第6章计算学科中的系统科学方法

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1、第6章 计算学科中的系 统科学方法李陶深第6章 计算学科中的系统科学方法6.1 系统科学的基本思想 o系统科学方法是指用系统的观点来认识和处 理问题的各种方法的总称，它是一般科学方 法论中的重要内容。系统科学方法为现代科 学技术的研究带来了革命性的变化，并在社 会、经济和科学技术等各个方面都得到了广 泛的应用。o模型方法是系统科学的基本方法，研究系统 具体来说就是研究它的模型。模型是对系统 原型的抽象，是科学认识的基础和决定性环 节。o模型与实现是认识与实践的一种具体体现，在 计算学科中，它反映了抽象、理论和设计3个 过程的基本内容。o模型与实现包括建模、验证和实现3方面的内 容。n建模主要属

2、于学科抽象形态方面的内容，n模型的验证主要属于学科理论形态方面的内 容，n模型的实现则主要属于学科设计形态方面的 内容。 系统（System）和子系统（Subsystem）系统可以形式化地定义为：S= 其中：A表示系统S中所有元素的集合；R表示系统S中所有元素之间关系的集合。 一个大的系统往往是复杂的，它通常可以划分为 一系列较小的系统，这些系统称为子系统。子 系统可以形式化地定义为：Si= 其中：SiS；AiA；RiR。结构（Structure）和结构分析（Structure Analysis）o所谓结构是指系统内各组成部分（元素和子系 统）之间相互联系、相互作用的框架。o结构分析的重要内容

3、就是划分子系统，并研究 各子系统的结构以及各子系统之间的相互关系 。 层次（Hierarchy）和层次分析（Hierarchy Analysis） o层次是划分系统结构的一个重要工具，也是结 构分析的主要方式。系统的结构可以表示为各 级子系统和系统要素的层次结构形式。一般来 说，在系统中，高层次包含和支配低层次，低 层次隶属和支撑高层次。明确所研究的问题处 在哪一层次上，可以避免因混淆层次而造成的 概念混乱。o层次分析的主要内容有：系统是否划分层次， 划分了哪些层次，各层次的内容，层次之间的 关系以及层次划分的原则等。 环境、行为和功能o系统的环境是指一个系统之外的一切与它有 联系的事物组成的

4、集合。系统要发挥它应有 的作用，达到应有的目标，系统自身一定要 适应环境的要求。o系统的行为是指系统相对于它的环境所表现 出来的一切变化。行为属于系统自身的变化 ，同时又反映环境对系统的影响和作用。o系统的功能是指系统行为所引起的、有利于 环境中某些事物乃至整个环境存在与发展的 作用。 状态（State）、演化（Evolution）和过程（Process） o状态是系统科学中的基本概念之一，它是指系 统的那些可以观察和识别的形态特征。状态一 般可以用系统的定量特征来表示，如温度T、 体积V等。o演化是指系统的结构、状态、特征、行为和功 能等随着时间的推移而发生的变化。系统的演 化性是系统的基本

5、特性。o过程是指系统的演化所经过的发展阶段，它由 若干子过程组成。过程的最基本元素是动作， 动作不能再分。 常用的几种系统科学方法 o系统分析法是以运筹学和计算机为主要工具 ，通过对系统各种要素、过程和关系的考察 ，确定系统的组成、结构、功能、效用的方 法。系统分析法广泛应用于计算机硬件的研 制和软件的开发，技术产品的革新，环境科 学和生态系统的研究，以及城市管理规划等 方面。 o信息方法是以信息论为基础，通过获取、传 递、加工、处理、利用信息来认识和改造对 象的方法。 常用的几种系统科学方法o功能模拟方法是以控制论为基础，根据两个系 统功能的相同或相似性，应用模型来模拟原型 功能的方法o黑箱

