系统工程系统与系统理论概述.pptx

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1、主要内容2.1 系统的概念2.2 系统的各种形态和性质2.3 社会经济系统的特点2.4 系统理论概述第1页/共56页2.1 系统的概念系统的定义系统的特性系统工程研究系统的特点第2页/共56页日本Jis（工业标准）定义：系统是许多要素保持有机的秩序，向着同一目的行动的东西。美国学者阿柯夫教授：系统是有由两个或两个以上相互联系的任何类的要素所构成的集合。生物学家Lu 贝塔朗菲：系统是由相互作用着的诸要素的综合体 第3页/共56页汪应洛教授：系统是有特定功能的、相互间具有联系的许多要素所构成的一个整体。王众托教授：所谓系统就是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体。王浣

2、尘教授：对于系统的定义应划为两类，有人参与和无人参与的系统。第4页/共56页如何理解1、多元性：系统是多样性的统一、差异性的统一。存在有差别的多个事物（至少两个），才有可能在一定条件下整合成为一个系统。2、内在相关性：系统中不存在与其他元素无关的孤立元素或组分，所有元素或组分都按照该系统特有的、足以与别的系统相区别的方式彼此关联在一起，相互依存，相互作用，相互激励，相互补充，相互制约。第5页/共56页如何理解3、整体性：系统是由它的所有组分构成的统一整体，具有整体的结构、整体的特性、整体的状态、整体的行为、整体的功能等。4、现实世界不存在没有任何内在相关性的事物群体，凡群体中的事物必定以某种方

3、式相互联系，否则不成其为群体。不存在数学意义上的孤立元。第6页/共56页构成系统的条件有整体的目的性，具有特定的整体功能。有两个以上要素，要素可以是物理实体、实际过程，也可以是抽象的概念、原理和思想等非实在的东西。要素之间保持有机联系，相互作用、相互依存、相互制约。要素必须被组织化的，形成有序的整体。第7页/共56页2.1.2 系统的特性整体性任何一个系统都是由不同要素依据一定逻辑要求构成的整体，而决不是这些要素的简单凑合。尽管每一个要素都有其各自不同的特征和功能，但对外总是以系统的综合特性与功能显示出来。有这样的事实：即使不全是完善的要素可以构成性能良好的系统，反之即全是性能良好的要素也不一

4、定能构成一个完善的系统第8页/共56页2.1.2 系统的特性相关性系统的相关是指构成的要素之间，系统内各层次之间都是以一定的规律相互联系，相互作用。既相互存在、又相互制约。因此，系统内部存在着各种竞争关系。(存在正相关与负相关，在分析系统问题时，要分析要素本身的作用，也要分析通过其他要素对系统的作用)第9页/共56页2.1.2 系统的特性层次性任何一个系统都可以在空间或时间上进行初步分解，分成次级、次次级等分系统、子系统，直至元素。形成一系列的排列次序。（系统层次性表现为一般系统具有树状结构或金字塔结构。但随着英特网技术发展，管理系统层次在向扁平化发展，当网络化程度很高时，系统层次性会下降）第

5、10页/共56页2.1.2 系统的特性目的性任何一个系统都具有特定的目的，为了总的目的，各子系统直至要素都具有各自的中小目的。在分析系统的目的性时往往采用目的手段法，即认为目的是上一层的手段，手段是下一层的目的。只有了解不同层次的目的，才能更好的对系统进行管理第11页/共56页2.1.2 系统的特性成长性系统的生命周期：孕育期+诞生期+发展期+成熟期+衰老和更新期。且系统生命周期有如下特征：系统上升时期，要素在增长，层次性分明，系统结构稳定性加强，系统与环境的联系紧密，且适应性好，反之亦然。其次，增长曲线为S型。第12页/共56页2.1.2 系统的特性环境适应性任何一个系统都存在环境之中，它的

6、形成与发展受到环境的制约，且任何一个系统与同处一个类似环境的系统之间存在着竞争，只有适应环境的系统才能在竞争中取胜。因此，在分析系统问题时，要充分考虑环境对系统的作用。第13页/共56页2.1.3 系统工程研究系统的特点可控性从系统工程研究的目的来看，他所研究的系统必须是一个人工系统(如企业、城市、学校)或者是一个经过改造的自然系统(如水利系统、国家森林公园)，即人们必须改造它、认识它，否则就失去意义。第14页/共56页2.1.3 系统工程研究系统的特点动态性系统工程研究的系统必须是时刻变化着的。它由许多分系统组成，系统的动态性使其具有生命周期。开放系统与外界环境有物质、能量和信息的交换，系统

