系统科学技术科学层次的系统科学
系统科学
系统科学研究的例子
结果是完全确定的，不管开始的点如何取，不管中 间会经过怎样不同的状态，最终趋势是完全确定 的。后者问题的回答是：永远不会填满。
系统科学研究内容
围绕六件事展开 1、建立若干基本概念，作为理解复杂系统的 普遍规律的基础。 2、寻找科学的描述方法，特别是定量的描述 方法，各种指标和指标体系的建立就是一项 具有根本性意义的工作。 3、寻找系统发展和演化的规律。（动态中找 寻规律） 4、探索、设计、管理和控制的方法。
系统科学研究方法
பைடு நூலகம்系统科学
系统科学
系统科学是关于系统的理论和方法，系 统工程是这些理论和方法在实际工作中的应 用。他把系统科学定位为哲学和工程学之间 的具有方法论性质的学科。（按照钱学森教 授的分类法） 在我国学科分类中，系统理论是在理学中 的一个二级学科。
概念
• 在自然科学和社会科学大量实践的基础上， 探索和总结认识、描述、理解、设计、管理 和控制各种不同类型的复杂系统的方法，为 其他学科和人类的各种活动提供思路和方法 的学科。 • 学科特点：综合性、抽象性、实践性、方法 论性质。 • 关于复杂系统人们需要做的六件事
该图形被称为谢尔宾斯基三角形。
启示：
谢谢！
钱学森系统科学思想和系统科学体系
域、 不 同层 次的相互交叉 、 结合与融合 的综 合集成研 究方 面 ， 都作 出 了许 多
开创性 贡献。这些 方 面 的科 学 成 就与 贡 献 ， 从 现 代 科学 技 术 发展 趋 势来
钱 老 对我 国火箭 、 导 弹和航 天事 业 的开 创性 贡献 ， 是众 所 周 知 的 ， 人们称他为“ 中 国航 天之 父 ” 。但 从钱 学森 的全 部科 学成 就和 贡 献 来看 ， 这 只 是 其 中一 部 分 。钱 老 的
研 究领 域非 常广 泛 ， 从 工程 、 技术 、 科 学直 到哲 学 的不 同层次上 ， 在跨 学 科 、 跨 领域 和 跨
看， 其 意义和影响可能更大也更深远 。
本刊特约于景元研究 员 、 张劲 文工 程 师 、 盛 昭瀚教 授 等关 于 系统科 学 发展 、 应 用方面 的文章 ， 以纪念钱老诞 辰 １ ０ ３周年 和逝世 ５周年 ， 深切缅 怀
他 为我 国科学事业和 国防现代化建设 建立 的卓 越功勋 ， 追 思 和学 习他 为 国 家富强和 民族振兴不懈奋斗 的崇 高品德和革命 精神 ， 进 一步激 励海 内外 中
２ 科学决策
２ ０ １ ４ １ ２
钱 学 森系统 科学 思想和 系 统科学 体 系
从 现代 科 学技 术发 展特 点来 看 ， 下述 几个 主要 方面都 与 系统科 学 密切相 关 ： （ １ ） 现代 科 学技 术发 展 呈现 出既 高 度 分 化 又高 度 综 合 的两 种 明 显趋 势 。 一方 面
再谈系统科学的体系
再谈系统科学的体系系统科学的体系：定义、方法和应用随着科技的快速发展，人类社会面临着越来越多的复杂问题，如气候变化、能源危机、人口增长等。
为了有效解决这些问题，系统科学作为一种综合性的跨学科方法论应运而生。
本文将从定义、方法和应用三个方面阐述系统科学的体系，以便更好地理解这一主题。
一、系统科学的定义系统科学是一种研究复杂系统运作规律和行为的科学，它强调以整体的视角看待问题，注重各个组成部分之间的相互作用和关系。
系统科学涉及多个学科领域，如数学、物理、化学、生物学、社会科学等，它通过整合各学科的知识和方法，提供了一种有效的跨学科研究框架。
在系统科学中，核心概念包括系统、系统科学、系统思维等。
系统是指由相互关联、相互作用的若干元素组成的有机整体，具有特定功能和行为。
系统科学就是以系统为研究对象，探究系统的结构、行为、功能及其演化规律的科学。
