第四講系統(tǒng)科學(xué)方法論

1、第二篇 信息資源管理方法論,第四講 系統(tǒng)科學(xué)理論與方法,（一）教學(xué)目的：掌握系統(tǒng)科學(xué)基本概念、基本理論及方法，了解系統(tǒng)工程方法。（二）教學(xué)重點：通信理論、自組織理論（三）教學(xué)難點：系統(tǒng)工程理論方法（四）課時安排：6課時（五）作業(yè)：見后（六）教學(xué)內(nèi)容,（六）教學(xué)內(nèi)容,一、系統(tǒng)科學(xué)理論的產(chǎn)生二、老三論三、自組織理論（新三論）四、系統(tǒng)科學(xué)方法五、系統(tǒng)工程方法,一、系統(tǒng)科學(xué)理論的產(chǎn)生 “老三論” “新三論

2、”,又稱信息科學(xué)理論方法，都是圍繞系統(tǒng)這個對象，但是又是以信息為研究手段的分析研究方法。,,二戰(zhàn)以后，產(chǎn)生把對象作為系統(tǒng)來考察的系統(tǒng)理論：系統(tǒng)論、信息論、控制論。六十年代，耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同論、超循環(huán)理論又相繼問世。,系統(tǒng)科學(xué)理論的產(chǎn)生,（1）社會生產(chǎn)力發(fā)展，出現(xiàn)了規(guī)模龐大、技術(shù)復(fù)雜的大型工程和企業(yè)——復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，“復(fù)雜巨系統(tǒng)”。（2）科技、生產(chǎn)有機聯(lián)系起來，形成一個大系統(tǒng)，它們之間相互影響，相互依賴。要實現(xiàn)對系統(tǒng)的有效控制，就須

3、定量、精確地揭示整個系統(tǒng)的運動規(guī)律。（3）人們作用于勞動對象的方式發(fā)生了變革?！　慰咳说木腕w力去操作大機器越來越困難→人—機系統(tǒng)。,系統(tǒng)科學(xué)理論的產(chǎn)生,（4）信息的作用明顯增強，只靠人腦來處理信息不能適應(yīng)“信息爆炸”。→信息理論和方法迅速發(fā)展。（5）二戰(zhàn)要求以最新技術(shù)、最短時間生產(chǎn)大量新武器，人自然地接觸到系統(tǒng)的特征和規(guī)律。如此看來，人類科學(xué)都是逼出來的。,系統(tǒng)科學(xué)理論的產(chǎn)生,系統(tǒng)科學(xué)理論的包括：“老三論”,系統(tǒng)論：研究系

4、統(tǒng)類型、一般性質(zhì)和一般運動規(guī)律的科學(xué)。其體系包括系統(tǒng)學(xué)，系統(tǒng)方法學(xué)和系統(tǒng)工程學(xué)。 信息論：研究信息本質(zhì)和運動規(guī)律的科學(xué)理論。信息論是研究通訊和通訊系統(tǒng)中的信息傳遞的共同規(guī)律的科學(xué)，是一門應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計方法研究信息和信息傳遞和變換的科學(xué)。 控制論: 研究各種系統(tǒng)的控制規(guī)律的科學(xué)。,系統(tǒng)科學(xué)理論的包括：“新三論”,耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同論、突變論（超循環(huán)論）,,馬克思：把復(fù)雜社會大系統(tǒng)劃分為三個基本子系統(tǒng)，即生產(chǎn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、政治法律系統(tǒng)、意識

5、形態(tài)系統(tǒng)，深刻分析這些系統(tǒng)及各系統(tǒng)內(nèi)諸要素之間的相互作用，揭示了社會發(fā)展變化的規(guī)律性。,二、老三論（一）系統(tǒng)論,,（１）古代的系統(tǒng)思想：古代醫(yī)學(xué)：脈象、經(jīng)脈、氣血、陰陽互補說；病癥、病人、環(huán)境聯(lián)系起來。農(nóng)事：種子、土壤、肥料、灌溉、季節(jié)之間的辯證關(guān)系；孫子兵法：政治、天時、地利、將帥、法制全局去制定作戰(zhàn)方案。（２）初期的系統(tǒng)理論 ：泰勒的《科學(xué)管理原理》 明確提出系統(tǒng)管理的思想。,1、系統(tǒng)論的產(chǎn)生與發(fā)展,（３）現(xiàn)代系統(tǒng)論的產(chǎn)

6、生 ：貝塔郎菲（美） 1945發(fā)表論文：“關(guān)于一般系統(tǒng)論”，1968年編著出版了《一般系統(tǒng)論的基礎(chǔ)、發(fā)展》，全面闡述了其系統(tǒng)論思想。（４）現(xiàn)代系統(tǒng)論的發(fā)展 ： 貝塔郎菲的一般系統(tǒng)論，普利高津（比利時自由大學(xué)教授）1969年提出的耗散結(jié)構(gòu)理論；哈肯（西德）1976年提出的“協(xié)同學(xué)”理論；法國數(shù)學(xué)家托姆于1972年提出的“突變論”。（５）系統(tǒng)工程學(xué)的研究 ：美貝爾公司“系統(tǒng)工程學(xué)”，蘭德公司“系統(tǒng)分析”方法——系統(tǒng)工程的產(chǎn)生與發(fā)展，也為

7、系統(tǒng)理論的創(chuàng)立作出了重要貢獻。,1、系統(tǒng)論的產(chǎn)生與發(fā)展,2、系統(tǒng)論的基本范疇　　系統(tǒng)、要素、結(jié)構(gòu)、功能、層次,系統(tǒng) ：系統(tǒng)是由相互作用、相互依賴的 若干組成部分組合而成的、具有 特定功能的有機整體。系統(tǒng)的基本特征： ? 系統(tǒng)是由若干要素組成的； ? 這些要素相互作用、相互倚賴； ? 由于要素間的相互作用，使系統(tǒng)作為一個整體具有特定的功能。,要素：要素是構(gòu)成系統(tǒng)的不可缺少的必要成分。要素有一般要素、基本要素和最基本要