7、内部结构也可以随时间变化。一般来讲，系统的发展是一个有方向性的动态过程。第15页/共56页2.1.3 系统工程研究系统的特点复杂性系统工程研究的对象多属社会系统，使得面临的对象具有比其他类型的系统更加复杂的关系，一方面是系统内部各要素之间的关系，另一方面是系统内部同系统外部之间的关系，这些关系常常具有不确定性和竞争性。第16页/共56页2.1.3 系统工程研究系统的特点自律性自律性应该是社会系统的一个共同特征，表现在系统的各组成部分都围绕着一个共同的目标，以区别于彼此没有共同目标的一组元素，同时又彼此约束向着共同的目标前进，亦即系统自身约束自己的能力。第17页/共56页2.2 系统的各种形态和

8、性质自然系统与人工系统自然系统由自然发生而产生与形成的系统。如海洋系统、太阳系。人工系统是人们将有关元素，按其属性和相互关系组合而成的系统。如工具与机械装置、管理系统。实际中，大多数的系统是自然系统与人工系统的复合系统。如景观园林第18页/共56页2.2 系统的各种形态和性质实体系统与概念系统实体系统是以物理状态的存在物作为组成要素的系统。这些实体占有一定的空间，也称为硬件系统。与实体系统对应的是概念系统。它是概念、原理、假说、方法、计划、制度等非物资实体构成的系统，也称软件系统。以上两类系统在实际中常结合在一起，以实现一定的功能。实体系统是概念系统的基础，而概念系统往往又对实体系统提供指导和

9、服务。第19页/共56页2.2 系统的各种形态和性质动态系统与静态系统动态系统的状态变量是随时间不断变化的，是时间的函数。如学校、企业就是一个动态系统。静态系统是表征系统运行规律的数学模型中不含有时间因素，模型中的变量不随时间变化，是动态系统的一种极限状态，即处于稳定的系统，如大桥、公路、房屋等。中世纪以前，人们曾认为宇宙是永恒不变的，习惯将事务看成是恒定的、静止的。随着科学的发展和人类的进步，人们才逐渐认识到世界不是恒定事物的集合体，而是动态过程的集合体。现实研究中的静态系统往往是动态系统的简化模型。第20页/共56页2.2 系统的各种形态和性质孤立系统、封闭系统与开放系统孤立系统 系统与外

10、界没有物资交换，也不进行信息、能量交换。封闭系统 系统与外界没有物资交换，但可以进行信息、能量交换。开放系统 系统与外界有物资、信息、能量交换。研究开放系统，不仅要研究系统本身的结构与状态，还要研究系统所处的外部环境，剖析环境因素对系统的影响方式及影响程度，以及环境随机变化的因素。第21页/共56页2.2 系统的各种形态和性质普通系统与大系统普通系统的特点是规模不太，要素不多，功能和目标较少，要素之间的关系也不十分复杂，变量的非线性对与研究的目的来说也不十分突出。如原子结构、生产小组。从系统工程和现代控制论的观点来看，大系统的特点为规模庞大、结构复杂、因素众多，变量的非线性不可忽视，目标多样、

11、功能综合等。如卫星通信网、城市交通管理。随着现代科学技术的发展和工业化步伐的加快，社会、经济、技术和环境等许多方面都已形成了以“大”为特征的系统，这些系统不仅是物理系统大或占用空间多，而且还互相影响和制约。第22页/共56页2.3 社会经济系统的特点社会经济系统是系统工程研究的主要对象，了解其运动规律和相互作用机制具有重要意义。系统工程工作者除了解社会经济系统的一般规律外，更重要的是掌握其特殊规律（特点），掌握这些特点有助于准确把握研究方向，使提出的建议、方案更符合实际，更具有可操作性。社会经济系统具有如下的规律和特点。第23页/共56页2.3 社会经济系统的特点因果律因果律是社会经济系统的基

