【2019年整理】第二章系统工程理论基础
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信息概念的特点
信息源于运动，事物都具有信息表征。
信息可以被感知、处理和利用。
信息能消除人们对事物运动状态认识上的不确定性。 信息共享不同于实物的交流。 信息可以脱离产生者而被传递。 信息的使用价值具有相对性。
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图2—2系统科学的体系
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系统学（系统理论）主要研究系统的普遍属性和运动 规律。即研究系统演化、转化、协同和控制的一般规 律；研究系统间复杂关系的形成规律，结构和功能的 关系，有序、无序状态的形成规律等。 系统工程把自然科学和社会科学的某些思想、理论、 方法、策略和手段等，根据总体协调的需要，有机地 联系起来；应用定性和定量分析相结合的方法和计算 机等技术工具，对系统的构成要素、组织结构、信息 交换和反馈控制等功能进行分析和设计，以实现系统 的综合最优化。
黑箱方法：就是采用不打开系统“活体”，通 过系统的输入和输出关系的研究，去认识和把 握系统的功能特性，探索其结构和机理的研究 方法。任何时候，人们总得采用不打开黑箱的 方法研究事物，解决问题。
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灰箱方法则指对系统有部分的认识，但不够完全。利 用灰箱方法可以比黑箱方法更容易解决问题，这方面 的知识可以参考灰色系统理论的有关书籍。
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信息论的基本念
信息的定义 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 （2-1） 从通信角度看，信息是数据、信号等构成的消息所载有的 内容。消息是信息的“外壳”，信息是消息的“内核”。 从实用角度看，信息是指能为人们所认识和利用的，但事 先又不知道的消息、情况等。 维纳则认为：信息不是物质也不是能量，在信息与物质、 能量之间划了一条界限；信息是系统的组织性的量度。
系统工程
哈尔滨工业大学管理学院
张庆普
zzqp2000@
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第二章 系统工程理论基础
2.1 系统科学的学科体系
钱学森提出现代科学技术的体系结构
首先是工程技术这一层次，其次是直接为工 程技术提供理论基础的技术科学这一层次，然 后是基础科学这一层次，最后通过进一步综合、 提炼达到最高概括的马克思主义哲学，如图 2—1所示。钱学森又提出系统科学的体系结构, 如图2—2所示。
信息论
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信息论的产生与发展
于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。 狭义信息论：即申农信息论。主要研究消息的信息量、 信道（传输消息的通道）容量以及消息的编码问题。 一般信息论：主要研究通信问题，但还包括噪声理论、 信号滤波与预测、调制、信息处理等问题。 广义信息论：包括前两项的研究内容，还包括所有与 信息有关的领域。
“关于动物和机器中控制和通信的科学。” 维纳的控制论阐述了两个根本观念：
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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。
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控制论的发展经历了三个时期. 从20世纪40年代 末到50年代是第一个时期，即经典控制理论时期。 控制论发展的第二个时期为20世纪60年代，即现 代控制理论时期。20世纪70年代以后是第三个时 期，即大系统控制理论时期。
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控制论的基本概念和分类
控制系统的构成: 由施控器、受控器和控制作用的传递者 三个部分所组成。图2一4 闭环控制系统框图
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。 如早期的计算机就是从模拟人的计算功能开始的，是 一个成功的例子。又如对苍蝇复眼功能的模拟，造出 蝇眼式照相机。它们的构造物质截然不同，但达到了 功能上的模拟。这种方法实际上是把研究对象作为一 种黑箱。
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2.2 系统工程的理论基础
系统工程宽广的理论基础及工具框架如图2一3所示。
图2一3系统工程理论基础及工具
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控制论
“控制论是以研究各种系统共同存在的控 制规律为对象的一门科学。”
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控制论的产生与发展 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：
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控制系统的分为开环控制系统和闭环控制系统
1.开环控制系统：由系统的输入直接控制着它的 输出的，没有反馈回路，对环境的适应能力差， 只有当外界干扰较小或干扰恒定时，这种控制系 统才能正常发挥作用。
2.闭环控制系统：具有反馈回路的控制系统。输 出由输入和输出的回输共同控制，对环境有较大 的适应性。与开环系统相比，它不仅多了一条把 输出回输到原来的控制器的反馈回路及反馈装置， 还多了一个比较器，如图2-4所示。
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控制论重点研究带有反馈回路的闭环控制系统。 控制论首要的观点是反馈。正反馈与负反馈：如 果输出反馈回来放大了输入变化导致的偏差，这 就是正反馈；如果输出反馈回来弱化了输入变化 导致的偏差，这就是负反馈。 正反馈的作用是用来放大某种作用或效应；负反 馈的作用是保持系统行为的稳定，使系统的行为 方向趋向一个目标。 机器和生物一般都通过负反馈来达到控制目的。 负反馈是系统稳定的基本机制。
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控制论的另一个重要观点是信息。控制系 统是通过信息的传输、变换和反馈来实现 控制的。
控制论对系统工程方法论的启示
黑箱一灰箱一白箱法 •
所有的科学问题都是作为“闭盒”（黑箱） 问题开始的，研究途径是利用闭盒的输入 和输出。
