《系统科学方法》PPT课件.ppt

系统科学方法系统科学方法系统论系统论系统论系统论一、系统和系统方法1、什么是系统？贝塔朗菲说：“系统是处在一定相互联系中并与环境发生关系的各组成部分的总和”。2、系统方法系统论是奥地利生物学家贝塔朗菲创立的。二、系统方法的基本原则二、系统方法的基本原则1、整体性原则从要素间的协同作用上了解部分对整体的影响作用都江堰位于四川成都平原西部的岷江上，建于公元三世纪，是中国战国时期秦国蜀郡太守李冰及其子率众修建的一座大型水利工程，是全世界至今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。多年来，至今仍发挥巨大效益，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（2000年被联合国教科文组织列入了世界文化遗产）都江堰水利工程示意图都江堰水利工程示意图都江堰渠首的三大主体工程都江堰渠首的三大主体工程都江堰渠首工程主要有鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道、宝瓶口进水口三大部分构成，科学地解决了江水自动分流、自动排沙、控制进水流量等问题，消除了水患，使川西平原成为“水旱从人”的“天府之国”。鱼嘴分水工程鱼嘴分水工程“鱼嘴”是都江堰的分水工程，因其形如鱼嘴而得名，它昂头于岷江江心，把岷江分成内外二江。西边叫外江，俗称“金马河”，是岷江正流，主要用于排洪；东边沿山脚的叫内江，是人工人工引水渠道，主要用于灌溉。“飞沙堰飞沙堰”溢洪道溢洪道飞沙堰飞沙堰的作用主要是当内江的作用主要是当内江的水量超过宝瓶口流量上限时，的水量超过宝瓶口流量上限时，多余的水便从飞沙堰自行溢出；多余的水便从飞沙堰自行溢出；如遇特大洪水的非常情况，它还如遇特大洪水的非常情况，它还会自行溃堤，让大量江水回归岷会自行溃堤，让大量江水回归岷江正流。另一作用是江正流。另一作用是“飞沙飞沙”，岷江从万岷江从万山丛中急驰而来，挟着山丛中急驰而来，挟着大量泥沙，石块，如果让它们顺大量泥沙，石块，如果让它们顺内江而下，就会淤塞宝瓶口和灌内江而下，就会淤塞宝瓶口和灌区。飞沙堰真是善解人意、排人区。飞沙堰真是善解人意、排人所难，将上游带来的泥沙和卵石，所难，将上游带来的泥沙和卵石，甚至重达千斤的巨石，从这里抛甚至重达千斤的巨石，从这里抛入外江（主要是巧妙地利用离心入外江（主要是巧妙地利用离心力作用），确保内江通畅，确有力作用），确保内江通畅，确有鬼斧神功之妙。鬼斧神功之妙。宝宝瓶瓶口口宝瓶口，是前山(今名灌口山、玉垒山)伸向岷江的长脊上凿开的一个口子，它是人工凿成控制内江进水的咽喉，因它形似瓶口而功能奇持，故名宝瓶口。都江堰水利工程都江堰水利工程都江堰水利工程都江堰水利工程都江堰的修建很大程度上得益于岷江的天然河道在鱼嘴都江堰的修建很大程度上得益于岷江的天然河道在鱼嘴处和宝瓶口处的两个弯曲。现代水利科学中有一个处和宝瓶口处的两个弯曲。现代水利科学中有一个“弯道环弯道环流流”的原理，说的是由于河流中的水是分层的，上层水清，的原理，说的是由于河流中的水是分层的，上层水清，下层水浊，清水流得快，因而先行冲向凹岸，再带着从凹岸下层水浊，清水流得快，因而先行冲向凹岸，再带着从凹岸冲下的泥沙下沉折向凸岸，浊水流得慢，遇到上述折回的水冲下的泥沙下沉折向凸岸，浊水流得慢，遇到上述折回的水因而流动受阻，流向又受凹岸的折射而偏向凸岸，泥沙就在因而流动受阻，流向又受凹岸的折射而偏向凸岸，泥沙就在凸岸沉积下来。鱼嘴和宝瓶口的修建选择在两个弯曲河道处，凸岸沉积下来。鱼嘴和宝瓶口的修建选择在两个弯曲河道处，正好利用了水流的上述规律，使得清水径直冲入内江河道，正好利用了水流的上述规律，使得清水径直冲入内江河道，浊流则折入外江。浊流则折入外江。