8、素的區(qū)分。 聯(lián)系： 聯(lián)系是指要素構(gòu)成為系統(tǒng)的媒介。系統(tǒng)論中比較注意耦合聯(lián)系，甚至把聯(lián)系與耦合相互通用。 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)是指系統(tǒng)內(nèi)部各個組成要素之間的相對穩(wěn)定的聯(lián)系方式、組織秩序以及時空關(guān)系的內(nèi)在表現(xiàn)形式。,2、系統(tǒng)論的基本范疇,功能：功能是指系統(tǒng)具有的活動能力以及系統(tǒng)在達到預(yù)期目的的過程中與外部環(huán)境相互聯(lián)系和相互作用中表現(xiàn)出來的性質(zhì)、能力和功效，是系統(tǒng)內(nèi)部相對穩(wěn)定的聯(lián)系方式、組織秩序及時空形式的外在表現(xiàn)形式。環(huán)境：環(huán)境是指系統(tǒng)以外并

9、與系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)系、存在著相互作用的客觀事物或事物組成的整體。是一個相對的概念。,2、系統(tǒng)論的基本范疇,3、系統(tǒng)的描述,結(jié)構(gòu)描述：結(jié)構(gòu)描述亦稱內(nèi)部描述，是指用各狀態(tài)變量及它們之間的相互關(guān)系，亦即用一組狀態(tài)方程來描述一個系統(tǒng)。這時，一般先列出各狀態(tài)變量的一階微分方程，然后考慮各變量間的相互關(guān)系，得出聯(lián)立方程。如有必要，則應(yīng)用矩陣表示，得出狀態(tài)方程的矩陣形式。 功能描述：功能描述亦稱外部描述或輸入-輸出描述。在功能描述中，通過各要素的輸入-輸

10、出關(guān)系，求得整個系統(tǒng)的輸入-輸出關(guān)系。某一要素（或系統(tǒng)）的輸入轉(zhuǎn)換為其輸出的機制，通常用所謂的傳遞函數(shù)來表示。在數(shù)學(xué)上，所謂傳遞函數(shù)是指輸出拉普拉斯變換與輸入拉普拉斯變換之比。,結(jié)構(gòu)描述和功能描述的關(guān)系：一般地說，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)描述與功能描述可以相互轉(zhuǎn)化，既可以由狀態(tài)方程求出傳遞函數(shù)，亦可以由傳遞函數(shù)求出狀態(tài)方程（這種變換稱作系統(tǒng)的實現(xiàn)）。,3、系統(tǒng)的描述,4、系統(tǒng)論中的基本原理,整體性原理：整體性是系統(tǒng)各要素作為一個有機統(tǒng)一體所表現(xiàn)出來

11、的基本特性。用系統(tǒng)效應(yīng)（SE)衡量整體性。一般說來，系統(tǒng)效應(yīng)有三種情況： 　⑴ 正效應(yīng) ：這種效應(yīng)表示系統(tǒng)效應(yīng)大于各要素效應(yīng)之和，即 SE>AE+BE+CE+ ……。 其中AE、BE、CE、等分別表示要素A、B、C等的效應(yīng)。 ⑵ 0效應(yīng)： 這種效應(yīng)表示系統(tǒng)效應(yīng)剛好等于各要素效應(yīng)之和，即 SE=AE+BE+CE+ ……。 ⑶ 負(fù)效應(yīng)：這種效應(yīng)表示系統(tǒng)效應(yīng)小于各要素效應(yīng)

12、之和，即 SE<AE+BE+CE+ ……。,層次性原理：由于組成系統(tǒng)的諸要素的差異包括結(jié)構(gòu)方式上的差異，從而使系統(tǒng)組織在地位與作用、機構(gòu)與功能上表現(xiàn)出等級秩序，形成了具有值的差異的層次性?！　陌l(fā)展的眼光看，系統(tǒng)的層次性即是系統(tǒng)發(fā)展的連續(xù)性和階段性的統(tǒng)一。正確地把握和運用系統(tǒng)的層次性原理，把它轉(zhuǎn)化為認(rèn)識方法，具有重要的現(xiàn)實意義。,4、系統(tǒng)論中的基本原理,開放性原理 ：系統(tǒng)具有不斷地與外界環(huán)境進行物質(zhì)、能量

13、、信息交換的性質(zhì)和功能，系統(tǒng)向環(huán)境開放是系統(tǒng)得以向上發(fā)展的前提，也是系統(tǒng)得以穩(wěn)定存在的條件?！　?在當(dāng)今的社會，任何一個系統(tǒng)都不可能把自己完全封閉起來，否則它將無法生存。但如果不加選擇地對外開放，那么這樣的系統(tǒng)最終會被其他的系統(tǒng)取而代之，自己也就消亡了。,4、系統(tǒng)論中的基本原理,目的性原理 ：組織系統(tǒng)在與環(huán)境的相互作用中，在一定的范圍內(nèi)其發(fā)展變化不受或少受條件變化或途徑經(jīng)歷的影響，堅持表現(xiàn)出某種趨向預(yù)先確定的狀態(tài)的特性。 穩(wěn)定性原理

14、 ：在開放的環(huán)境下，系統(tǒng)具有一定的自我穩(wěn)定能力，能夠在一定的范圍內(nèi)自我調(diào)節(jié)，從而在變化的環(huán)境中保持和恢復(fù)系統(tǒng)的有序狀態(tài)，保持和恢復(fù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。 系統(tǒng)的穩(wěn)定性是整體的穩(wěn)定性，不是個別要素、部分、層次的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)在非平衡態(tài)下的保持自身有序性的特性。系統(tǒng)的穩(wěn)定性是相對的，而發(fā)展是絕對的。,4、系統(tǒng)論中的基本原理,相關(guān)性（關(guān)聯(lián)性）原理 ：是指系統(tǒng)中要素與要素、要素與系統(tǒng)、系統(tǒng)與環(huán)境、結(jié)構(gòu)與功能之間的相互倚存和相互制約

