第二章系統(tǒng)工程理論宗憲亮天津科大工業(yè)工程內(nèi)容系統(tǒng)工程的科學(xué)體系“舊三論”+運(yùn)籌學(xué)“新三論”系統(tǒng)工程理論的新發(fā)展系統(tǒng)工程的科學(xué)體系我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森提出了一個(gè)清晰的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)，認(rèn)為從應(yīng)用實(shí)踐到基礎(chǔ)理論，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)可以分為四個(gè)層次：首先是工程技術(shù)這一層次，然后是直接為工程技術(shù)提供理論基礎(chǔ)的技術(shù)科學(xué)這一層次，再就是基礎(chǔ)科學(xué)這一層次，最后通過(guò)進(jìn)一步綜合、提煉達(dá)到最高概括的馬克思主義哲學(xué)。如圖2-1所示。圖2-1現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系馬克思主義哲學(xué)自然科學(xué)數(shù)學(xué)社會(huì)科學(xué)工程技術(shù)技術(shù)科學(xué)系統(tǒng)工程的科學(xué)體系在此基礎(chǔ)上他又進(jìn)一步提出了一個(gè)系統(tǒng)科學(xué)的體系結(jié)構(gòu)。認(rèn)為系統(tǒng)科學(xué)是由系統(tǒng)工程這類(lèi)工程技術(shù)，系統(tǒng)工程的理論方法（像運(yùn)籌學(xué)、大系統(tǒng)理論等）這一類(lèi)技術(shù)科學(xué)（統(tǒng)稱(chēng)為系統(tǒng)學(xué)），以及它們的理論基礎(chǔ)和哲學(xué)層面的科學(xué)所組成的一類(lèi)新興科學(xué)。如圖2-2所示。馬克思主義哲學(xué)社會(huì)科學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)數(shù)學(xué)突變論自然科學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)物理學(xué)生物學(xué)其它技術(shù)科學(xué)系統(tǒng)學(xué)運(yùn)籌學(xué)巨系統(tǒng)理論控制論信息論各門(mén)系統(tǒng)工程（系統(tǒng)觀）系統(tǒng)科學(xué)人體科學(xué)思維科學(xué)哲學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)科學(xué)工程技術(shù)圖2-2系統(tǒng)科學(xué)的體系系統(tǒng)學(xué)主要研究系統(tǒng)的普遍屬性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究系統(tǒng)演化、轉(zhuǎn)化、協(xié)同和控制的一般規(guī)律，研究系統(tǒng)間復(fù)雜關(guān)系的形成法則、結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系、有序、無(wú)序狀態(tài)的形成規(guī)律以及系統(tǒng)仿真的基本原理等，隨著科學(xué)的發(fā)展，它的內(nèi)容也不斷在豐富。由于其尚屬于起步階段，還不夠成熟，因而學(xué)者們對(duì)系統(tǒng)科學(xué)的學(xué)科體系的認(rèn)識(shí)仍有較大差異。系統(tǒng)工程是從實(shí)踐中產(chǎn)生的，它用系統(tǒng)的思想與定量和定性相結(jié)合的系統(tǒng)方法處理大型復(fù)雜系統(tǒng)的問(wèn)題，是一門(mén)交叉學(xué)科。系統(tǒng)工程是系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用部分，是系統(tǒng)科學(xué)中與社會(huì)經(jīng)濟(jì)決策和工程管理關(guān)系最密切的一部分?！