系统工程方理论精品文稿.ppt

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1、系统工程方理论第1页，本讲稿共27页第一节：系统科学的科学体系系统科学定义：系统科学定义：系统科学定义：系统科学定义：系统科学是一门从总体上研究（复杂系统科学是一门从总体上研究（复杂系统科学是一门从总体上研究（复杂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。）系统共同运动规律的学科。）系统共同运动规律的学科。）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、系统科学属于基础科学层次，主要讨论系统的概念、系统科学属于基础科学层次，主要讨论系统的概念、系统科学属于基础科学层次，主要讨论系统的概念、特征、特征、特征、特征、分类分类分类分类(离散离散离散离散)及及及

2、及演化（动态）演化（动态）演化（动态）演化（动态）规律，探讨系统分规律，探讨系统分规律，探讨系统分规律，探讨系统分析的析的析的析的方法方法方法方法和系统和系统和系统和系统逻辑逻辑逻辑逻辑的具体应用。的具体应用。的具体应用。的具体应用。重点是复杂系统演化规律的研究，难点是整体与局部重点是复杂系统演化规律的研究，难点是整体与局部重点是复杂系统演化规律的研究，难点是整体与局部重点是复杂系统演化规律的研究，难点是整体与局部关系（关系（关系（关系（结构结构结构结构）的研究。）的研究。）的研究。）的研究。第2页，本讲稿共27页1 1、物性与系统性、物性与系统性(个性与共性个性与共性)物性物性物性物性描述研

3、究对象的物质特征；描述研究对象的物质特征；描述研究对象的物质特征；描述研究对象的物质特征；系统性系统性系统性系统性描述研究对象的整体特征，即整体性。描述研究对象的整体特征，即整体性。描述研究对象的整体特征，即整体性。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、系统往往与一修饰词组成复合词，如自然系统、系统往往与一修饰词组成复合词，如自然系统、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。物理系统、生物系统、军事系统、经济系统。物理系统、生物系统、军事系统、经济系统。物理系统、生物系统、军事系统、经济系统。（物性物性物性物性+系

4、统性）系统性）系统性）系统性）传统科学研究物性传统科学研究物性传统科学研究物性传统科学研究物性：数、理、化、天、地、生数、理、化、天、地、生数、理、化、天、地、生数、理、化、天、地、生 .系统科学研究系统性系统科学研究系统性系统科学研究系统性系统科学研究系统性：如如如如整体与局部的关系整体与局部的关系整体与局部的关系整体与局部的关系 结构与功能的关系（抽象）结构与功能的关系（抽象）结构与功能的关系（抽象）结构与功能的关系（抽象）稳定与演化的关系（稳定与演化的关系（稳定与演化的关系（稳定与演化的关系（研究抽取研究抽取研究抽取研究抽取）第3页，本讲稿共27页2 2、整体与局部的关系：涌现性（、整体

5、与局部的关系：涌现性（动态动态）涌现的定义涌现的定义涌现的定义涌现的定义（斯文森，（斯文森，（斯文森，（斯文森，1989198919891989）：）：）：）：涌现是一组元素（或广义粒子）在一个涌现是一组元素（或广义粒子）在一个涌现是一组元素（或广义粒子）在一个涌现是一组元素（或广义粒子）在一个广义的广义的广义的广义的“流场流场流场流场”作用下，从一种杂乱无章的状态向一种协调一作用下，从一种杂乱无章的状态向一种协调一作用下，从一种杂乱无章的状态向一种协调一作用下，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，涌现包括了现实致的状态的自发转变。从广义上讲，涌现包括了现实致的状态

6、的自发转变。从广义上讲，涌现包括了现实致的状态的自发转变。从广义上讲，涌现包括了现实中所有中所有中所有中所有新系统的出现、序的产生和层次复杂性新系统的出现、序的产生和层次复杂性新系统的出现、序的产生和层次复杂性新系统的出现、序的产生和层次复杂性的增加。的增加。的增加。的增加。（我认为的思想：（我认为的思想：（我认为的思想：（我认为的思想：构造简单规则，解决复杂问题构造简单规则，解决复杂问题构造简单规则，解决复杂问题构造简单规则，解决复杂问题）涌现性的特点：涌现性的特点：涌现性的特点：涌现性的特点：（1 1 1 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）微观不可预测性：即使

