2016系統(tǒng)工程理論基礎管理學院

1、1,第二章 系統(tǒng)工程理論基礎,一、系統(tǒng)科學的學科體系二、 系統(tǒng)工程的理論基礎三、系統(tǒng)工程理論的發(fā)展趨勢,,,錢學森提出的現(xiàn)代科學技術體系——四個層次一座橋梁,后增加地理科學，建筑科學,工程技術：亦稱生產(chǎn)技術，是在工業(yè)生產(chǎn)中實際應用的技術。技術科學：研究指導生產(chǎn)技術的基本理論學科。與自然科學、社會科學、哲學、數(shù)學并列，被認為科學的五大基本部類之一?；A科學：以自然現(xiàn)象和物質(zhì)運動形式為研究對象，探索自然界發(fā)展規(guī)律的科學。包括數(shù)學、

2、物理學、化學、天文學?、地理學、生物學6門基礎學科及其分支學科、邊緣學科。哲學:社會意識形態(tài)之一，是關于世界觀的學說。是理論化、系統(tǒng)化的世界觀，是自然知識、社會知識、思維知識的概括和總結(jié)，是世界觀和方法論的統(tǒng)一。,3,,,5,第二章 系統(tǒng)工程理論基礎,一、系統(tǒng)科學的學科體系二、 系統(tǒng)工程的理論基礎三、系統(tǒng)工程理論的發(fā)展趨勢,,,6,從系統(tǒng)工程的定義可以看出，系統(tǒng)工程是一門跨學科的邊緣性交叉學科，它包括自然、社會及工程設計分析

3、等方面的知識，它是由一般系統(tǒng)論、經(jīng)濟控制論、運籌學等學科相互滲透、交叉發(fā)展而形成的。,1、一般系統(tǒng)論,亞里斯多德說過“整體大于部分之和”。但作為現(xiàn)代系統(tǒng)論的基本思想最初產(chǎn)生于本世紀20年代初由奧地利生物學家貝朗塔菲（L.Von.Bertalanffy）提出的，強調(diào)生命現(xiàn)象不能用機械論觀點，而只能把它看作一個整體或系統(tǒng)來加以考察。1948年，貝朗塔菲發(fā)表了《生命問題》該書標志著系統(tǒng)論的正式誕生。1968年，他又發(fā)表了《一般系統(tǒng)理論——

4、基礎發(fā)展與應用》。成為系統(tǒng)論的代表著作。,生物機體論,生物機體論主要觀點：1、系統(tǒng) 觀點，即有機體都是一個系統(tǒng)，并把系統(tǒng)定義為相互作用的諸要素的復合體；2、動態(tài)觀點，即生命機體是一個能保持動態(tài)穩(wěn)定的系統(tǒng)；生命過程是生物體和環(huán)境的相互作用?；畹臇|西的基本特征是組織。處于積極的活動狀態(tài)，3、等級觀念，即有機體是按等級組織起來的，生物系統(tǒng)是分等級的，從活的分子到多細胞個體，再到超個體的聚合體，可謂層次分明，等級 森嚴。,機械論的錯誤,貝

5、塔朗菲認為機械論的觀點主 要錯誤是：1、簡單相加的觀點，即把有機體 分解為各要素，并采用簡單地相加來說明有機體 的屬性；2、機械觀點，即把生命現(xiàn)象簡單地比 作機器；3、被動反映的觀點，即把有機體看作 只有受到刺激時才能反映。,一般系統(tǒng)論的方法啟示,1，整體論代替還原論2.思辨原則代替實驗原則3，以目的論代替因果論,2、控制論,控制論是自動控制、通訊技術、計算機科學、數(shù)理邏輯、神經(jīng)生理學、統(tǒng)計力學、行為科學等多種科學技術相互

