系統(tǒng)工程理論、方法與應(yīng)用

1、,第一章 系統(tǒng)與系統(tǒng)理論,建模與決策,1.1 系統(tǒng)的概念,重點(diǎn)掌握內(nèi)容系統(tǒng)思想的形成及演變（理解）系統(tǒng)的定義系統(tǒng)的幾種常見(jiàn)形態(tài)（了解）,,一、系統(tǒng)思想的形成及演變,古代樸素的系統(tǒng)思想——萌芽期系統(tǒng)的思想來(lái)源于人類長(zhǎng)期的社會(huì)實(shí)踐 古代天文——?dú)v法、二十四節(jié)氣等 農(nóng)事——《管子?地員》、《詩(shī)經(jīng)?七月》 醫(yī)藥——《黃帝內(nèi)經(jīng)》 軍事理論——《孫子兵法》（“經(jīng)五事”，即從道、天、地、將、法5方面來(lái)分析戰(zhàn)爭(zhēng)的全局） 水利工程——

2、馳名中外的“都江堰”水利工程（三個(gè)主體工程——“魚(yú)嘴”、“飛沙堰”、“寶瓶口” ）系統(tǒng)思想體現(xiàn)在我國(guó)古代和古希臘的哲學(xué)思想中 春秋末期的老子——強(qiáng)調(diào)自然界的統(tǒng)一性； 古希臘唯物主義哲學(xué)家的德謨克利特——世界是由原子組成； 亞里士多德——提出“四因”等思想。,1.1系統(tǒng)思想的形成及演變,15世紀(jì)下半葉——近代科學(xué)興起，形成了形而上學(xué)的思維方法；19世紀(jì)上半葉——“三大發(fā)現(xiàn)”和自然科學(xué)的其他進(jìn)步——產(chǎn)生了辯證唯物主義；現(xiàn)代科學(xué)技

3、術(shù)的發(fā)展——使系統(tǒng)思想定量化，電子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生等。,系統(tǒng)思想的形成及演變——發(fā)展及成熟期,最早出現(xiàn)于希臘——部分組成的整體美籍.奧地利理論生物學(xué)家——馮·貝塔朗菲，1937提出“系統(tǒng)是相互作用的諸要素的綜合體”我國(guó)系統(tǒng)學(xué)界對(duì)系統(tǒng)的定義——系統(tǒng)是由相互作用和相互依賴的若干部分要素結(jié)合而成的、具有特定功能的有機(jī)整體。,,1.1.2系統(tǒng)的定義,兩個(gè)以上的要素要素之間有一定有機(jī)聯(lián)系具有特定的功能,系統(tǒng)所必需的3個(gè)條件,,系統(tǒng)支

4、配和控制要素要素決定系統(tǒng)的功能系統(tǒng)和要素的概念是相對(duì)的,系統(tǒng)與諸要素之間的關(guān)系,1.自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)2.實(shí)體系統(tǒng)和概念系統(tǒng)3.封閉系統(tǒng)和開(kāi)放系統(tǒng)4.靜態(tài)系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)5.控制系統(tǒng)和因果系統(tǒng),1.1.3 系統(tǒng)的形態(tài),集合性相關(guān)性階層性整體性目的性環(huán)境適應(yīng)性,1.2 系統(tǒng)的特性,1.3.1一般系統(tǒng)論1947年由奧地利生物學(xué)家貝塔朗菲創(chuàng)立。貝塔朗菲在論述一般系統(tǒng)論原理時(shí)指出—— 為了認(rèn)識(shí)事物的

5、整體性，既要了解其各部分組成，更要了解它們之間的關(guān)系。 一般系統(tǒng)論來(lái)源于機(jī)體論，貝塔朗菲認(rèn)為機(jī)械論有3各錯(cuò)誤的觀點(diǎn)： 其一是相加的觀點(diǎn)，即把有機(jī)體分解為各要素，并以簡(jiǎn)單相加來(lái)描述有機(jī)體的功能；其二“機(jī)械”觀點(diǎn)，把生命現(xiàn)象簡(jiǎn)單的比作機(jī)器，并認(rèn)為“人即機(jī)器”；其三是被動(dòng)反應(yīng)的觀點(diǎn)，認(rèn)為有機(jī)體只有受到刺激時(shí)才能出現(xiàn)反應(yīng)，否則靜止不動(dòng)。,1.3 系統(tǒng)理論概述,系統(tǒng)觀點(diǎn) 即一切有機(jī)體都是一個(gè)整體（系統(tǒng)）。整