而系统思维则是一种考虑整体性、关联性、动态性的思维方式，它是系统科学方法论的基础。
二、系统科学的体系1、系统的基本概念系统具有一系列的基本特征，如整体性、结构性、层次性、开放性等。
根据不同的分类标准，系统可以分为多种类型，如自然系统、人工系统、封闭系统和开放系统等。
对于一个系统来说，它的整体性质和行为往往是由其组成部分之间的相互作用和关系所决定的。
2、系统的分析方法系统的分析方法包括定性和定量两种，旨在深入了解系统的结构和行为特征。
定性分析主要通过系统分析框架、分类和对比等方法，对系统的性质、组成和结构进行分析；定量分析则运用数学和计算工具，对系统进行数学建模和仿真模拟，从而更精确地预测和控制系统的行为。
3、系统的设计原则系统的设计需要遵循一系列基本原则，以确保系统的整体性和有效性。
其中，最为常见的原则包括：整体性原则，即系统应具有整体性和协调性；反馈原则，即系统应具备信息反馈机制，以便及时调整和优化；有序原则，即系统的组成和结构应有清晰的有序性；动态原则，即系统应考虑动态变化和演化。
科学技术的体系结构
科学技术的体系结构科学技术的体系结构科学技术是现代社会发展的基础，是人类智慧的结晶。
在现代文明的背景下，科学技术已经成为一种新的生产力，不断推动着人类社会的进步。
科学技术的发展可以促进社会、经济、文化的进步，协助人类解决各种实际问题。
科学技术体系是指科学技术的总体构成和内在关系。
科学技术体系结构关系到科学技术的整体水平和创新能力。
本文旨在探讨科学技术的体系结构，并分析各部分之间的关系。
一、基础理论部分基础理论是科学技术的基础，是科学技术发展的核心。
基础理论部分包括自然科学和工程科学两部分。
1.自然科学自然科学是探索自然规律的学科，这部分涵盖了物理学、化学、生物学等学科。
自然科学负责探究自然世界的规律，揭示万物的本质。
从亚原子领域到宇宙广阔，自然科学可以真正探索并理解世界的基本构成和真正本质。
自然科学的发展，不仅极大地改善了人们的生活，而且推动着人类社会不断向前发展。
2.工程科学工程科学是应用自然规律来解决实际问题的学科。
工程科学主要包括：机械工程、建筑工程、航空航天工程、电气工程等。
以化学、物理、生物、地质、经济、管理等为基础，是应用自然科学知识进行实践的科学。
好的工程设计和完善的施工管理必须建立在充分的科学理论基础上。
二、技术创新部分技术创新部分是科学技术发展的重要组成部分。
技术创新包括了发明、创造、改进和应用技术，这些活动推动着科学技术在联结理论与实际问题方面的获得。
同时，科学技术的创新也极大地促进了经济的发展。
1.技术发明技术发明是将科技理论应用到实际中，通过创新使得生产效率更高。
发明涉及到一个重要的方面：创造性解决问题。
完全符合新技术的设计和修造流程，同时对技术和工程原理进行了夯实的理论基础，使得其被广泛使用。
技术发明对科研人员进行训练及开发新的技术，不同的工程领域往往需要更入行的技术，以便更加有效地解决实际问题。
2.技术创造技术创造是在现有基础上进行创新，创造出新的技术或应用现有技术解决新的问题。
系统科学PPT课件
系统科学基础
1
系统科学基础
第一讲 系统科学概述 第二讲 系统概念 第三讲 系统理论概述 第四讲 学科分类 第五讲 复杂科学、系统工程与
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2）人造系统
人造系统都是存在于自然系统 之中的， 如人造卫星、海运船只、机械设备等。
人造系统和自然系统之间存在着界面，两者 互
相影响和渗透。
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3）人造系统对自然系统的影响
