第二章 系统工程理论基础2010

黑箱方法：就是采用不打开系统“活体”，通 过系统的输入和输出关系的研究，去认识和把 握系统的功能特性，探索其结构和机理的研究 方法。任何时候，人们总得采用不打开黑箱的 方法研究事物，解决问题。
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灰箱方法则指对系统有部分的认识，但不够完全。利 用灰箱方法可以比黑箱方法更容易解决问题，这方面 的知识可以参考灰色系统理论的有关书籍。
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信息量
度量信息大小的量。信源产生的通信信息，正是概率论中 所研究的随机现象。信息的定量描述就可用概率的方法来 实现。 反常的事件比正常的事件所含信息量大，稀有事件比正常 事件所含信息量大等。概率小的事件发生时所含的信息量 大，如P（i)＝1/10所含的信息量很低，p（i）＝1/10000 所含的信息量很高。如果事先知道某事情肯定会发生，出 现概率为1，有消息告诉我们这件事的确发生了，并没有 消除任何不确定性，所得信息量为0。 采用对数作为信息的度量, 若某事件出现概率为p，则这 一事件所具有的信息量为:
信息论

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信息论的产生与发展
于20世纪40年代末产生，其主要创立者是美国的数学 家申农和维纳。 狭义信息论：即申农信息论。主要研究消息的信息量、 信道（传输消息的通道）容量以及消息的编码问题。 一般信息论：主要研究通信问题，但还包括噪声理论、 信号滤波与预测、调制、信息处理等问题。 广义信息论：包括前两项的研究内容，还包括所有与 信息有关的领域。
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信息论的基本概念
信息的定义 申农将信息定义为“两次不定性之差”，即“不定性减少 的量”。 信息(量)=通信前的不确定性—通信后尚存的不确定性 （2-1） 从通信角度看，信息是数据、信号等构成的消息所载有的 内容。消息是信息的“外壳”，信息是消息的“内核”。 从实用角度看，信息是指能为人们所认识和利用的，但事 先又不知道的消息、情况等。 维纳则认为：信息不是物质也不是能量，在信息与物质、 能量之间划了一条界限；信息是系统的组织性的量度。
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信息、物质、能量的比较
表2一1物质、能量、信息三者的比较
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通信问题的模型
通信过程构成：信源（发信者）发出信息，通过信息通道 来传送信息，最后由信宿（收信者）获取信息。 申农通信系统结构模型，如图2-5所示。
图2一5申农通信系统结构模型
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一般系统论的基本观点
系统的整体性 ①要素和系统不可分割。凡系统的组成要素都不是杂 乱无章的偶然堆积，而是按照一定的秩序和结构形成的有 机整体。 ②系统整体的功能不等于各组成部分的功能之和。在 系统论中，1加1不等于2，这是贝塔朗菲著名的“非加和 定律”。 ③系统整体具有不同于各组成部分的新性质或功能。 系统的开放性 系统的动态相关性 系统的层次性
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控制论的另一个重要观点是信息。控制系 统是通过信息的传输、变换和反馈来实现 控制的。
控制论对系统工程方法论的启示
黑箱一灰箱一白箱法 •
所有的科学问题都是作为“闭盒”（黑箱） 问题开始的，研究途径是利用闭盒的输入 和输出。
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黑箱指人们一时无需或无法直接观测其内部结 构, 只能从外部的输入和输出去认识的系统。白 箱指系统内部的构成十分清楚的系统。灰箱指 介于两者之间的系统称。
功能模拟法 以功能和行为的相似性为基础，用模型模仿原型的功 能和行为的一种方法。 如早期的计算机就是从模拟人的计算功能开始的，是 一个成功的例子。又如对苍蝇复眼功能的模拟，造出 蝇眼式照相机。它们的构造物质截然不同，但达到了 功能上的模拟。这种方法实际上是把研究对象作为一 种黑箱。
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控制论的发展经历了三个时期. 从20世纪40年代 末到50年代是第一个时期，即经典控制理论时期。 控制论发展的第二个时期为20世纪60年代，即现 代控制理论时期。20世纪70年代以后是第三个时 期，即大系统控制理论时期。
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控制论的基本概念和分类
控制系统的构成: 由施控器、受控器和控制作用的传递者 三个部分所组成。图2一4 闭环控制系统框图
在19世纪热力学第二定律认为孤立体系总是朝着熵取最大 值的状态即最无序的状态演化。熵增原理让人们得出了 “宇宙热寂说”的悲观结论，认为世界在退化。 而达尔文的生物进化论认为，生物界的从简单到复杂，由 低级到高级，序是不断增进的，向人们描述的是世界在由 低级向高级转变的进化场景。 生物进化论这两种截然相反的结论造成了科学界、哲学界 的长期争论。
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热力学第二定律和熵
热力学第二定律的克劳休斯(Clolisius)表述为：不可能 把热从低温物体传到高温物体，而不产生其他影响（热传 导的不可逆性）。开尔文（Kelvin)表述为：不可能从单 一热源中取热使之完全变为有用功而不产生其他影响（能 量的耗散性）。 为描述自发过程耗散能量和增加无序程度的特性，德国物 理学家R．克劳修斯引入了熵的概念。熵是一种状态函数， 通常用S表示。对孤立系统，熵永不减少，恒有:
但在进化论中时间却是不可逆的,梅格森强调指出：“物 理学时间和进化论及生物学时间不同，前者是可逆的，其 中没有新生事物出现；后者是不可逆的，不断出现新生事 物。” 退化与进化两种趋势
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退化，即从有序向无序的转变。如冷热物体相接触，冷变 热、热变冷趋于相同温度；一滴墨水滴入水中而淡化；非 生命系统从高级向低级的变迁。 进化则是向更高有序状态的转变，如生物由简单到复杂， 由低级到高级的转变。
系统工程
哈尔滨工业大学管理学院
张庆普
zzqp2000@
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第二章 系统工程理论基础
2.1 系统科学的学科体系