肮こ獭毕到y(tǒng)工程工程的觀念是在人們處理自然、改造自然的社會(huì)生產(chǎn)過(guò)程中所形成的工程方法論，傳統(tǒng)的工程觀念是指生產(chǎn)技術(shù)的實(shí)踐而言，而且以硬件為目標(biāo)與對(duì)象，如機(jī)械工程、電氣工程、鐵路工程、水利工程等。系統(tǒng)工程將這一觀念和方法應(yīng)用于社會(huì)系統(tǒng)中，其所處理的對(duì)象不僅包含傳統(tǒng)工程觀念中的自然對(duì)象（即硬件），而是在傳統(tǒng)的工程觀念的基礎(chǔ)上增添了新的內(nèi)容，也即以軟件為目標(biāo)與對(duì)象。實(shí)際上，系統(tǒng)工程所討論的工程是泛指一切有人參與的、以改變系統(tǒng)某一特征為目標(biāo)的，從命題到出成果的工作過(guò)程。系統(tǒng)工程使得人們能夠以工程的觀念和系統(tǒng)理論研究和解決各種復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題。系統(tǒng)工程的理論基礎(chǔ)“舊三論”一般系統(tǒng)論貝塔朗菲

控制論維納NorbertWiener

信息論香農(nóng)ClaudeElwoodShannon

(01)一般系統(tǒng)論貝塔朗菲認(rèn)為，在各種不同的系統(tǒng)中，會(huì)存在某種相似性或同構(gòu)性。一般系統(tǒng)論的任務(wù)是要找到不同系統(tǒng)，不同學(xué)科之間的共同語(yǔ)言和術(shù)語(yǔ)。一般系統(tǒng)論可以理解為關(guān)于任意系統(tǒng)研究的一種一般的理論與方法論。產(chǎn)生生過(guò)過(guò)程程：：早在在1924年至至1927年貝貝塔塔朗朗菲菲就就多多次次發(fā)發(fā)表表文文章章，，主主張張把把有有機(jī)機(jī)體體當(dāng)當(dāng)作作系系統(tǒng)統(tǒng)來(lái)來(lái)考考察察，，認(rèn)認(rèn)為為生生物物學(xué)學(xué)的的主主要要任任務(wù)務(wù)就就是是發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)生生物物系系統(tǒng)統(tǒng)中中不不同同層層次次的的組組織織原原則則。。1932年和和1934年，，他他先先后后發(fā)發(fā)表表了了《《理理論論生生物物學(xué)學(xué)》》和和《《現(xiàn)現(xiàn)代代發(fā)發(fā)展展理理論論》》兩兩部部著著作作，，闡闡明明了了系系統(tǒng)統(tǒng)的的整整體體性性原原則則，，主主張張用用數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)和和模模型型方方法法研研究究生生物物現(xiàn)現(xiàn)象象，，提提出出了了機(jī)機(jī)體體系系統(tǒng)統(tǒng)論論的的思思想想。。1937年，，貝貝塔塔朗朗菲菲在在美美國(guó)國(guó)芝芝加加哥哥大大學(xué)學(xué)哲哲學(xué)學(xué)討討論論會(huì)會(huì)上上，，首首次次提提出出了了一一般般系系統(tǒng)統(tǒng)概概念念。。1945年，，他他在在《《德德國(guó)國(guó)哲哲學(xué)學(xué)周周刊刊》》上上發(fā)發(fā)表表了了《《關(guān)關(guān)于于一一般般系系統(tǒng)統(tǒng)論論》》。。但但遺遺憾憾的的是是，，這這篇篇重重要要論論文文幾幾乎乎不不被被人人所所知知。。1948年在在美美國(guó)國(guó)再再次次講講授授““一一般般系系統(tǒng)統(tǒng)論論””時(shí)時(shí)，，才才得得到到學(xué)學(xué)術(shù)術(shù)界界的的重重視視。。