6、滲透形成的一門橫斷性學科。,1948年美國數(shù)學家維納出版了《控制論》一書，標志著控制論的正式誕生。控制論一詞Cybernetics，來自希臘語，愿意為掌舵術，包含了調(diào)節(jié)、操縱、管理、指揮、監(jiān)督等多方面的涵義。,系統(tǒng)的行為和目的,行為——系統(tǒng)在外界環(huán)境作用（輸入）下所作的反應（輸出）。 生物系統(tǒng)的目的性行為是指外界環(huán)境的改變對生物體的刺激對生物系統(tǒng)來說就是一種信息輸入，生物體對這種刺激的反應對生物系統(tǒng)來說就是信息的輸出。推而廣之，

7、控制論認為任何系統(tǒng)要保持或達到一定目標，就必須具有一定的反饋行為。,2.1控制論的定義:,至今并沒有一個公認的、比較完善的表述。,維納的定義：控制論 “是關于動物和機器中控制和通訊的科學”；我國學者錢學森的定義： “控制論是研究系統(tǒng)各個部分如何進行組織，以便實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定和有目的的行動”。,控制論發(fā)展的三個階段 ：,Ⅰ：50年代末以前，經(jīng)典控制論，黑箱理論 ，傳遞函數(shù) ，作用有限； Ⅱ：50年代末至70年代初，現(xiàn)代控制論、

8、最優(yōu)控制理論 ；Ⅲ：70年代初以后，大系統(tǒng)理論、動態(tài)最優(yōu)控制理 。,經(jīng)濟系統(tǒng)都是大系統(tǒng)。,2.2、控制論的基本概念控制系統(tǒng)的組成,控制系統(tǒng)：一般是由控制器、被控對象、傳感器、比較器等主要部分組成，對某種環(huán)境具有控制功能與行為的系統(tǒng)。。,閉環(huán)控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)的一般結(jié)構,第一，傳感器。檢測比較裝置。作用主要是獲得反饋?！〉诙?，控制器。作用是用來決定應該怎樣做?！〉谌?，執(zhí)行器。作用是完成控制器下達的決定。　第四，控

9、制量。這是我們自動化機器所要達到的最終目的。,反饋,反饋——系統(tǒng)輸出信息返回輸入端，經(jīng)處理，再對系統(tǒng)輸出施加影響的過程。正反饋——反饋信息與原信息起相同的作用，使總輸入增大。系統(tǒng)目標偏離。加劇系統(tǒng)不穩(wěn)定。負反饋——反饋信息與原信息起相反的作用，使總輸入減小。系統(tǒng)目標偏離減小。系統(tǒng)穩(wěn)定。負反饋是控制論的核心問題。,系統(tǒng)的穩(wěn)定性,系統(tǒng)穩(wěn)定性定義：當一個實際的系統(tǒng)處于一個平衡的狀態(tài)時，如果受到外來作用的影響時，系統(tǒng)經(jīng)過一個過渡過程仍然能夠

10、回到原來的平衡狀態(tài)，我們稱這個系統(tǒng)就是穩(wěn)定的，否則稱系統(tǒng)不穩(wěn)定。 穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的一個基本要求，反饋對系統(tǒng)的控制和穩(wěn)定起著決定性的作用，無論是生物體保持自身的動態(tài)平穩(wěn)（如溫度、血壓的穩(wěn)定），或是機器自動保持自身功能的穩(wěn)定，都是通過反饋機制實現(xiàn)的。系統(tǒng)的穩(wěn)定機制與控制方式,2.3 控制論對系統(tǒng)工程方法論的啟示,黑箱——灰箱——白箱法,功能模擬法,形式化、數(shù)量化、最優(yōu)化方法,2.4控制論的應用：經(jīng)濟控制論,英國，古典政治經(jīng)濟學家，亞

