系统工程的理论基础

系统工程理论基础

1一般系统论

1.1一般系统论的历史背景

系统的存在是客观事实，但人类对系统的认识却经历了漫长的岁月,对简单系统研究得较多,而对复杂系统则研究得较少。直到20世纪30年代前后才逐渐形成一般系统论。一般系统论来源于生物学中的机体论，是在研究复杂的生命系统中诞生的。

1924～1928年奥地利理论生物学家L.von贝塔朗菲多次发表文章表达一般系统论的思想,提出生物学中有机体的概念，强调必须把有机体当作一个整体或系统来研究，才能发现不同层次上的组织原理。他在1932年发表的《理论生物学》和1934年发表的《现代发展理论》中提出用数学模型来研究生物学的方法和机体系统论的概念，把协调、有序、目的性等概念用于研究有机体，形成研究生命体的三个基本观点，即系统观点、动态观点和层次观点。

1945年他发表《关于一般系统论》的文章,但不久毁于战火,没有引起人们的注意。1947～1948年贝塔朗菲在美国讲学和参加专题讨论会时进一步阐明了一般系统论的思想，指出不论系统的具体种类、组成部分的性质和它们之间的关系如何，存在着适用于综合系统或子系统的一般模式、原则和规律，并于1954年发起成立一般系统论学会(后改名为一般系统论研究会),促进一般系统论的发展,出版《行为科学》杂志和《一般系统年鉴》。虽然一般系统论几乎是与控制论、信息论同时出现的，但直到60～70年代才受到人们的重视。

1968年贝塔朗菲的专著《一般系统论──基础、发展和应用》，总结了一般系统论的概念、方法和应用。1972年他发表《一般系统论的历史和现状》，试图重新定义一般系统论。贝塔朗菲认为，把一般系统论局限于技术方面当作一种数学理论来看是不适宜的，因为有许多系统问题不能用现代数学概念表达。

1.2一般系统论的基本观点

(1)系统的整体性

系统是若干事物的集合，系统反映了客观事物的整体性，但又不简单地等同于整体。因为系统除了反映客观事物的整体之外，它还反映整体与部分、整体与层次、整体与结构、整体与环境的关系。这就是说，系统是从整体与其要素、层次、结构、环境的关系上来揭示其整体性特征的。要素的无组织的综合也可以成为整体，但是无组织状态不能成为系统，系统所具有的整体性是在一定组织结构基础上的整体性，要素以一定方式相互联系、相互作用而形成一定的结构，才具备系统的整体性。整体性概念是一般系统论的核心。

(2)系统的有机关联性

系统的性质不是要素性质的总和，系统的性质为要素所无；系统所遵循的规律既不同于要素所遵循的规律，也不是要素所遵循的规律的总和。不过系统与它的要素又是统一的，系统的性质以要素的性质为基础，系统的规律也必定要通过要素之间的关系(系统的结构)体现出来。存在于整体中的要素，都必定具有构成整体的相互关联的内在根据，所以要素只有在整体中才能体现其要素的意义，一旦失去构成整体的根据它就不成其为这个系统的要素。归结为一句话就是：系统是要素的有机的集合。

(3)系统的动态性

系统的有机关联不是静态的而是动态的。系统的动态性包含两方面的意思，其一是系统内部的结构状况是随时间而变化的；其二是系统必定与外部环境存在着物质、能量和信息的交换。比如生物体保持体内平衡的重要基础就是新陈代谢，如果新陈代谢停止就意味着生物体的死亡，这个作为生物体的系统就不复存在。贝塔朗菲认为，实际存在的系统都是开放系统，动态是开放系统的必然表现。

(4)系统的有序性

系统的结构、层次及其动态的方向性都表明系统具有有序性的特征。系统的存在必然表现为某种有序状态，系统越是趋向有序，它的组织程度越高，稳定性也越好。系统从有序走向无序，它的稳定性便随之降低。完全无序的状态就是系统的解体。

(5)系统的目的性

为了避免误解(主要是避免与古人的“目的论”混同)，也有人把它称为“预决性”。贝塔朗菲认为，系统的有序性是有一定方向的，即一个系统的发展方向不仅取决于偶然的实际状态，还取决于它自身所具有的、必然的方向性，这就是系统的目的性。他强调系统的这种性质的普遍性，认为无论在机械系统或其他任何类型系统中它都普遍存在。

2控制论

2.1控制论的产生与发展

1947年由美国人维纳（Norbert Wiener）创立的控制论（Cybernetics）是一门研究系统的控制的学科。1948年维纳发表奠基性著作《控制论》﹐这本书的副标题是“关于动物和机器中控制和通信的科学”﹐控制论的名称因此而定。维纳抓住了一切通信和控制系统的共同特点﹐即它们都包含着一个信息传输和信息处理的过程。维纳指出﹕一个通信系统总是根据人们的需要传输各种不同的思想内容的信息﹐一个自动控制系统必须根据周围环境的变化﹐自己调整自己的运动﹐具有一定的灵活性和适应性。通信和控制系统接收的信息带有某种随机性质﹐具有一定的统计分布﹐通信和

