系统工程 LEC03_系统工程的理论基础
系统工程概述
系统工程概述一、系统与系统工程理论系统是由两个以上有机联系，相互作用的要素所组成，具有特定功能、结构和环境的整体。
它具有整体性，关联性，和环境适应性等基本属性，除此以外，很多系统还具有目的性，层次性等特征。
系统有自然系统与人造系统，实体系统与概念系统，动态系统和静态系统，封闭系统与开放系统之分。
用定量和定性相结合的系统思想和方法处理大型复杂系统问题，无论是系统的设计或组织建立，还是系统的经营管理，都可以统一地看成是一类工程实践，统称为系统工程。
系统工程是从整体出发，合理开发、运行和革新一个大规模复杂系统所需思想、理论、方法论、方法与技术的总称，属于一门综合性的工程技术。
系统工程的研究对象是大规模复杂系统。
其复杂性主要表现在：1、系统的功能和属性多样，由此而带来的多重目标间经常会出现相互消长或冲突的关系；2、系统通常由多维且不同质的要素构成；3、一般为人机系统，而人及其组织或群体表现出固有的复杂性；四、由要素间相互作用关系所形成的系统结构日益复杂化和动态化。
大规模复杂系统还具有规模庞大及经济性突出等特点。
系统工程的应用领域十分广阔，已广泛应用于社会、经济、区域规划、环境生态、能源、资源、交通运输、农业、教育、人口、军事等诸多领域。
系统工程有三大理论基础和工具，即系统论，信息论和控制论，简称“三论”。
控制论是由美国人维纳创立的一门研究系统控制的学科。
其观念是通过一系列有目的的行为及反馈是系统受到控制。
控制论研究的重点是带有反馈回路的闭环控制系统，并不是任意的控制系统。
反馈有两类：正反馈和负反馈。
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。
系统的结构是指要素在系统范围内的秩序，亦即要素之间的相互联系，相互作用的内在方式。
任何系统都具有一定的结构，系统结构的特点是：1、层次性是系统结构较为普遍的形式；2、结构具有相对性；3、各层次都有其自身的最佳规模；四、结构具有稳定性；五、结构具有动态性和开放性。
系统工程的基础理论及方法论文稿演示
2.2 还原论与整体论
量子论从根本上动摇了还原论：描述微观世 界最为成功的理论是量子论。量子论认为，我们 的世界是一个非机械的、相互联系的、不可分割 （还原）的世界。物质世界的根本元素就不是被 分割的机械的原子、质子、中子，而是一个有机 联系的整体。量子论问世导致了测不准原理的提 出。测不准原理认为无法还原位置和速度两个基 本量。这表明，在对待位置和速度这两个基本量 上，还原论是失效的。微观层次上的还原论失效， 导致了机械的决定论的失效。
2.2 还原论与整体论
生物学研究中的还原论表现最为明显，有人试图把生命运动 形式归结为物理-化学运动形式，用物理-化学运动规律取 代生物学规律。
心理学研究中的还原论痕迹十分明显。心理学独立后的第一 个心理学派—构造心理学认为，心理学应该用实验内省的 方法分析意识经验的内容或构造，从而找出意识的各个组 成部分以及它们连接成为各种心理过程的规律。行为主义 的创始人J.B.华生认为，心理学应以客观的、可观察的行 为为研究对象，放弃对捉摸不定的主观心理状态或意识状 态进行探讨。对于思维，华生也把它归结为细小的肌肉运 动。
2.2 还原论与整体论
复杂科学彻底动摇了还原论：混沌理论推动了复杂科学的 诞生，排除了拉普拉斯决定论的可预见性的思想。世界的很小的一部分。 • 混沌理论认为在混沌系统中，初始条件十分微小的变化，经过 不断放大，对其未来状态会造成极其巨大的差别。我们可以用 在西方世界流传的一首民谣对此作形象的说明。这首民谣说： • 钉子缺，蹄铁卸；蹄铁卸，战马蹶；战马蹶，骑士绝；骑士绝， 战事折；战事折，国家灭。 • 马蹄铁上一个钉子是否会丢失，本是初始条件的十分微小的变 化，但其“长期”效应却是一个帝国存与亡的根本差别。这就 是军事和政治领域中的所谓“蝴蝶效应”。
2016系统工程理论基础(管理学院)
• 2.思辨原则代替实验原则
• 3，以目的论代替因果论
2、控制论
控制论是自动 控制、通讯技术、 计算机科学、数理 逻辑、神经生理学、 1948年美国数学家维纳出版 统计力学、行为科 了《控制论》一书，标志着 学等多种科学技术 控制论的正式诞生。控制论 一词 Cybernetics ，来自希腊 相互渗透形成的一 语，愿意为掌舵术，包含了 调节、操纵、管理、指挥、 门横断性学科。