6、是指内部要素和结构尚不清楚的系统。黑 箱方法就是通过研究黑箱的输入和输出的动态 系统，确定可供选择的黑箱模型进行检验和筛 选，最后推测出系统内部结构和运动规律的方 法。o整体优化方法是指从系统的总体出发，运用自 然选择或人工技术等手段，从系统多种目标或 多种可能的途径中选择最优系统、最优方案、 最优功能、最优运动状态，使系统达到最优化 的方法。 例6.1 科学的分类 o根据科学知识本质特征的不同，我国著名科 学家钱学森开创性地将科学划分为工程技术 、技术科学、基础科学和哲学4个层次。o4个科学层次是相互联系、相互作用的。其中 ，工程技术泛指一切应用和技术领域，技术 科学是为工程技术提供工程理论

7、的科学；基 础科学是揭示客观世界运动规则和本质关系 的科学，哲学是对科学知识总的概括，是最 高一层的科学。例6.2 生命系统 o美国心理学家米勒（S.Miller）把生物圈看作 是一个生命系统，他认为一切活着的具体系 统都是“生命系统”，并将生命系统划分为7个 层次，即细胞、器官、生物体、群体、组织 、社会和超国家系统，以及19个关键的子系 统。20世纪50年代，米勒创立了一般生命系 统理论，该理论对解决生命世界的统一性问 题有十分重要的意义。 例6.3 化学元素周期表 o进入19世纪后，由于化学分析方法的改进， 到1869年，人们已经发现了63种化学元素。 随着新元素发现的增加，以及对这些元

8、素性 质的更多了解，人们反而对眼前纷繁复杂的 化学世界产生了一种迷惑：难道世界上的化 学物质就是这样杂乱无章地凑到一起的吗？o为了寻找化学元素之间的内在联系，许多科 学家开始致力于这方面的探索。1869年3月， 俄国化学家门捷列夫发表了元素属性和原 子量的关系的论文，首创了化学元素周期 表，揭示了化学元素性质呈周期性变化的内 在规律，并指明了发现新元素的方向。 例6.4 整数 o当把整数看作是一个系统时，根据等价关系， 可以将整数划分为若干互不相交的子集。n可以将整数划分为奇数和偶数。再比如，若以3为 模，可将非负整数S划分为下面3类具有同余关系 （同余关系是一种等价关系）的集合S1、S2和S

9、3 。o若余数为0，则具有同余关系的数据构成第一 个集合：S1=0，3，6，3n，。o若余数为1，则具有同余关系的数据构成第二 个集合：S2=1，4，7，3n+1，。o若余数为2，则具有同余关系的数据构成第三 个集合：S3=2，5，8，3n+2，。例6.5 计算机网络 o为了解决复杂网络协议的设计问题，国际标 准化组织（ISO）采用系统科学的思想，定 义了现在被广泛使用的开放系统互连模型（ Open System Interconnection，简称OSI）， 该模型将整个网络协议划分为7个层次，n物理层、数据链路层、网络层、运输层、 会话层、表示层和应用层，从而有效地降 低了网络协议的复杂性

10、，推动了网络技术 的发展。 第6章 计算学科中的系统科学方法6.2 结构化方法 结构化程序设计方法的形成 o结构化方法起源于结构化程序设计语言。在使 用SP之前，程序员都是按照各自的习惯和思路 来编写程序，没有统一的标准，这样编写的程 序可读性差，更为严重的是程序的可维护性极 差，经过研究发现，造成这一现象的根本原因 是程序的结构问题。结构化程序设计方法的形成 o1966年，C.Bhm和G.Jacopini提出了关于“程 序结构”的理论，并给出了任何程序的逻辑结 构都可以用顺序结构、选择结构和循环结构来 表示的证明。在程序结构理论的基础上，1968 年，戴克斯特拉提出了“GOTO语句是有害的”

11、 的问题，并引起普遍重视，SP逐渐形成，并成 为计算机软件领域的重要方法，对计算机软件 的发展具有重要的意义。伴随着SP的形成，相 继出现了Modula-2、C以及Ada等结构化程序设 计语言。结构化设计方法的形成 o结构化程序设计需要事先设计好每一个具体的 功能模块，然后将这些设计好的模块组装成一 个软件系统。接下来的问题是，如何设计模块 。o源于结构化程序设计思想的结构化设计方法就 是要解决模块的构建问题。1974年， W.Stevens、G.Myers和L.Constantine等人在 IBM系统（IBM System）杂志上发表了结 构化设计（Structured Design）论文，

