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文檔簡介
1、第二篇 信息資源管理方法論,第四講 系統科學理論與方法,(一)教學目的:掌握系統科學基本概念、基本理論及方法,了解系統工程方法。(二)教學重點:通信理論、自組織理論(三)教學難點:系統工程理論方法(四)課時安排:6課時(五)作業(yè):見后(六)教學內容,(六)教學內容,一、系統科學理論的產生二、老三論三、自組織理論(新三論)四、系統科學方法五、系統工程方法,一、系統科學理論的產生 “老三論” “新三論
2、”,又稱信息科學理論方法,都是圍繞系統這個對象,但是又是以信息為研究手段的分析研究方法。,,二戰(zhàn)以后,產生把對象作為系統來考察的系統理論:系統論、信息論、控制論。六十年代,耗散結構論、協同論、超循環(huán)理論又相繼問世。,系統科學理論的產生,(1)社會生產力發(fā)展,出現了規(guī)模龐大、技術復雜的大型工程和企業(yè)——復雜結構系統,“復雜巨系統”。(2)科技、生產有機聯系起來,形成一個大系統,它們之間相互影響,相互依賴。要實現對系統的有效控制,就須
3、定量、精確地揭示整個系統的運動規(guī)律。(3)人們作用于勞動對象的方式發(fā)生了變革。 單靠人的精力和體力去操作大機器越來越困難→人—機系統。,系統科學理論的產生,(4)信息的作用明顯增強,只靠人腦來處理信息不能適應“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、最短時間生產大量新武器,人自然地接觸到系統的特征和規(guī)律。如此看來,人類科學都是逼出來的。,系統科學理論的產生,系統科學理論的包括:“老三論”,系統論:研究系
4、統類型、一般性質和一般運動規(guī)律的科學。其體系包括系統學,系統方法學和系統工程學。 信息論:研究信息本質和運動規(guī)律的科學理論。信息論是研究通訊和通訊系統中的信息傳遞的共同規(guī)律的科學,是一門應用數理統計方法研究信息和信息傳遞和變換的科學。 控制論: 研究各種系統的控制規(guī)律的科學。,系統科學理論的包括:“新三論”,耗散結構論、協同論、突變論(超循環(huán)論),,馬克思:把復雜社會大系統劃分為三個基本子系統,即生產結構系統、政治法律系統、意識
5、形態(tài)系統,深刻分析這些系統及各系統內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)系統論,,(1)古代的系統思想:古代醫(yī)學:脈象、經脈、氣血、陰陽互補說;病癥、病人、環(huán)境聯系起來。農事:種子、土壤、肥料、灌溉、季節(jié)之間的辯證關系;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)初期的系統理論 :泰勒的《科學管理原理》 明確提出系統管理的思想。,1、系統論的產生與發(fā)展,(3)現代系統論的產
6、生 :貝塔郎菲(美) 1945發(fā)表論文:“關于一般系統論”,1968年編著出版了《一般系統論的基礎、發(fā)展》,全面闡述了其系統論思想。(4)現代系統論的發(fā)展 : 貝塔郎菲的一般系統論,普利高津(比利時自由大學教授)1969年提出的耗散結構理論;哈肯(西德)1976年提出的“協同學”理論;法國數學家托姆于1972年提出的“突變論”。(5)系統工程學的研究 :美貝爾公司“系統工程學”,蘭德公司“系統分析”方法——系統工程的產生與發(fā)展,也為
7、系統理論的創(chuàng)立作出了重要貢獻。,1、系統論的產生與發(fā)展,2、系統論的基本范疇 系統、要素、結構、功能、層次,系統 :系統是由相互作用、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。系統的基本特征: ? 系統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,使系統作為一個整體具有特定的功能。,要素:要素是構成系統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。 聯系: 聯系是指要素構成為系統的媒介。系統論中比較注意耦合聯系,甚至把聯系與耦合相互通用。 結構:結構是指系統內部各個組成要素之間的相對穩(wěn)定的聯系方式、組織秩序以及時空關系的內在表現形式。,2、系統論的基本范疇,功能:功能是指系統具有的活動能力以及系統在達到預期目的的過程中與外部環(huán)境相互聯系和相互作用中表現出來的性質、能力和功效,是系統內部相對穩(wěn)定的聯系方式、組織秩序及時空形式的外在表現形式。環(huán)境:環(huán)境是指系統以外并