也称为经济数学模型、经济模型 • 是在一组基本假设条件下，用数学关系 式定量描述经济系统特征的模型。 • 所描述的数量关系必须符合经济因果关 系和价值规律。 一定的使用条件； 合理的经济解释。
经济控制模型分类：
按照建模方法的不同，可分为理论模 型和仿真模型。 理论模型：清楚经济系统内部运行机理 根据基本经济理论推理分析建模 （白箱建模）。 仿真模型：不太了解经济系统内部的运 行机理借助于辨识的方法建立的模型 （灰箱或黑箱建模）。 经济仿真模型在帮助人们认识复杂经济 活动中发挥着越来越重要的作用。
只能从高温物体传到低温物 体
香农其人—业余爱好
• 香农可以熟练地玩一套杂技。 一个脍炙人口的故事：他经常骑着独轮车、手里抛着三 个球来到贝尔实验室的大厅。 发明过有两个座位的独轮车，不过恐怕没有人敢与他 享；他还把独轮车造成偏离地心的，骑在上面忽高忽 低，像鸭子行走似的 这些活动表明了香农的主张，即好奇心比实用性对他的 刺激更大。 他的名言是：“我感到奇妙的是事物何以集成一体。”
信息的定义
什 —《控制论— 动物和机器中通情与控制问题》 么 —首先将“信息”上升到“最基本概念”的位置 是 信 • 香农的信息定义 息 • 钟义信的信息定义 ？
百余种流行的科学定义； 1948，控制论创始人N．Ｗiener： 信息是信息，不是物质，也不是能量
系统工程理论基础课件
•2024/5/3
•系统工程理论基础
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信息论
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。
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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。”
“熵的获得永远意味着信息的丢失，而不是别的。”
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①一切有生命、无生命系统都是信息系统。无论是 机器还是生物，都存在着对信息进行接收、存取 和加工的过程。
②一切有生命、无生命系统都是控制系统。一个系 统一定有它的特定输出功能，必须有相应的一套 控制机制。
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。
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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•系统工程理论基础
第二章 系统工程理论基础
20世纪30年代前后才逐渐形成一般系统论。一般 系统论来源于生物学的机体论，是在研究生物系 统过程中诞生的。
第3章 系统工程理论 －8－
第二节
经典系统工程理论
历史背景（续）
系统思维最早出现在1921年建立的格式塔心理学 ，还有Parry J.B. 1958年在工业心理学研究中提 出了系统心理学（system psychology）的词汇与 概念。 1925年英国数理逻辑学家和哲学家N.怀特海在《 科学与近代世界》一文中提出用机体论代替机械 决定论，认为只有把生命体看成是一个有机整体, 才能解释复杂的生命现象。 1925年美国学者A.J.洛特卡发表的《物理生物学 原理》和1927年德国学者W.克勒发表的《论调节 问题》中先后提出了一般系统论的思想。
第3章 系统工程理论 －9－
第二节
经典系统工程理论
历史背景（续）
1924～1928年奥地利理论生物学家L.von贝塔朗菲多次发 表文章表达一般系统论的思想,提出生物学中有机体的概念 ，强调必须把有机体当作一个整体或系统来研究，才能发 现不同层次上的组织原理。 他在1932年发表的《理论生物学》和1934年发表的《现代 发展理论》中，提出用数学模型来研究生物学的方法和机 体系统论的概念，把协调、有序、目的性等概念用于研究 有机体，形成研究生命体的三个基本观点
第一节
系统科学的学科体系
我国著名科学家钱学森提出了一个清晰的现代科学技术的体 系结构，认为从应用实践到基础理论，现代科学技术可以分为 四个层次：首先是工程技术这一层次，然后是直接为工程技术 提供理论基础的技术科学这一层次，再就是基础科学这一层 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－