12、本规律，任何结果都有会原因的，反之对系统实施任何一项措施都会产生一定的效果（正负影响）。如改革开放后，农村实现“分田到户，责任承包”政策，政策实施后迅速改变了农村粮食紧张的局面，由买粮难到卖粮难，同时在农业基础实施建设上，这一政策也会产生一些负作用。因此在考虑对系统实施某一政策时，不仅要考虑正作用还要考虑它的副作用。第24页/共56页2.3 社会经济系统的特点反馈环，具有多重反馈环反馈是社会经济系统一个重要的特点，它由正反馈和负反馈组成。正反馈是指系统的A要素的增长会引起B要素的增长，而B要素的增长又使得A要素增长，周而复始形成一个环路，不断推动系统发展；负反馈指系统A要素的增长会引起B要素的

13、增长，而B要素的增长又使得A要素减弱，使系统A要素回归到较低的水平。如总人口的增长，在一定出生率的前提下，出生人口数增加，出生人口数增加使得总人口增加；反之，总人口增长，在一定死亡率的前提下，死亡人口数增加，而死亡人口数增加又使得总人口减少第25页/共56页2.3 社会经济系统的特点反馈环，具有多重反馈环社会经济系统不但具有正负反馈环，还具有多重反馈环特点，多重反馈环是指系统的某一要素A增加或减少，引起要素B的增加或减少，而要素B的增加或减少又引起要素C的增加或减少，最终使A要素增加或减少，这一循环过程形成了一个多重反馈环。如人口总数的增加，使之劳动人口数增加，相应的GDP增加，GDP的增加可

14、使科学教育费用增加，导致人们受教育水平增加，从而提高人们对计划生育的认识，减少计划外生育，使人口总数增加量降低。第26页/共56页2.3 社会经济系统的特点反直观性社会经济系统与一般系统相比具有较高的复杂性，其因果关系特别复杂，“歪打正着”“好心办坏事”正是系统复杂性的表现，反直观性是指某一项政策，经过简单的系统分析认为是一个好的政策，但政策实施后其效果不佳。造成这一结局一是系统分析欠深入，其次是系统复杂性太高，人们根据现有的资料、方法难以认识该问题，社会经济系统的反直观性告诉人们，人们在分析社会经济系统问题时，要充分认识系统的复杂性，考虑各种可能结局，尤其是要考虑政策的负作用，即要从成本角度

15、去思考。第27页/共56页2.3 社会经济系统的特点非线性非线性是社会经济系统的一般规律，收益递减规律是典型的非线性表现。因此在研究社会经济系统问题时，如开发、治理资金的分配问题，工业、农业、交通的投资比例问题等，要考虑不同比例对国民收入的影响，对于这一类问题的研究常用的方法是系统动力学。第28页/共56页2.3 社会经济系统的特点延迟“十年树木、百年树人”，它反映了社会经济系统内在的规律，就是说一项政策的实施效果需要很长的时间才能得到反映，即具有较长的延迟效应，通常用周期来反映，如人口周期一般为70年。环境治理、教育改革、植树造林等效果的产生都需要较长时间，这提醒人们在设计考核指标时要充分考

16、虑系统的延迟效应，防止短期行为的发生，尤其是在做规划设计时，要充分考虑系统的延迟效应。第29页/共56页2.3 社会经济系统的特点大惯性，存在顽强的抵抗大惯性是社会经济系统的特点，通常用“习惯势力”来表示，由于惯性力太大，要改变系统运行需要有强大的推力或拉力。这从另一方面告诉人们，在设计政策时要充分考虑传统习惯的抵抗力，要了解和熟悉当地的文化、风俗习惯，使出台的政策、策略能收到良好效果。第30页/共56页2.3 社会经济系统的特点一次性，不适应作试验人是社会经济系统的主体要素，他（她）具有思想、智慧、感情和创造力，不能与社会经济系统其他要素相比。因此，在设计政策时要特别的慎重，不能随意进行试验