9、與系統發(fā)生聯系、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、系統論的基本范疇,3、系統的描述,結構描述:結構描述亦稱內部描述,是指用各狀態(tài)變量及它們之間的相互關系,亦即用一組狀態(tài)方程來描述一個系統。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系,得出聯立方程。如有必要,則應用矩陣表示,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、出關系,求得整個系統的輸入-輸出關系。某一要素(或系統)的輸入轉換為其輸出的機制,通常用所謂的傳遞函數來表示。在數學上,所謂傳遞函數是指輸出拉普拉斯變換與輸入拉普拉斯變換之比。,結構描述和功能描述的關系:一般地說,系統的結構描述與功能描述可以相互轉化,既可以由狀態(tài)方程求出傳遞函數,亦可以由傳遞函數求出狀態(tài)方程(這種變換稱作系統的實現)。,3、系統的描述,4、系統論中的基本原理,整體性原理:整體性是系統各要素作為一個有機統一體所表現出來
11、的基本特性。用系統效應(SE)衡量整體性。一般說來,系統效應有三種情況: ?、?正效應 :這種效應表示系統效應大于各要素效應之和,即 SE>AE+BE+CE+ ……。 其中AE、BE、CE、等分別表示要素A、B、C等的效應。 ⑵ 0效應: 這種效應表示系統效應剛好等于各要素效應之和,即 SE=AE+BE+CE+ ……。 ⑶ 負效應:這種效應表示系統效應小于各要素效應
12、之和,即 SE<AE+BE+CE+ ……。,層次性原理:由于組成系統的諸要素的差異包括結構方式上的差異,從而使系統組織在地位與作用、機構與功能上表現出等級秩序,形成了具有值的差異的層次性?! 陌l(fā)展的眼光看,系統的層次性即是系統發(fā)展的連續(xù)性和階段性的統一。正確地把握和運用系統的層次性原理,把它轉化為認識方法,具有重要的現實意義。,4、系統論中的基本原理,開放性原理 :系統具有不斷地與外界環(huán)境進行物質、能量
13、、信息交換的性質和功能,系統向環(huán)境開放是系統得以向上發(fā)展的前提,也是系統得以穩(wěn)定存在的條件?! ?在當今的社會,任何一個系統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,那么這樣的系統最終會被其他的系統取而代之,自己也就消亡了。,4、系統論中的基本原理,目的性原理 :組織系統在與環(huán)境的相互作用中,在一定的范圍內其發(fā)展變化不受或少受條件變化或途徑經歷的影響,堅持表現出某種趨向預先確定的狀態(tài)的特性。 穩(wěn)定性原理
14、 :在開放的環(huán)境下,系統具有一定的自我穩(wěn)定能力,能夠在一定的范圍內自我調節(jié),從而在變化的環(huán)境中保持和恢復系統的有序狀態(tài),保持和恢復系統的結構和功能。 系統的穩(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。系統的穩(wěn)定性是系統在非平衡態(tài)下的保持自身有序性的特性。系統的穩(wěn)定性是相對的,而發(fā)展是絕對的。,4、系統論中的基本原理,相關性(關聯性)原理 :是指系統中要素與要素、要素與系統、系統與環(huán)境、結構與功能之間的相互倚存和相互制約
15、的關系。,4、系統論中的基本原理,(二)信息論,信息論是專門研究信息的本質和運動規(guī)律的科學理論。它以信息和信息系統為對象,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)律去構建高效的信息系統的方法。,關于信息論,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(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、信號濾波與預測、調制和信息;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的領域。,4、系統論中的基本原理,1、信息論的產生與發(fā)展,對信息論的產生起決定性作用的是美國數學家申農(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,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。 申農于1948年發(fā)表的《通訊的數學理論》一文,標志著信息論的正式誕生。,1、信息論的產生與發(fā)展,維納對信息論的產生也做出了重大的貢獻。他和申農分別獨立地建立了統計信息量概念,提出了度量信息的數學公式。而且特別論證了控制系統中的信息作用 發(fā)展階段:在申農的狹義信息論的基礎上,又產生了廣義信息論。廣義信息論是以各種系統的信息為研究對象,廣泛地研究信息的本質和特點,
