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系統(tǒng)工程

22023/4/18第三章系統(tǒng)工程理論的新發(fā)展3.1SE日益向多種學(xué)科滲透和交叉發(fā)展SE這門(mén)軟科學(xué)日益受到人們的重視系統(tǒng)工程研究的對(duì)象可分為“硬系統(tǒng)”和“軟系統(tǒng)”。所謂硬系統(tǒng)，一般是偏工程、物理型的，機(jī)理比較明顯，比較容易用數(shù)學(xué)模型來(lái)表述，有較好的定量方法計(jì)算出系統(tǒng)的行為和最優(yōu)解。所謂“軟系統(tǒng)”，一般是偏社會(huì)、經(jīng)濟(jì)型的，機(jī)理往往不清楚，較難完全用數(shù)學(xué)模型來(lái)表述，常用定量與定性相結(jié)合的方法來(lái)處理問(wèn)題。20世紀(jì)70年代中期，一些有遠(yuǎn)見(jiàn)的學(xué)者感覺(jué)到“過(guò)分定量化”、“過(guò)分?jǐn)?shù)學(xué)化”會(huì)給運(yùn)籌學(xué)、系統(tǒng)工程的應(yīng)用帶來(lái)32023/4/18

副作用，有些人滿(mǎn)足于數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)本身，而忽視了最有生命力的源泉—實(shí)際問(wèn)題本身。過(guò)分定量化、過(guò)分?jǐn)?shù)學(xué)化的模型難以解決一些社會(huì)實(shí)際問(wèn)題，許多學(xué)者開(kāi)始了反思。到20世紀(jì)80年代，在美、英出現(xiàn)了一批新的系統(tǒng)方法論，他們的共同特點(diǎn)是偏軟，大多沒(méi)有數(shù)學(xué)模型，而強(qiáng)調(diào)思考方法、工作過(guò)程和人的參與等。3.2復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論要點(diǎn)20世紀(jì)80年代中期，國(guó)際上興起了對(duì)復(fù)雜性問(wèn)題的研究。1984年在美國(guó)成立了以研究復(fù)雜性為宗旨的圣塔菲研究所(SantaFeInstituet，簡(jiǎn)稱(chēng)SFI）。52023/4/18

行為的效果修改自己的行為規(guī)則，以便更好地在客觀(guān)環(huán)境中生存。這種主體在與環(huán)境的交互作用中遵循一般的刺激━反應(yīng)模型。在宏觀(guān)方面，由這樣的主體組成的系統(tǒng)，將在主體之間以及主體與環(huán)境的相互作用中發(fā)展，表現(xiàn)出宏觀(guān)系統(tǒng)的分化、涌現(xiàn)等種種復(fù)雜的演化過(guò)程。CAS系統(tǒng)中的個(gè)體一般稱(chēng)為元素、部分或子系統(tǒng)。CAS理論采用了AdaptiveAgent（具有適應(yīng)能力的個(gè)體）這個(gè)詞，是為了強(qiáng)調(diào)它的主體性，強(qiáng)調(diào)它具有自己的目標(biāo)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生存能力。圍繞主體這個(gè)最核心的概念，霍蘭提出了研究適應(yīng)和演化過(guò)程中特別要注意的7個(gè)有關(guān)概念：62023/4/18

聚集、非線(xiàn)性、流、多樣性、標(biāo)識(shí)、內(nèi)部模型、積木。前4個(gè)概念是自適應(yīng)個(gè)體的特性,將在適應(yīng)和進(jìn)化中起作用,后3個(gè)概念則是個(gè)體與環(huán)境進(jìn)行交流時(shí)的機(jī)制。聚集(Aggregation)。指系統(tǒng)中的自適應(yīng)、活的、較低層次的個(gè)體，在一定條件下雙方彼此接受時(shí)，通過(guò)“粘著”（Adhesion）形成較大、較高層次的多主體的聚集體（AggregationAgent），在系統(tǒng)中像一個(gè)單獨(dú)的個(gè)體那樣行動(dòng)。個(gè)體在聚集過(guò)程中會(huì)涌現(xiàn)出許多不能用還原論來(lái)解釋的宏觀(guān)性態(tài),這是系統(tǒng)復(fù)雜性的重要行為特征。非線(xiàn)性(Nonlinearity)。CAS理論認(rèn)為個(gè)體之間相互影響不是簡(jiǎn)單的、被動(dòng)的單向因果關(guān)系，而是主動(dòng)的“適應(yīng)”關(guān)系。線(xiàn)性的、簡(jiǎn)單的、直線(xiàn)式的因果鏈已不復(fù)存在，一般72023/4/18