6、體是由部分結(jié)合而成的，其特性和功能不只是各部分特性和功能的簡(jiǎn)單相加的總和。認(rèn)為系統(tǒng)是“相互作用的諸要素的復(fù)合體”。動(dòng)態(tài)觀點(diǎn) 即一切有機(jī)體本身都處于積極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。一切生命現(xiàn)象始終處于積極活動(dòng)的狀態(tài)，有機(jī)體之所以能有組織的處于活動(dòng)狀態(tài)并保持其活力，是由于系統(tǒng)與環(huán)境不斷地進(jìn)行物質(zhì)與能量的交換。,一般系統(tǒng)論3個(gè)基本觀點(diǎn),等級(jí)觀點(diǎn) 即指各種有機(jī)體都按嚴(yán)格的等級(jí)組織起來(lái)。生物系統(tǒng)層次分明、等級(jí)森嚴(yán)，通過(guò)各層次逐級(jí)的組合，形

7、成越來(lái)越高級(jí)、越來(lái)越龐大的系統(tǒng)。 系統(tǒng)就是由結(jié)構(gòu)和功能組成的統(tǒng)一體。,一般系統(tǒng)論3個(gè)基本觀點(diǎn),一般系統(tǒng)論屬于邏輯和數(shù)學(xué)的領(lǐng)域，其任務(wù)是確立適用于各種系統(tǒng)的一般原則，為解決各種系統(tǒng)問(wèn)題提供新的研究方法。一般系統(tǒng)論用相互關(guān)聯(lián)的綜合性思維來(lái)取代分析事物的分散思維，突破了以往分析方法的局限性。一般系統(tǒng)論可以幫助人們摒棄用簡(jiǎn)單方法來(lái)解決復(fù)雜系統(tǒng)的習(xí)慣。,一般系統(tǒng)論的特點(diǎn),1948年，美國(guó)數(shù)學(xué)家維納總結(jié)了前人的經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)立的?？?/p>

8、制論是研究系統(tǒng)調(diào)節(jié)與控制的一般規(guī)律的科學(xué)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自身的穩(wěn)定和功能，系統(tǒng)需要取得、使用、保持及傳遞能量、材料和信息，需要對(duì)系統(tǒng)的各部分進(jìn)行組織，那么怎樣組織？ 便是控制論所要研究的問(wèn)題。,1.3.2控制論,20世紀(jì)50年代末期之前為第一階段，稱為經(jīng)典控制論階段——經(jīng)典控制論主要是研究單輸入和單輸出的線性控制系統(tǒng)的一般規(guī)律，它建立了系統(tǒng)、信息、調(diào)節(jié)、控制、反饋等控制論的基本概念和分析方法。研究重點(diǎn)是反饋控制，主要應(yīng)用與單機(jī)自動(dòng)化。

9、20世紀(jì)50年代末期至70年代初期為第二階段，稱為現(xiàn)代控制階段——現(xiàn)代控制論研究的對(duì)象是多輸入和多輸出的非線性控制系統(tǒng)，研究重點(diǎn)是最優(yōu)控制、隨機(jī)控制和自適應(yīng)控制，主要應(yīng)用于機(jī)組自動(dòng)化和生物系統(tǒng)。,控制論的3個(gè)發(fā)展過(guò)程：,20世紀(jì)70年代之后為第三階段，稱為大系統(tǒng)理論階段——大系統(tǒng)理論的主要研究對(duì)象是眾多因素復(fù)雜的控制系統(tǒng)（如宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、資源分配系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)等等）。,控制論的3個(gè)發(fā)展過(guò)程：,1.最優(yōu)控制論——現(xiàn)代控制論的核心