钱学森提出现代科学技术的体系结构
首先是工程技术这一层次，其次是直接为工 程技术提供理论基础的技术科学这一层次，然 后是基础科学这一层次，最后通过进一步综合、 提炼达到最高概括的马克思主义哲学，如图 2—1所示。钱学森又提出系统科学的体系结构, 如图2—2所示。
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图2—2系统科学的体系
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系统学（系统理论）主要研究系统的普遍属性和运动 规律。即研究系统演化、转化、协同和控制的一般规 律；研究系统间复杂关系的形成规律，结构和功能的 关系，有序、无序状态的形成规律等。 系统工程把自然科学和社会科学的某些思想、理论、 方法、策略和手段等，根据总体协调的需要，有机地 联系起来；应用定性和定量分析相结合的方法和计算 机等技术工具，对系统的构成要素、组织结构、信息 交换和反馈控制等功能进行分析和设计，以实现系统 的综合最优化。
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控制论重点研究带有反馈回路的闭环控制系统。 控制论首要的观点是反馈。正反馈与负反馈：如 果输出反馈回来放大了输入变化导致的偏差，这 就是正反馈；如果输出反馈回来弱化了输入变化 导致的偏差，这就是负反馈。 正反馈的作用是用来放大某种作用或效应；负反 馈的作用是保持系统行为的稳定，使系统的行为 方向趋向一个目标。 机器和生物一般都通过负反馈来达到控制目的。 负反馈是系统稳定的基本机制。
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控制系统的分为开环控制系统和闭环控制系统
1.开环控制系统：由系统的输入直接控制着它的 输出的，没有反馈回路，对环境的适应能力差， 只有当外界干扰较小或干扰恒定时，这种控制系 统才能正常发挥作用。
2.闭环控制系统：具有反馈回路的控制系统。输 出由输入和输出的回输共同控制，对环境有较大 的适应性。与开环系统相比，它不仅多了一条把 输出回输到原来的控制器的反馈回路及反馈装置， 还多了一个比较器，如图2-4所示。
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（2-2）
单位为比特(bit)，信息量常用单位。
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如上抛一硬币，只有两种可能性状态：正面朝上或反面朝上，每种状 态出现的概率为0.5，每种状态所具有的信息量为: 1 bit是含有两个独立等概率可能状态的事件，择其中之一时所具有的 信息量。 信息源可能发出的全部符号所包含的信息量之和，就是信源所具有的 总信息量。计算出信源发出的每一个符号所包含的平均信息量，这个 平均值就是信源平均信息量，即信息熵。 计算信源信息量的一般方法—申农信息熵公式。整个信源的各状态所 具有的平均不定性数量的数学期望，即平均信息量：
（2-3）
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信息熵与物理学中熵在计算公式上仅差一个负号。熵是系 统紊乱程度的表征，而信息是表示系统不定性的减少。
一个系统所获信息量越大，系统就越有序，熵就越小。反 之，所获信息量越小，系统就越无序，熵就越大。 “信息量是一个可以看作几率量的对数之负数，它实质上 就是负熵。”
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系统方法
从系统的观点出发，在系统与要素、要素与要素、系统与 外部环境的相互关系中揭示对象系统的系统运动规律。
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系统方法要求遵循整体性、动态性和最优化原则。

耗散结构理论
耗散结构理论、协同学、突变论是对系统论的发展。

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起源
牛顿时间和梅格森时间
在牛顿力学体系中时间无方向性（可逆的），具有对称性