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、信息論的產生與發(fā)展,2、關于信息含義特性等,通訊理論中,申農把信息定義為“事物不確定性的消除程度”抓住了信息的隨機性和統計性這一本質。 在控制論研究中 ,維納把信息定義為“系統組織程度的標記”,這實際上反映了信息的組織結構特征和反饋控制功能。在系統論研究中,著重考慮系統的開放性和封閉性的關系,把信息與熵聯系起來,定義信息為負熵,揭示了信息的有序性本質。,在認識論研究中
19、,由于強調認識主體與客體的關系,所以把信息定義為“認識主體所感知(或所表述)的事物運動的狀態(tài)和方式”。小結:信息概念的多樣化,使人們很難為信息下一個反映全部內涵的定義。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用中產生歧義。在本體論研究中,由于研究信息與物質運動的關系,故把信息定義為“事物運動的狀態(tài)及其存在方式”。,2、關于信息含義特性等,信 息 的 特 性⑴ 信息和物質、能量一起構成統一的世界。 ⑵ 信息是物質
20、固有的根本性質,整個宇宙中到處存在著信息。 ⑶ 信息只有在物質和事物的運動和變化中才能產生出來。 ⑷ 信息是物質相互作用過程中的一種反映形式⑸ 信息是物質之間和主客體之間相互聯系的一種“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;系統無組織程度的度量(3)信宿—負熵H(Y) 信宿為能夠排除不定度的最大信息量I(P);用其描述系統的運動過程,是反映系統由無序向有序狀態(tài)運動。,(4)二者關系: H(X)是系統混亂程度的度量,而負熵恰是解
22、除不定度所需信息的度量;要使混亂的系統有序化就需要一定量的信息,系統從無序到有序所增加的負熵的量也恰好就是系統熱力熵所減少的量?! (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、通信系統的理論 通信系統的簡單構成 仙農的信息通訊模型,(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有: a、壓縮信源 b、信道復用: 時分多路通信 頻分多路通信,4、通信系統的理論,B、信息傳輸的可靠性處理——質量指標 信息傳輸的質量下降原因 處理技術
24、有: a、均衡技術: b、抗干擾技術: 內部:抑制設備內部的噪聲影響;如“致冷”。 外部:“檢錯”。,4、通信系統的理論,C 、信息的保密處理(安全性處理) 保密處理技術——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重要位置” 原因: 有效編碼基本思想:,4、通信系統的理論,5、系統論的方法論功能,(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)實現決策和管理科學化功能,(三)控 制 論 控制論的產生,維納于1948年獨自發(fā)表了控制論的奠基性著作《控制論(或關于在動物和機器中控制和通訊的科學)》,標志著控制論正式誕生。,控制論的范疇,適應調節(jié)反饋控制,適 應,嚴格描述:若{M1,M2,…,Mk,…,Mn}表示系統原來所處的各種可能的狀態(tài)以及它與環(huán)境交往后所轉入的狀態(tài)的集合,而其中 {M1, M2,…
26、,Mk},表示系統穩(wěn)定運行所處的各種狀態(tài)集合,現在如果有某一外部作用C作用于處于狀態(tài)Mi的系統之上,而C(Mi)的結果比方說是M2,那么我們說系統在C的作用后“維持了生存”,因為M2∈{M1,M2,…,Mk}。如果系統的適應能力特別強,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 節(jié),系統對外界環(huán)境變化的適應是通過調節(jié)而達到的。而調節(jié)的