17、和直接对人进行试验，要“以人为本”，充分发挥人的创造性；其次在进行归纳总结时，要区分一次性现象与一般规律，使提出的建议有意义。第31页/共56页2.3 社会经济系统的特点在特定条件下，因果有时在空间上分离在一般情况下，当系统发生问题时，研究者在系统内部和系统边界上找产生问题的原因，但是在特定条件下，因果有时在空间上分离，如研究鄱阳湖治理问题时，发现造成鄱阳湖水灾的主要的原因是远隔千里的赣南山区的水土流失，也就是说赣南山区水土流失治理好坏对鄱阳湖的治理至关重要，因此提出“治湖先治江，治江先治山”的战略。经过10多年的努力，这一战略收到了很好的效果。这一特点启发人们在思考问题时，不要局限于系统内部

18、和系统边界上找问题，要从系统输入（信息、物质、能量）中找问题。第32页/共56页2.4 系统理论概述系统学的一些基本概念现代系统理论简介第33页/共56页动力学状态、热力学状态与涨落动力学状态 系统的动力学状态是描述系统运动状态的最小一组变量，只要知道在t=t0时刻的这组变量和t t0 时刻的输入，就能完全确定系统在任何时间t t0的行为，这组变量叫系统的状态变量。第34页/共56页动力学状态、热力学状态与涨落热力学状态 如果把上述描述放到热力学系统，则是很不方便的，且是不必要的。在1cm3气体中有2.7x1019个分子，每个分子由3个坐标和3个动量分量，显然不能用动力学状态描述，于是提出了热

19、力学状态。对于热力学系统，由于分子不断地做无规则运动，可以认为它有无穷个动力学状态。随着时间的推移，它也将经历无穷多个动力学状态。当一个热力学状态处于处于平行态时，分子运动的某一些统计平均量不回随时间变化，我们把这种无穷多个力学状态总体的平均统计量称为热力学状态。如描述一定容积气体的状态，用其具有的压力和温度这两个变量就可以了。第35页/共56页动力学状态、热力学状态与涨落涨落 一个热力学系统由千千万万个粒子组成，我们能测量到的宏观量，如温度、压力等，是反映这众多微观粒子的统计平均效应。系统的每一时刻的实际物理量并不精确地处在这些平均量上，或多或少有些偏离，这些偏离就叫涨落。涨落是随机的，正常

20、情况下相对与平均值来讲很小，经常被忽略掉。然而，在临界点时，涨落可能不被耗散，甚至还可能被放大，导致系统宏观变化，最后促成系统达到新的宏观状态。涨落在促进系统演化的过程中起着重要作用，涨落导致有序。第36页/共56页平衡与非平衡若系统的热力学系统参量不随时间变化，这时系统达到定态。若在定态系统内部，不存在物理量的宏观流动(如热流、粒子流等)，则称该热力系统处于平衡状态，否则称为非平衡态。对孤立系统，初始时各个部分的热力学参量可能不同，但随时间变化最终会达到一种不变状态。因此，孤立系统的定态就是平衡态。开放系统则有本质的不同，不一定随时间朝定态发展，达到定态也不一定是平衡态。开放系统的演化依赖于

21、系统的外部条件。第37页/共56页对称与对称破缺、无序与有序对称性是指所描述的现象无论在时间上的反演，即+t和-t，空间上的互换位置，即+r和-r，或对于所有的正反变换，对观察者来说都是保持不变的。当失去上述对称条件的任一个时，为对称破缺。对称性意味着时间上、空间上是均匀的、没有差别的，因而不能提供任何信息，所以对称破缺是产生信息的先决条件。序是指系统要素间关系所具有的次序。到系统对称时，系统是无序的。如，在密闭容器内充气，随时间推移最终气体分布会均匀，这时的终态是无序的。反之，系统一旦出现对称破缺，则是有序的。如磁铁，磁化前各磁畴磁极的分布是无序的，一旦磁化后，各磁畴磁极规律性排列，出现对称

22、破缺，就呈现出有序的状态。第38页/共56页可逆过程与不可逆过程经典力学和量子力学的基本定律，对于时间都是对称的，把t换成-t带入公式中，其形式不会发生变化，所以这些定律的基本方程对时间都是可逆的。同样，在空间上也认为是均匀的，即各向同性，平移和旋转不改变对物理时间的描述，这种对称性导出系统运动过程是可逆的。可逆是一种理想过程，实际的变化过程从来没有完全可逆的。如受力过程，不可能没有摩擦，所以实际过程不不是可逆的。不可逆过程指出了运动的方向性，如时间不能反演，热量不能自发地从低温传向高温，一杯均匀混合的蓝色液体不能自发地分为一滴墨水和一杯清水第39页/共56页熵1865年克劳修斯提出，热量除以