1968年貝貝塔塔朗朗菲菲發(fā)發(fā)表表的的專(zhuān)專(zhuān)著著《《一一般般系系統(tǒng)統(tǒng)理理論論基基礎(chǔ)礎(chǔ)、、發(fā)發(fā)展展和和應(yīng)應(yīng)用用》》，確確立立了了該該學(xué)學(xué)科科的的學(xué)學(xué)術(shù)術(shù)地地位位。主要要思思想想觀觀點(diǎn)點(diǎn)：：整體體性性要素和系統(tǒng)不可分割系統(tǒng)的總體功能不等于系統(tǒng)各組成部分功能之和系統(tǒng)整體具有不同于各組成部分的新功能開(kāi)放放性性系統(tǒng)統(tǒng)與與環(huán)環(huán)境境的的相相互互作作用用，，進(jìn)進(jìn)行行物物質(zhì)質(zhì)、、能能量量和和信信息息的的交交換換，，才才是是一一切切有有機(jī)機(jī)體體處處于于其其活活動(dòng)動(dòng)狀狀態(tài)態(tài)并并保保持持其其活活的的生生命命運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)從數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)上上證證明明了了開(kāi)開(kāi)放放系系統(tǒng)統(tǒng)的的穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)動(dòng)態(tài)態(tài)相相關(guān)關(guān)性性系統(tǒng)統(tǒng)處處于于不不斷斷發(fā)發(fā)展展變變化化之之中中，，是是時(shí)時(shí)間間的的函函數(shù)數(shù)動(dòng)態(tài)態(tài)性性取取決決于于系系統(tǒng)統(tǒng)的的相相關(guān)關(guān)性性層次次等等級(jí)級(jí)性性有序序性性結(jié)構(gòu)構(gòu)有有序序性性發(fā)展展有有序序性性貝塔塔朗朗菲菲對(duì)對(duì)系系統(tǒng)統(tǒng)論論的的貢貢獻(xiàn)獻(xiàn)：：劃分分了了開(kāi)開(kāi)放放系系統(tǒng)統(tǒng)和和封封閉閉系系統(tǒng)統(tǒng)，，明明確確提提出出了了開(kāi)開(kāi)放放系系統(tǒng)統(tǒng)必必須須不不斷斷與與外外界界進(jìn)進(jìn)行行物物質(zhì)質(zhì)與與能能量量的的交交換換，，并并同同時(shí)時(shí)調(diào)調(diào)整整其其內(nèi)內(nèi)部部結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)以以達(dá)達(dá)到到動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)平平衡衡。。創(chuàng)立立了了一一般般系系統(tǒng)統(tǒng)論論，，并并指指出出一一般般系系統(tǒng)統(tǒng)論論是是研研究究““整整體體””的的科科學(xué)學(xué)。。指出出:““系系統(tǒng)統(tǒng)思思想想即即使使不不能能用用數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)表表述述，，也也仍仍然然保保持持其其價(jià)價(jià)值值。?！薄睂?duì)系系統(tǒng)統(tǒng)方方法法論論及及系系統(tǒng)統(tǒng)方方法法的的啟啟示示以系系統(tǒng)統(tǒng)的的觀觀點(diǎn)點(diǎn)看看整整個(gè)個(gè)世世界界，，不不能能片片面面、、孤孤立立地地看看問(wèn)問(wèn)題題以思思辨辨原原則則代代替替實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)原原則則，，不不能能機(jī)機(jī)械械地地看看問(wèn)問(wèn)題題，，尤尤其其是是在在處處理理復(fù)復(fù)雜雜、、有有機(jī)機(jī)程程度度高高的的系系統(tǒng)統(tǒng)時(shí)時(shí)以整整體體論論代代替替還還原原論論啟示示我我們們以以目目的的論論代代替替因因果果輪輪控制制論論1947年年由由美美國(guó)國(guó)人人維維納納（（NorbertWiener））創(chuàng)創(chuàng)立立的的控制制論論（Cybernetics））是是一一門(mén)門(mén)研研究究系系統(tǒng)統(tǒng)的的控控制制的的學(xué)學(xué)科科。。