7、对低层次元素有完备的知识，也不可能推断）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）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。出高层次的结构。出高层次的结构。出高层次的结构。（2 2 2 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）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）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）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。的层次上，是在微观层次不存在的新质。的层次上，是在微观层次不存在的新质。的层次上，是在微观层次

8、不存在的新质。（3 3 3 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，）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，）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，）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。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。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。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 4 4 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）宏观约束性：

9、系统的整体性约束元素的行为，即元素间的相互作用）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）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。为。为。为。第4页，本讲稿共27页3、现代系统科学及其学派 贝塔朗菲的一般系统论贝塔朗菲的一般系统论贝塔朗菲的一般系统论贝塔朗菲的一般系统论 19251925年，提出

10、生物学机体理论；年，提出生物学机体理论；年，提出生物学机体理论；年，提出生物学机体理论；19281928年，发表年，发表年，发表年，发表现代发展理论现代发展理论现代发展理论现代发展理论；19321932年，发表年，发表年，发表年，发表理论生物学理论生物学理论生物学理论生物学；19371937年，在芝加哥大学讲课中口头提出一般系统理论年，在芝加哥大学讲课中口头提出一般系统理论年，在芝加哥大学讲课中口头提出一般系统理论年，在芝加哥大学讲课中口头提出一般系统理论(General(General Systems Theory,GST)Systems Theory,GST)；19451945年，年，年，

11、年，关于关于关于关于GSTGST在在在在德国哲学周刊德国哲学周刊德国哲学周刊德国哲学周刊第第第第1818期发表；期发表；期发表；期发表；19541954年，在美国创立年，在美国创立年，在美国创立年，在美国创立“一般系统理论（一般系统理论（一般系统理论（一般系统理论（GSTGST）学会）学会）学会）学会”；19681968年，发表年，发表年，发表年，发表 GST GST：基础、发展和应用：基础、发展和应用：基础、发展和应用：基础、发展和应用；19721972年，临终前发表年，临终前发表年，临终前发表年，临终前发表 GST GST的历史与现状的历史与现状的历史与现状的历史与现状 。第5页，本讲稿共

12、27页开放系统理论学派开放系统理论学派开放系统理论学派开放系统理论学派 普里高津普里高津普里高津普里高津 (I.Prigogine)(I.Prigogine)(I.Prigogine)(I.Prigogine)和由他领导的布鲁塞尔和由他领导的布鲁塞尔和由他领导的布鲁塞尔和由他领导的布鲁塞尔学派，从研究非平衡热力学出发，建立了耗散结构学学派，从研究非平衡热力学出发，建立了耗散结构学学派，从研究非平衡热力学出发，建立了耗散结构学学派，从研究非平衡热力学出发，建立了耗散结构学说。普里高津强调说。普里高津强调说。普里高津强调说。普里高津强调“非平衡是有序的起源非平衡是有序的起源非平衡是有序的起源非平衡

13、是有序的起源”，耗散结，耗散结，耗散结，耗散结构只能通过连续的物质和能量流来维持开放系统。构只能通过连续的物质和能量流来维持开放系统。构只能通过连续的物质和能量流来维持开放系统。构只能通过连续的物质和能量流来维持开放系统。哈肯哈肯哈肯哈肯 (H.Haken)(H.Haken)(H.Haken)(H.Haken)用统计力学提供的从微观过渡到用统计力学提供的从微观过渡到用统计力学提供的从微观过渡到用统计力学提供的从微观过渡到宏观的理论，研究了开放系统从无序向有序转变的自组宏观的理论，研究了开放系统从无序向有序转变的自组宏观的理论，研究了开放系统从无序向有序转变的自组宏观的理论，研究了开放系统从无序