原始人类对自然系统的影响不大
近年来，人造系统对自然系统的不良影响已成为 人们关注的重要问题， 如核军备、化学武器、环 境污染等。
5
（二）学生各学习阶段培养什么能 力？
1、本科 2、硕士研究生 3、博士研究生 4、博士后
6
（三）这门课讲什么？如何讲？
1、系统科学的学科结构：
一级：系统科学 二级：系统理论、系统分析与集成 “矿业工程”学科结构
一级：矿业工程 二级：采矿工程、安全技术与工程、矿物加工
管理科学与工程学科结构
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3.静态系统和动态系统
系统的静和动都是相对的。
在宏观上没有活动部分的结构系统或相对静止的 结构系统为静态系统，例如大桥、公路、房屋等
动态系统指的是既有静态实体又有活动部分的系 统，例如学校就是一个动态系统，它不仅有建筑 物，还有教师和学生。 在中世纪以前，人们曾认为
宇宙现象是永恒不变的，习惯将事物看成是恒定的，静 止的，这种看法在哲学上是唯心的或机械唯物论的。随 着科学的发展和人类的进步，才逐断 认识到世界不是恒 定事物的集合体，而是动态过程的集合体，运动是永恒 的。宇宙是一个 动态系统，静态是相对的。
系统科学——精选推荐
系统科学系统科学即以系统思想为中心、综合多门学科的内容而形成的一个新的综合性科学门类。
系统科学按其发展和现状，可分为狭义和广义两种。
狭义的系统科学一般是指贝塔朗菲左其著作《一般系统论：基础、发展和应用》中所提出的将"系统"的科学、数学系统论、系统技术、系统哲学三个方面归纳而成的学科体系。
广义的系统科学包括系统论、信息论、控制论、耗散结构论、协同学、突变论、运筹学、模糊数学、物元分析、泛系方法论、系统动力学、灰色系统论、系统工程学、计算机科学、人工智能学、知识工程学、传播学等一大批学科在内，是20世纪中叶以来发展最快的一大门综合性科学。
近年兴起的相似论、现代概率论、超熵论、奇异吸引学及混沌理论、紊乱学、模糊逻辑学等，也将进入广义系统科学并成为其重要内容。
系统科学将众多独立形成、自成理论的新兴学科综合统一起来，具有严密的理论体系，它已为内外许多学者所关注和研究。
20世纪60年代，美国将《系统工程》杂志改为《系统科学》。
中国在技术领域的杂志则有《系统科学与教学》、《系统工程的理论和实践》、《系统工程学报》、《系统工程》等。
许多学者提出了关于系统科学结构的许多见解。
其中一种见解种认为，系统科学包括五个方面的内容：即系统概念、一般系统论、系统理论分析论、系统方法论和系统方法的应用。
另一种见解认为系统科学是研究系统的类型、一般性质和运动规律的科学。
这一科学体系包括系统学、系统方法学和系统工程学三部分。
关于系统科学的内容和结构最详尽的框架，是我国著名科学家钱学森提出来的。
他认为系统科学与自然科学和社会科学处于同等地位。
他把系统科学的体系结构分为四个层次：第一层次是系统工程、自动化技术、通信技术等，这是直接改造自然界的工程技术层次；第二层有运筹学、系统理论、控制论、信息论等，是系统工程的直接理论，属技术科学层次；第三层次是系统学，它是系统科学的基本理论；最高一层将是系统观，这是系统的哲学和方法论的观点，是系统科学通向马克思主义哲学的桥梁和中介。
系统科学研究的范畴
系统科学研究的范畴
系统科学是一门跨学科的、综合性的研究科学,主要研究各种事物、事件、问题和现象的相互联系和相互影响,以及整体和部分之间的关系。
具体来说,系统科学研究的范畴包括：
1.系统思维和系统方法论：研究系统的本质、特征、规律和演化过程,以及分析、设计、优化和控制系统的方法和技术等。
2.控制论：研究对系统进行控制、调节和优化的方法和技术等。