23、温度为熵。相同热量，温度高则熵小，温度底则熵高。波尔兹曼从统计物理学角度提出，熵是分子运动的混乱程度，是无序度的度量，从而揭示了熵在不可逆过程中增加的本质，即系统总是自发第朝着热力学中熵概率分布大的方向进行。熵值越大，对应的宏观状态越加无序。1948年香农把熵引入信息论，把熵作为一个随机事件的不确定性或信息量的度量，把获得的信息看做是消除不确定性。信息量的大小，可用被除的不确定性的多少表示，而随机事件的不确定性可以用概率分布函数表示。第40页/共56页熵熵在信息论中是用信息的缺乏度来进行计算的。熵值越大，信息的不确定性越大，系统已知的信息越少。熵值越小，信息的不确定性越小，系统已知的信息越多。

24、如果把可逆过程简化地理解为系统状态改变后能够自发地回到原来状态，则自然界的一切自发过程都是不可逆的。所以熵理论是第一次触及到自然界发展的不可逆问题，是自然界的一条普世定律。第41页/共56页系统的自组织现象对于开放的系统，当系统的熵增为负时，系统朝着有序化方向发展，这一现象称为系统的子组织现象。自组织现象无论在自然界还是在人类社会中都普遍存在。一个系统自组织功能愈强，其保持和产生新功能的能力也就愈强。例如，人类社会比动物界自组织能力强，人类社会比动物界的功能就高级多了。从系统论的观点来说，“自组织”是指一个系统在内在机制的驱动下，自行从简单向复杂、从粗糙向细致方向发展，不断地提高自身的复杂度和

25、精细度的过程；从热力学的观点来说，“自组织”是指一个系统通过与外界交换物质、能量和信息，而不断地降低自身的熵含量，提高其有序度的过程；从统计力学的观点来说，“自组织”是指一个系统自发地从最可几状态向几率较低的方向迁移的过程。第42页/共56页2.4.2 现代系统理论简介一般系统论研究复杂系统的一般规律的学科，又称普通系统论。现代科学可按所研究的对象系统的具体形式划分成各门学科,如物理学、化学、生物学、经济学和社会学等;也可按研究方法划分成两大类别，即简单系统理论和复杂系统理论。一般系统论是研究复杂系统理论的学科，着重研究复杂系统的潜在的一般规律。第43页/共56页2.4.2 现代系统理论简介一

26、般系统论系统思想 系统思想是一般系统论的认识基础，是对系统的本质属性（包括整体性、关联性、层次性、统一性）的根本认识。系统思想的核心问题是如何根据系统的本质属性使系统最优化。整体性 虽然系统是由要素或子系统组成的，但系统的整体性能可以大于各要素的性能之和。因此在处理系统问题时要注意研究系统的结构与功能的关系，重视提高系统的整体功能。任何要素一旦离开系统整体，就不再具有它在系统中所能发挥的功能。关联性 关联性是指系统与其子系统之间、系统内部各子系统之间和系统与环境之间的相互作用、相互依存和相互关系。离开关联性就不能揭示复杂系统的本质。第44页/共56页2.4.2 现代系统理论简介一般系统论层次性

27、 一个系统总是由若干子系统组成的，该系统本身又可看作是更大的系统的一个子系统，这就构成了系统的层次性。T.米尔索姆曾把人类系统划分为11个层次。不同层次上的系统运动有其特殊性。在研究复杂系统时要从较大的系统出发，考虑到系统所处的上下左右关系。统一性 一般系统论承认客观物质运动的层次性和各不同层次上系统运动的特殊性，这主要表现在不同层次上系统运动规律的统一性，不同层次上的系统运动都存在组织化的倾向，而不同系统之间存在着系统同构。第45页/共56页2.4.2 现代系统理论简介一般系统论系统同构 是一般系统论的重要理论依据和方法论的基础。系统同构一般是指不同系统的数学模型之间存在着数学同构。常见的数