从组成部分的相互关系上考察整体的功能从组成部分的相互关系上考察整体的功能“整体大于部分之和”“整体小于部分之和”“整体大于部分之和整体大于部分之和”拿破仑分析马木留克骑兵和法兵作战的力量对比：马法33100100300300150010002、最佳化原则、最佳化原则整体效应最佳目标 最佳设计 最佳控制 最佳运动 最佳效果最佳设计的实例最佳设计的实例 系统的优化同系统的整体性是密切联系的使整体达到最优是系统优化原则的核心。如，一千多年以前，汴梁皇城失火，宫殿烧毁。大臣丁渭奉宋真宗的旨意，主持修复工程。他提出的施工方案，很有系统方法的特色。首先，把皇宫前面的大街挖成大沟，就地取土烧砖；然后引汴水入沟，使所需其它建筑材料能用船直接运入工地；宫殿建成后，再把废物填入沟中，修复原来的大街。这个杰出的施工方案，是把全部修复工程作为一个整体来对待的，根据整个工程内部各部分工程的联系、次序，进行了合理安排，从而避免了从远处取土、向远处运废料的浪费，利用了当时水运比陆运方便等条件。丁渭事实上是考虑了整体的“最佳化”，制定了一个最优施工方案。多级优化多级优化（确定最佳目标之后，把整个系统按照（确定最佳目标之后，把整个系统按照不同等级和层次结构运用模型和计算机等技术手段，作逐不同等级和层次结构运用模型和计算机等技术手段，作逐级优化处理。级优化处理。如：如：葛洲坝水电站葛洲坝水电站包括若干个子系统（栏洪、灌溉、包括若干个子系统（栏洪、灌溉、发电、航运等）。发电、航运等）。葛洲坝水电站葛洲坝水电站1,3、动态原则 动态性是指系统的状态是随着时间而变化的。动态性原则就是把系统视为动态系统，在动态中协调部分与部分、部分与整体之间的关系。系统、系统的各种联系都是随着是时间而发展变化的。这要求我们在考察系统时，注意系统产生、发展全过程的每个历史阶段上联系的具体性，并从中预测其前景。要在运动中把握联系，不能静止地研究联系。在动态中考察系统的内、外联系的全过程，才能认清系统的本质。系统是开放的、动态的活系统系统是开放的、动态的活系统要把系统看成是不断发展变化的过程 一个人的成长分为儿童、少年、青年、壮年和老年几个阶段。4、模型化原则、模型化原则在运用系统方法研究规模庞大、因素繁多、结构复杂的研究对象时，遵循模型化原则，以期事半功倍。模型化原则是指人们在研究复杂系统时，首先要建立系统模型，在该模型上确立研究的边界范围，借助模型便捷地揭示和定量描述系统的联系和规律。特别是高速电子计算机的出现，给模型化手段注入了勃勃生机。人们借助计算机，作出各种模拟。比如，星体内部温度的推测、可控反应堆温度场分布、航天飞机飞行和返回时的复杂流场等，以及核反应堆在地震等特种条件下的安全性分析。只有运用模型化研究才能达到预期目的。系统方法运用的模型通常有实物模型（如城市规划）、理论概念模型（如力学上的质点）、数学模型（如对孤立波相互作用的数值模拟）、物理模型等。三、系统方法的作用三、系统方法的作用1、系统方法提供了认识、解决复杂系统的有效手段。阿波罗登月计划阿波罗登月计划阿波罗登月计划 1957年前苏联首次发射人造卫星及载人卫星成功后，美国制定阿波罗登月计划急起直追。在这个行动中，动员了四十二万科学家、国内外一百二十所大学和研究机构、两万多家企业，为时十一年，耗资二百四十四亿美元，生产部件三百万件，研究和解决了上万个课题，终于实现了预期目标，把宇航员送上月球。对这样一个十分庞大而复杂的项目，人们始终从整体出发来处理各个问题，使每一个问题的解决都服从于整体的总目标；精确定量，以保证各个环节在时间、空间上紧密配合。为此大量使用电子计算机进行计划、生产、科研和行政管理，关键是运用系统方法进行有效的组织管理。2、系统方法为人们提供了制定系统最、系统方法为人们提供了制定系统最佳方案，以实行优化组合和优化佳方案，以实行优化组合和优化管理的手段。管理的手段。合理调配人、财、物，实现优化组合和优化管理系统方法兼有确定目标和实现目标两项功能系统方法兼有研究现状和预测未来的两种功能系统方法可以综合运用信息论、控制论等系统科学的理论和方法，借助电子计算机建立信息网络系统，实现决策管理科学化。