ch16_系统科学与系统工程

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1、系统科学与系统工程第一讲 系统科学概说通过今天的学习，您将：1、了截什么是系统，什么是系统科学；2、掌握系统科学的研究对象、体系结构；3、了解系统科学的发展历史和现状；4、把握学习系统科学的现实意义。案例分析：一举而三役济北宋皇宫着火，烧成废墟，皇帝命令大臣丁谓限期重建。丁谓经过实地考 察，提出：在皇城前 的大道上取土烧砖， 形成河道后引进汴水 ，然后用船把建筑材 料运入工地，皇宫修 好后，用工程遗留下 来的碎砖废土填塞河 道，修复原来的大道 。一、系统科学的性质和特点1、什么是系统科学？系统科学是从系统的整体性、系统的结构和功能的 角度去研究客观世界，探求客观世界中系统、信息、控制之间的联系

2、及其性质和规律性的科学技术部门。系统整体性结 构 功 能系统系统信息控制2、系统科学的性质 系统科学是研究系统的基础学科。科学体系自然科学：研究客观世界中物质在时空中的运动。 社会科学：研究客观世界中人类社会的运动和发展。系统科学：从系统的结构和功能的角度研究客观世界。行为科学：研究个人和社会的相互作用。思维科学：从人认识客观世界的角度研究客观世界。 数学科学：研究客观世界中数量与质量的辩证统一。人体科学：研究人体在客观世界的运动和发展。 文艺理论：研究人与客观世界相互作用后达到的美感。 军事科学：研究客观世界中不同集团之间的矛盾和斗争。地理科学：研究人类生存和发展的基础。3、系统科学的特点系

3、统科学是横断科学； 系统科学的综合性； 系统科学的抽象性； 系统科学的数理性。二、系统科学的研究对象系统科学以系统现象、系统问题为研究对象。复杂简单无组织有组织 三、系统科学的体系结构哲 学基础科学技术科学工程技术系统科学系 统 学运筹学巨系统理论 控制论信息论系统工程自 动 化信息技术马克思主义哲学思维科学自然科学数学科学社会科学（系统论）数 学 突变论 基础科学 物 理 学 生 物 学其他技术学科四、系统科学的历史和现状1、系统的思想渊源赫拉克利特德谟克利特柏 拉 图亚里士多德（火）（逻各斯）（理念）（四因说）2、系统科学的形成系统工程系统理论系统科学的发展线索贝塔朗菲 一般系统论维纳 控

4、 制 论申农 信 息 论米勒 一般生命系统论普利高津 耗散结构理论哈肯 协同学生物工程社会经济系统工程、仿生学、人工智能等五、学习系统科学的现实意义1、丰富人类知识宝库；2、帮助确立辩证唯物主义哲学观；3、促进科学思维方式的转变；4、推动工作方式的变革；5、促进决策的科学化；6、加强科学管理。第二讲 走进系统图景通过今天的学习，您将1、了解系统、信息、控制的基本概念； 2、了解系统思维的理路； 3、了解系统论方法、信息论方法、控制论方法。一、放宽系统的视野1、东西辉映，异曲同工2、矛盾重重，疑窦丛生3、走出系统，溶与系统西方：推理印度：直觉 中国：统觉先拆开，再拼回。 整体的统一性。和合。思维

5、的渊薮王国维：古今之成大业、大学问者，必经过三种 之境界：“昨夜西风调碧树。独上高楼，望尽天涯路”， 此第一境也；“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴”， 此第二境也；“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在 灯火阑珊处”，此第三境也。(看山是山，看山不是山，看山还是山）还原论； 形而上学； 系统论。科学的呼唤科学：矛盾重重科学：需要反思世界是简单的，还是复杂的？世界是从有序走向无序，还是无序走向有序？物理学生物学力学拉普拉斯决定论随机性 偶然性科学的来源是什么？她的归宿又在哪里？学科与学科之间的联系何在？系统观未来远古15世纪18世纪20世纪40年代 20世纪60年代宇宙论 机械论系统论 控制论 信