各種反饋?zhàn)饔茫òㄘ?fù)反饋和正反饋）交互影響的、互相纏繞的復(fù)雜非線(xiàn)性關(guān)系。正是這種復(fù)雜非線(xiàn)性關(guān)系造成了復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)的行為特征難以把握和預(yù)測(cè)。流(Flow）。在個(gè)體與環(huán)境之間，以及個(gè)體相互之間存在著物質(zhì)流、能量流和信息流。起關(guān)鍵作用的是信息流。這些流的渠道是否通暢，周轉(zhuǎn)迅速到什么程度，都直接影響系統(tǒng)的演化過(guò)程。多樣性(Diversity)。在相互作用不斷適應(yīng)的過(guò)程中，個(gè)體之間的差別會(huì)發(fā)展與擴(kuò)大，最終形成分化，形成個(gè)體類(lèi)型的多樣性，這是CAS的一個(gè)顯著特點(diǎn)。而從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，這事實(shí)上是一種分工；和前面提到的聚集結(jié)合起來(lái)看，這就是系統(tǒng)從宏觀(guān)方面看到的“結(jié)構(gòu)”的“涌現(xiàn)”，即所謂的“自組織現(xiàn)象”的出現(xiàn)。82023/4/18標(biāo)識(shí)(Tagging)。為了相互識(shí)別和選擇，是必須認(rèn)真考慮標(biāo)識(shí)。個(gè)體標(biāo)識(shí)是系統(tǒng)個(gè)體在競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)相互作用、相互識(shí)別、選擇的方法。標(biāo)識(shí)的作用主要在于實(shí)現(xiàn)信息的交流。CAS理論把信息的交流和處理作為影響系統(tǒng)進(jìn)化過(guò)程的重要因素。內(nèi)部模型(InternalModels)。內(nèi)部模型主要表明了系統(tǒng)的層次概念。每個(gè)個(gè)體都有復(fù)雜的內(nèi)部機(jī)制，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，統(tǒng)稱(chēng)為內(nèi)部模型。積木(BuildingBlocks)。復(fù)雜系統(tǒng)常常是在一些相對(duì)簡(jiǎn)單的構(gòu)件的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變它們的組合方式而形成的。事實(shí)上的復(fù)雜性往往不在于構(gòu)件的多少和大小，而在于原有積木的重新組合。102023/4/18把宏觀(guān)和微觀(guān)有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)。它通過(guò)對(duì)主體和環(huán)境的相互作用，使得個(gè)體的變化成為整個(gè)系統(tǒng)的變化的基礎(chǔ)，統(tǒng)一地加以考察。引進(jìn)了隨機(jī)因素的作用，使CAS具有更強(qiáng)的描述和表達(dá)能力。CAS理論在主體模型的基礎(chǔ)上，建立了整個(gè)系統(tǒng)的宏觀(guān)模型，霍蘭稱(chēng)之為回聲模型（EchoModel），在這個(gè)基本模型中，主體具有最簡(jiǎn)單的功能—尋找交換資源的其他主體，與其他主體進(jìn)行資源交流，保存及加工資源。主體要有三個(gè)基本部分：112023/4/18（1)進(jìn)攻標(biāo)識(shí)。用于主動(dòng)與其他主體聯(lián)系和接觸。

