第2章系統(tǒng)工程相關(guān)理論全國工程管理專業(yè)學(xué)位研究生教育核心課程規(guī)劃教材系統(tǒng)工程重慶大學(xué)出版社編

者：

夏昊翔

榮莉莉報(bào)告人：

夏昊翔

胡祥培、蘇秦主編；

于明、吳鋒副主編01.本章在整門課程中的定位02.03.04.目錄CONTENTS經(jīng)典系統(tǒng)理論：一般系統(tǒng)論、控制論、信息論現(xiàn)代系統(tǒng)理論：耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)、突變論、混沌動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)理論的新發(fā)展：復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)本章的定位01本章在課程中的定位第一章：系統(tǒng)、系統(tǒng)思想、系統(tǒng)工程后續(xù)各章：系統(tǒng)工程方法論與系統(tǒng)工程具體方法與技術(shù)核心概念：系統(tǒng)第二章：以“系統(tǒng)”為中心的核心科學(xué)發(fā)展1.1經(jīng)典系統(tǒng)理論：一般系統(tǒng)論、控制論、信息論021.1.1

一般系統(tǒng)論（GeneralSystemTheory）貝塔蘭菲（LudwigVonBertalanffy

)于1930年代開始倡導(dǎo)

“探索用于一般系統(tǒng)的原理，不管它們具有物理、生物還是社會(huì)學(xué)的性質(zhì)”一般系統(tǒng)論的主要目的是為了說明：“1）綜合是各種科學(xué)（自然科學(xué)，社會(huì)科學(xué)）發(fā)展的趨勢(shì)

2）這種綜合可能以系統(tǒng)的一般理論為中心

3）這一理論可能是在非物理的科學(xué)領(lǐng)域建立精密理論的重要手段

4）這一理論研究貫穿各學(xué)科的統(tǒng)一理論，它有助于我們接近統(tǒng)一科學(xué)這一目標(biāo)

5）這可能導(dǎo)致科學(xué)教育中日益迫切需要的綜合?！必愃m菲（1901~1972）一般系統(tǒng)論核心貢獻(xiàn)——構(gòu)建系統(tǒng)理論的關(guān)鍵概念體系結(jié)構(gòu)：1.系統(tǒng)的定義與基本特征系統(tǒng)：定義為相互關(guān)聯(lián)、相互作用的要素（或子系統(tǒng)）構(gòu)成的整體，具有邊界和特定功能。整體性（Wholeness）：系統(tǒng)的性質(zhì)不能簡單還原為各要素的機(jī)械相加，即“整體大于部分之和”（非加和性）。關(guān)聯(lián)性：要素之間通過動(dòng)態(tài)相互作用形成結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的行為取決于這種關(guān)聯(lián)而非孤立要素。2.開放系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)平衡開放系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界環(huán)境持續(xù)交換物質(zhì)、能量和信息（如生物體、生態(tài)系統(tǒng)）。穩(wěn)態(tài)（Homeostasis）：開放系統(tǒng)通過負(fù)反饋調(diào)節(jié)維持動(dòng)態(tài)平衡（如體溫調(diào)節(jié)）。熵與負(fù)熵：開放系統(tǒng)通過輸入負(fù)熵對(duì)抗內(nèi)部熵增，保持有序性（區(qū)別于封閉系統(tǒng)的熱力學(xué)第二定律）。3.等級(jí)性與層次化（Hierarchy）系統(tǒng)具有層次結(jié)構(gòu)，高層次系統(tǒng)由低層次系統(tǒng)構(gòu)成，但表現(xiàn)出新的涌現(xiàn)性質(zhì)（EmergentProperties）。例如：細(xì)胞→組織→器官→生物體→生態(tài)系統(tǒng)。1.1.2控制論（Cybernetics）維納（1894-1964）核心貢獻(xiàn)——為基于信息（負(fù)熵）與反饋控制的一般系統(tǒng)運(yùn)行一般規(guī)律提供了重要概念與理論框架為控制理論與控制工程、早期人工智能、系統(tǒng)理論的發(fā)展提供重要基礎(chǔ)。1948年，維納（NobertWiener）在《控制論》一書中提出“控制論”（Cybernetics）——現(xiàn)代的自動(dòng)機(jī)器和人都是由感覺裝置(器官)、動(dòng)作裝置(器官)、傳遞信息的系統(tǒng)(神經(jīng)系統(tǒng))所組成的一種系統(tǒng)。自動(dòng)機(jī)器和人都是在接收、處理、傳遞和存貯信息，并利用信息去完成動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)與外界的聯(lián)系。在系統(tǒng)工作中，反饋控制給定控制信號(hào)使動(dòng)作裝置(器官)動(dòng)作。動(dòng)作結(jié)果由感覺裝置(器官)檢測出來，并反饋回去與給定信號(hào)相比較。如果比較有偏差，偏差信號(hào)會(huì)繼續(xù)控制動(dòng)作裝置(器官)動(dòng)作，直到偏差信號(hào)消失為止。1.1.3信息論（Informatics）香農(nóng)（1916-2001）源于通信技術(shù)發(fā)展的需要：把信號(hào)無失真地從源送到目的地，同時(shí)解決通信中的噪聲和干擾問題。Shannon1948;ShannonandWeaver1949《通信的數(shù)學(xué)理論》，熵的概念——信息的增加意味著熵的減少，也就意味著系統(tǒng)混亂度的減少。提出信息的測度方法?；陟氐母拍钐岢鲂畔⒕幋a理論。描述了一個(gè)基本的信息模型：“信源—信道—信宿”模型。