10、 社會(huì)發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各種控制系統(tǒng)日趨復(fù)雜和龐大，這些新的形勢(shì)促使控制論進(jìn)入多輸入和多輸出系統(tǒng)控制的現(xiàn)代化階段，要求通過(guò)數(shù)學(xué)方法，采用動(dòng)態(tài)的控制方式，解決眾多大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)化。,控制論研究的具體內(nèi)容,2.自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自組織系統(tǒng)理論自適應(yīng)控制系統(tǒng)——能按照外界條件、環(huán)境的變化，自動(dòng)調(diào)整其自身的結(jié)構(gòu)或行為參數(shù)，以保持系統(tǒng)原有功能。自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)——能按照自己運(yùn)行過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)來(lái)改進(jìn)控制算法的能力的系統(tǒng)

11、。它有“定式”和“非定式”兩個(gè)方面。自組織系統(tǒng)——能根據(jù)環(huán)境和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)改變自身結(jié)構(gòu)和行為參數(shù)的系統(tǒng)。自組織系統(tǒng)理論的主要目標(biāo)是通過(guò)仿真、模擬人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和感覺(jué)器官的功能，探索人工智能的途徑。,控制論研究的具體內(nèi)容,3.模糊理論—— 在模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上形成的一種新型數(shù)學(xué)理論，主要用來(lái)解決一些不確定性的問(wèn)題。4.大系統(tǒng)論—— 大系統(tǒng)理論所要研究的問(wèn)題，主要是大系統(tǒng)的最優(yōu)化；研究對(duì)象是復(fù)雜的大型自動(dòng)化問(wèn)題；

12、研究的領(lǐng)域繁多。,控制論研究的具體內(nèi)容,控制論以理論控制論為中心的四大分支：工程控制論、生物控制論、社會(huì)控制論和智能控制論。,1948年由美國(guó)科學(xué)家申農(nóng)提出。信息論是一門(mén)研究信息傳輸和信息處理系統(tǒng)中一般規(guī)律的學(xué)科。信息論可分為狹義信息論與廣義信息論。 狹義信息論研究通信控制系統(tǒng)中信息傳遞的共同規(guī)律，以及如何提高信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃?。廣義信息論是利用狹義信息論觀點(diǎn)來(lái)研究一切問(wèn)題的理論，他研究及其、生物和人類對(duì)于各種信息的獲

13、取、變換、傳輸、儲(chǔ)存、處理和利用的一般規(guī)律，設(shè)計(jì)和制造各種智能信息處理和控制機(jī)器，以便模擬人的部分功能。,1.3.3 信息論,信息論是控制論的基礎(chǔ)。這是因?yàn)樗{(diào)節(jié)著其他流的數(shù)量、方向、速度、目標(biāo)等，進(jìn)行有目的、有規(guī)律的活動(dòng)。那些事先不知道其結(jié)果的消息，稱為信息。申農(nóng)把信息定義為“不確定度的減少”，并提出了信息量的概念，即把某種不確定度趨向確定的一種量度。信息科學(xué)的產(chǎn)生——以信息論為基礎(chǔ)。,1.3.3 信息論,20世紀(jì)70年代，由比利

14、時(shí)物理學(xué)家普里高津提出。普利高津指出：一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開(kāi)放系統(tǒng)，在外界條件變化達(dá)到某一特定值時(shí)，量變可能引起質(zhì)變，系統(tǒng)通過(guò)與外界不斷地交換能量與物質(zhì)，就可能從原來(lái)的無(wú)序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N時(shí)間、空間或功能的有序狀態(tài)。這種遠(yuǎn)離平衡態(tài)的、穩(wěn)定的、有序的結(jié)構(gòu)被稱為“耗散結(jié)構(gòu)”。,1.3.4 耗散結(jié)構(gòu)理論,（二）分銷(xiāo)物流的方式方案,1.開(kāi)放系統(tǒng)是產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)的必要前提。 布魯塞爾學(xué)派認(rèn)為，系統(tǒng)根據(jù)與外界環(huán)境的關(guān)系，可分為三類：孤立系統(tǒng)、封