系统工程的基础理论及方法论【共49张PPT】
霍尔管理矩阵可以提醒人们在哪个阶段该做哪一步工作，同时明确各项具体工作在全局中的地位和作用，从而使工作得到合理安排。
时间、空间、物质和能量乃至整个宇宙本身就是一个整体，必须作为一个整体来研究。
系统工程的基础理论及方法论
（优选）系统工程的基础理论及方法论
2.2 还原论与整体论
系统思想是关于事物的整体性观念、相互联系的观念、 演化发展的观念。即全面而不是片面的、联系的而不是孤立 的、发展的而不是静止的看问题。
（1）古代的系统思想：“不见树木，只见森林” （2）近代的分析方法：“只见树木，不见森林” （3）现代的系统思想：“既见树木，又见森林”
2.2 还原论与整体论
钱学森提出将还原论方法和整体论方法结合起来，他
提出“从定性到定量综合集成方法”。
综合集成方法论的实质是把专家体系、数据和 信息体系以及计算机体系有机结合起来，构成一个 高度智能化的人、机结合，人、网结合的体系。运 用这个方法也需要系统分解，在系统分解后研究的 基础上，再综合集成到整体，实现“1+1﹥2”的飞 跃，达到从整体上研究和解决问题的目的。综合集 成方法既吸收了还原论方法和整体方法的长处，同 时也弥补了各自的局限性，既超越了还原论方法， 也发展了整体论方法。
和步骤的工作所需的各种专业管理知识。三维结构由 比如，物质是由分子组成的，分子是由原子组成的，原子又是由电子和原子核组成的，等等，研究微观粒子就可以推知整体的规律。
通常应根据系统方案对于系统目标满足的程度，对每一个被选方案进行综合评价，从中选出最优方案、次优方案、满意方案，分析者应递交多方案给决策者，以 便决策者做出正确的决策。
系统工程知识点总结
系统是由两个以上有机联系、相互作用的要素所组成，具有特定功能、结构和环境的整体。
系统的特性：1）集合性。
系统是由两个以上的可以相互区别的要素所组成。
2）相关性。
组成系统的各要素之间具有相互联系、相互作用、相互依赖的特定关系。
某—要素若发生变化则会影响其他要素的状态变化。
3）层次性。
一个系统可分解为若干子系统，而子系统还可以分解为亚子系统等等，以致最终可分解为要素，这样就可构成具有特定的空间层次结构。
例如一个公司就是由子公司或二级厂(矿)、车间、工段、班组，以及相应的职能部门构成。
各层次的子系统相互联系，相互作用，以其特有的功能为统一的目标而相互协调运行。
4）整体性。
系统不是各个要素的简单拼凑，而是根据特定的统一性要求协调存在于系统整体之中。
是具有整体的特定功能和特性。
整体性强调要素间的协调与综合，这样才能获得具有良好功能的系统。
5）功能性。
功能性是系统的基本特性之一：它表明系统具有的作用和效能，系统的功能以系统的结构为基础。
系统的特定结构决定系统的特定功能，系统不同，其功能也不同、这正是区别一个系统和另一个系统的主要标志。
人造系统是根据系统目的来设定功能，而自然系统虽无目的但却有功能。
6．环境适应性。
任何一个系统都存在于一定的物质环境之中，它必然与环境不断地进行物质、能量、信息的交换。
外界环境的变化对系统内部要素产生干扰，使要素和要素关系发生变化，从而可能引起系统功能的波动。
所以系统必须适应外部环境的变化，这样的系统才更有生命力。
系统的分类：自然系统与人造系统，实体系统与概念系统，动态系统与静态系统，开放系统与封闭系统系统工程的定义：系统工程是一门研究大规模复杂系统的交叉学科，它是根据整体协调的需要，综合运用各种现代科学思想、理论、技术、方法、工具，对系统进行研究分析、设计制造和服务，使系统整体尽量达到最佳协调和最满意的优化。
系统工程的研究对象：不限于物质系统，还包括自然系统、社会经济系统、经营管理系统、军事指挥系统等等。
第二章系统工程基础概述
＆ 系统评价是方案选优与决策的基础。
＆ 一般可以从单项评价入手， 再到综合评价， 从而得到方案的优先顺序。
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6. 决策--方案决定
由决策者根据更全面的要求，最后选定一 个或少数方案。
• 最优方案不是单纯经济意义上的，而是 综合的。
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7.
