接或 间接地改造世界的组 织管理技术。 系统论方法还要求人们建造反映系统运动规律的数 学模型，定量地进行研究，探索实现优化的途径和 手段