11、當?斯密：商品的市場價格像一只“看不見的手”維持著市場供需的均衡；,完美體現(xiàn)了控制論思想,,經(jīng)濟控制模型：,也稱為經(jīng)濟數(shù)學模型、經(jīng)濟模型是在一組基本假設條件下，用數(shù)學關系式定量描述經(jīng)濟系統(tǒng)特征的模型。所描述的數(shù)量關系必須符合經(jīng)濟因果關系和價值規(guī)律。,一定的使用條件； 合理的經(jīng)濟解釋。,經(jīng)濟控制模型分類：,按照建模方法的不同，可分為理論模型和仿真模型。理論模型：清楚經(jīng)濟系統(tǒng)內(nèi)部運行機理?根據(jù)基本經(jīng)濟理論?推理分析建模（白箱建模）

12、。仿真模型：不太了解經(jīng)濟系統(tǒng)內(nèi)部的運行機理?借助于辨識的方法建立的模型（灰箱或黑箱建模）。經(jīng)濟仿真模型在幫助人們認識復雜經(jīng)濟活動中發(fā)揮著越來越重要的作用。,實驗經(jīng)濟學,經(jīng)濟控制模型分類：,按照數(shù)學表達式的不同，經(jīng)濟模型還可分為代數(shù)方程、差分方程、微分方程模型；離散、連續(xù)；靜態(tài)、動態(tài)模型；單變量、多變量模型；線性、非線性模型；輸入輸出模型、狀態(tài)空間模型等。,經(jīng)濟控制模型的應用,（1）研究經(jīng)濟結(jié)構。經(jīng)濟結(jié)構：經(jīng)濟系統(tǒng)

13、中各種因素之間的比例關系及變化規(guī)律。（經(jīng)濟總量、經(jīng)濟結(jié)構）（2）進行經(jīng)濟發(fā)展預測和市場需求預測。（3）規(guī)劃研究。為制定經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃提供科學的依據(jù)。,3、信息論,1948年申農(nóng)發(fā)表的《通訊的數(shù)學理論》一文，成為信息論誕生的標志。申農(nóng)為解決通訊技術中的信息編碼問題，把發(fā)射信息和接收信息作為一個整體的通訊過程來研究，提出發(fā)通訊系統(tǒng)的一般模型；同時建立了信息量的統(tǒng)計公式，奠定了信息論的理論基礎。,信息論的創(chuàng)始人是美貝爾電話研究所的數(shù)

14、學家申農(nóng)（C.E.Shannon1916——），,請解釋一下什么叫信息？ — “消息” 、“信號”、“知識”、“情報” —“消息” 信息信息論是怎樣的一門學科？,3.信息論,,“信息”是當代使用頻率很高的一個概念，也是很難說清楚的一個概念。據(jù)不完全統(tǒng)計，信息的定義有好多種，它們都從不同的側(cè)面、不同的層次揭示了信息的某些特征和性質(zhì)，但至今仍沒有統(tǒng)一的、能為各界普遍認同的定義。,信息的定

15、義,信息的定義,百余種流行的科學定義；1948，控制論創(chuàng)始人N．Ｗiener： 信息是信息，不是物質(zhì)，也不是能量 —《控制論— 動物和機器中通情與控制問題》 —首先將“信息”上升到“最基本概念”的位置香農(nóng)的信息定義鐘義信的信息定義,什么是信息？,香農(nóng)其人,20世紀中葉，信息論、控制論、系統(tǒng)論等標

16、新立異的新理論相繼問世，有力地“晃動”著傳統(tǒng)的科學框架。克勞德·香農(nóng)是一位美國數(shù)學工程師，作為信息論的創(chuàng)始人，人們認為他是20世紀最偉大的科學家之一。他在通信技術與工程方面的創(chuàng)造性工作，為計算機與遠程通信奠定了堅實的理論基礎。人們尊崇香農(nóng)為信息論及數(shù)字通信時代的奠基之父。信息概念、“比特”,克勞德·香農(nóng) (Claude Elwood Shannon，1916-2001) 1916年4月30日誕生于美