12、为结 构化设计方法奠定了思想基础。此后这一思想 不断发展，最终成为一种流行的系统开发方法 。 结构化分析方法的形成 o结构化设计方法建立在系统需求明确的基础上 。如何明确系统的需求，就是结构化分析所要 解决的问题。结构化分析方法产生于20世纪70 年代中期，最初的倡导者有Tom Demarco、 Ed Yourdon等人。o结构化分析在20世纪80年代又得到了进一步的 发展，并随着Ed Yourdon于1989年所著的现 代结构化分析（Modern Structured Analysis ）的出版而流行开来。现代结构化分析更强调 建模的重要性。 结构化方法遵循的基本原则o抽象原则:注重把握系统

13、的本质内容，而忽略与 系统当前目标无关的内容，o分解原则n分解原则是结构化方法中最基本的原则，它是一种 先总体，后局部的思想原则。在构造信息系统模型 时，它采用自顶向下，分层解决的方法。o模块化原则n模块化是结构化方法最基本的分解原则的具体应用 ，它主要出现在结构化设计阶段中，其目标是将系 统分解成具有特定功能的若干模块，从而完成系统 指定的各项功能。 第6章 计算学科中的系统科学方法6.3 结构化方法的核心问题 结构化方法的核心问题 o需求分析是系统分析的第一步，它的主要任务 是明确用户的各种需求，并对系统要做什么作 一个清晰、简洁和无二义性的文档说明。n需求分析阶段的用户一般是高级主管、人

14、事主管和 执行官，且基本上每个人都不直接参与新系统的开 发。o环境图是数据流图的一种特殊形式。环境图模 拟系统的一个大致边界，并展示系统和外部的 接口、数据的输入和输出以及数据的存储。o事件列表是发生在外部世界，但系统必须响应 的叙述性列表。事件列表是对环境图的一个补 充。 行为和功能模型 oSD的主要任务就是要在系统环境模型的基础上建立 系统的行为和功能模型，完成系统内部行为的描述。 实现系统行为和功能模型的主要工具有：数据字典、 数据流图、状态变迁图和实体-联系模型等。 （1）数据字典:是一个包含所有系统数据元素定义的仓 库。数据元素的定义必须是精确的、严格的和明确的 。一个实体一般应包括

15、以下几个部分的内容。 名字； 别名； 用途； 内容描述； 备注信息。 （2）数据流图o数据流图是SA和SD的核心技术，它采用面向处理过 程的思想来描述系统，它是一种描述信息流和数据从 输入到输出变换的应用图形技术。 （3）状态变迁图o状态变迁图及时地描述了对象的状态，它着重系统的 时间依赖行为。状态变迁图源于实时系统的建模，并 被广泛应用于商业信息处理领域中。 （4）实体联系模型(ER)o实体联系模型被用来模拟系统数据部件之间的相互 关系。实体联系模型独立于当前的系统状态，并与 具体的计算机程序设计语言无关。 实现模型 （1）处理器模型n在多处理器系统和网络环境中，还需要将处理器 分成不同的组

16、，以便确定操作在哪个处理器上进 行。 （2）任务模型n任务模型建立在处理器模型的基础之上，它将所 有过程都划分成操作系统的任务。 （3）结构图n使用图形符号来描述系统的过程和结构的工具。 结构图常由数据流图转换而来，它展示了模块的 划分、层次和组织结构以及模块间的通信接口， 从而有助于设计者和程序开发人员进行系统的设 计。（4）模块设计n在结构化方法中，SP阶段的目标就是将系统分解 成更容易实现和维护的模块。SP方法要求每个模 块执行单一的功能，而且不同模块间的依赖性要尽 可能低。 （5）实现阶段n实现阶段包括系统的编码、测试和安装。这一阶段 的产物主要是能够模拟现实世界的软件系统。除此 之外，软件文档和帮助用户熟悉系统的客户培训计 划也是这一阶段的产物。 第6章 计算学科中的系统科学方法6.4 面向对象方法面向对象程序设计语言的形成o与结构化方法一样，面向对象方法也起源于面 向对象程序语言。面向对象程序语言开始于20 世纪60年代后期，第一个OOPL是挪威计算中 心