工程与数学完美结合,系统科学思想的实践

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1、第 31 卷第 12 期 2014 年 12 月控 制 理 论 与 应 用 Control Theory 数学家则擅长理论分析, 却不善于从一般到个 别去解决实际问题. 钱学森则集两个优势于一身, 高 超地将两只轮子装到一辆战车上, 碾出了工程控制论 研究的一条新途径”. 导师冯卡门教授评价 钱学森说:“我为你感到骄傲, 你创立的工程控制论 学说, 对现代科学事业发展是巨大的贡献. 你在学术 上已经超过了我. ”斯人已逝, 音效犹存, 亘古的科学 成就正泽被后人, 作为一名航天科技工作者, 仰望钱 老的卓越成就, 难望其项背. 回首多年的科研经历和 实践, 钱老开创和推进的系统工程思想和理论使

2、我们 收益匪浅, 也日益成为国防科技工作者们实现航天 梦、 践行中华民族伟大复兴事业的利器和法宝.工程控制论发源于纯技术领域, 工程控制论进入 社会科学领域是当代重大科学技术成就之一. 由于信 息科学和信息技术的巨大进步,“工程”一词的含义 在不断扩展. 关于工程控制论与工程科学的关系, 钱学森先生这样论述:“工程控制论是一门工程 科学,而工程科学的目标在于, 将用于工程实 践的设计原则组成某一学科, 从而揭示不同工程实践 领域间的相似性, 并强调基本原理和基本思想的推动 力. 简言之, 工程科学以理论分析为主导, 并常常使用 先进的数学. 只要浏览一下工程控制论这本书, 就 会发现这一点是非

3、常明显的. ” 工程控制论是自动控制理论的思想基础和方 法学基础, 自动控制理论皆由工程控制论衍生而 来,工程控制论是自动化学科或“控制科学与工 程”学科的基础和核心. 工程控制论的研究对象和理 论范畴在不断扩大, 近20年来该学科的各个方面都有 了很大的发展. 到目前为止, 它所包含的主要理论和 方法有下列6个方面:系系系统统统辨辨辨识识识和和和信信信息息息处处处理理理用滤波、 预测、 相关处 理、 逼近等方法从噪声中分离出具有本质意义的信息 以及寻求各变量之间的相互关系;模模模型型型抽抽抽象象象根据实验数据用数学工具去抽象受控 工程对象, 精细地描述受控客体的静态和动态特性, 深刻地、 集

4、中地和准确地定量反映受控系统的本质特 征;最最最优优优控控控制制制以最小的代价达到控制的目的的最优 控制理论, 寻求以最短时间达到控制目的的最快速控 制理论, 解决最优控制的工程实现问题的最优化技术 等;自自自我我我进进进化化化适应控制系统、 专家系统、 自组织系 统、 基于自动决策能力的智能系统等;容容容错错错系系系统统统冗余技术以及自诊断理论、 检错纠错 理论、 最优备份切换理论和功能自恢复理论等;仿仿仿真真真技技技术术术物理仿真、 数学仿真、 验证性试验等.收稿日期: 20141103; 录用日期: 20141125. 通信作者. E-mail: .第 12 期包为民: 工程与数学完美结

5、合, 系统科学思想的实践1619钱老的早期研究主要是针对阻碍当时航空、 航天 技术发展一些关键力学问题, 回国前夕, 钱老以坚强 的信念和非凡的才华, 在人身自由受限制的情况下, 把辩证唯物主义的思维方法, 开创性地应用于火箭技 术领域, 解决了一批喷气技术中的理论科学和工程技 术问题. 他敏锐地感觉到, 不仅在火箭技术领域, 而且 在整个工程技术的范围内, 都存在着被控制或被操纵 的系统, 因此很有必要用一种统观全局的方法, 来充 分了解和发挥控制技术的潜在力量, 以更广阔的视 野、 更系统的方法来观察有关问题. 工程控制论的发 表以及系统科学思想的建立, 使得他的着眼点已不限 于个别问题,