27、職能是由調節(jié)器來承擔 其中D是指外界的干擾和影響,E是系統狀態(tài)的基本變量, R是調節(jié)器。,反 饋,如果一個系統中有二個部件P、C,而P、C之間有持續(xù)的相互影響、相互作用的閉環(huán)關系,或者說,當一個動態(tài)系統內若干個部件之間的作用有這種閉環(huán)關系時,我們就說這個系統有反饋。如果以有無反饋回路為劃界標準的話,則系統可以分為“開環(huán)系統”和“反饋系統”。 E對C的影響,控 制,系統常常表現出種種目的性行為
28、,這種目的是通過控制達到的,這種控制又是基于一負反饋機制完成的。任何一個目的性行為都具有負反饋機制和控制過程。 如果一個系統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值,而且這個目標值是已知的,既定的。系統如果沒有達到這個目標值,是不會停止的。因此,我們在一定意義上可以把系統追求到目標值后的狀態(tài),看作是穩(wěn)定的,這樣我們就可以把系統的目標值看作是系統的穩(wěn)定點。這樣,我們可以用穩(wěn)定性的概念把系統的控制表述如下:,系統的穩(wěn)定態(tài)
29、值(目標值)E*是已知時,而現時系統的狀態(tài)E(t)尚未達到E*,這時系統便通過自己的負反饋回路進行控制,使系統的狀態(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,我們可以把系統達到“目的性行為”的控制和“穩(wěn)態(tài)控制”統一稱為系統的“自穩(wěn)控制”,其控制機制是通過負反饋完成的。控制理論認為,一個系統要進行“自穩(wěn)控制”必須遵循如下原理:,⑴系統內部必須具有一種實施控制的結構,這就是“負反饋回路”.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;決策控制能影響系統的狀態(tài)和輸出;而系統的狀態(tài)和輸出又影響決策。,⑷決策過程一般是:根據系統的觀察狀態(tài)和目標值,計算出觀察狀態(tài)與目標值之間的偏差,然后根據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K的輸出目標值為Y0,而現在的輸出是Y(t),系統通過測量元件得出Y(t)的
31、信息為Iy(t),并送入C,當C發(fā)現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值,其趨向目標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
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節(jié)所造成的。,⑺ 信息鏈把系統的狀態(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的控制至關重要。,三、自組織理論三個自組織理論:“耗散結構理論”、“協同論”、“超循環(huán)理論”研究“復雜結構系統的平衡穩(wěn)定”。,自組織:協同論認為:“如果沒有外部指令,而是靠某
33、種相互默契,工人們協同工作,各盡其責來生產產品,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部的組織子系統,因此區(qū)別于組織。耗散結構理論、協同論、超循環(huán)理論等,都從不同側面揭示了自組織自發(fā)形成的原因和具體機制。,,1、耗散結構理論,“耗散”的含義在于這種結構的產生不是由于守恒的分子力,而是由于能量的耗散,系統只有耗散能量才能保持結構。這種自行產生組織的現象稱為自組織現象,而耗散結構理論也因此稱為系統自組織理論。其意義正如
34、錢學森同志所指出的:“布魯塞爾學派的這些成就把理論生物學推進了一大步,使一般系統論的有序結構穩(wěn)定性有了嚴密的理論根據”。,1、耗散結構理論,它是從深入研究物理、化學、生物學中的自組織現象發(fā)展起來的,它的成功之處在于解決了有序現象產生的機理。指出:一個遠離平衡的開放系統,通過不斷與外界交換能量和物質或信息,就可以從原來的無序狀態(tài)轉變?yōu)橐环N時間、空間、或功能的有序狀態(tài)。這種非平衡態(tài)下的新的有序結構稱作耗散結構。 普利高律《結構
35、3;耗散·生命》諾貝爾獎。,耗散結構形成需要的四個條件,A、系統是開放系統 生命、物質從低級向高級物質轉化、肯定存在一種機制使自然界從無序→有序。開放系統才能通過耗散補進負熵流,以抵消內部的熵產生,從而形成有序結構。B、系統應是一個遠離平衡的系統C、普利高律認為:只有在系統的各個之間存在著一種非線性的相互作用,系統才能形成耗散結構。D、系統的無序走向有序的演化是通過隨機的漲落來實現的—如熵增。,2、協同論,H.哈肯《協