(2)防御標(biāo)識(shí)。用于其他主體與自己聯(lián)系時(shí)決定應(yīng)答與否。

(3)資源庫(kù)。用于儲(chǔ)存加工資源。主體的基本情況如圖3一1所示。

圖3一1主體的功能：主動(dòng)與其他主體接觸，同時(shí)也對(duì)其他主體的接觸進(jìn)行應(yīng)答，如果匹配成功則進(jìn)行資源交流，在自己內(nèi)部存儲(chǔ)并加工資源；如果資源足夠，則繁殖新的主體。132023/4/18通過(guò)這一步步擴(kuò)充，回聲模型的表達(dá)和描述能力不斷增強(qiáng)，具備了描述和研究各種復(fù)雜系統(tǒng)的能力。CAS理論的另外一個(gè)特點(diǎn)可操作性。圣菲研究所開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)SWARM，提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件工具集和軟件實(shí)驗(yàn)環(huán)境，幫助人們集中精力于復(fù)雜的研究工作。SWARM的建模思想。建立一系列獨(dú)立的個(gè)體，通過(guò)獨(dú)立事件之間進(jìn)行交互，考察和研究系統(tǒng)的行為和演化規(guī)律。軟件模擬的基本單元是個(gè)體。一個(gè)個(gè)體就像系統(tǒng)中的一個(gè)演員，它能夠產(chǎn)生動(dòng)作并影響自身和其他個(gè)體。個(gè)體定義了SWARM系統(tǒng)中的基本對(duì)象，即模擬部件。時(shí)間表則定義這些對(duì)象之間事件發(fā)生的流程。在SWARM中，特定的行為發(fā)生在特定的時(shí)間，按照時(shí)間表的規(guī)定進(jìn)行。142023/4/18CAS理論的局限性：(1)CAS理論框架本身比較粗糙，帶有十分明顯的經(jīng)濟(jì)學(xué)與生物學(xué)的印記。還需要廣泛地研究各類(lèi)復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)，并且逐步形成確實(shí)具有方法論和認(rèn)識(shí)論意義和一定普遍性的理論體系和表達(dá)方式。(2)從理論本身的概念與內(nèi)容來(lái)說(shuō)，還有不少需要進(jìn)一步明確的地方。(3)從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，除了需要應(yīng)用到更廣泛的范圍之外，CAS理論還需要在實(shí)際的控制與管理方面提出有效的、切實(shí)可行的方法。(4）作為支持CAS理論研究的工具與環(huán)境—SWARM，也還處于完善過(guò)程之中。152023/4/18開(kāi)放的復(fù)雜巨系統(tǒng)

系統(tǒng)工程研究的對(duì)象系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大，并朝著“巨系統(tǒng)”的方向發(fā)展。巨系統(tǒng)錢(qián)學(xué)森在論述社會(huì)系統(tǒng)工程時(shí)指出：“這不只是大系統(tǒng)，而是‘巨系統(tǒng)’，是包括整個(gè)社會(huì)的系統(tǒng)。”強(qiáng)調(diào)這類(lèi)問(wèn)題的范圍之大和復(fù)雜程度之高是一般系統(tǒng)所沒(méi)有的，這是學(xué)術(shù)界第一次提出巨系統(tǒng)概念。系統(tǒng)按其復(fù)雜程度可分成四類(lèi)：簡(jiǎn)單系統(tǒng)、簡(jiǎn)單巨系統(tǒng)、復(fù)雜巨系統(tǒng)、特殊復(fù)雜巨系統(tǒng)（社會(huì)系統(tǒng))。簡(jiǎn)單巨系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)的數(shù)目一般很多，無(wú)法一個(gè)一個(gè)地描述每一個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng);系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)之間的相互作用一172023/4/18“開(kāi)放的復(fù)雜巨系統(tǒng)”有三個(gè)含義：系統(tǒng)本身與系統(tǒng)周?chē)沫h(huán)境有物質(zhì)的交換、能量的交換和信息的交換。系統(tǒng)所包含的子系統(tǒng)很多，成千上萬(wàn)，甚至是上億萬(wàn)，所以是“巨系統(tǒng)”。子系統(tǒng)的種類(lèi)繁多，有幾十、上百，甚至幾百種，所以是“復(fù)雜的”。開(kāi)放的復(fù)雜巨系統(tǒng)廣泛存在于現(xiàn)實(shí)世界,涉及到生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、生態(tài)學(xué)、天文學(xué)和社會(huì)科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域,如人腦系統(tǒng)、人體系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、地理環(huán)境系統(tǒng)、軍事系統(tǒng)和星系系統(tǒng)等。182023/4/18從定性到定量綜合集成方法復(fù)雜巨系統(tǒng)特別是社會(huì)系統(tǒng)無(wú)法用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)工具描述出來(lái)。當(dāng)人們尋求用定量方法處理復(fù)雜行為系統(tǒng)時(shí)，容易注重于數(shù)學(xué)模型的邏輯處理，而忽視數(shù)學(xué)模型微妙的經(jīng)驗(yàn)含義或解釋。這樣的數(shù)學(xué)模型，看來(lái)‘理論性’很強(qiáng)，其實(shí)不免牽強(qiáng)附會(huì)，從而脫離實(shí)際。研究復(fù)雜巨系統(tǒng),首先遇到的是方法論和方法問(wèn)題，不是已有科學(xué)方法所能處理的.上個(gè)世紀(jì)80年代末至90年代初,錢(qián)學(xué)森先后提出了從定性到定量綜合集成方法以及它的實(shí)踐形式---從定性到定量綜合集成研討廳體系(以下將兩者簡(jiǎn)稱(chēng)為綜合集成方法),并將運(yùn)用這套方法的集體稱(chēng)為總體部,形成了一套可以操作的行之有效的方法體系和實(shí)踐方式.192023/4/18錢(qián)學(xué)森提出的處理復(fù)雜系統(tǒng)的方法論是半經(jīng)驗(yàn)、半理論的，是科學(xué)理論、經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家判斷力的結(jié)合。綜合集成方法論的完整表述是“從定性到定量綜合集成方法,其實(shí)質(zhì)是專(zhuān)家體系、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和信息資料、計(jì)算機(jī)技術(shù)三者有機(jī)結(jié)合,構(gòu)成一個(gè)高度智能化的人機(jī)交互系統(tǒng),它具有綜合集成各種知識(shí),實(shí)現(xiàn)從定性到定量認(rèn)識(shí)的功能.”這個(gè)過(guò)程是從提出問(wèn)題和形成經(jīng)驗(yàn)性假設(shè)開(kāi)始的。這一步是專(zhuān)家體系所具有的有關(guān)科學(xué)理論、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和專(zhuān)家判斷力、智慧相結(jié)合，并通過(guò)討論班的研討而形成的，通常是定性的。這樣的經(jīng)驗(yàn)性假設(shè)（猜想、判斷、方案、思路等）是經(jīng)驗(yàn)性的，還沒(méi)有經(jīng)過(guò)精密的嚴(yán)格論證，不是科學(xué)結(jié)論。從思維科學(xué)角度來(lái)看，這一步是以形象思維和社會(huì)思維為主。在研討過(guò)程中，要充分發(fā)揚(yáng)學(xué)術(shù)民主，暢所欲言，相互啟發(fā)，大膽爭(zhēng)論，把專(zhuān)家的創(chuàng)造性充分激發(fā)出來(lái)。212023/4/18