15、的關(guān)系。,4、系統(tǒng)論中的基本原理,（二）信息論,信息論是專門研究信息的本質(zhì)和運動規(guī)律的科學(xué)理論。它以信息和信息系統(tǒng)為對象，不僅要研究信息的基本特征和運動規(guī)律，而且要研究運用這些規(guī)律去構(gòu)建高效的信息系統(tǒng)的方法。,關(guān)于信息論，有著多種解釋。按照涉及面的寬窄，可以把信息論分外三種：（1）狹義信息論：主要研究信息的信息量，信道容量以及信息的編碼問題。也就是申農(nóng)（Shannon.C.E）信息論。（2）一般信息論：也是研究通信問題，但包括了噪聲

16、理論、信號濾波與預(yù)測、調(diào)制和信息；理等問題；（3）廣義信息論：不僅包括1.和2.，而且包括所有與信息有關(guān)的領(lǐng)域。,4、系統(tǒng)論中的基本原理,1、信息論的產(chǎn)生與發(fā)展,對信息論的產(chǎn)生起決定性作用的是美國數(shù)學(xué)家申農(nóng)（C.E.Shannon）和維納（N.Wiener）的研究工作。,度量信息量的公式： H(x)= -k∑ni=1P(xi)logP(xi) 式中H(x)表示信息事件x的平均信息量，k為常數(shù)，xi表

17、示信息事件，P(xi)表示信息事件發(fā)生的概率，n表示信息事件總數(shù)。 申農(nóng)于1948年發(fā)表的《通訊的數(shù)學(xué)理論》一文，標(biāo)志著信息論的正式誕生。,1、信息論的產(chǎn)生與發(fā)展,維納對信息論的產(chǎn)生也做出了重大的貢獻。他和申農(nóng)分別獨立地建立了統(tǒng)計信息量概念，提出了度量信息的數(shù)學(xué)公式。而且特別論證了控制系統(tǒng)中的信息作用 發(fā)展階段：在申農(nóng)的狹義信息論的基礎(chǔ)上，又產(chǎn)生了廣義信息論。廣義信息論是以各種系統(tǒng)的信息為研究對象，廣泛地研究信息的本質(zhì)和特點，

18、以及信息獲取、計量、傳輸、儲存、處理、控制和利用的一般規(guī)律。,1、信息論的產(chǎn)生與發(fā)展,2、關(guān)于信息含義特性等,通訊理論中，申農(nóng)把信息定義為“事物不確定性的消除程度”抓住了信息的隨機性和統(tǒng)計性這一本質(zhì)。 在控制論研究中 ，維納把信息定義為“系統(tǒng)組織程度的標(biāo)記”，這實際上反映了信息的組織結(jié)構(gòu)特征和反饋控制功能。在系統(tǒng)論研究中，著重考慮系統(tǒng)的開放性和封閉性的關(guān)系，把信息與熵聯(lián)系起來，定義信息為負(fù)熵，揭示了信息的有序性本質(zhì)。,在認(rèn)識論研究中

19、，由于強調(diào)認(rèn)識主體與客體的關(guān)系，所以把信息定義為“認(rèn)識主體所感知（或所表述）的事物運動的狀態(tài)和方式”。小結(jié)：信息概念的多樣化，使人們很難為信息下一個反映全部內(nèi)涵的定義。只要知道某個功能是指哪個層次的信息，就不致在信息研究和應(yīng)用中產(chǎn)生歧義。在本體論研究中，由于研究信息與物質(zhì)運動的關(guān)系，故把信息定義為“事物運動的狀態(tài)及其存在方式”。,2、關(guān)于信息含義特性等,信 息 的 特 性⑴ 信息和物質(zhì)、能量一起構(gòu)成統(tǒng)一的世界。 ⑵ 信息是物質(zhì)

20、固有的根本性質(zhì)，整個宇宙中到處存在著信息。 ⑶ 信息只有在物質(zhì)和事物的運動和變化中才能產(chǎn)生出來。 ⑷ 信息是物質(zhì)相互作用過程中的一種反映形式⑸ 信息是物質(zhì)之間和主客體之間相互聯(lián)系的一種“中介”形式。,⑹ 信息運動具有自身的規(guī)律性⑺ 信息的能動性。 ⑻ 信息的累積性和長期的價值性。 ⑼ 信息、知識和情報的區(qū)別。這三者的關(guān)系如下式：　　　　情報∈ 知識 ∈ 信息,信 息 的 特 性,3、熵理論—熵增熵減 信息熵的

21、理解—熱力熵與負(fù)熵,（1）信息熵的提出：概率相等：H=logn個體信息：H=-log pi越小,H越大!平均:H=-∑Pilog pi→熱力熵→即信源的平均信息量。（２）信源—熱力熵Ｈ（Ｘ）　信源輸出的平均信息量；系統(tǒng)無組織程度的度量（３）信宿—負(fù)熵Ｈ（Ｙ）　信宿為能夠排除不定度的最大信息量Ｉ（P）；用其描述系統(tǒng)的運動過程，是反映系統(tǒng)由無序向有序狀態(tài)運動。,（4）二者關(guān)系：　　H（X）是系統(tǒng)混亂程度的度量，而負(fù)熵恰是解

22、除不定度所需信息的度量；要使混亂的系統(tǒng)有序化就需要一定量的信息，系統(tǒng)從無序到有序所增加的負(fù)熵的量也恰好就是系統(tǒng)熱力熵所減少的量。　　H(Y)=H(X)-H(X/Y)-條件熵,3、熵理論,3、熵理論,A、無干擾：I（P）=H（Y）能全部消除信宿的不定性。B、有干擾：I（P）=H（X）-H（X/Y）信宿對信源的不定度不能完全消除。C、完全干擾狀態(tài)：H（X）=H（X/Y）

23、 I（P）=0,4、通信系統(tǒng)的理論　　　　　通信系統(tǒng)的簡單構(gòu)成　　　仙農(nóng)的信息通訊模型,（１）信源、信宿問題（２）信道理論： A、有效性（信息的數(shù)量出發(fā)）　信息傳輸率=以最大通信速度傳遞最大的信息量?！√幚砑夹g(shù)有：　　 a、壓縮信源　　 b、信道復(fù)用： 　　　時分多路通信 　頻分多路通信,4、通信系統(tǒng)的理論,B、信息傳輸?shù)目煽啃蕴幚怼|(zhì)量指標(biāo)　　信息傳輸?shù)馁|(zhì)量下降原因　　處理技術(shù)