17、國密西根州。父親是該鎮(zhèn)的法官，母親是鎮(zhèn)里的中學校長，香農(nóng)的祖父是一位農(nóng)場主兼發(fā)明家，發(fā)明過洗衣機和許多農(nóng)業(yè)機械；此外，香農(nóng)的家庭與大發(fā)明家愛迪生還有遠親關系。,香農(nóng)其人—家庭背景,2001年2月24日，香農(nóng)在馬薩諸塞州Medford辭世，享年85歲。貝爾實驗室和MIT發(fā)表的訃告都尊崇香農(nóng)為信息論及數(shù)字通信時代的奠基之父。,香農(nóng)其人,1938年在MIT獲得獲得電氣工程碩士學位，碩士論文題目是《A Symbolic Analysis o

18、f Relay and Switching Circuits》 (繼電器與開關電路的符號分析)。他注意到電話交換電路與布爾代數(shù)之間的類似性，即把布爾代數(shù)的“真”與“假”和電路系統(tǒng)的“開”與“關”對應起來，并用1和0表示。于是他用布爾代數(shù)分析并優(yōu)化開關電路，這就奠定了數(shù)字電路的理論基礎。哈佛大學的伽登納(Howard Gardner)教授說，“這可能是本世紀最重要、最著名的一篇碩士論文?！?香農(nóng)其人—攻讀學位,1940年香農(nóng)在MIT獲得

19、數(shù)學博士學位，而他的博士論文卻是關于人類遺傳學的，題目是 《An Algebra for Theoretical Genetics》 (理論遺傳學的代數(shù)學)。,香農(nóng)其人—攻讀學位,1948年發(fā)表論文 ：《A Mathematical Theory of Communication 》 “通信的根本問題是報文的再生，在某一點與另外選擇的一點上報文應該精確地或者近似地重現(xiàn)” 這篇論文建立了信息論這一

20、學科，給出了通信系統(tǒng)的線性示意模型的新思想 在這篇論文中，香農(nóng)首次引入“比特”(bit)一詞,香農(nóng)其人—信息理論,通信的數(shù)學理論是香農(nóng)在數(shù)學與工程研究上的頂峰。他把通信理論的解釋公式化，對最有效地傳輸信息的問題進行了研究。后來，寫道： “信息理論可能像一個升空的氣球，其重要性超過了它的實際成就”,香農(nóng)其人—信息理論,香農(nóng)理論的重要特征是熵(entropy)的概念，他證明熵與信息內(nèi)容的不確定程度有等價關系。熵曾經(jīng)是波

21、爾茲曼在熱力學第二定律引入的概念，可以把它理解為分子運動的混亂度。 信息熵也有類似意義。,香農(nóng)其人—信息理論,熱能不能完全轉(zhuǎn)化為機械能，只能從高溫物體傳到低溫物體,香農(nóng)可以熟練地玩一套雜技。 一個膾炙人口的故事：他經(jīng)常騎著獨輪車、手里拋著三個球來到貝爾實驗室的大廳。 發(fā)明過有兩個座位的獨輪車，不過恐怕沒有人敢與他 享；他還把獨輪車造成偏離地心的，騎在上面忽高忽 低，像鴨子行走似的 這些活動表

22、明了香農(nóng)的主張，即好奇心比實用性對他的 刺激更大。 他的名言是：“我感到奇妙的是事物何以集成一體?！?香農(nóng)其人—業(yè)余愛好,1941年香農(nóng)以數(shù)學研究員的身份進入新澤西州的AT&T貝爾電話公司，并在貝爾實驗室工作到1972年；從24歲到55歲，整整31年。1956年他當了MIT的訪問教授，1958年成為正式教授，1978年退休。二戰(zhàn)時期，香農(nóng)博士是一位著名的密碼破譯者。1949年香農(nóng)發(fā)表了另外一篇重要論文

23、 《Communication Theory of Secrecy Systems》 意義：使保密通信由藝術變成科學！,香農(nóng)其人—參加工作,香農(nóng)其人—榮譽獎項,是使我們的世界能進行立即通信的少數(shù)科學家和思想家之一 是美國科學院院士、美國工程院院士、英國皇家學會會員、美國哲學學會會員 獲得 ：1949年Morris獎、1955年Ballantine獎、1962年Kelly獎、1966年的國家科學獎章、IEEE的