14、向有序转变的自组织过程的一般规律和特征，哈肯建立了协同学。织过程的一般规律和特征，哈肯建立了协同学。织过程的一般规律和特征，哈肯建立了协同学。织过程的一般规律和特征，哈肯建立了协同学。第6页，本讲稿共27页20世纪世纪40年代以后出现的部分系统学科分支年代以后出现的部分系统学科分支1944194519481948194919541957195719611962196219651969197019701972197219751977199019941998对策论对策论一般系统论一般系统论信息论信息论控制论控制论开放系统理论开放系统理论工程控制论工程控制论系统工程系统工程动态规划论动态规划论一般系

15、统的数学理论一般系统的数学理论自组织系统原理自组织系统原理自复制自动机自复制自动机模糊集与系统模糊集与系统耗散结构理论耗散结构理论超循环理论超循环理论生命系统理论生命系统理论突变理论突变理论建模与仿真理论建模与仿真理论遗传算法（遗传算法（GAGA）协同学协同学综合集成工程方法综合集成工程方法复杂适应系统理论（复杂适应系统理论（CASCAS）非标度网络非标度网络冯冯.诺依曼诺依曼冯冯.贝塔朗菲贝塔朗菲C.E.C.E.香农香农N.N.维纳维纳冯冯.贝塔朗菲贝塔朗菲钱学森钱学森H.H.H.H.哥德哥德R.R.别尔曼别尔曼M.D.M.D.曼萨诺维克曼萨诺维克W.R.W.R.阿什布阿什布R.R.罗森罗森

16、扎德扎德L.L.普里高津普里高津艾根艾根J.G.J.G.米勒米勒汤姆汤姆P.P.齐格勒齐格勒J.H.J.H.荷兰德荷兰德H.H.哈肯哈肯钱学森钱学森J.H.J.H.荷兰德荷兰德巴拉巴斯巴拉巴斯出现时间（年）出现时间（年）分支学科名称分支学科名称创创 始始 人人 第7页，本讲稿共27页4、钱钱钱钱学森学森学森学森提提提提出的系统科学体系结构（出的系统科学体系结构（出的系统科学体系结构（出的系统科学体系结构（1981198119811981）直接改造直接改造客观世界客观世界工程技术的工程技术的理论基础。理论基础。技术科学的概括，技术科学的概括，即为认识客观世界即为认识客观世界的基本理论。的基本理论

17、。第8页，本讲稿共27页系统科学体系的三维结构 第9页，本讲稿共27页第二节：SE的理论基础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、运筹学系统论、控制论、运筹学的理论基础地位和重要性。第10页，本讲稿共27页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，为决策者提供有有依据依据的的最佳最佳化方化方案案，以

18、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，将将将将问题中的主要问题中的主要问题中的主要问题中的主要因因因因素及素及素及素及各各各各种种种种限制条件限制条件限制条件限制条件间的间的间的间的因果因果因果因果关系、逻辑关系关系、逻辑关系关系、逻辑关系关系、逻辑关系建立建立建立建立数学数学数学数学模型模型模型模型，通过模型求解来找出最佳方案运筹学的分支线线性规性规划划、非非线线性规性规划划、动态规、动态规划划、排排队队理论、决理论、决策策理论理论等等第11页，本讲稿共27页q一一般般系统论系统论（general system theory)1924-192

19、8;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（演化-隐喻隐喻）的学科 基本观点（基本观点（蚂蚁蚂蚁）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）启示启示：主：主张张以以整体论整体论代替代替还还原原论。（论。（思想作用更思想作用更大大）提提出了系统的方法：出了系统的方法：核心核心在于在于优优化，化，整体整体最最优优？。1、老三论第12页，本讲稿共27页还原论和整体论之争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

20、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（连续）。复杂科学彻底动摇了还原论：混沌混沌理论（理论（蝴蝶效蝴蝶效应）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。整体性体现的是非还原性或非加和性。第13页，本讲稿共27页q控制控制论（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。对系统方法的对系统方法的对系统方法的对系统方法的启示启示启示启示：黑箱