維維納納于于1948年年出出版版了了《《控控制制論論》》一一書(shū)書(shū)，，他他對(duì)對(duì)控控制制論論的的定定義義是是：：““關(guān)關(guān)于于動(dòng)動(dòng)物物和和機(jī)機(jī)器器中中控控制制和和通通信信的的科科學(xué)學(xué)。?！薄保ǎ?964年年在在瑞瑞典典斯斯德德哥哥爾爾摩摩因因心心臟臟病病發(fā)發(fā)作作去去世世））控制制論論的的基基本本含含義義是是：：現(xiàn)現(xiàn)代代的的自自動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)器器和和人人都都是是由由感感覺(jué)覺(jué)裝裝置置(器器官官)、、動(dòng)動(dòng)作作裝裝置置(器器官官)、、傳傳遞遞信信息息的的系系統(tǒng)統(tǒng)(神神經(jīng)經(jīng)系系統(tǒng)統(tǒng))所所組組成成的的一一種種系系統(tǒng)統(tǒng)。。自自動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)器器和和人人都都是是在在接接收收、、處處理理、、傳傳遞遞和和存存貯貯信信息息，，并并利利用用信信息息去去完完成成動(dòng)動(dòng)作作，，實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)與與外外界界的的聯(lián)聯(lián)系系。。在在系系統(tǒng)統(tǒng)工工作作中中，，反反饋饋控控制制給給定定控控制制信信號(hào)號(hào)使使動(dòng)動(dòng)作作裝裝置置(器器官官)動(dòng)動(dòng)作作。。動(dòng)動(dòng)作作結(jié)結(jié)果果由由感感覺(jué)覺(jué)裝裝置置(器器官官)檢檢測(cè)測(cè)出出來(lái)來(lái)，，并并反反饋饋回回去去與與給給定定信信號(hào)號(hào)相相比比較較。。如如果果比比較較有有偏偏差差，，偏偏差差信信號(hào)號(hào)會(huì)會(huì)繼繼續(xù)續(xù)控控制制動(dòng)動(dòng)作作裝裝置置(器器官官)動(dòng)動(dòng)作作，，直直到到偏偏差差信信號(hào)號(hào)消消失失為為止止。。控制論的發(fā)展展經(jīng)典控制理論論：?jiǎn)我蛩?，，重點(diǎn)是反饋饋控制現(xiàn)代控制理論論：多因素，，重點(diǎn)是最優(yōu)優(yōu)控制大系統(tǒng)控制理理論：大系統(tǒng)統(tǒng)，重點(diǎn)是多多級(jí)遞階控制制控制論的基本本概念控制論對(duì)系統(tǒng)統(tǒng)工程方法論論的啟示黑箱-灰箱-白箱法黑箱灰箱白箱黑箱方法是指指在不打開(kāi)黑黑箱的前提下下，利用外部部觀測(cè)、試驗(yàn)驗(yàn)，通過(guò)輸入入、輸出信息息，來(lái)研究對(duì)對(duì)象的功能和和特性，探索索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)和機(jī)理的科科學(xué)方法。確認(rèn)黑箱觀察黑箱闡明黑箱驗(yàn)證黑箱一無(wú)所知略知一二一清二楚功能模擬法形式化、數(shù)量量化、最優(yōu)化化方法信息論Inhiswords"Ijustwonderedhowthingswereputtogether."ClaudeElwoodShannon(April30,1916-February24,2001)hasbeencalled"thefatherofinformationtheory".