3.信息论和信息科学：研究信息的传递、存储、处理和利用的方法、技术和应用等。
4.系统工程：研究综合应用多种学科和技术,设计、开发和管理大型复杂系统的方法和技术。
5.系统动力学：研究系统的演化过程、非线性特性、稳定性和不稳定性等问题。
6.系统仿真：以计算机为工具,模拟、分析和预测系统的各种运行特性。
7.系统设计和优化：研究如何根据特定的目标和要求,设计和优化系统的结构、功能和性能等。
总之,系统科学的研究范畴非常广泛,它既包括理论探索,也包括应用研究,可以应用于各个领域。
系统科学 一级学科
系统科学一级学科
系统科学是一门跨学科的综合性学科，它旨在研究和解释复杂系统的行为和性质。
系统科学涉及多个学科领域，包括数学、物理学、生物学、工程学、计算机科学等，因此被认为是一级学科。
在系统科学中，研究者致力于理解和描述系统中各个组成部分之间的相互作用和关联，以及系统整体的行为和性质。
这种综合性的研究方法使得系统科学成为了解和解决复杂问题的有力工具。
系统科学的研究范围非常广泛，涉及自然界和人类社会中的各种系统，包括生态系统、经济系统、社会系统、信息系统等。
通过系统科学的研究方法，人们可以更好地理解和预测这些复杂系统的行为，为解决现实世界中的复杂问题提供理论和方法支持。
在系统科学中，常用的研究方法包括系统思维、系统建模、系统仿真、系统分析等。
这些方法可以帮助研究者从整体的角度观察和分析系统，发现系统中的潜在规律和特征，为系统的优化和改进提供科学依据。
总的来说，系统科学作为一级学科，具有重要的理论和应用意义，它的跨学科特性使得它能够为人类社会和自然界中的复杂系统
提供全面的研究和解决方案，对于推动科学技术发展和解决现实问题具有重要意义。
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特点：考虑外界对环境的干扰。在干扰对系统造成 结果之前，能预测干扰作用的性质和程度。
控制论——控制系统
控制系统基本结构
控制系统一定要有输入和输出，且是动态的，从施加控制作用起到实现控制目标止，要经历 一个动态过程。 控制系统的分类 按照在实施控制过程中是否有人参与，分为两类： （1）自动控制系统（无需人力直接参与而能独立地、自动地完成某种特定任务的受控工程系统） 例如： 军事领域：导弹命中目标、飞机驾驶系统 工业生产领域：全自动生产线 现代农业领域：温室自动温控系统、自动灌溉系统 （2）人工控制系统（通过人力操作机器来事实控制的系统） 例如：一些加工业等
运筹学——产生
• • 科学研究的对象—客观世界是由事和物两方面组成的。 人类的知识由关于物的知识和关于事的知识两部分组成。 关于物的知识 人类知识 关于事的知识 自然科学与运筹学之间的区别： 自然科学 研究对象 研究成果 数学工具 物质运动和能量转换 问题的答案 体现物理学的痕迹 运筹学 人们基于一定物质条件的办事 过程 活动的策略 大量引入人类活动的词汇 自然科学
（1）构建所关心问题的数学模型，将一个实际问题表示为一个运筹学问题； （2）分析问题（最优）解的性质和求解的难易程度，寻求合适的求解方法； （3）设计求解相应问题的算法，并对算法的性能进行理论分析； （4）编程实现算法，并分析模拟数值结果； （5）判断模型和解法的有效性，提出解决原始实际问题的方案。
控制论——控制系统
控制系统基本结构
控制系统一定要有输入和输出，且是动态的，从施加控制作用起到实现控制目标止，要经历 一个动态过程。 控制系统的特性 在研究和设计控制系统时除了考虑稳定性和过渡过程特性外，还要考虑以下几个特性： （1）可控性：控制器施加一定的控制作用于对象，是为了是对象系统的状态发生合目的变化
预定要求是可变的 变化要求实时监测
随动控制
•