方案实施
根据最后选定的方案，具体实施。
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逻辑维
明确问题
确定目标
系统方案综合 系统分析
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系统评价 决策
方案实施
规划阶段
时间维
拟定方案阶段 系统研制阶段
分析阶段
实验阶段
生产阶段 安装阶段
调试阶段
运行阶段
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更新阶段
知识维
为完成上述各阶段、各步骤，知识维为其提供所需要 的知识和各种专业技术，霍尔把这些知识分为工程、医 药、建筑、商业、法律、管理、社会科学和艺术等。
第 二
• 系统工程及其发展历程
章
系
• 系统工程的基础理论
统
工 程
• 系统工程研究方法
基
础
• 物流系统工程的基本方
概
法及技术
述
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第 二
• 系统工程及其发展历程
章
系
• 系统工程的基础理论
统
工 程
• 系统工程研究方法
基
础
• 物流系统工程的基本方
概
法及技术
述
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系统工程的概念
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＆ 主要内容： ★允许性分析 ★可行性分析 1、负作用的分析； 2、潜在问题的分析； 3、敏感性分析； 4、费用效果分析。
系统工程课件--第2章 系统工程理论基础
机体论
在机械论和活力论激烈斗阵的同时， 1925年英国数理逻辑学家和哲学家N.怀特海 在《科学与近代世界》一文中提出用机体论 代替机械决定论，认为只有把生命体看成是 一个有机整体,才能解释复杂的生命现象。一 般系统论就来源于机体论。
一些物理学家、生物学家和化学家还在各 自的领域中沿着贝塔朗菲开创的开放系统理 论深入研究一般系统论，并得到了关于复杂 系统的一系列重要规律。其中最著名的有：I. 普里戈金的耗散结构理论，M.艾根的超循环 理论和H.哈肯的协同学，拉兹洛的广义进化 论等。
功能模拟方法：功能模拟方法是建立在 对结构与功能关系的认识基础之上，对对 象模型进行研究。 如猎手瞄准猎物的过程与自动火炮系统 的功能行为是相似的，但二者的内部结构和 物理过程是截然不同的，这就是一种功能模 拟。功能模拟法为仿生学、人工智能、价值 工程提供了科学方法。
功能模拟方法
撇开系统的物质结构和能量结构的具体内容， 而从系统的行为功能过程，考察其在各种控制 作用下状态变化关系的方法。它的特点在于， 不研究“这是什么东西”，而研究“这些东西 在干什么”，它从经典的“什么东西存在着”， “存在的是什么”的认识方式，进入到“如何 控制它”、“如何把它纳入施控主体所要求的 轨道上”。这种方法充分体现了现代方法的特 点。
五、耗散结构理论、协同学、突变论原理等新 的系统理论及其启示 “三论”和“新三论”
一般系统论 控制论
信息论
耗散结构理论 突变论 协同论
三 论 新 三 论
普里高津的“耗散结构”学说
一般系统论的四条基本原则；整体性原则、相互联 系的原则、有序性原则、动态原则。 普里高津——比利时物理学家 耗散结构——一个远离平衡的开放系统（力学的、 物理的、化学的、生物的），在外界条件变化达到 某一特定阈值时，量变可能引起质变。系统通过不 断与外界交换能量与物质，就可能从原来的无序状 态转变为一种时间、空间、或功能的有序状态。
系统工程基础概述
一般系统论
1969年，比利时著名学者I.普利高津提出了“耗散结构（Dissipative Structure）理论”，认为一个开放的系统在远离平衡态的情况下，通过不断地与外界交换能量、物质和信息，当发生某些特殊事物耦合，达到一定的阈值时，就会突然出现以新的方式组织起来，产生新的质变，从原来混沌无序的混乱状态，转变为在时空上或功能上的稳定的有序状态。
系统工程
系统工程(Systems Engineering)是系统科学的一个分支，实际是系统科学的实际应用。 系统工程是以大型复杂系统为研究对象，应用定量分析和定性分析相结合的方法以及计算机等技术工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换、反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，从而实现系统整体目标的最优化。它既是一个技术过程又是一个管理过程。
航天英雄---杨立伟 航天事业----庞大的系统工程 需要几代人、多少年的努力 千千万万的幕后英雄
发展趋势
STEP 03
STEP 01
STEPห้องสมุดไป่ตู้02
系统工程作为一门交叉学科，日益向多种学科渗透和交叉发展。
系统工程作为一门软科学，日益受到人们的重视。
系统工程的应用领域日益广泛，推动了系统工程理论和方法不断深化发展。
20世纪中总体发展情况
40年代是现代系统工程的起点； 50年代，系统工程方法全面形成； 60年代之后，系统工程方法取得突破； 70年代之后，系统工程应用范围不断扩大，由工程系统工程发展到复杂系统工程，特别是复杂巨系统工程； 70年代中后期，软系统思想出现，并创造出一些面向更复杂系统的方法。
阿波罗登月计划
农业系统工程
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