36、同學導論》、《高級協同學》 以信息論、控制論、突變論等一些現代科學理論的新成果為基礎,并吸取了耗散結構論的成功之處。進一步揭示了各種系統從無序到有序以及相反的轉變規(guī)律。認為:一個系統從無序向有序轉化的關鍵并不在于熱力學平衡還是不平衡,也不在于離開平衡多遠,而在于,只要是一個由大量子系統構成的系統,在一定條件下,它的子系統之間通過非線性的相互作用就能產生協同現象和相干效應。,耗散結構理論認為,非平衡是有序之源。哈肯通過許多實驗發(fā)現不
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,它的分子互不相關地自由運動,處于無序狀態(tài)。當溫度降低時,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,箱內各處溫度是均勻的,因而是一種平衡態(tài)。,2、協同論,例二:鐵磁體,例如羅
38、盤的磁針,當被加熱時,它會突然失去磁性。當溫度降低時,它又重新恢復磁性。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,產生了宏觀磁矩。可見微觀層次的有序是物質在宏觀層次出現新特征的原因。,例三:超導體,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。這種現象是由金
39、屬電子的某種有序排列引起的。根據以上事例,哈肯認為,系統從無序到有序并不在于是平衡態(tài)還是非平衡態(tài),這是系統的固有屬性決定的。那么這個固有屬性是什么呢?就是系統內各個子系統的協同,協同導致有序。,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象。德國生物學家艾根側重考察了生物化學中的各種循環(huán)現象,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“一旦建立就永遠存在下去”的選擇機制。,總之,艾根等人認為:“進化原理可理解分子水平上的自組織,最終從物質的已知性質來導出達爾文的原理?!卞X學森教授指出:“超循環(huán)”理論,這是直接建立在生命現象的數學模型。,艾根的“超循環(huán)”:“只要系統形成循環(huán)”,開始或“源頭”就失去意義,一個系統就可以自我復制,自我選擇,自我優(yōu)化。三個“自組織理論”,研究的是復雜結構系統的平衡穩(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化的復雜性,對于我們認識和改造自然的實踐活動具有自然觀的指導意義。社會學家概括的“信息化”,就是更高有序化社會的一種標志。廣義的信息化:標志事物有序化的程度。協同運動系統組織化程度愈高,有序程度愈高,維護這種協同運動所需的信息量也愈大。,,四、系統科學方法(一)常用的系統科學方法,1、系統方法2、黑箱方法3、信息方法4、反饋方法
42、5、功能模擬方法,,1、系統方法,有定性分析和定量分析方法 不是割斷系統的聯系,也不是機械的綜合,而是一種直接從整體出發(fā),用聯系、運動、轉化的觀點綜合系統過程,探索規(guī)律的研究方法。 系統、要素、結構、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:“系統綜合——分析——新的系統綜合”,分析不是先于綜合是伴隨綜合,在其一學分析中都要顧及、反映系統的整體,從而能在把握系統與要素、要素與要素、系統與環(huán)境相互聯系相互作用
43、中去揭示系統的整體功能和運動規(guī)律,并在此基礎上設計出最佳系統整體,達到:“綜合就是創(chuàng)造”,“整體大于部分總和”的系統效應。即“系統綜合模式”。,(2)相關性:子系統—子系統,系統內部各要素、系統與環(huán)境、系統與要素。(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,黑箱方法不是象傳統方法那樣,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和規(guī)律的一種科學方法。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。,不著眼于物質和能量,