6、 而是开辟新的学科前沿领域, 以推动航 空、 航天技术整体与长远的发展. 他的学科领域也已 不限于应用力学, 而是他所倡导的更为广阔的技术科 学领域.钱老由此发展了系统学和开放的复杂巨系统的方 法论, 他赋予这一方法论更广泛的含义: 处理复杂行 为系统的定量方法学, 是半经验半理论的, 提出经验 性假设(猜想和判断), 是建立复杂行为系统数学模型 的出发点. 他特别指出, 当人们寻求用定量方法处理 复杂行为系统时, 容易注重数学模型的逻辑处理, 这 样的数学模型看起来“理论性”很强, 其实不免牵强 附会、 脱离实际. 与其如此, 倒不如从建模开始就老老 实实承认理论的不足, 而求援于经验判断,

7、 让定性的 方法与定量的方法结合起来, 最后定量.钱老这一思想强有力地指导我们开展运载火箭设 计, 尤其是地面验证所用到的对象建模分析、 设计结 果校核、 天地一致性验证等一系列实际工作. 既不盲 目地否定研究对象的复杂特性, 又要充分利用自己的 智慧敢于假设、 判断甚至猜想, 实事求是、 有理有据地 开展科学探索和对象认知, 在实践中丰富自己的经验, 在定性和定量的交叠中实现对象和过程本质的逼近.在技术管理领域, 钱老认为, 更需要从辩证唯物主 义哲学的高度来看待方法与工具. 他说:“计划管理 工作要运用科学的计算, 使用电子计算机, 提高计划 的科学性、 准确性, 这包括引用博弈论. 在这

8、个方法 中, 我们的对方是: 自然条件的变化、 技术上的未知因 素、 阶级敌人的可能干扰、 我们自己可能犯的错误, 这 些都是随机性的东西.系统论是研究系统的一般模式, 结构和规律的学 问, 它研究各种系统的共同特征, 用数学方法定量地 描述其功能, 寻求并确立适用于一切系统的原理、 原 则和数学模型, 是具有逻辑和数学性质的一门科学. 其核心思想是系统的整体观念. 系统论的基本思想方 法, 就是把所研究和处理的对象, 当作一个系统, 分析 系统的结构和功能, 研究系统、 要素、 环境三者的相互 关系和变动的规律性, 并优化系统观点看问题, 世界 上任何事物都可以看成是一个系统, 系统是普遍存

9、在的. 系统论的任务不仅在于认识系统的特点和规律, 更重要地还在于利用这些特点和规律去控制、 管 理、 改造或创造系统, 使它的存在与发展合乎人的需 要. 也就是说, 研究系统的目的在于调整系统结构, 协 调各要素关系, 使系统达到优化目标.钱老首先强调要抓总体, 抓大总体, 然后按系统分 层次, 把各个环节严密地组织起来, 他大力倡导开展 运筹学 在国防工业管理中的应用, 并具体指出下 列4个方面的应用内容: 计划的平衡技术, 包括投入产出法和电子计算 机的应用; 计划的协调技术, 包括统筹学和电子计算机的 应用; 生产统计数据, 包括统计工作和电子计算机的 应用; 质量及可靠性控制技术.载

10、人航天、 探月工程等一系列重大科技专项的有 效组织和显著推进都在实践着钱老这一观点, 并一次 次以完美和成功佐证了其有效性和适用性. 指挥线和 技术线的“两总”系统、 技术和管理的“双五条归 零”标准、 技术创新性和技术经济性的综合评价、 “探索一代、 预研一代、 研制一代、 装备一代”的格局 和节奏等航天系统工程管理举措, 都是对辩证思想和 博弈论知识的典型实践.比如, 钱老在工程控制论的第18章阐述了一 个很重要的观点“通过工程控制协调的方法, 即使 用不太可靠的元器件(甚至部分参数无法完全确切知 道)也可以组成一个可靠的系统”, 这对于当前航天工 程的技术经济性分析工作给出了战略前瞻,

11、也是钱老 科学智慧和哲学思想的鲜明写照.又如, 钱老主张在研制体制上是研究、 规划、 设 计、 试制、 生产和试验一体化; 在组织管理上是总体设 计部和两条指挥线的系统工程管理方式. 实践证明, 这套组织管理方法是十分有效的. 从今天的角度来看, 就是在当时的条件下, 把科学技术创新、 组织管理创 新与体制机制创新有机结合起来, 实现了综合集成创 新, 从而走出了一条发展我国航天事业的自主创新道 路.”钱老认为, 简单巨系统与复杂巨系统的区别在于: 简单巨系统是系统的成员大致相同, 可以用100多年 前发展起来的统计力学方法, 像不均匀气体理论那样 来处理即可; 而复杂巨系统则不然, 其每个成