3、系统方法为科学认识提供了新的、系统方法为科学认识提供了新的思维模式思维模式系统方法把不同物质形态的研究对象看成具有共同性质和运动规律的系统加以研究，不仅突破了不同质的事物和不同学科的界限，而且找到了从一个领域过渡到另一个领域的途径，为不同学科领域的研究者提供了共同语言，从而加强了科学整体化的趋势，促进了自然科学和社会科学的统一和科学家同哲学家的联盟。四、系统方法的应用四、系统方法的应用广泛应用于自然科学、技术科学、社会科学、环境科学、医学、管理科学、军事科学等多种领域。例例某城市筹建一座焦化厂，预计每年可提供5万m3煤气，这些煤气的用途？运用系统方法进行研究：明确研究对象的范围、性质并作一个系统考察确定系统要达到的总目标可行性研究，制订出若干个可行性方案对方案进行模拟或计算机仿真根据模拟数据、结果找出最佳方案按最佳方案确定系统的组成，建立系统各部分关系上例经可行性研究，提出三个可行性方案炼钢，保持原产量不变，节煤1万吨/年化肥生产，节煤1.5万吨/年居民用做燃料，节煤3万吨/年五、系统方法的程序步骤五、系统方法的程序步骤1、摆明问题 对问题和有关情况进行全面的研究和阐述，明确研究对象的范围、性质并将其作为一个系统来加以考察。系统地了解构成问题的各方面及各种影响因素，为进一步的研究提供科学依据。2、目标选择 根据摆明的问题和研究的任务，确定系统要达到的总目标，这是考虑其它问题的出发点。根据系统研究所要达到的总目标，提出各种技术指针和经济效果等，并进一步提出达到总目标的具体标准（得出目标函数）。3、系统综合、系统综合根据总目标进行可行性研究，制定出实现总目标的若干个可行性方案，比如技术方案、政策与控制手段等，并且明确提出实施每一种方案时采取的手段和衡量它是否取得成功的标准，从而形成系统的整体概念。4 4、系统分析、系统分析设计出以上各可行性方案的模型，对系统做实际模拟或电子计算机仿真，对各种方案进行分析和研究，了解和把握各种方案的优点与缺点。5、系统选择、系统选择运用多种技术手段，根据模拟和仿真的事实、资料对各方案进行比较，找出最佳方案。在寻找最佳方案中，可以不断调整系统的结构，直到找出最优化的方案。6、决策、决策系统最优化的方案往往不只一个，而有多个。比如一个生产系统，有的方案产量高，有的方案成本低。除了定量目标之外，有时还应考虑定性目标，如政治情况、社会情况、人们的心理状况等。这就需要由决策者根据全面的要求，权衡利弊得失，进行决策，从多个最优化的方案中选出一个或几个系统方案进行试用。7 7、实施计划、实施计划根据决策中所选的方案进行实施。如果在实以验中比较顺利，或遇到的困难不大，略加修改即可实施。如果问题较多，就需要回到前面几个步骤中的一个，重新做起。信息论信息论一、信息的含义及其本质一、信息的含义及其本质1、信息的含义在中国文史资料中，信息一词最早出自唐诗碧云集的“暮春怀故人”“梦断美人沉信息，目穿长路倚楼台。”2、信息的本质、信息的本质学者的不同观点1）认为信息是独立的物质实体，它以“信息场”的形态存在2）认为信息是非物质的精神的东西，是纯粹的精神活动3）认为信息不仅是物质的，而且有时也是观念的4）认为信息既非物质，也非精神，而是某种“第三者”5）认为信息是物质的普遍属性或存在方式信息是物质的普遍的基本属性信息是物质的普遍的基本属性1）信息与物质、能量既有联系又相互区别2）客观世界的任何物质都可以成为信源，都可以产生和发出信息二、信息的固有特征二、信息的固有特征1、信息的可识别性 由于信息反映了物质和能量在空间结构和时间顺序上分布不均匀的状态，因而人们可以对信息进行识别。通过感官进行的是直接识别；通过各种探测手段进行的为间接识别。对不同的信息源，可以用不同的识别方式。2、信息的可转换性、信息的可转换性信息的可转换性。信息可以从一种形态转换为另一种形态。比如：物质信息可以根据需要转换为语言、文字、图表等信息形式，也可以转换为电子计算机的代码、电信、广播、电视信号，而代码和信号又可以转换为语言、文字、图表、图像等等。