28、学同构有代数系统同构、图同构等。数学同构有两个特征：两个数学系统的元素之间能建立一一对应关系。两个数学系统各元素之间的关系，经过这种对应之后仍能在各自的系统中保持不变。不同系统间的数学同构关系是等价关系，等价关系具有自返性、对称性和传递性，根据等价关系可将现实系统划分为若干等价类。同一等价类内，系统彼此等价。因此借助于数学同构的研究可在现实世界中各种不同的系统运动中找出共同规律。对于许多复杂系统，不能用数学形式进行定量的研究,因此就有必要将数学同构的概念拓广为系统同构。人们常常把具有相同的输入和输出且对外部激励具有相同的响应的系统称为同构系统，而把通过集结使系统简化而得到的简化模型称为同态模型

29、。一个系统根据研究的目的不同可以得出不同的同态模型，而对于结构和性能不同的系统，它们的同态模型的行为特征却可能存在着形式上的相似性。不同的学科领域之间和不同的现实系统之间存在着系统同构的事实，是各学科进行横向综合和建立一般系统论的客观基础第46页/共56页2.4.2 现代系统理论简介耗散结构比利时的普里戈金（I.Prigogine）从研究偏离平衡态热力学系统的输送过程入手，深入讨论离开平衡态不远的非平衡状态的热力学系统的物质、能量输送过程，即流动的过程，以及驱动此过程的热力学力，并对这些流和力的线性关系做出了定量描述，指出非平衡系统（线性区）演化的基本特征是趋向平衡状态，即熵增最小的定态。这就

30、是关于线性非平衡系统的“最小熵产生定理”，它否定了线性区存在突变的可能性。普里戈金在非平衡热力学系统的线性区的研究的基础上，又开始探索非平衡热力学系统在非线性区的演化特征。在研究偏离平衡态热力学系统时发现，当系统离开平衡态的参数达到一定阈值时，系统将会出现“行为临界点”，在越过这种临界点后系统将离开原来的热力学无序分支，发生突变而进入到一个全新的稳定有序状态；若将系统推向离平衡态更远的地方，系统可能演化出更多新的稳定有序结构。普里戈金将这类稳定的有序结构称作“耗散结构”。从而提出了关于远离平衡状态的非平衡热力学系统的耗散结构理论（1969年）。第47页/共56页2.4.2 现代系统理论简介耗散

31、结构耗散结构理论指出，系统从无序状态过渡到这种耗散结构有几个必要条件，一是系统必须是开放的，即系统必须与外界进行物质、能量的交换；二是系统必须是远离平衡状态的，系统中物质、能量流和热力学力的关系是非线性的；三是系统内部不同元素之间存在着非线性相互作用，并且需要不断输入能量来维持。在平衡态和近平衡态，涨落是一种破坏稳定有序的干扰，但在远离平衡态条件下，非线性作用使涨落放大而达到有序。偏离平衡态的开放系统通过涨落，在越过临界点后“自组织”成耗散结构，耗散结构由突变而涌现，其状态是稳定的。耗散结构理论指出，开放系统在远离平衡状态的情况下可以涌现出新的结构。地球上的生命体都是远离平衡状态的不平衡的开放

32、系统，它们通过与外界不断地进行物质和能量交换，经自组织而形成一系列的有序结构。可以认为这就是解释生命过程的热力学现象和生物的进化的热力学理论基础之一。第48页/共56页2.4.2 现代系统理论简介协同学原理协同学是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。协同系统是指由许多子系统组成的、能以自组织方式形成宏观的空间、时间或功能有序结构的开放系统。协同学研究协同系统在外参量的驱动下和在子系统之间的相互作用下，以自组织的方式在宏观尺度上形成空间、时间或功能有序结构的条件、特点及其演化规律。协同系统的状态由一组状态参量来描述。这些状态参量随时间变化的快慢程度是不相同的。当系统逐渐接近于发生

33、显著质变的临界点时，变化慢的状态参量的数目就会越来越少，有时甚至只有一个或少数几个。这些为数不多的慢变化参量就完全确定了系统的宏观行为并表征系统的有序化程度，故称序参量。那些为数众多的变化快的状态参量就由序参量支配，并可绝热地将他们消去。这一结论称为支配原理，它是协同学的基本原理。序参量随时间变化所遵从的非线性方程称为序参量的演化方程，是协同学的基本方程。演化方程的主要形式有主方程、有效朗之万方程、福克-普朗克方程和广义京茨堡-朗道方程等。第49页/共56页2.4.2 现代系统理论简介协同学原理协同学的主要内容就是用演化方程来研究协同系统的各种非平衡定态和不稳定性(又称非平衡相变)。例如，激光