21、黑箱-灰箱灰箱-白箱白箱法法 功能模拟法 形式化、数量化、最最优优化方法化方法第14页，本讲稿共27页q信息信息论（论（不不确确定的定的减少减少）美国美国数学数学家申家申农农（C.E.Shannon）和和维纳维纳 （信息信息科学）科学）以信息为主要研究对象，以信息的运动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。要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要研究目标。启示：启示：启示：启示：类类比比方法方法 统统计计方法，方法，概概率率论和论和随机随机过过程

22、程 信息信息方法方法（运用信息的观点，把（运用信息的观点，把系统系统看作看作是借助于信息的获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）的一种研究方法）-变量筛选、特征选择变量筛选、特征选择第15页，本讲稿共27页2、新三论q耗耗散结构理论散结构理论（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-空间的结构在耗散结构创立之前，世界被一分为

23、二一个是物理物理世界世界，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生物生物生物界界界界和和和和人人人人类类类类社会社会社会社会，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耗耗耗散结构散结构散结构散结构把这两个世界结合在一起共同思考，研究远远离离平衡平衡态的态的开放开放系统系统从无序到有序的演化规律的一种理论第16页，本讲稿共27页q协同学协同学（synergetics）70年代初，联邦德国理论物理学家 H.哈肯 研究协同系统协同系统从无序到有序的演化规律的新兴综合性学科q突突变论变论（catastrophe theor

24、y）-风险（飞机失事、信用失效、自然灾害等）60年代末，法国数学家 R.托姆 研究不研究不连续连续现象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。第17页，本讲稿共27页3、其他理论q分分岔岔（分（分形形）理论）理论（bifurcation theory）50年代，苏联学者A.A.安德罗诺夫等 研究分岔现象的特性和产生机理的数学理论 （早在19世纪，C.雅可比、H.庞加莱等人就已引进“分岔”概念）例例子：子：FractalFractal.exeexeq卡姆卡姆定理定理（KAM theorem）50年代中至60年代初，A.H柯尔莫戈罗夫、B.阿诺德

25、、J.莫泽先后提出和证明 关于哈密顿力学系统运动稳定性的一种论断，它反映“弱”不可积（或接近可积）系统的运动规律，该定理是牛顿力学在20世纪的重大进展第18页，本讲稿共27页q微分动微分动力力系统系统（differential dynamical systems）60年代初，S.斯梅尔、廖山涛（北大数学教授）系统科学的一个数学分支。主要研究随时间演变的动动力力系统系统的整体性质及其在扰动中的变化（时间序列混沌）q超循超循环环理论理论（hypercycle theory）1971，德国生物物理学家 M.艾根 研究分子自组织的一种理论q混沌混沌理论理论第19页，本讲稿共27页混沌（1）20世纪科学

26、三大发现之一（20世纪物理学第三次最大的革命）。*相对论：改变了传统的时空观，消除了关于绝对空间与时间的幻想。（宇宙飞船解释）*量子力学：更新了物质和能量的概念，消除了关于可控测量过程的牛顿式的梦。（不连续）*混沌理论：推翻了自然法则的广泛有效性和可预测性，消除了拉普拉斯关于决定论式可预测（解预测（解释释）性的幻想。“从内部进行瓦解”（2）减小了确定性和随机性两大科学体系的鸿沟。混沌是确确定性（方定性（方程程）系统的）系统的内内在在随机随机性性，是确定性和随机性的辩证统一。第20页，本讲稿共27页决策基础的三个主要假定 假定1：企业是一个“说到做到”的封闭系统。外界对企业决定采取的行动没有多大