6、息论耗散结构论 突变论 协同论一粒沙中见世界全息论部分是整体信息的浓缩； 整体是部分放大。1980年，潜科学杂志发表了我国学者张颖清 的生物全息律，首次提出生物全息律。1、进一步消除了整体和部分之间的隔阂； 2、丰富和深化了整体和部分之间的相关性； 3、提供了一种新的认识方法； 4、为预测分析和泛化分析提供了依据。非系统理论及其思考理想的非系统状态，在空间分布上具有各向 同性、均匀性、二点之间距离不等性三个特点。在 这一范围中，信息量等于零，而熵无限大，它没有 任何系统，到处是单一的重复，绝对的混乱。相对性原则；主体性原则； 不完全原则；否定原则。 二、系统论1、系统的概念系统是存在于一定环境

7、之中的，由若干相 互联系、相互作用的要素所构成的，具有特定 功能的整体。物质 能量 信息系统的普遍性系统的组成部分要素万事万物自成系统，又互成系统。要素是系统存在的基础，系统是按一定结 构相互联系、相互作用的要素组成的。要素的性质不同，构成不同的系统；系统性质、不同数量的要素构成不同的系统；要素在系统中的作用不同。2、系统的一般特性有机整体性层 次 性稳 定 性（非加和性）（相对性）有 序 性（时间序、空间序、时空序）动 态 性开 放 性（动态平衡）3、整体和部分有机统一；整体具有不同于部分的新质；正效应和负效应。天净沙秋思枯藤老树昏衙， 小桥流水人家， 古道西风瘦马， 夕阳西下， 断肠人在天

8、涯。4、结构和功能表现结构功能结构和功能的关系稳定性 层次性 相对性 可变性基础同构同功 异构异功 同构异功 异构同功5、系统与环境系统环境6、系统的演化产生存在变化和发展消亡7、系统的分类按性质分 按存在和运动状态分系统行为的复杂程度分按子系统的数量及其相互联系分 按与环境的关系分 按系统的等级分 按系统内不同变量间关系分 按确定性分钱学森的分类 8、系统方法系统分析方法目标分析结构分析功能分析环境分析动态分析分解协调方法系统分解系统协调（结构分解、功能分解、内外关联 分解、目标分解、过程分解等）实现整体优化三、控制论1、控制的概念控制是带目的性的因果联系，即产生原 因系统对产生结果系统有目

9、的的影响干预。施控系统受控系统控制主体控制对象控制两人打架可能打重了，打死了对方可能打轻了，被对象打可能打的不轻不重，两败俱伤在一个系统中，被控制对象存在多种可能性。控制 就是要在这些可能性中进行有方向的选择，以期达到预 期目的，使系统趋于稳定状态。（控制的作用）首先对系统的信息进行 分析、比较、判断其次根据内部、外部变 化随时调整再次通过系统联系和信 息处理多次往返2、控制方式控制方式是指在控制系统中为了实现控制的目的 和完成控制任务所采取的控制方法。反馈控制定值控制程序控制随动控制随机控制模糊控制量优控制3、控制系统施控系统受控系统控制作用反馈作用环境（介质）控 制 系 统总经理副总经理总

10、会计师总经济师市场总监人力资源 总监生产部财务部发展规划部市场部 人力资源部公共关系部董事会敏感 环节决策环节执行环节中间转换环节开环控制系统闭环控制系统施控装置受控装置输入指令输出施控装置受控装置输入指令输出反馈装置目标值4、控制理论和控制技术工程控制论生物控制论社会和经济控制论智能控制论自动调节和单机自动化最优控制和局部自动化系统控制和管理自动化人工智能和智能自动化控制理论控制技术5、控制论方法黑箱方法灰箱方法白箱方法 功能模拟法黑箱输入输出输入输出灰箱白箱输入输出四、信息论1、信息的概念信息是对事物存在方式、运动状态、相互 联系的特征的一种表达和陈述。表现为文字、图象、图形、语言、声音等