24、有：　　　a、均衡技術(shù)：　　　b、抗干擾技術(shù)：　　　　內(nèi)部：抑制設(shè)備內(nèi)部的噪聲影響；如“致冷”。 　　　 外部：“檢錯”。,4、通信系統(tǒng)的理論,C 、信息的保密處理（安全性處理）　保密處理技術(shù)——加密和解密　“亂頻法”、“亂時法”基本思路：密鑰（3）編碼的問題：　 “編碼問題在信息論中占據(jù)重要位置” 原因： 有效編碼基本思想：,4、通信系統(tǒng)的理論,5、系統(tǒng)論的方法論功能,（1）一般方法論功能（2）

25、綜合思維功能（3）定量化模擬研究功能（4）實現(xiàn)決策和管理科學(xué)化功能,（三）控 制 論 控制論的產(chǎn)生,維納于1948年獨自發(fā)表了控制論的奠基性著作《控制論（或關(guān)于在動物和機器中控制和通訊的科學(xué)）》，標(biāo)志著控制論正式誕生。,控制論的范疇,適應(yīng)調(diào)節(jié)反饋控制,適 應(yīng),嚴(yán)格描述：若{M1，M2，…，Mk，…，Mn}表示系統(tǒng)原來所處的各種可能的狀態(tài)以及它與環(huán)境交往后所轉(zhuǎn)入的狀態(tài)的集合，而其中 {M1， M2，…

26、，Mk}，表示系統(tǒng)穩(wěn)定運行所處的各種狀態(tài)集合，現(xiàn)在如果有某一外部作用C作用于處于狀態(tài)Mi的系統(tǒng)之上，而C(Mi)的結(jié)果比方說是M2，那么我們說系統(tǒng)在C的作用后“維持了生存”，因為M2∈{M1，M2，…，Mk}。如果系統(tǒng)的適應(yīng)能力特別強，它總能在C作用之后“維持生存”，則一定有 { C(M1)，C(M2)，…，C(Mm)} ∈{M1，M2，…，Mk}。,調(diào) 節(jié),系統(tǒng)對外界環(huán)境變化的適應(yīng)是通過調(diào)節(jié)而達到的。而調(diào)節(jié)的

27、職能是由調(diào)節(jié)器來承擔(dān) 其中D是指外界的干擾和影響，E是系統(tǒng)狀態(tài)的基本變量， R是調(diào)節(jié)器。,反 饋,如果一個系統(tǒng)中有二個部件P、C，而P、C之間有持續(xù)的相互影響、相互作用的閉環(huán)關(guān)系，或者說，當(dāng)一個動態(tài)系統(tǒng)內(nèi)若干個部件之間的作用有這種閉環(huán)關(guān)系時，我們就說這個系統(tǒng)有反饋。如果以有無反饋回路為劃界標(biāo)準(zhǔn)的話，則系統(tǒng)可以分為“開環(huán)系統(tǒng)”和“反饋系統(tǒng)”。 E對C的影響,控 制,系統(tǒng)常常表現(xiàn)出種種目的性行為

28、，這種目的是通過控制達到的，這種控制又是基于一負(fù)反饋機制完成的。任何一個目的性行為都具有負(fù)反饋機制和控制過程。 如果一個系統(tǒng)要完成一個目的性行為，則它一定有一個可供它追求的目標(biāo)值，而且這個目標(biāo)值是已知的，既定的。系統(tǒng)如果沒有達到這個目標(biāo)值，是不會停止的。因此，我們在一定意義上可以把系統(tǒng)追求到目標(biāo)值后的狀態(tài)，看作是穩(wěn)定的，這樣我們就可以把系統(tǒng)的目標(biāo)值看作是系統(tǒng)的穩(wěn)定點。這樣，我們可以用穩(wěn)定性的概念把系統(tǒng)的控制表述如下：,系統(tǒng)的穩(wěn)定態(tài)

29、值（目標(biāo)值）E*是已知時，而現(xiàn)時系統(tǒng)的狀態(tài)E(t)尚未達到E*，這時系統(tǒng)便通過自己的負(fù)反饋回路進行控制，使系統(tǒng)的狀態(tài)E(t)向E*逼近直至最終達到E*為止。 從穩(wěn)定性的概念來看，我們可以把系統(tǒng)達到“目的性行為”的控制和“穩(wěn)態(tài)控制”統(tǒng)一稱為系統(tǒng)的“自穩(wěn)控制”，其控制機制是通過負(fù)反饋完成的?？刂评碚撜J(rèn)為，一個系統(tǒng)要進行“自穩(wěn)控制”必須遵循如下原理：,⑴系統(tǒng)內(nèi)部必須具有一種實施控制的結(jié)構(gòu)，這就是“負(fù)反饋回路”.如圖 :,⑵ 這種回路一般

30、是由測量元件、控制元件、執(zhí)行元件和被控對象耦合而成。是耦合了系統(tǒng)的決策、輸出、狀態(tài)與信息的一條回路。 ⑶ 決策是由控制器作出的，決策是以有用的信息為基礎(chǔ)；決策控制能影響系統(tǒng)的狀態(tài)和輸出；而系統(tǒng)的狀態(tài)和輸出又影響決策。,⑷決策過程一般是：根據(jù)系統(tǒng)的觀察狀態(tài)和目標(biāo)值，計算出觀察狀態(tài)與目標(biāo)值之間的偏差，然后根據(jù)這種偏差決定如何行動。這種控制是一種確定型的控制。⑸設(shè)K的輸出目標(biāo)值為Y0,而現(xiàn)在的輸出是Y(t)，系統(tǒng)通過測量元件得出Y(t)的

31、信息為Iy(t)，并送入C，當(dāng)C發(fā)現(xiàn)Y(t)≠Y0時，則作出決策IC(t)給執(zhí)行元件，并通過執(zhí)行元件給K一個X‘(t)的另加輸入，使得 Y0-K[X(t)+X’(t)]→0。,⑹這種自穩(wěn)控制從它的動態(tài)行為曲線來看，可以呈現(xiàn)下圖中A、B兩種情況。曲線A是典型的最簡單的自穩(wěn)控制，其中E(t)變量以遞減的速度上升到目標(biāo)值，其趨向目標(biāo)值的變化總是開始時快，隨著狀態(tài)E(t)與E偏差的減小而越來越慢。曲線B 表示E(t)復(fù)