27、干扰。假定2：经营环境是稳定的。管理者能够充分把握经营环境，从而制定出详尽具体的战略。假定3：管理者对事件的因果关系有着足够的认识。他们能够顺藤摸瓜，找出每一事件将会导致的变化。第21页，本讲稿共27页系统思考现实的差距现实1：企业是复杂的“开放”系统，既影响着其所处的环境，又在很大程度上受环境的影响。这意味着，企业的行动可能无法达到它所预期的结果。现实2：环境是瞬息万变的（不断不断创创造造着机会和威胁）。高层管理者不能指望制定出在付诸实施时仍完全有效的详尽战略。现实3：作为传统决策理论基础的简单线性因果关系模型已经失灵。因此，各种事件的后果后果是无法预是无法预料料的第22页，本讲稿共27页第

28、三节：SE理论的新发展q泛泛系理论系理论（pansystems theory）1976，吴学谋（中科院武汉数理所研究员）一种研究广义系统、关系的理论和方法，又称泛系方法或泛系方法论q灰色灰色系统理论系统理论（gray systems theory）1979，邓聚龙（华中科技大教授）关于信息不完全或不确定系统的控制理论，应用在系统预测等方面（灰色灰色关关联联度度、灰色灰色预测预测）q复杂系统理论复杂系统理论以非线性自组织理论为核心的系统理论（欧洲学派）以圣菲研究所（SFI）为代表的理论框架，其代表性理论是1994年霍兰提出的CAS（复杂复杂适适应系统应系统）理论（美国学派）以开放的复杂巨系统理论

29、为核心的理论体系（中国学派）第23页，本讲稿共27页复杂系统理论CAS强调适应性造就复杂性。主体Agent的概念 人工人工生生命命的的例例子子相关用语 仿真：Swarm+Repast软件聚集聚集，-依依赖赖规则规则非非线线性，性，-非非加和（涌现）加和（涌现）流多样性标识内部模型积木第24页，本讲稿共27页综综合合集集成研讨成研讨厅厅体系体系19921992年年，钱钱学森学森提提出从定性出从定性到到定定量量综综合合集集成成研讨研讨厅厅体系。体系。命命题题 专家体系专家体系专家体系专家体系社会认识社会认识客观世界客观世界知识体系知识体系知识体系知识体系社会实践社会实践机器体系机器体系机器体系机器

30、体系结结果果 改造世界改造世界认识世界认识世界 研讨厅框图研讨厅框图第25页，本讲稿共27页研讨厅体系一例研讨厅体系一例分析分析作战训练中心演习作战训练中心演习研制与试验研制与试验分布交互仿真次研讨厅分布交互仿真次研讨厅低层次研讨厅低层次研讨厅高层次研讨厅高层次研讨厅分析分析第26页，本讲稿共27页1 1）、这套方法论是从整体上研究和解决复杂巨系统问题的方）、这套方法论是从整体上研究和解决复杂巨系统问题的方法，采取法，采取人机结合以人为主人机结合以人为主的思维方法和研究方式，对不同层的思维方法和研究方式，对不同层次、不同领域的信息和知识进行综合集成，达到对整体的定性次、不同领域的信息和知识进行

31、综合集成，达到对整体的定性定量认识。按照我国传统说法，把一个复杂事物的各个方面综定量认识。按照我国传统说法，把一个复杂事物的各个方面综合起来，达到对整体的认识，称之为合起来，达到对整体的认识，称之为“集大成集大成”的智慧的智慧，所以，所以钱学森把这个方法称为钱学森把这个方法称为“大成智慧工程大成智慧工程”。2）、在综合集成研讨厅体系这个概念中，综合综合集成研讨厅体系这个概念中，综合集成（创新）集成（创新）是方法特征，研讨厅体系是组织形式。综合集成方法指出了解是方法特征，研讨厅体系是组织形式。综合集成方法指出了解决复杂开放巨系统和复杂性问题的过程性以及过程的方向性和决复杂开放巨系统和复杂性问题的过程性以及过程的方向性和反复性。反复性。3 3）、综合集成研讨厅体系本身是个开放的、动态的体系，也）、综合集成研讨厅体系本身是个开放的、动态的体系，也是个不断发展和进化的体系。是个不断发展和进化的体系。特点特点 第27页，本讲稿共27页