34、就存在着不稳定性。当泵浦参量小于第一阈值时，无激光发生；但当其超过第一阈值时，就出现稳定的连续激光；若再进一步增大泵浦参量使其超过第二阈值时就呈现出规则的超短脉冲激光序列。协同学主要研究远离平衡态的开放系统在与外界有物质或能量交换的情况下，如何通过自己内部协同作用，自发地出现时间、空间和功能上的有序结构。第50页/共56页2.4.2 现代系统理论简介混沌混沌是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动，一个确定性理论描述的系统，其行为却表现为不确定性不可重复、不可预测，这就是混沌现象。进一步研究表明，混沌是非线性动力系统的固有特性，是非线性系统普遍存在的现象。牛顿确定性理论能够充分处理的多为线

35、性系统，而线性系统大多是由非线性系统简化来的。因此，在现实生活和实际工程技术问题中，混沌是无处不在的。第51页/共56页2.4.2 现代系统理论简介混沌一般地，如果一个接近实际而没有内在随机性的模型仍然具有貌似随机的行为，就可以称这个真实物理系统是混沌的。一个随时间确定性变化或具有微弱随机性的变化系统，称为动力系统，它的状态可由一个或几个变量数值确定。而一些动力系统中，两个几乎完全一致的状态经过充分长时间后会变得毫无一致，恰如从长序列中随机选取的两个状态那样，这种系统被称为敏感地依赖于初始条件。而对初始条件的敏感的依赖性也可作为混沌的一个定义。与我们通常研究的线性科学不同，混沌学研究的是一种非

36、线性科学，而非线性科学研究似乎总是把人们对“正常”事物“正常”现象的认识转向对“反常”事物“反常”现象的探索。例如，孤波不是周期性振荡的规则传播；“多媒体”技术对信息贮存、压缩、传播、转换和控制过程中遇到大量的“非常规”现象产生所采用的“非常规”的新方法；混沌打破了确定性方程由初始条件严格确定系统未来运动的“常规”，出现所谓各种“奇异吸引子”现象等。第52页/共56页2.4.2 现代系统理论简介混沌洛伦兹（）教授于1963年大气科学杂志上发表了“决定性的非周期流”一文，阐述了在气候不能精确重演与长期天气预报者无能为力之间必然存在着一种联系，这就是非周期性与不可预见性之间的关系。洛伦兹在计算机上

37、用他所建立的微分方程模拟气候变化的时候，偶然发现输入的初始条件的极细微的差别，可以引起模拟结果的巨大变化。洛伦兹打了个比喻，即我们在文首提到的关于在南半球巴西某地一只蝴蝶的翅膀的偶然扇动所引起的微小气流，几星期后可能变成席卷北半球美国得克萨斯州的一场龙卷风，这就是天气的“蝴蝶效应”。混沌不是偶然的、个别的事件，而是普遍存在于宇宙间各种各样的宏观及微观系统的，万事万物，莫不混沌。混沌也不是独立存在的科学，它与其它各门科学互相促进、互相依靠，由此派生出许多交叉学科，如混沌气象学、混沌经济学、混沌数学等。混沌学不仅极具研究价值，而且有现实应用价值，能直接或间接创造财富。第53页/共56页2.4.2 现代系统理论简介大系统理论大系统的特征是：规模庞大、结构复杂（环节较多、层次较多或关系复杂）、目标多样、影响因素众多，且常带有随机性的系统。这类系统不能采用常规的建模方法、控制方法和优化方法来分析和设计，因为常规方法无法通过合理的计算工作得到满意的解答。如电力系统、城市交通网、数字通信网、柔性制造系统、生态系统、水源系统和社会经济系统等。第54页/共56页2.4.2 现代系统理论简介大系统理论研究如下领域：大系统的建模方法与模型简化技术有关主动系统问题（含有人的系统）动态系统的分散递阶控制大系统的结构方案和特征第55页/共56页感谢您的观看！第56页/共56页