定义：当控制任务是保证受控制量y按照某个预先 （ t） 知道的方式 随时间t而变化时，应当采取程 序控制。
•
• •
（ t） 目的： 这一程序预先确定，程序控制执行这 （ t） 一预定程序，保证y=
例子： （1）时钟的转动 （2）国家的五年计划
定义：控制任务既不是使受控量保持不变，也 不是使它按照预定的规律变化，而是随着某个 不确定的规律变化。受控量y(t)是时间t的函数， 按照某个只能实施测定的变化规律u(t)来变化
白箱 灰箱 黑箱
实施控制的过程
不断获取、处理、选择、传送、 利用信息的过程
灰箱方法
黑箱方法
实施控制的目标和手段
以信息形式表现并发挥作用
控制论——控制任务
定值控制 • • 定义：在某些控制问题中，控制任务是使受控量y 稳定地保持在预定的常数值y0上 范围：并不要求严格保持y=y0,只要求y对y0的偏 差△y=y-y0不超过许可范围即可 例子： （1）人的体温（36.5°C） （2）血压控制 程序控制
基础科学层次
主要讨论系统的运行演化
VS
技术科学层次
首要问题是系统的功能、效益和用途
只考虑系统运行演化的客观规律
重在运用这些规律解决实际问题
自组织理论、对称性与有序……
运筹决策（寻找最优解、可行 解）、通信（信息处理、信息传 递）等
在技术科学层次，主要的兴趣在于研究系统为实现某个目的所具有的能力以及如何施 加“信息处理、控制、决策”来达到这一目的 因此，技术科学层次的系统理论中包含大量反映“能动性”的概念 任意发挥
目录 Content
10.1 引言 10.2 控制论
10.3 运筹学
10.4 信息论
控制论——控制问题
相关概念定义
控制的可能性：（施控者有很多控制手段，不同手段的效果不同）
选择适当的手段作用于对象。
控制的必要性：(受控对象有多种很多可能行为状态，有些合乎目的，有些不合乎目的）
追求和保持那些合目的状态，避免或消除那些不合目的状态。
控制论——建模与辨识
建模 从科学原理出发 无法从科学原理出发 辨识
简单工程控制系统划分为6个基本环节：
非周期性环节、振荡环节、积分环节、放大环节，
一阶微分环节、二阶微分环节。
建立各个环节的动力学方程，再按照它们在系 统中的耦合方式，即可写出整个系统的运动方 程
黑箱方法：
单纯就输入——输出关系对系统进行分析和综合
•
⑵排队问题，即根据每种具体情况下输入、排队和服务的特性，在服务台收 益、服务强度和顾客 需要之间做出合理的安排； ⑶对策问题，即如何在竞争中通过正确运用策略以赢得竞争； ⑷决策问题，即决策人如何根据自然状态发生的统计规律来选择自己的最优策略； ⑸ 库存问题，即研究如何解决缺货损失和存储损失的矛盾，寻找最优策略； ⑹ 搜索问题，即根据搜索目标、手段、方案之间的关联关系，综合考虑效益与代价，从总体优化出 发制定最佳搜索方案；
一切运筹问题都是由目标、条件、决策三者构成的系统。运筹学的任务是正确提出运 筹问题，以系统观点分析问题，制定表达目标、条件、决策的数学方法，发明求解运筹 问题的算法，寻找在满足限制条件下达到目标的最优决策。
运筹学——运筹问题
运筹学经过60 多年的发展，已经逐步形成了一套系统的解决和研究实际问题的方 法，它可以概括为以下几个阶段：
稳定物价：
政府
货币等经济手段 打击价格欺诈等 行政手段
市场 价格
价格回落
控制论——控制问题
控制与信息 系统态、环 境状况、实际控制效果等信息。
对象
获得信息的程度 能够全面获得内 部信息的系统 能够部分获得内 部信息的系统 完全不获得内 部信息的系统
方法 白箱方法
聚焦于系统的功能、效益和用途
引言——技术科学层次下的系统科学
技术科学的目的是把工程实际中所用的许多设计原则加以整理与 总结，使之成为理论，因而也就把工程实际的各个不同领域的 共同性 显示出来，而且也有力地说明一些基本概念的重大作用