圖3--2綜合集成方法的應(yīng)用222023/4/18綜合集成研討廳體系構(gòu)想錢(qián)學(xué)森又提出“綜合集成研討廳體系”（HallforWorkShopofMeta━syntheticEngineering，簡(jiǎn)稱(chēng)HWSME）—綜合集成方法運(yùn)用的實(shí)踐形式和組織形式，是把下列成功的經(jīng)驗(yàn)匯總和升華了：

①幾十年來(lái)世界學(xué)術(shù)討論的seminar經(jīng)驗(yàn)；

②從定性到定量綜合集成法

③C3I及作戰(zhàn)模擬；

④情報(bào)信息技術(shù)；

⑤人工智能；

⑥靈境（VirtualReality）技術(shù)；⑦人機(jī)結(jié)合的智能系統(tǒng)；232023/4/18⑧系統(tǒng)學(xué)；⑨第五次產(chǎn)業(yè)革命中的其他技術(shù)。研討廳體系由三部分組成：以計(jì)算機(jī)為核心的現(xiàn)代高新技術(shù)的集成與融合所構(gòu)成的機(jī)器體系、專(zhuān)家體系、知識(shí)體系，其中專(zhuān)家體系和機(jī)器體系是知識(shí)體系的載體。這三個(gè)體系構(gòu)成高度智能化的人機(jī)結(jié)合體系，不僅具有知識(shí)與信息采集、儲(chǔ)存、傳遞、調(diào)用、分析與綜合的功能，更重要的是具有產(chǎn)生新知識(shí)和智慧的功能，既可用來(lái)研究理論問(wèn)題，又可用來(lái)解決實(shí)踐問(wèn)題。252023/4/18研討廳按照分布式交互網(wǎng)絡(luò)和層次結(jié)構(gòu)組織起來(lái)，就成為一種具有縱深層次橫向分布、交互作用的矩陣式研討廳體系，為解決開(kāi)放的復(fù)雜巨系統(tǒng)問(wèn)題提供了規(guī)范化、結(jié)構(gòu)化的形式。開(kāi)放的復(fù)雜巨系統(tǒng)具有科學(xué)與經(jīng)驗(yàn)的本質(zhì)，綜合集成方法和研討廳體系實(shí)際上遵循科學(xué)和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合、智慧與知識(shí)相結(jié)合的途徑，去研究和解決開(kāi)放的復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題。綜合集成研討廳體系本身就是開(kāi)放的、動(dòng)態(tài)的體系，也是不斷發(fā)展和進(jìn)化的體系。錢(qián)學(xué)森曾指出：“關(guān)于開(kāi)放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，由于其開(kāi)放性和復(fù)雜性，我們不能用還原論的辦法來(lái)處理它，不能像經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理以及由此派生的處理開(kāi)放的簡(jiǎn)單巨系統(tǒng)的方法那樣來(lái)處理。我們必須依靠宏觀(guān)觀(guān)察，只求解決一定時(shí)期262023/4/1