15、閉系統(tǒng)和開(kāi)放系統(tǒng)。 總之，開(kāi)放系統(tǒng)不僅是耗散結(jié)構(gòu)形成的前提，同時(shí)也是耗散結(jié)構(gòu)得以維持和存在的基礎(chǔ)。 因?yàn)楹纳⒔Y(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上就是遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線性系統(tǒng)，是通過(guò)與外界不斷地交換物質(zhì)、能量、信息來(lái)維持的一種動(dòng)態(tài)有序結(jié)構(gòu)。,耗散結(jié)構(gòu)理論的基本觀點(diǎn),2.非平衡態(tài)是有序之源 耗散結(jié)構(gòu)只有在系統(tǒng)保持“遠(yuǎn)離平衡”的條件下，才有可能出現(xiàn)。 耗散結(jié)構(gòu)與平衡結(jié)構(gòu)是有著本質(zhì)區(qū)別的——平衡結(jié)構(gòu)是一種“死”的結(jié)構(gòu)，或者說(shuō)是一種靜態(tài)

16、的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，它的存在不依賴于外界；而耗散結(jié)構(gòu)是一種“活”的結(jié)構(gòu)，或者說(shuō)是一種動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，它是一種遠(yuǎn)離平衡態(tài)的穩(wěn)定態(tài)。 耗散結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)的一種非平衡態(tài)。欲使系統(tǒng)形成耗散結(jié)構(gòu)，必須設(shè)法驅(qū)動(dòng)開(kāi)放系統(tǒng)越出平衡態(tài)區(qū)和近平衡態(tài)線性區(qū)，到達(dá)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線性區(qū)域。,耗散結(jié)構(gòu)理論的基本觀點(diǎn),漲落導(dǎo)致有序 所謂漲落，是指系統(tǒng)的某個(gè)變量或某種行為對(duì)平均值的偏離。漲落是偶然的、隨機(jī)的，在不同狀態(tài)下有不同的作用——對(duì)平衡態(tài)和近平衡

17、態(tài)，起消極的作用；而對(duì)非平衡態(tài)，漲落觸發(fā)和激化了耗散結(jié)構(gòu)的形成，起著積極的建設(shè)性作用，即偶然的隨機(jī)漲落為耗散結(jié)構(gòu)的形成提供了良好的條件。,耗散結(jié)構(gòu)理論的基本觀點(diǎn),1.3.5 協(xié)同理論,協(xié)同論的創(chuàng)始人是德國(guó)著名理論物理學(xué)家赫爾曼.哈肯。這里所說(shuō)的協(xié)同效用是系統(tǒng)本身固有的自組織能力，是形成系統(tǒng)有序結(jié)構(gòu)的內(nèi)部作用力。哈肯認(rèn)為任何一個(gè)包括有大量子系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)，在與外界環(huán)境有物質(zhì)、能量、信息交換的開(kāi)放條件下，通過(guò)通過(guò)各子系統(tǒng)之間的非線性的相

18、關(guān)作用，就能產(chǎn)生各子系統(tǒng)相互合作的協(xié)同現(xiàn)象，使系統(tǒng)能夠自動(dòng)地在宏觀上產(chǎn)生空間、時(shí)間或功能上的有序結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)新的穩(wěn)定狀態(tài)。,自組織原理是協(xié)同理論的核心。協(xié)同學(xué)原理指出——在一定的外部能量流和物質(zhì)流的條件下系統(tǒng)會(huì)通過(guò)大量子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用，在自身漲落力的推動(dòng)下達(dá)到新的穩(wěn)定，形成新的時(shí)間、空間有序結(jié)構(gòu)。自組織具有內(nèi)在性和自主性。,協(xié)同理論,1.3.6 突變理論,1972年，法國(guó)著名數(shù)學(xué)家托姆 發(fā)表了《結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和形態(tài)形成學(xué)》一文，標(biāo)志

19、著突變理論的誕生。突變理論是從量的角度研究各種事物的不連續(xù)變化，并試圖用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述它們。突變理論研究的范疇——介于連續(xù)變化與不連續(xù)飛躍之間的變化,托姆認(rèn)為自然界或人類社會(huì)中，任何一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都有穩(wěn)定態(tài)與非穩(wěn)定態(tài)之分。突變理論指出，事物的這兩種狀態(tài)是相互交錯(cuò)的。狀態(tài)隨控制因素變動(dòng)的函數(shù)圖形可以分為單值區(qū)域和多值區(qū)域：在單值區(qū)域里，一定的控制因素對(duì)應(yīng)于唯一確定的穩(wěn)定狀態(tài)；在多值區(qū)域，一定的控制因素對(duì)應(yīng)于若干個(gè)狀態(tài)，其中既有穩(wěn)