通信 控制 决策
共 性
信息论
控制论
运筹论
引言——基础科学层次与技术科学层次的对比
相关概念 • • 运筹学是20 世纪三四十年代发展起来的一门新兴交叉学科。 概念：主要研究人类对各种资源的运用及筹划活动，以期通过了解和发展这种运用及筹划活动的基 本规律，发挥有限资源的最大效益，达到总体最优的目标。 发展简史
如：1935年英国的防空研究出现了运筹学的 萌芽，主要是为了研究伦敦周围防空炮的最 优布置问题。
现代运筹思想
1. 萌芽于一战时期，但由于 人力不足，资料有限，经 费不足的原因限制了运筹 学研究的深度， 2. 现代运筹学起源于二战时 期。战争的需要推动人们 研究如何合理或优化地使 用现有武器系统，形成军 事运筹学 3. 1935—1938 年被视作运 筹学基本概念酝酿期。 4. 1949 年，美国成立了著名 的兰德公司，与此同时，许 多运筹学工作者逐步从军方 转移到政府及产业部门进行 研究
（2）可观测性：
实施控制的前提是获取系统的信息，特别是状态信息。 状态信息需借助输入输出信息确定 输入已知，关键是获取输出信息 （3）鲁棒性：控制系统品质指标对这些特性或参数摄动的不敏感性，即在出现摄动时品质指标保 持不变的特性 （4）控制精度：控制过程完成后控制量的实际稳态值与预定值之间的差，称为控制精度
其中u为输入变量，x为状态变量，y为输出变量， 、 为控制参数，f、g为数学结构。
控制论——未来方向
复杂系统的控制理论将成为未来控制理论的一个主
攻方向
控制论基本原理应用于生物、神经、经济、社会等
领域
目录 Content
10.1 引言 10.2 控制论
10.3 运筹学
10.4 信息论
运筹学——产生
预定要求是固定的 变化要求预先精确知道
最优控制
定义：使系统的某种性能达到最优。 目的：令G为所关心的系统性能指标，J为有效 性依据。寻找一个或一组控制变量，使J=G=最 好 • 例子： （1）发电站保证发电机最大效益；有限资源配置 • •
预定要求不能标定出来 变化不能实时获取
•
预定要求是可变的 变化要求预先精确知道
系统科学
技术科学层次的系统科学
目录 Content
10.1 引言 10.2 控制论
10.3 运筹学
10.4 信息论
目录 Content
10.1 引言 10.2 控制论
10.3 运筹学
10.4 信息论
引言——架构回顾
第三章——第九章介绍了系统科学中的基础理论
聚焦于系统的运行演化的客观规律
第十章介绍了系统科学中的技术科学层次
控制的定义：
施控者选择适当的控制手段作用于受控者，以期引起受控者行为状态发生合目的的变化。
广义的控制：领导、指挥、支配、经营、管理、创作、设计、组建、制造、操纵、制裁、教育、调节、 补偿、决策、优化等等 狭义的控制：仅指有控制的系统中施控者选择一定手段作用于受控者的主动行为过程。 示 例
满 意 解
对于相对复杂的系统，实际能得到的往往只是 次优或较优解，甚至只能是所谓的“满意解”
最优化方法的应用：
满意解的应用：
在实际的生产生活中，往往在解决问 题中会遇到相互矛盾的条件，因此人们常 常追求的都是满意解。 ①企业生产中，既要兼顾考虑企业利润、 又要考虑环境污染、社会效益、公众形象 等因素 ②投资中，既要考虑收益又要考虑风险 ③裁员时，要考虑很多相矛盾的因素。
因此，技术科学层次的系统理论都是关于在一定限制条件下发 挥能动性的科学理论
有限发挥
√
引言——最优化原理与满意解
较简单的系统
最优化方法
为了达到最优化目的、根据最优化理论指定的 各种解决具体问题的方法，成为最优化方法。 它是建立在完全理性和信息完备性假设之上的， 只对较简单的系统才成立。