32、雜地逼近E，并在E的周圍波動，這是由于反饋回路中過量的時間延遲或過量的調(diào)節(jié)所造成的。,⑺ 信息鏈把系統(tǒng)的狀態(tài)與決策控制連接起來。決策僅依賴于有效信息。⑻ 控制元件的控制容量不能超過它作為信息通道的容量。⑼ 在反饋回路中，信息通道的暢通和控制器的完好對系統(tǒng)的控制至關(guān)重要。,三、自組織理論三個自組織理論：“耗散結(jié)構(gòu)理論”、“協(xié)同論”、“超循環(huán)理論”研究“復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定”。,自組織：協(xié)同論認(rèn)為：“如果沒有外部指令，而是靠某

33、種相互默契，工人們協(xié)同工作，各盡其責(zé)來生產(chǎn)產(chǎn)品，把這一過程稱為自組織。自組織指令不是來自外部而是來自內(nèi)部的組織子系統(tǒng)，因此區(qū)別于組織。耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同論、超循環(huán)理論等，都從不同側(cè)面揭示了自組織自發(fā)形成的原因和具體機制。,,1、耗散結(jié)構(gòu)理論,“耗散”的含義在于這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生不是由于守恒的分子力，而是由于能量的耗散，系統(tǒng)只有耗散能量才能保持結(jié)構(gòu)。這種自行產(chǎn)生組織的現(xiàn)象稱為自組織現(xiàn)象，而耗散結(jié)構(gòu)理論也因此稱為系統(tǒng)自組織理論。其意義正如

34、錢學(xué)森同志所指出的：“布魯塞爾學(xué)派的這些成就把理論生物學(xué)推進了一大步，使一般系統(tǒng)論的有序結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有了嚴(yán)密的理論根據(jù)”。,1、耗散結(jié)構(gòu)理論,它是從深入研究物理、化學(xué)、生物學(xué)中的自組織現(xiàn)象發(fā)展起來的，它的成功之處在于解決了有序現(xiàn)象產(chǎn)生的機理。指出：一個遠(yuǎn)離平衡的開放系統(tǒng)，通過不斷與外界交換能量和物質(zhì)或信息，就可以從原來的無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N時間、空間、或功能的有序狀態(tài)。這種非平衡態(tài)下的新的有序結(jié)構(gòu)稱作耗散結(jié)構(gòu)。 普利高律《結(jié)構(gòu)

35、3;耗散·生命》諾貝爾獎。,耗散結(jié)構(gòu)形成需要的四個條件,Ａ、系統(tǒng)是開放系統(tǒng)　生命、物質(zhì)從低級向高級物質(zhì)轉(zhuǎn)化、肯定存在一種機制使自然界從無序→有序。開放系統(tǒng)才能通過耗散補進負(fù)熵流，以抵消內(nèi)部的熵產(chǎn)生，從而形成有序結(jié)構(gòu)。Ｂ、系統(tǒng)應(yīng)是一個遠(yuǎn)離平衡的系統(tǒng)Ｃ、普利高律認(rèn)為：只有在系統(tǒng)的各個之間存在著一種非線性的相互作用，系統(tǒng)才能形成耗散結(jié)構(gòu)。Ｄ、系統(tǒng)的無序走向有序的演化是通過隨機的漲落來實現(xiàn)的—如熵增。,2、協(xié)同論,H．哈肯《協(xié)

36、同學(xué)導(dǎo)論》、《高級協(xié)同學(xué)》　　　以信息論、控制論、突變論等一些現(xiàn)代科學(xué)理論的新成果為基礎(chǔ)，并吸取了耗散結(jié)構(gòu)論的成功之處。進一步揭示了各種系統(tǒng)從無序到有序以及相反的轉(zhuǎn)變規(guī)律。認(rèn)為：一個系統(tǒng)從無序向有序轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵并不在于熱力學(xué)平衡還是不平衡，也不在于離開平衡多遠(yuǎn)，而在于，只要是一個由大量子系統(tǒng)構(gòu)成的系統(tǒng)，在一定條件下，它的子系統(tǒng)之間通過非線性的相互作用就能產(chǎn)生協(xié)同現(xiàn)象和相干效應(yīng)。,耗散結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為，非平衡是有序之源。哈肯通過許多實驗發(fā)現(xiàn)不

37、僅非平衡態(tài)可從無序到有序，而且平衡態(tài)在一定的條件下，也可從無序到有序。     例一：裝有水蒸汽的箱子，如圖，在高溫下，它的分子互不相關(guān)地自由運動，處于無序狀態(tài)。當(dāng)溫度降低時，它形成液滴，分子之間保持一個平均距離，有序程度提高，最后，在更低的溫度，即凝固點處，水結(jié)成冰，分子完全以固定的秩序排列，有序程度很高。以上三種情況，箱內(nèi)各處溫度是均勻的，因而是一種平衡態(tài)。,2、協(xié)同論,例二：鐵磁體，例如羅

38、盤的磁針，當(dāng)被加熱時，它會突然失去磁性。當(dāng)溫度降低時，它又重新恢復(fù)磁性。從微觀的原子層次看，磁體是由許多（原子的)元磁體（稱為自旋體）組成的。在高溫情況下，元磁體的指向無規(guī)則，如圖，當(dāng)把它們的元磁矩加起來時，會互相抵消，并不形成宏觀磁矩。在臨界溫度到了Tc以下，元磁體排列成行，產(chǎn)生了宏觀磁矩?？梢娢⒂^層次的有序是物質(zhì)在宏觀層次出現(xiàn)新特征的原因。,例三：超導(dǎo)體，即某些金屬和合金，在一定的溫度以下，電阻會突然地完全消失，如圖。這種現(xiàn)象是由金