11、形式。物质世界的三大支柱：物质、能量、信息信息的特征 普遍存在； 可识别和共享； 可转换和传输； 可存储和压缩； 可扩散和扩充； 可再生和替代。使用者信息源使用者使用者语言、图象等信息的功能信息是重要的资源；信息是现代化的工具； 信息是系统的联系中介；信息是社会进步的关键环节 。 2、信息论申农的通信系统模式信源编码消息信道信号译码信宿噪声噪声+ 信号消息信息论的发展狭义信息论一般信息论广义信息论3、信息科学信息论电子学控制论计算机科学自动化技术人工智能数学物理4、信息方法信息方法就是 运用信息的观点， 把系统看作是借助 于信息的获得、传 递、加工、处理而 实现其目的的一种 研究方法。第三讲

12、系统理论及系统工程通过本讲的学习，您将：1、掌握耗散结构的基本含义及其实际应用； 2、了解自组织的原理、形式及判别依据； 3、把握线性系统、非线性系统的基本原理； 4、了解随机、混沌、灰色系统的基本理论。一、自组织和他组织系统1、组织(Organization)宇观层次：星云、星系、银河系、太阳系等；宏观层次：地球，山川、海洋、建筑物等；微观层次：晶体结构、原子结构等2、自组织(Self-Organization)组织力和组织指令来自系统内部的，是自组织。定义：分类：按结构分：平衡结构和耗散结构； 按运动方式分： 按形式分：自组织形式：自创生、自生长、自适应、自复制自组织的判断依据：自由能判据

13、； 熵的变化； 信息量变化； 序参量。自组织原理：突现原理； 开放性原理； 非线性原理； 反馈原理； 不稳定原理； 支配原理； 协同原理； 环境选择原理。3、他组织(Heter-Organization)定义：类型：组织力和组织指令来自系统外部，系统是在 外界特定的干预下获得空间、时间上的功能和结 构的，是他组织。指定式、诱导式、限定边界条件式。仿自组织的他组织系统非仿自组织的人工创造物自组织与他组织的辨证统一二、耗散结构1、基本概念耗散结构是一个远离平衡态的开放 系统，通过不断地与外界交换物质和能 量，在外界条件的变化到达一定阈值时 ，可能从原有的混沌无序的混乱状态， 转变为一种在时间上、空

14、间上或功能上 的有序状态。耗散结构是一种“活”的结构，它是靠不 断“耗散”环境提供的物质和能量来维持它的 生命活力。时间上的微观运动可逆与宏观运动不可逆 。 进化与退化。 孤立系统、封闭系统与开放系统。 系统状态：平衡态、非平衡态。 熵和熵增大原理。2、耗散结构的形成条件开放系统； 远离平衡态； 非线性相互作用； 涨落导致有序； 正反馈机制。3、耗散结构的哲学问题时间： 可逆性与不可逆性、对称性和对称性； 结构： 平衡和平衡、有序和无序、稳定和不稳定； 世界： 简单性和复杂性、局部性和整体性； 规律： 决定论和非决定论。4、耗散结构的理论的实际实际应用应用的条件和方法：系统必须是开放系统；系统必须远离平衡态；有序是来自涨落的有序； 程序和步骤：确定问题；确定熵；建立模型；确定有序程度，做相应判断；实施。三、线性和非线性1、线性系统线性系统指的是因变量和自变量之 间呈比例关系变化，在变化过程中，二 者之间的比值不变。线性相互作用：独立性、时空上的均匀性、对称性。线性系统：在线性系统中，整体等于部分之和。（叠加原理）判断叠加原理的基本依据。线性特征在本质上只有一种，不同线性系统函数 （直线）只是比例系数的差别，经过简单的数学变换 （平移或旋转），可以完全重合。