對(duì)信息量的認(rèn)認(rèn)識(shí)理解分析問(wèn)題的認(rèn)認(rèn)識(shí)過(guò)程：對(duì)一問(wèn)題毫無(wú)無(wú)了解，對(duì)它它的認(rèn)識(shí)是不不確定的；通過(guò)各種途徑徑獲得信息，，逐漸消除不不確定性；對(duì)這一問(wèn)題非非常的了解，，不確定性很很小獲取信息的過(guò)過(guò)程是一個(gè)是是由未知到已已知的過(guò)程，，或者說(shuō)由不不確定到確定定的過(guò)程。因因此信息可以以看作是消除除了不確定性性。用消除不確定性的多少來(lái)度量信息！黑箱不確定度A灰箱不確定度B白箱不確定度C信息I信息II對(duì)信息量的認(rèn)認(rèn)識(shí)理解衡量信息多少少的物理量稱(chēng)稱(chēng)為信息量。。信息量的大小小與消息所描描述事件的出出現(xiàn)概率有關(guān)關(guān)。若概率很小，，受信者感覺(jué)覺(jué)很突然，該該消息所含信信息量就很大大；若概率很大，，受信者事先先已有所估計(jì)計(jì)，則該消息息信息量就越越??；若受信者收到到完全確定的的消息，則沒(méi)沒(méi)有信息量。。當(dāng)你要到大會(huì)會(huì)堂（20排排）去找某一一個(gè)人時(shí)，甲甲告訴你一條條消息：此人人坐在前十排排；乙告訴你你一條消息：：此人坐在第第十五排。問(wèn)問(wèn)誰(shuí)提供的信信息量大？某人在哪？甲：把會(huì)堂分分為前后兩部部分，告訴你你某人在前半半部分。兩種種可能，概率率為：0.5。乙：把會(huì)堂分分為20排，，告訴你某人人在那15排排。20種可可能，概率均均為：1/20。信息量的計(jì)算算某人只能坐第第1排（概率率0.1），，第2排（概概率0.1）），第5排（（概率0.3），第10排（概率0.5）。甲甲告訴你在第第10排，乙乙告訴你在第第6排。信息量的計(jì)算算那么，完全知知道某人在那那里的話(huà)，所所需信息量是是多少？一消息由0、、1、2、3四種符號(hào)組組成，各符號(hào)號(hào)出現(xiàn)概率分分別為3/8，1/4，，1/4和1/8。消息息總長(zhǎng)57個(gè)個(gè)符號(hào)，其其中0出現(xiàn)23次，1出出現(xiàn)14次，，2出現(xiàn)13次，3出現(xiàn)現(xiàn)7次。用上上述二種方法法求該消息的的信息量?，F(xiàn)代電子計(jì)算算機(jī)之父馮··諾伊曼：““闡明復(fù)雜性性和復(fù)雜化概概念應(yīng)當(dāng)是20世紀(jì)科學(xué)學(xué)的任務(wù)，就就像19世紀(jì)紀(jì)的熵和能量量概念一樣。?！毙畔⒄摷捌浞椒椒ㄕ摰膯⑹臼绢?lèi)比方法和統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法信息方法用信息概念作作為分析處理理問(wèn)題的基礎(chǔ)礎(chǔ)，拋開(kāi)研究究對(duì)象的具體體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)動(dòng)形態(tài)，把系系統(tǒng)有目的的的運(yùn)動(dòng)抽象為為一個(gè)信息變變換過(guò)程。信息→輸輸入→存存儲(chǔ)→處處理→輸輸出→信信息↑————————反饋——————————↓運(yùn)籌學(xué)關(guān)于決策的科科學(xué)，系統(tǒng)工工程的基礎(chǔ)理理論與數(shù)學(xué)工工具田忌賽馬系統(tǒng)工程－戰(zhàn)略部署克敵制勝！運(yùn)籌學(xué)－戰(zhàn)術(shù)安排運(yùn)籌學(xué)主要分分支線性規(guī)劃動(dòng)態(tài)規(guī)劃排隊(duì)論對(duì)策論存儲(chǔ)論“新三論”耗散結(jié)構(gòu)理論論普普利高津協(xié)同論哈哈肯突變論勒勒內(nèi)··托姆20世紀(jì)六六七十年代,出現(xiàn)了所謂謂的自組織理理論,它是在在一般系統(tǒng)論論和控制論的的基礎(chǔ)上形成成的理論。自組織理論的的研究指出:系統(tǒng)存在和和生存有賴(lài)于于系統(tǒng)本身復(fù)復(fù)制其行為和和組織的能力力,這是自組組織理論的最最基本的觀點(diǎn)點(diǎn),從而催生生出了極其豐