39、屬電子的某種有序排列引起的。根據(jù)以上事例，哈肯認(rèn)為，系統(tǒng)從無序到有序并不在于是平衡態(tài)還是非平衡態(tài)，這是系統(tǒng)的固有屬性決定的。那么這個固有屬性是什么呢?就是系統(tǒng)內(nèi)各個子系統(tǒng)的協(xié)同，協(xié)同導(dǎo)致有序。,3、超循環(huán)理論,“雞生蛋，蛋生雞”，生物在生生不息的循環(huán)過程中繁衍進化。循環(huán)是自然界中普遍存在的現(xiàn)象。德國生物學(xué)家艾根側(cè)重考察了生物化學(xué)中的各種循環(huán)現(xiàn)象，建立超循環(huán)理論。其中心思想是要說明在生命起源和發(fā)展的化學(xué)階段和生物進化階段之間，有個分子自組

40、織階段。這種自組織具有“一旦建立就永遠(yuǎn)存在下去”的選擇機制。,總之，艾根等人認(rèn)為：“進化原理可理解分子水平上的自組織，最終從物質(zhì)的已知性質(zhì)來導(dǎo)出達爾文的原理?！卞X學(xué)森教授指出：“超循環(huán)”理論，這是直接建立在生命現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型。,艾根的“超循環(huán)”：“只要系統(tǒng)形成循環(huán)”，開始或“源頭”就失去意義，一個系統(tǒng)就可以自我復(fù)制，自我選擇，自我優(yōu)化。三個“自組織理論”，研究的是復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定，但是注意：有序、無序是相對的，絕對的有序和無序是

41、不存在的?！昂纳ⅰ闭J(rèn)為對稱的事物恰恰是無序的，如白天黑夜。,理解有序和無序的多樣性及辯證轉(zhuǎn)化的復(fù)雜性，對于我們認(rèn)識和改造自然的實踐活動具有自然觀的指導(dǎo)意義。社會學(xué)家概括的“信息化”，就是更高有序化社會的一種標(biāo)志。廣義的信息化：標(biāo)志事物有序化的程度。協(xié)同運動系統(tǒng)組織化程度愈高，有序程度愈高，維護這種協(xié)同運動所需的信息量也愈大。,,四、系統(tǒng)科學(xué)方法（一）常用的系統(tǒng)科學(xué)方法,1、系統(tǒng)方法2、黑箱方法3、信息方法4、反饋方法

42、5、功能模擬方法,,１、系統(tǒng)方法,有定性分析和定量分析方法　　不是割斷系統(tǒng)的聯(lián)系，也不是機械的綜合，而是一種直接從整體出發(fā)，用聯(lián)系、運動、轉(zhuǎn)化的觀點綜合系統(tǒng)過程，探索規(guī)律的研究方法?！　∠到y(tǒng)、要素、結(jié)構(gòu)、功能、層次、動態(tài)優(yōu)化——從無序向有序的動態(tài)優(yōu)化。,（1）整體性：“系統(tǒng)綜合——分析——新的系統(tǒng)綜合”，分析不是先于綜合是伴隨綜合，在其一學(xué)分析中都要顧及、反映系統(tǒng)的整體，從而能在把握系統(tǒng)與要素、要素與要素、系統(tǒng)與環(huán)境相互聯(lián)系相互作用

43、中去揭示系統(tǒng)的整體功能和運動規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出最佳系統(tǒng)整體，達到：“綜合就是創(chuàng)造”，“整體大于部分總和”的系統(tǒng)效應(yīng)。即“系統(tǒng)綜合模式”。,（2）相關(guān)性：子系統(tǒng)—子系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部各要素、系統(tǒng)與環(huán)境、系統(tǒng)與要素。（3）最優(yōu)化：亞里士多德：“整體大于它的各個部分的總和”。　　。,２、黑箱方法,確 　對于那些一時不能夠，不允許或很難打開（包括不必要）的系統(tǒng)，黑箱方法不是象傳統(tǒng)方法那樣，立足于分解，而是不取打開

44、途徑，僅以特有的考查“輸入——輸出的方式，對系統(tǒng)作整體上的研究”?！?、黑色三角洲：“百幕大”　2、中醫(yī)　　3、針灸　　基本范疇有：輸入、輸出、黑箱、模型等。,３、信息方法,就是運用信息的觀點，把研究對象抽象為信息及其變換過程，通過信息的獲取、傳輸加工和處理等步驟來揭示研究對象的性質(zhì)和規(guī)律的一種科學(xué)方法。如圖所示： 信息→輸入→存貯→處理→輸出→信息　基本范疇：信源、信道、信道容量、噪聲等。,不著眼于物質(zhì)和能量，

45、而是著眼于信息，它撇開物質(zhì)與能量的具體形態(tài)，而把任何通訊和控制系統(tǒng)看作是一個信息的傳輸、加工處理系統(tǒng)。認(rèn)為正是由于它內(nèi)部存在的信息才使系統(tǒng)維持正常的目的性的運動。進而把任何實踐活動都簡化為三股流：人流、物流、信息流。其中信息流起著支配的作用，它調(diào)節(jié)著人流和物流的數(shù)量、方向、速度、目標(biāo)、駕馭人和物去作有目的、有規(guī)則的運動。而在解決實際問題時總是把它變換為信息形式加以處理，以便達到對復(fù)雜系統(tǒng)運動過程的規(guī)律性認(rèn)識。,信息方法的信息化特征,４、

46、反饋方法,反饋是控制論中的重要概念，亦是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中一個重要概念。反饋：指把施控系統(tǒng)的信息，作用于被控系統(tǒng)后產(chǎn)生的結(jié)果再輸送回來，并對信息的再輸出發(fā)生影響的過程。反饋方法：把這種運用系統(tǒng)運動的結(jié)果來調(diào)整系統(tǒng)運動的方法稱之為反饋方法。分正反饋和負(fù)反饋。如：自動溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。,作用：（1）保持系統(tǒng)的穩(wěn)定；生態(tài)平衡、規(guī)劃的制定—負(fù)反饋。例變頻空調(diào)（2）消除錯誤，增強準(zhǔn)確度　目標(biāo)—實際結(jié)果　例：學(xué)生不準(zhǔn)帶電腦（3）實現(xiàn)最優(yōu)化