45、而是著眼于信息,它撇開物質與能量的具體形態(tài),而把任何通訊和控制系統看作是一個信息的傳輸、加工處理系統。認為正是由于它內部存在的信息才使系統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,它調節(jié)著人流和物流的數量、方向、速度、目標、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,以便達到對復雜系統運動過程的規(guī)律性認識。,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,亦是當代科學技術中一個重要概念。反饋:指把施控系統的信息,作用于被控系統后產生的結果再輸送回來,并對信息的再輸出發(fā)生影響的過程。反饋方法:把這種運用系統運動的結果來調整系統運動的方法稱之為反饋方法。分正反饋和負反饋。如:自動溫度調節(jié)系統。,作用:(1)保持系統的穩(wěn)定;生態(tài)平衡、規(guī)劃的制定—負反饋。例變頻空調(2)消除錯誤,增強準確度 目標—實際結果 例:學生不準帶電腦(3)實現最優(yōu)化
47、 基本范疇:控制、調節(jié)、正反饋、負反饋。,5、功能模擬方法,即在功能和行為相似的基礎上,建立實體模型來再現原型功能和行為的一種科學方法。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部結構。如人們沒有完全搞清人腦內部結構和機制的情況下,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:蜘蛛的蛛絲風吹日曬不霉爛→人造絲蛛網獨一無二的懸索結構之巧,承受力之大→橋梁設計思想和建筑材
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象的本質提供了重要的工具,為研究復雜的社會,經濟現象也開辟了新途徑。,(二)系統科學方法的特點,1、撇開對象的具體形態(tài),把系統的運動過程抽象為一個信息的變換過程?! ∵^程存在于一切組織系統中,信息量的變化意味著系統的目標功能。因此,其具有更大的普遍性?! ±杭夹g系統中通訊、來源:電子計算機等,以及社會系統中的生產管理、經濟管理等,用傳統方法很難發(fā)現它們的內在聯系,而運用信息方法則可
49、以根據其信息的接收、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),用聯系、改變傳統方法的孤立的、局部的、靜止的方法研究事物。因此,對復雜巨系統有……。 3、全面把握系統的原因與結果的相互作用,使認識不斷深化。多因多果,因果轉化等等。而不是個別因果關系,機械因果—一個原因產生一個結果,現代科學就是探討自然界的因果的復雜性。,,五、系統工程方法論錢學森認為:“系統工程”是組織和管理系統的規(guī)劃、
50、研究、設計、制造,試驗和使用的科學方法。,一、系統工程方法論霍爾(Hall) 的《系統工程方法論》一書指 出,系統工程方法論主要由五個方面的內容所組成: ?、?系統工程的工作模式:敘述了系統工程從問題的產生到系統實施的方法和步驟;?、?系統工程的指標體系:闡明了系統工程必須在社會政治、經濟、道德和法律等規(guī)范下,建立各種具體的指標內容;,,⑶ 系統工程的組織安排:評述了管理一個系統工程的三種組織模式;⑷ 系統工程師的品格和知
51、識結構:提出了一個“理想“的系統工程師的規(guī)格(霍爾認為”理想“的系統工程師應該是一個專家小組);⑸ 系統工程與其它學科的關系:明確了系統工程與運籌學、工程設計等學科之間的聯系。,1969年,霍爾發(fā)表了《系統工程的三維結構》。在這篇論文中,霍爾提出了系統工程的結構和活動矩陣,下面結構圖表明,按時間先后為順序展開的各個階段,都需要經過邏輯過程的七個步驟,但重點不同。如制定規(guī)劃階段,主要經過邏輯過程的1、2、6和7這四步,而生產階段主要進
52、行系統分析。,,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,并明確問題的邊界;② 評價體系的設計:提出系統的目標函數,確定評價系統功能的各項具體指標;③ 系統綜合:匯總各種能夠達到目標函數的方案并進行詳細說明;④ 系統分析:建立各種模型,對方案進行剖析、比較、評價,最后加以精簡;⑤ 系統選擇:在一定的約束
53、條件下,運用各種技術,對方案進行優(yōu)化和完善;⑥ 決策:根據實際需要,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,制定出系統的、原則上可行的規(guī)劃;② 擬訂方案:詳細、切實可行的工作計劃;③ 系統研制:以前兩個階段的結果為原則,完善系統的各項指標;④