24、榮譽獎章、1978年Jaquard獎、1983年Fritz獎、1985年基礎科學京都獎,佛蘭克林研究所的巴蘭亭獎章,美國工業(yè)電子工程協(xié)會頒發(fā)的凱萊獎,美國電機和電子工程協(xié)會的榮譽獎,收到兩封信（消息） ：一封談的是其同學最近的工作、學習狀況；一封是家信，談的是家人的健康狀況 ； 有同事問：你從那一封信中獲得了更多的信息？進一步問： 家信含有的信息比同學來信中多多少？#很難回答—經(jīng)驗性的把“信息”與“消息”混為一談,信息的定義

25、,香農(nóng)的三個觀點：1）形式化假說 通信的基本問題是在消息的接收端精確或近似地復制發(fā)送端發(fā)出的消息。通信中消息的意義和效果與通信工程沒有關系。@ 臺灣將于2008年舉行總統(tǒng)大選！,信息的兩種定義,2）非決定論 一個實際的消息總是從可能發(fā)生的消息集合中選擇出來的；因此，系統(tǒng)必須對每種選擇都能工作。3）不確定性 人們只有在兩種情況下采用通信的需要：一是自己有某種形式的消息要告知對方，而估計對方“不知道”

26、這個消息；二是自己有某種“疑問”要詢問對方，而估計對方能做出一定的解釋。,,香農(nóng)的信息定義： 信息是用來消除 不確定性的東西。,信息的兩種定義,（1）定義的出發(fā)點是假定事物狀態(tài)可以用一個以經(jīng)典集合論為基礎的概率模型來描述，在實際中要尋找一個合適的概率模型往往是非常困難的。有時是否存在這樣一種模型還值得探討。（2）定義沒有考慮收信者的主觀特性和主觀意義，不顧信息的具體含意、具體用途、重要程度和引起后果等因素。這就與實際情

27、況不完全一致。其實，信息有很強的主觀性和實用性。,香農(nóng)信息定義的局限性,鐘義信的信息定義： 信息是 事物運動的狀態(tài)與方式， 是物質(zhì)的一種屬性。,信息的兩種定義,預備知識,消息是用語言、文字、數(shù)據(jù)、符號、音符、圖像等能被人們的感覺器官所感知的形式，對客觀物質(zhì)運動和主觀思維活動的一種表述。,消息： 中國男子足球隊將獲得2008年奧運會 團體冠軍。,人們也常常錯誤地把信息等同于消息，認為得

28、到消息，就是得到了信息。例如，當人們收到一封電報，接到——個電話，收聽了廣播或看了電視等以后，就說得到了“信息”。人們通過通信，接收到消息后，得到的是關于描述萊事物狀態(tài)的具體內(nèi)容。例如，聽氣象廣播，氣象預報為“晴間多云”，這就告訴了我們某地的氣象狀態(tài)．而“晴間多云”這廣播語言則是對氣象狀態(tài)的具體表述。,預備知識,消息中包含信息，是信息的載體。得到消息，從而獲得信息。,知識是人們根據(jù)某種目的，從自然界收集得來的數(shù)據(jù)中，整理、概括、提取

29、得到有價值的、人們所需的信息。知識是一種具有普遍和概括性質(zhì)的高層次的信息。,預備知識,例：有一堆A、B兩所大學學生的考試成績數(shù)據(jù)。 為了了解A、B兩所大學學生的學習成績水平的差別，而進行統(tǒng)計處理，得到—張曲線圖。,預備知識,知識是以實踐為基礎，通過抽象思維，對客觀事物規(guī)律性的概括。知識信息只是人類社會中客觀存在的部分信息。,知識是信息、但不等于信息的全體,情報學中定義： 情報是人們對于某個特定對象所見、所聞、所理解而產(chǎn)生