47、 基本范疇：控制、調(diào)節(jié)、正反饋、負(fù)反饋。,５、功能模擬方法,即在功能和行為相似的基礎(chǔ)上，建立實體模型來再現(xiàn)原型功能和行為的一種科學(xué)方法。它撇開事物之間的具體形態(tài)和運動形式，只是對事物間的“功能”或“行為”的模擬。而無需分析了解事物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如人們沒有完全搞清人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機制的情況下，運用功能模擬法也可以研制出來人腦功能相似的電腦。,又如：蜘蛛的蛛絲風(fēng)吹日曬不霉?fàn)€→人造絲蛛網(wǎng)獨一無二的懸索結(jié)構(gòu)之巧，承受力之大→橋梁設(shè)計思想和建筑材

48、料它為研制各種控制機器提供了有效方法為研究生命現(xiàn)象的本質(zhì)提供了重要的工具，為研究復(fù)雜的社會，經(jīng)濟現(xiàn)象也開辟了新途徑。,（二）系統(tǒng)科學(xué)方法的特點,1、撇開對象的具體形態(tài)，把系統(tǒng)的運動過程抽象為一個信息的變換過程。　　過程存在于一切組織系統(tǒng)中，信息量的變化意味著系統(tǒng)的目標(biāo)功能。因此，其具有更大的普遍性?！　±杭夹g(shù)系統(tǒng)中通訊、來源：電子計算機等，以及社會系統(tǒng)中的生產(chǎn)管理、經(jīng)濟管理等，用傳統(tǒng)方法很難發(fā)現(xiàn)它們的內(nèi)在聯(lián)系，而運用信息方法則可

49、以根據(jù)其信息的接收、存貯、加工處理、傳遞和變換過程的相似性，便可揭示出它們的某些屬性。,2、直接從整體出發(fā)，用聯(lián)系、改變傳統(tǒng)方法的孤立的、局部的、靜止的方法研究事物。因此，對復(fù)雜巨系統(tǒng)有……。 3、全面把握系統(tǒng)的原因與結(jié)果的相互作用，使認(rèn)識不斷深化。多因多果，因果轉(zhuǎn)化等等。而不是個別因果關(guān)系，機械因果—一個原因產(chǎn)生一個結(jié)果，現(xiàn)代科學(xué)就是探討自然界的因果的復(fù)雜性。,,五、系統(tǒng)工程方法論錢學(xué)森認(rèn)為：“系統(tǒng)工程”是組織和管理系統(tǒng)的規(guī)劃、

50、研究、設(shè)計、制造，試驗和使用的科學(xué)方法。,一、系統(tǒng)工程方法論霍爾（Hall） 的《系統(tǒng)工程方法論》一書指　出，系統(tǒng)工程方法論主要由五個方面的內(nèi)容所組成： ?、?系統(tǒng)工程的工作模式：敘述了系統(tǒng)工程從問題的產(chǎn)生到系統(tǒng)實施的方法和步驟；?、?系統(tǒng)工程的指標(biāo)體系：闡明了系統(tǒng)工程必須在社會政治、經(jīng)濟、道德和法律等規(guī)范下，建立各種具體的指標(biāo)內(nèi)容；,,⑶ 系統(tǒng)工程的組織安排：評述了管理一個系統(tǒng)工程的三種組織模式；⑷ 系統(tǒng)工程師的品格和知

51、識結(jié)構(gòu)：提出了一個“理想“的系統(tǒng)工程師的規(guī)格（霍爾認(rèn)為”理想“的系統(tǒng)工程師應(yīng)該是一個專家小組）；⑸ 系統(tǒng)工程與其它學(xué)科的關(guān)系：明確了系統(tǒng)工程與運籌學(xué)、工程設(shè)計等學(xué)科之間的聯(lián)系。,1969年，霍爾發(fā)表了《系統(tǒng)工程的三維結(jié)構(gòu)》。在這篇論文中，霍爾提出了系統(tǒng)工程的結(jié)構(gòu)和活動矩陣,下面結(jié)構(gòu)圖表明，按時間先后為順序展開的各個階段，都需要經(jīng)過邏輯過程的七個步驟，但重點不同。如制定規(guī)劃階段，主要經(jīng)過邏輯過程的1、2、6和7這四步，而生產(chǎn)階段主要進

52、行系統(tǒng)分析。,,邏輯維的7步分別為：①  擺明問題：弄清將要解決問題的實質(zhì)，并明確問題的邊界；②  評價體系的設(shè)計：提出系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)，確定評價系統(tǒng)功能的各項具體指標(biāo)；③  系統(tǒng)綜合：匯總各種能夠達到目標(biāo)函數(shù)的方案并進行詳細(xì)說明；④  系統(tǒng)分析：建立各種模型，對方案進行剖析、比較、評價，最后加以精簡；⑤  系統(tǒng)選擇：在一定的約束

53、條件下，運用各種技術(shù)，對方案進行優(yōu)化和完善；⑥  決策：根據(jù)實際需要，對方案進行選擇；⑦  實施計劃：對所選方案付諸實施。,時間維的7個階段為：①  制定規(guī)劃：在擺明問題之后，制定出系統(tǒng)的、原則上可行的規(guī)劃；②  擬訂方案：詳細(xì)、切實可行的工作計劃；③  系統(tǒng)研制：以前兩個階段的結(jié)果為原則，完善系統(tǒng)的各項指標(biāo)；④  

54、;生產(chǎn)：生產(chǎn)組成系統(tǒng)的所有基本要素；⑤  安裝：基本元素的組合；⑥  運行：系統(tǒng)按照預(yù)定的目標(biāo)工作；⑦ 更新：大規(guī)模的改革或變革。,將專業(yè)知識作為一維，和時間、邏輯過程結(jié)合起來，可以組成系統(tǒng)工程的三維結(jié)構(gòu) ：,系統(tǒng)工程方法論的基本特點,⑴ 研究方法上的整體化 A. 把研究對象看作一個整體： B. 同時，把研究過程也看作一個整體⑵技術(shù)應(yīng)用上的綜合化 A.現(xiàn)有的復(fù)雜大系統(tǒng)都是一個