12、员既参 与整个系统的行为, 它又受整个环境的影响, 形成复 杂的相互作用, 高度非线性, 这就是复杂性巨系统. 简 单巨系统可以用控制论和计算机解决; 而复杂巨系统 只有用从定性到定量的综合集成方法.从东风二号导弹飞行的失败, 钱老提出了设计综1620控 制 理 论 与 应 用第 31 卷合的概念, 重视设计综合, 就是从系统的角度来理解 事物, 从局部和整体的关系来把握技术问题. 钱老 在1992年提出了从定性到定量的综合集成法的应用 形式, 就是把还原论思想和整体论思想结合起来的系 统论思想. 而把系统理论和系统技术应用到改造客观 世界实践中, 这就是综合集成工程. 其实质是把专 家、 数

13、据和信息体系以及计算机体系有机结合起来, 构成一个高度智能化的人/机、 人/网结合的系统, 这样 就能充分发挥人的思维、 人的经验、 人的知识、 人的 智慧, 并把各种情报、 资料和信息统统集成起来, 在网 络和计算机技术的辅助下, 使定性的认识上升到定量 的认识.当前, 军事斗争的国际化态势日益复杂, 新军事变 革的科技内涵日益提升, 新技术成果的不断涌现、 颠 覆性技术的应用、 军民融合技术的深化发展, 我们认 知的科研领域更复杂. 从深空探测、 开发太空到走向 深蓝、 空天一体、 临近空间打造航空和航天有机结合 形成新的技术增长点, 航天控制与信息技术的发展, 需要我们用一种统观全局的方

14、法, 来充分了解和发挥 导航技术和控制技术等新技术的潜在力量, 运用工程 控制论的知识成果和系统论思维, 以更宽阔、 更缜密 的眼光去观察所遇到的问题, 为解决新问题开辟意想 不到的新前景.进入新世纪以后, 钱老的系统科学思想仍有重要 的现实意义. 综合集成方法和总体设计部, 从知识创 新角度来看, 实际上是知识创新主体, 通过对知识资 源和智慧的综合集成, 既可以进行科学创新形成综合 集成理论, 也可以进行技术创新形成综合集成技术,还可以通过应用创新用于综合集成工程.钱老构建出来的系统科学体系结构认为: 在系统 科学中, 工程技术包括各门系统工程、 自动化技术和 通信技术; 技术科学包括运筹

15、学、 控制论和信息论; 基 础科学是系统学; 系统观将充实技术科学的方法论, 并使马克思主义哲学随着系统科学的发展而发展, 这 是一个清晰的体系结构. 现代的创新活动要把科学技 术创新、 体制机制创新和组织管理创新有机结合起来 才能实现真正的创新, 这也是个系统问题.钱老从一位卓越的工程科学家、 国防科技领军人 物, 成为我国系统科学的开拓者和奠基人, 成为哲学 家和思想家. 无论其工程理论学术成果还是方法论层 面的哲学思想, 都是中华文明和智慧宝库的瑰宝, 他 是一位人民的科学家, 是中国人民的骄傲.如何形成一个具有综合优势和整体功能并充满创 新活力的体系, 去推动国家和社会发展, 这正是国家 创新体系所面临的主要问题. 抚今追昔, 重温钱学森 先生的工程控制论和系统科学思想, 应该会得到 新的启迪.作者简介:包包包为为为民民民(1960), 男, 1982年8月毕业于西北电讯工程学院(现西安电子科技大学)电子工程系信息处理专业, 2005年当选为中国科学院院士, 现任中国航天科技集团科技委主任. 作为中国航天运载器总体及控制系统领域的学术带头人, 他将理论知识和实践工作相结合, 为中国国防现代化建设解决了一系列技术难题, 先后获得国家科技进步特等奖等多项殊荣, 是国防科技工业有突出贡献中青年专家, E-mail:.