一般系統(tǒng)論、控制論、信息論所共同構(gòu)建的系統(tǒng)圖景系統(tǒng)環(huán)境1.特定系統(tǒng)中的開放系統(tǒng)，呈現(xiàn)有序性第一組核心概念：系統(tǒng)

層次性

涌現(xiàn)性2系統(tǒng)的層次性構(gòu)造形態(tài)3涌現(xiàn)（以椋鳥群為例）一般系統(tǒng)論、控制論、信息論所共同構(gòu)建的系統(tǒng)圖景第二組核心概念：信息與控制信息（消除不確定性）事物A事物B事物B向事物A傳遞信息實(shí)例：共享目標(biāo)信號(hào)實(shí)施火力打擊控制：通過信息反饋引導(dǎo)系統(tǒng)行為1.2現(xiàn)代系統(tǒng)理論：自組織與混沌03動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的有序和無序問題無序有序系統(tǒng)的核心特征：有序性現(xiàn)實(shí)的隨機(jī)系統(tǒng)：自發(fā)走向無序（熱力學(xué)第二定律）但現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)存在自發(fā)有序現(xiàn)象（自組織）如何理解自組織？自組織理論用確定性微分方程（組）描述的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，傳統(tǒng)默認(rèn)長期行為是可預(yù)測的（靜止或周期運(yùn)動(dòng)）確定性系統(tǒng)可能呈現(xiàn)類似隨機(jī)的行為：混沌1.2.1耗散結(jié)構(gòu)理論伊利亞·普里高津（1917-2003）對(duì)開放系統(tǒng)，除diS外還有與外界能量或物質(zhì)交換引起的熵變，稱為熵流開放系統(tǒng)總熵變──負(fù)熵流──正熵流若負(fù)熵流足夠強(qiáng)，以至耗散結(jié)構(gòu)：在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的條件下，通過與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換而形成并維持的有序結(jié)構(gòu)。輸入負(fù)熵內(nèi)部熵增耗散結(jié)構(gòu)理論Xλ控制參量表征定態(tài)的某個(gè)參量分岔現(xiàn)象遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)不穩(wěn)定的熱力學(xué)分支(b)(C)穩(wěn)定的耗散結(jié)構(gòu)分支穩(wěn)定的耗散結(jié)構(gòu)分支(C

)（對(duì)應(yīng)某種時(shí)空有序狀態(tài)）（穩(wěn)定的非平衡態(tài)）偏離平衡的線性區(qū)CλC(a)穩(wěn)定的熱力學(xué)分支平衡態(tài)λ0X0

1.2.2協(xié)同學(xué)1.2.3突變論協(xié)同學(xué)（Synergetics）：序參量：支配系統(tǒng)演化狀態(tài)，反應(yīng)系統(tǒng)有序程度變化的狀態(tài)參量，取代“熵”作為處理自組織問題的一般判據(jù)。自組織是系統(tǒng)內(nèi)部大量子系統(tǒng)協(xié)同的結(jié)果。突變論（CatastropheTheory）非線性系統(tǒng)某些參數(shù)的微小變化可以導(dǎo)致平衡態(tài)的出現(xiàn)或消失，或者從吸引變?yōu)榕懦?，又或相反，從而?dǎo)致系統(tǒng)行為產(chǎn)生巨大而突然的變化。為研究復(fù)雜系統(tǒng)相變提供了重要的數(shù)學(xué)工具。哈肯（1927-）托姆（1923-2002）1.2.4混沌動(dòng)力系統(tǒng)一個(gè)行星圍繞一個(gè)恒星旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方程：三體問題開普勒第二定律：行星軌道可預(yù)測，沿著橢圓軌道圍繞恒星旋轉(zhuǎn)推廣到三體問題，呈現(xiàn)什么結(jié)果？混沌動(dòng)力系統(tǒng)洛倫茲方程洛倫茲方程的一個(gè)相圖——充滿狀態(tài)空間的非周期曲線，即所謂“蝴蝶效應(yīng)”混沌系統(tǒng):如果一個(gè)接近實(shí)際而沒有系統(tǒng)內(nèi)在隨機(jī)性的模型仍然具有貌似隨機(jī)的行為,那么這個(gè)系統(tǒng)是混沌的.

fromE.N.Lorenz《TheEssenceofChaos》1.3系統(tǒng)理論的新進(jìn)展：

復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)041.3.1復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論（ComplexAdaptiveSystemsTheory）輸入負(fù)熵內(nèi)部熵增耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)等在理論上論證了復(fù)雜系統(tǒng)自組織的可能性復(fù)雜系統(tǒng)到底怎樣演化的？多個(gè)成員的系統(tǒng)中，如何通過成員之間的交互作用而出現(xiàn)自發(fā)組織？新的研究思路：按照自底向上的方式探究復(fù)雜系統(tǒng)如何由個(gè)體間的交互形成系統(tǒng)總體屬性——復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)IF-ThenIF-ThenIF-ThenIF-Then環(huán)境系統(tǒng)IF-ThenIF-ThenIF-ThenIF-Then環(huán)境系統(tǒng)適應(yīng)與演化1.3.1復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論（ComplexAdaptiveSystemsTheory）

1984年，著名的SanteFeInstitute（SFI）成立，其創(chuàng)始人為諾貝爾獎(jiǎng)獲得者

M.Gell-Mann,P.Anderson,K.Arrow

等。在圣塔菲研究所為代表的大量學(xué)者的推動(dòng)下，復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)范式成為系統(tǒng)科學(xué)研究的重要新興研究范式。MurrayGell-Mann1969年Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者PhilipAnderson1977年Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者KennethArrow1972年Nobe