30、的知識。如“對敵方情況的報告”、 “文獻資料中對于最新情況的報道或者進行資料整理的成果”等！,預備知識,在各種實際通信系統(tǒng)中，往往為了克服時間或空間的限制而進行通信，必須對消息進行加工處理。把消息變換成適合信道傳輸?shù)奈锢砹?，這種物理量稱為信號 (如電信號，光倍號，聲信號，生物信號等等)。 信號攜帶著消息，它是消息的運載工具。例、漢文消息不能直接在信道中傳輸。一般，需先將漢文(例如“借錢5分”)變換成四位碼，

31、然后變換成由點、劃和空隔三種符號組成的莫爾斯碼，再轉(zhuǎn)換成脈沖電信號，然后經(jīng)過調(diào)制變成高頻調(diào)制電信號，才能在信道中傳輸。此時，脈沖電信號或高頻調(diào)制電信號都載荷著漢文消息，表述借了5分錢的一種狀態(tài)。,預備知識,信息理論,信息論－統(tǒng)計信息理論 四十年代末期C.E.Shannon，以客觀概率信息為研究對象，從通信的信息傳輸問題中總結(jié)和開拓出來的理論。發(fā)展的觀點－－信息科學所不可缺少的理論基石,什么是信息理論？,一般通信系統(tǒng)模型,消息,消息

32、+ 噪聲,消息,信息量數(shù)學公式,申農(nóng)的公式：H(x) =ΣP(xi)h(xi)= －ΣP(xi)·log2P(xi)其中：H（x）表示信息量， P(xi)表示某狀態(tài)xi不確定的概率， h(xi) = —log2P(xi)，表示某狀態(tài)xi的不定性數(shù)量或所含的信息量。若P(xi)=1，則h(xi) =0；若P(xi)=0，則h(xi) =∞；當ｎ=2，且P1=P2=1/2時，H(x)=1比特。因此可見一個等幾率的二中擇一的事件

33、具有1比特的不定性或信息量。,信息與熵關系,信息量所表示的是體系的有序度、組織結(jié)構程度、復雜性、特異性或進化發(fā)展程度。這是熵（無序度、不定度、混亂度）的矛盾對立面，即負熵。關于信息論的熵與的關系，布里淵、林啟茨和奧根斯坦等曾進行過初步討論。比較：信息熵：Ｉ＝－log2P（xi）熱力學熵：S=KlnP有：Ｉ＝－log2e·S／Ｋ ——即信息是負熵。,信息特征,信息特征有：1、可識別；2、可轉(zhuǎn)換；3、可傳遞；4、可加工處理

34、；5、可多次利用（無損耗性）；6、在流通中擴充；7、主客體二重性。8、信息的能動性。9、可共享性。 信息是物質(zhì)相互作用的一種屬性，涉及主客體雙方；信息表征信源客體存在方式和運動狀態(tài)的特性，所以它具有客體性，絕對性；但接收者所獲得的信息量和價值的大小，與信宿主體的背景有關，表現(xiàn)了信息的主體性和相對性。可共享性是信息與物質(zhì)和能量的主要區(qū)別。,信息論,信息論 是研究信息的產(chǎn)生、獲取、變換、傳輸、存貯、處理識別及利用的學科。狹義信息

35、論——它以編碼理論為中心，主要研究信息系統(tǒng)模型、信息的度量、信息容量、編碼理論及噪聲理論等。一般信息論（通信理論）：主要是研究信息傳輸和處理問題，除了香農(nóng)理論外，還包括噪聲理論、信號濾波和預測、統(tǒng)計檢測和估計理論、調(diào)制理論以及信息處理理論等。廣義信息論——又稱信息科學，主要研究以計算機處理為中心的信息處理的基本理論，包括評議、文字的處理、圖像識別、學習理論及其各種應用。,信息論研究利用了類比方法和統(tǒng)計方法信息方法,信息論及其方法