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黑箱指人们一时无需或无法直接观测其内部结 构, 只能从外部的输入和输出去认识的系统。白 箱指系统内部的构成十分清楚的系统。灰箱指 介于两者之间的系统称。
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信息概念的特点
信息源于运动，事物都具有信息表征。
信息可以被感知、处理和利用。
信息能消除人们对事物运动状态认识上的不确定性。 信息共享不同于实物的交流。 信息可以脱离产生者而被传递。 信息的使用价值具有相对性。
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图2—2系统科学的体系
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系统学（系统理论）主要研究系统的普遍属性和运动 规律。即研究系统演化、转化、协同和控制的一般规 律；研究系统间复杂关系的形成规律，结构和功能的 关系，有序、无序状态的形成规律等。 系统工程把自然科学和社会科学的某些思想、理论、 方法、策略和手段等，根据总体协调的需要，有机地 联系起来；应用定性和定量分析相结合的方法和计算 机等技术工具，对系统的构成要素、组织结构、信息 交换和反馈控制等功能进行分析和设计，以实现系统 的综合最优化。
黑箱方法：就是采用不打开系统“活体”，通 过系统的输入和输出关系的研究，去认识和把 握系统的功能特性，探索其结构和机理的研究 方法。任何时候，人们总得采用不打开黑箱的 方法研究事物，解决问题。
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信息的定义 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 （2-1） 从通信角度看，信息是数据、信号等构成的消息所载有的 内容。消息是信息的“外壳”，信息是消息的“内核”。 从实用角度看，信息是指能为人们所认识和利用的，但事 先又不知道的消息、情况等。 维纳则认为：信息不是物质也不是能量，在信息与物质、 能量之间划了一条界限；信息是系统的组织性的量度。
系统工程
哈尔滨工业大学管理学院
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2.1 系统科学的学科体系
钱学森提出现代科学技术的体系结构
首先是工程技术这一层次，其次是直接为工 程技术提供理论基础的技术科学这一层次，然 后是基础科学这一层次，最后通过进一步综合、 提炼达到最高概括的马克思主义哲学，如图 2—1所示。钱学森又提出系统科学的体系结构, 如图2—2所示。
信息论
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信息论的产生与发展
于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。 狭义信息论：即申农信息论。主要研究消息的信息量、 信道（传输消息的通道）容量以及消息的编码问题。 一般信息论：主要研究通信问题，但还包括噪声理论、 信号滤波与预测、调制、信息处理等问题。 广义信息论：包括前两项的研究内容，还包括所有与 信息有关的领域。
“关于动物和机器中控制和通信的科学。” 维纳的控制论阐述了两个根本观念：
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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。
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控制论的发展经历了三个时期. 从20世纪40年代 末到50年代是第一个时期，即经典控制理论时期。 控制论发展的第二个时期为20世纪60年代，即现 代控制理论时期。20世纪70年代以后是第三个时 期，即大系统控制理论时期。
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控制论的基本概念和分类
控制系统的构成: 由施控器、受控器和控制作用的传递者 三个部分所组成。图2一4 闭环控制系统框图
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。 如早期的计算机就是从模拟人的计算功能开始的，是 一个成功的例子。又如对苍蝇复眼功能的模拟，造出 蝇眼式照相机。它们的构造物质截然不同，但达到了 功能上的模拟。这种方法实际上是把研究对象作为一 种黑箱。
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系统工程宽广的理论基础及工具框架如图2一3所示。
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“控制论是以研究各种系统共同存在的控 制规律为对象的一门科学。”
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控制论的产生与发展 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：
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控制系统的分为开环控制系统和闭环控制系统
1.开环控制系统：由系统的输入直接控制着它的 输出的，没有反馈回路，对环境的适应能力差， 只有当外界干扰较小或干扰恒定时，这种控制系 统才能正常发挥作用。
2.闭环控制系统：具有反馈回路的控制系统。输 出由输入和输出的回输共同控制，对环境有较大 的适应性。与开环系统相比，它不仅多了一条把 输出回输到原来的控制器的反馈回路及反馈装置， 还多了一个比较器，如图2-4所示。
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控制论重点研究带有反馈回路的闭环控制系统。 控制论首要的观点是反馈。正反馈与负反馈：如 果输出反馈回来放大了输入变化导致的偏差，这 就是正反馈；如果输出反馈回来弱化了输入变化 导致的偏差，这就是负反馈。 正反馈的作用是用来放大某种作用或效应；负反 馈的作用是保持系统行为的稳定，使系统的行为 方向趋向一个目标。 机器和生物一般都通过负反馈来达到控制目的。 负反馈是系统稳定的基本机制。
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控制论的另一个重要观点是信息。控制系 统是通过信息的传输、变换和反馈来实现 控制的。
控制论对系统工程方法论的启示
黑箱一灰箱一白箱法 •
所有的科学问题都是作为“闭盒”（黑箱） 问题开始的，研究途径是利用闭盒的输入 和输出。
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黑箱指人们一时无需或无法直接观测其内部结 构, 只能从外部的输入和输出去认识的系统。白 箱指系统内部的构成十分清楚的系统。灰箱指 介于两者之间的系统称。