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第二讲 系统工程理论 李刚 西安交通大学管理学院 第二讲:系统工程理论 第一节：系统工程的理论基础 第二节：系统工程理论的新发展 系统工程的理论基础 系统工程的理论基础 控制论的发展已大致经历了三个时期。 从40年代末到50年代是第一个时期，即经典控制理论时期。在这一时期，主要的研究对象是单因素控制系统，重点是反馈控制，借以实现的工具是各种各样的自动调节器、伺服机构及其有关的电子设备，着重解决单机自动化和局部自动化问题。 控制论发展的第二个时期为60年代，即现代控制理论时期。这一时期，控制论的主要研究对象就成了多因素控制系统，研究重点是“最优控制”，研究借助的工具是电子计算机。 系统工程的理论基础 进入70年代以后，是大系统控制理论时期。在这一时期，主要研究对象是因素众多的大系统，重点是大系统多级递阶控制，借助的工具是电子计算机联机和智能机器，应用领域主要为社会系统、经济系统、生态系统、管理系统、环境系统等。 系统工程的理论基础 控制论的基本概念 控制系统由施控器、受控器和控制作用的传递者三者组成，形成一个整体的控制功能和行为，但这又是相对于某种环境而言。因而可以把施控器、受控器和控制作用的传递者三个部分所组成的、相对于某种环境而具有控制功能与行为的系统，称为控制系统 系统工程的理论基础 系统稳定性 负反馈 正反馈 系统的结构 层次性 相对性 较高层次具有较高的复杂性。系统与要素是相对于系统的等级和层次而言的。一般说来，高一级的结构层次对低一级的结构层次有着制约性，而低一级结构又是高一级结构的基础，低一级结构层次反作用于高一级结构层次，它们之间的关系是辨证的。 系统工程的理论基础 各层次都有其最佳规模 结构稳定性 结构开放性和动态性 系统工程的理论基础 控制论对系统工程方法论的启示 黑箱—灰箱—白箱法 黑箱永远有，白箱永不白 功能模拟法 形式化、数量化、最优化方法 系统工程的理论基础 控制论对系统工程方法论的启示 功能模拟法 功能模拟方法，就是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。电子计算机的创造就是功能模拟法应用成功的一个例子，早期的计算机就是从模拟人的计算功能开始的，但这种模型在外形和结构上与原型已很不一样。 系统工程的理论基础 控制理论分支与系统研究各方面的对应关系 控制论分支与系统工程研究的分类表 系统工程的理论基础 信息论 信息论于本世纪40年代末产生，其主要创立者是美国的数学家申农（C.E.Shannon）和维纳 人们根据不同的研究内容，把信息论分成三种不同的类型 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：主要研究通讯问题，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：不仅包括前两项的研究内容，而且包括所有与信息有关的领域 系统工程的理论基础 信息 申农将信息定义为“两次不定性之差”，即“不定性的减少的量”。从通讯角度看，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’。在同样一条消息中，对不同的人来讲，可能信息量很大，也可能信息量很小，甚至为零。 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。也就是说信息对于收信者来说，应该是有用的和未知的东西。 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；信息是控制系统进行调节活动时，与外界相互作用、相互交换的内容；信息是系统的组织性的量度 。 系统工程的理论基础 信息的特点 信息源于运动 信息可以被感知、处理和利用 信息具有知识秉性，能消除不确定性 信息依赖于物质并在物质上传递、存储，但有不同于物质 信息的使用价值具有相对性 信息具有时效性 信息不守恒 系统工程的理论基础 信息论的启示 信息论研究运用了类比方法和统计方法 信息论运用了科学抽象和类比方法，将消息、信号、情报等不同领域中的具体概念，进行类比、抽象出了信息概念、抽象出了信息论模型 针对信息的随机性特点，运用了统计数学（概率论与随机过程）解决了信息量问题。并扩展了信息概念，壮大了语义信息、有效信息、主观信息、相对信息、模糊信息等方面的内容 系统工程的理论基础 系统工程的理论基础 信息论的启示 运用信息的方法处理问题 把系统题有目的的运动抽象为一个信息交换过程 系统工程的理论基础 系统工程的理论基础 一般系统论的产生 实验科学时代的还原论； 经典自然科学中还原论占统治地位，把研究对象进行一层层地不断分解至基本单元，分解隔离为不同因果链，研究其基本单元因素，认为基本单元弄清了，因果量与因素弄清了，对象也就研究清楚了。这样的方法论和观点在古典自然科学中曾取得了很大成功，从而对其他科学研究