55、技術(shù)綜合體。 B.努力創(chuàng)造新型的技術(shù)綜合體。⑶ 管理科學(xué)化,二、系統(tǒng)目標(biāo)的確定,系統(tǒng)目標(biāo)是確定系統(tǒng)工程的邊界、結(jié)構(gòu)、功能和運行方式的依據(jù)，所以選擇和評價目標(biāo)，便成了系統(tǒng)工程研究的戰(zhàn)略起點。(下圖確定目標(biāo)步驟）,1、環(huán) 境 研 究,① 自然環(huán)境 ② 社會環(huán)境 ③ 政治環(huán)境④ 經(jīng)濟環(huán)境 ⑤ 技術(shù)環(huán)境⑥ 原來的系統(tǒng)環(huán)境,2、需 求 研究,① 經(jīng)理評判意見法 ② 銷售員估計法 ③ 時間序列預(yù)測法 ： A.經(jīng)典時間

56、序列法； B.移動平均法； C.指數(shù)平滑負(fù)責(zé)； D.回歸法。 等等,3、指 標(biāo) 體 系 的 建 立,指標(biāo)體系的基本內(nèi)容 ：利潤 ，市場，成本 ，質(zhì)量 ，性能 ，靈活性 ，兼容性 ，安全，時間 ，持久性 指標(biāo)體系的建立過程：,指標(biāo)體系的建立步驟及內(nèi)容,① 準(zhǔn)備階段：建立指標(biāo)體系是一項創(chuàng)造性的工作，必須收集各種資料，進行充裕的批評和評判；② 指標(biāo)編輯：將各種意見匯總、編輯，并以書面

57、形式表示。編輯后的指標(biāo)清單應(yīng)措辭貼切、含義明確、內(nèi)容完整；③ 指標(biāo)分析：考察指標(biāo)的現(xiàn)實性，對指標(biāo)進行統(tǒng)一測試，更換不良指標(biāo)，闡述指標(biāo)的邏輯結(jié)構(gòu)；④ 指標(biāo)的定量化：通過順序標(biāo)尺、經(jīng)濟價值理論等把指標(biāo)定量化，對無法量化的指標(biāo)要作說明，盡可能減少量綱的數(shù)目；,⑤ 處理不定型指標(biāo)：用實驗方法和專家協(xié)商法來減少不定型指標(biāo)的數(shù)量，通過主觀概率盡量使不定型指標(biāo)化為風(fēng)險指標(biāo)；⑥ 解決有爭議的指標(biāo)：常用的方法是尋找一種新的各方都能接受的指標(biāo)，或者采

58、取相互妥協(xié)的方法。在這里，相互體諒和合作態(tài)度是十分重要的；⑦ 明確判別準(zhǔn)則：在一維情況下，可用期望利潤目前價值的最大化，或利潤最大化，或期望利潤的最大化，或規(guī)定得益的最小成本作為判決準(zhǔn)則，也可用對策矩陣或判決矩陣；⑧ 反饋：指標(biāo)體系建立以后還需要反復(fù)檢查，多次修改，直至滿意為止。,三、尋 找 系 統(tǒng) 答 案,尋找方案的一般原則 （1）內(nèi)外結(jié)合 （2）遠(yuǎn)近兼顧

59、 （3）量質(zhì)并舉 （4）整體最優(yōu),四、選 擇 最 優(yōu) 方 案,最優(yōu)方案決策的一般程序,前景預(yù)測:人們根據(jù)已有的事實、實驗，運用邏輯、數(shù)學(xué)等方法，借助于各種技術(shù)手段，對事物的發(fā)展趨向作出預(yù)計和推測。,預(yù)測方法 :有150多種 ，常用31種。 趨勢外推法 ：① 簡

60、單時序曲線法 ② 生長曲線法 決策方法選擇 ：根據(jù)不同的原則，可以將決策方法分成各種類型。,方 案 比 較（上表）,其中： A = A1+A2+ … +An …… F = F1+F2+ … +Fn A1 = a11+a12+ … +a1j

61、 …… Ai = ai1+ai2+ … +aij F1 = f11+f12+ … +f1j …… Fi = fi1+fi2+ … +fij Z1 = ∑a1i+∑b1i+ … +∑f1i …… Zj = ∑aj

62、i+∑bji+ … +∑fji 取Z1、…、Zj中最大數(shù)值者 為最優(yōu)方案。 。,,第三講 小結(jié),1、要學(xué)習(xí)存量知識，也要用智慧統(tǒng)領(lǐng)知識；要了解前人的研究方法，只有掌握了方法，才能創(chuàng)新。 學(xué)習(xí)知識，獲得信息，要掌握方法，只有用智慧統(tǒng)領(lǐng)知識，才能創(chuàng)新。包括戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)的方法論思想。2、科學(xué)知識需要系統(tǒng)化，信息科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)是經(jīng)濟學(xué)、管理學(xué)、計算機科學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域的理論研究與實踐的理論

63、基礎(chǔ)。,3、信息熵和負(fù)熵是兩個方向不同的量，其運動正反映了社會通過信息化有序化方向發(fā)展的必然趨勢。4、（信道理論說明）只有建立高效；可靠、安全地傳遞信息的信道，才能加快信息社會發(fā)展。5、系統(tǒng)要健康協(xié)同發(fā)展，一是系統(tǒng)必須是開放的，二是必須建立合理的組織結(jié)構(gòu)（信道）及“耗散結(jié)構(gòu)”（如管理結(jié)構(gòu)由金字塔（寶塔）形向扁平型轉(zhuǎn)化）。6、整體不等于局部的簡單相加，而是大于局部總和；各局部也不能看作整體的簡單局部。,1、系統(tǒng)的基本特征是什么？2

64、、試述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系？3、什么是系統(tǒng)的整體性原理？4、系統(tǒng)的開放性原理對我們研究系統(tǒng)有什么意義？5、簡述信息與管理的關(guān)系？6、試述反饋與控制的關(guān)系？7、系統(tǒng)工程方法論的基本組成是什么？8、如何理解系統(tǒng)工程方法論的三維結(jié)構(gòu)？9、系統(tǒng)工程方法論的基本特點是什么？10、在系統(tǒng)工程方法論中，尋找方案的一般原則是什么？,作業(yè),網(wǎng)絡(luò)資源：,運用http://www.google.com/ http://www.baidu