认识了这个特征，我们就可以扩展接受知识和传播信息的渠道和范围。3、信息的可存储性、信息的可存储性信息可大量存储在人脑、计算机和书刊等中。动物的信息存储叫记忆，人脑的记忆系统由长期记忆和短期记忆两部分组成，计算机也有内存储器和外内存。随着科学技术的发展，录音、录像等技术的产生，更增大了信息存储的范围。4 4、信息的可扩散性、信息的可扩散性由于信息传输工具的现代化、传输渠道的多样化以及信息形态的可转换性，信息得以迅速扩散。比如：奥运会的盛况，通过电视、广播或报纸可以在当天扩散到全国、全球。5、信息的可压缩性、信息的可压缩性人们对信息可以进行加工、整理、分析、综合、概括、归纳，使它更加浓缩、精炼。6 6、信息的可替代性、信息的可替代性信息已经成为现代人类社会能够进行交换和创造价值的东西，是生产力、竞争力的一个重要因素。信息的正确利用，可以替代资金、劳动力和物质材料。如果在生产领域中掌握了信息，就可以减少资金、劳动力和原材料的消耗，降低成本，提高产品质量，提高劳动生产率。如果在流通领域中及时获得了市场信息，就可以合理组织货源，打开销路，既不积压又不“断档”，最佳地搞好购、销、调、存，提高经济效益。7 7、信息的可传输性、信息的可传输性 凡是信息都可以通过一定的信道和载体进行传输。从信源（发信者）到信宿（收信者）是信息的空间传输；从过去到将来，是信息的时间传输。信息存储，实质是时间传输的延续。不同的材料、能量构成的信道，可以传输同一个内容的信息；不同的信息可以通过同一种信道传输。个人间的信息传输，主要靠语言、表情、动作等；社会性活动的信息，则主要通过报刊、告示、广播、电视以及其它通信工具（如吹军号、打旗语、放信号弹等）进行传输。传输的速度和效益取决于传输手段和通信工具。目前最先进的通信技术是光导纤维通信和人造卫星通信，这两种通信技术容量大，传输速度快，效果可靠。8 8、信息的可再生性、信息的可再生性信息是可再生资源和非再生资源之外维持人类社会生产活动和其它社会活动的第三资源。人们收集的信息，经过处理后，可以用语言、文字、图像等形式加以再生。电子计算机收集的信息，也可以用显示、扩印、绘图等形式再生出来。9 9、信息的可分享性、信息的可分享性信息不同于实物，一件实物分配给别人自己就没有了，而信息可分享。比如：对于同一个学术报告，一个人去听与一百个人去听，每人所得信息可以完全相同，绝非一个人听时所得信息为百分之百，百人听时为百分之一。自然界和人类社会，潜藏着无穷无尽的信息，不具备一定的基础知识和经验，就失去了进一步分享新的信息的先决条件，因此，一定要学好基础知识，以便分享、掌握更多的信息。10 10、信息的可扩充性、信息的可扩充性 随着时间的推移和知识的积累，现代社会的信息比之古代已大大扩充了。信息必将随着社会的需要和科学的进步而不断得到扩充。三、信息方法及其特点三、信息方法及其特点1、信息方法的含义信息方法是现代通讯理论、控制论，自动化技术、电子计算机技术的综合运用。2、信息方法的特点、信息方法的特点完全撇开对象的具体运动形态，把系统的有目的运动抽象为信息变换的过程。直接从整体出发，用联系、转化的观点，综合研究系统的信息过程。四、信息方法的作用四、信息方法的作用1、信息方法揭示了不同物质形态之间的信息联系。2、信息方法揭示了传统方法无法揭示的事物运动的新规律。3、信息方法为实现管理现代化提供了武器。五、信息方法的基本步骤五、信息方法的基本步骤1、撇开研究对象的具体物质和能量形态，把研究对象 抽象为信息及其变换过程2、对抽象出来的信息过程进行定性与定量研究。3、综合整理研究所取得的材料，建立各种信息模型。4、根据对模型的研究，评判被模拟的信息过程的功能、机理，并对其未来的行为方式作出观测，指出改善原型功能的途径。5、在反复实践中，检验、修改和完善己建立的信息模 型，使之更符合信息运动的实际过程。上述步骤与过程的图式：上述步骤与过程的图式：抽象信息过程进行定性与定量分析建立信息模型修依据模型阐明原型改模 在实践中进行检验型结束 满意否