54、;生產:生產組成系統的所有基本要素;⑤ 安裝:基本元素的組合;⑥ 運行:系統按照預定的目標工作;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、邏輯過程結合起來,可以組成系統工程的三維結構 :,系統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技術應用上的綜合化 A.現有的復雜大系統都是一個
55、技術綜合體。 B.努力創(chuàng)造新型的技術綜合體。⑶ 管理科學化,二、系統目標的確定,系統目標是確定系統工程的邊界、結構、功能和運行方式的依據,所以選擇和評價目標,便成了系統工程研究的戰(zhàn)略起點。(下圖確定目標步驟),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 經濟環(huán)境 ⑤ 技術環(huán)境⑥ 原來的系統環(huán)境,2、需 求 研究,① 經理評判意見法 ② 銷售員估計法 ③ 時間序列預測法 : A.經典時間
56、序列法; B.移動平均法; C.指數平滑負責; D.回歸法。 等等,3、指 標 體 系 的 建 立,指標體系的基本內容 :利潤 ,市場,成本 ,質量 ,性能 ,靈活性 ,兼容性 ,安全,時間 ,持久性 指標體系的建立過程:,指標體系的建立步驟及內容,① 準備階段:建立指標體系是一項創(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。編輯后的指標清單應措辭貼切、含義明確、內容完整;③ 指標分析:考察指標的現實性,對指標進行統一測試,更換不良指標,闡述指標的邏輯結構;④ 指標的定量化:通過順序標尺、經濟價值理論等把指標定量化,對無法量化的指標要作說明,盡可能減少量綱的數目;,⑤ 處理不定型指標:用實驗方法和專家協商法來減少不定型指標的數量,通過主觀概率盡量使不定型指標化為風險指標;⑥ 解決有爭議的指標:常用的方法是尋找一種新的各方都能接受的指標,或者采
58、取相互妥協的方法。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則,也可用對策矩陣或判決矩陣;⑧ 反饋:指標體系建立以后還需要反復檢查,多次修改,直至滿意為止。,三、尋 找 系 統 答 案,尋找方案的一般原則 (1)內外結合 (2)遠近兼顧
59、 (3)量質并舉 (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,前景預測:人們根據已有的事實、實驗,運用邏輯、數學等方法,借助于各種技術手段,對事物的發(fā)展趨向作出預計和推測。,預測方法 :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中最大數值者 為最優(yōu)方案。 。,,第三講 小結,1、要學習存量知識,也要用智慧統領知識;要了解前人的研究方法,只有掌握了方法,才能創(chuàng)新。 學習知識,獲得信息,要掌握方法,只有用智慧統領知識,才能創(chuàng)新。包括戰(zhàn)略和戰(zhàn)術的方法論思想。2、科學知識需要系統化,信息科學和系統科學是經濟學、管理學、計算機科學、生物學等領域的理論研究與實踐的理論
63、基礎。,3、信息熵和負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、系統要健康協同發(fā)展,一是系統必須是開放的,二是必須建立合理的組織結構(信道)及“耗散結構”(如管理結構由金字塔(寶塔)形向扁平型轉化)。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、系統的基本特征是什么?2
64、、試述系統的結構與功能之間的關系?3、什么是系統的整體性原理?4、系統的開放性原理對我們研究系統有什么意義?5、簡述信息與管理的關系?6、試述反饋與控制的關系?7、系統工程方法論的基本組成是什么?8、如何理解系統工程方法論的三維結構?9、系統工程方法論的基本特點是什么?10、在系統工程方法論中,尋找方案的一般原則是什么?,作業(yè),網絡資源:,運用http://www.google.com/ http://www.baidu
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