控制系统本身的结构也必须适应这种统计性质﹐能对一类在统计上预期要收到的输入作出统计上令人满意的动作。

控制论的发展已大致经历了三个时期。经典控制理论是以传递函数为基础的一种控制理论，控制系统的分析与设计是建立在某种近似的和(或)试探的基础上的、控制对象一般是单输入单输出、线性定常系统；对多输入多输出系统、时变系统、非线性系统等．则无能为力。经典抑制理论主要的分析方法有频率特性分析法、根轨迹分析法、描述函数法、相平面法、波波夫法等。控制策略仅局限于反馈控制、PID控制等。这种控制不能实现最优控制。

现代控制理论是建立在状态空间上的一种分析方法，它的数学模型主要是状态方程，控制系统的分析与设计是精确的。控制对象可以是单输入单输出控制系统．也可以是多输人多输出控制系统，可以是线件定常控制系统，也可以是非线性时变控制系统，可以是连续控制系统，也可以是离散和(或)数字控制系统。因此，现代控制理论的应用范围更加广泛。主要的控制策略有极点配置、状态反馈、输出反馈等。由于现代控制理论的分析与设计方法的精确性，因此，现代控制可以得到最优控制。但这些控制策略大多是建立在已知系统的基础之上的。严格来说．大部分的控制系统是一个完全未知或部分未知系统，这里包括系统本身参数未知、系统状态未知两个方面，同时被控制对象还受外界干扰、环境变化等的因素影响。

智能控制是一种能更好地模仿人类智能的、非传统的控制方法，它采用的理论方法则主要来自自动控制理论、人工智能和运筹学等学科分支。内容包括最优控制、自适应控制、鲁棒控制、神经网络控制、模糊控制、仿人控制等。其控制对象可以是已知系统也可以是未知系统，大多数的控制策略不仅能抑制外界干扰、环境变化、参数变化的影响，还能有效地消除模型化误差的影响。

2.2控制系统

控制系统：一般是由控制器、被控对象、传感器、比较器等主要部分组成，对某种环境具有控制功能与行为的系统。控制系统的一般结构包括：（1）传感器。检测比较装置。作用主要是获得反馈。（2）控制器。作用是用来决定应该怎样做。（3）执行器。作用是完成控制器下达的决定。（4）控制量。这是我们自动化机器所要达到的最终目的。

2.3控制论的基本方法

控制论是具有方法论意义的科学理论。控制论的理论、观点，可以成为研究各门科学问题的科学方法，这就是撇开各门科学的质的物点，把它们看作是一个控制系统，分析它的信息流程、反机制和控制原理，往往能够寻找到使系统达到最佳状态的方法。控制论的主要方法有控制方法、信息方法、反馈方法、功能模拟方法和黑箱方法等。

信息方法——是把研究对象看作是一个信息系统，通过分析系统的信息流程来把握事物规律的

方法。

反馈方法——则是动用反馈控制原理去分析和处理问题的研究方法。所衷肠反馈控制就是由控制器发出的控制信息的再输出发生影响，以实现系统预定目标的过程，正反馈能放大控制作用，实现自组织控制。但也使偏差愈益加大，导致振荡。负反馈能纠正偏差，实现稳定控制，但它减弱控制作用、损耗能量。

功能模拟法——用功能模型来模仿客体原型的功能和行为的方法。所谓功能模型就是只以功能行为是相似为基础而建立的模型。如猎手瞄准猎物的过程与自动火炮系统的功能行为是相似的，但二者的内部结构和物理过程是截然不同的，这就是一种功能模拟。功能模拟法为仿生学、人工智能、价值工程提供了科学方法。

黑箱方法（又称系统辨识）——通过考察系统的输入与输出关系认识系统功能的研究方法。它是探索复杂大系统的重要工具。系统辨识是在输入、输出的基础上，从一类系统中确定一个与所测系统等价的系统。黑箱就是指那些不能打开箱盖，又不能从外部观察内部状态的系统。

黑箱方法也是控制论的主要方法。具体是：首先给黑箱一系列的刺激（系统输入），再通过观察黑箱的反应（系统输出），从而建立起输入和输出之间的规律性联系，最后把这种联系用数学的语言描述出来形成黑箱的数学模型。黑箱方法不涉及复杂系统的内部结构和相互作用的大量细节，而只是从总体行为上去描述和把握系统、预测系统的行为，这在研究复杂系统时特别有用。

白箱方法——研究系统的可观性和可控性，通过定量分析找出两者之间的关系。

2.4控制论的应用

经济控制论

建立经济模型，可以研究（1）研究经济结构。经济结构：经济系统中各种因素之间的比例关系及变化规律。（经济总量、经济结构）（2）进行经济发展预测和市场需求预测。（3）规划研究。为制定经济发展规划提供科学的依据。

其他领域：工程领域—工程控制论；生物领域—生物控制论；机器人—智能控制论。

3信息论

3.1信息论的产生与发展

信息论于本世纪40年代末产生，其创始者是美国的数学家申农（C.E.Shannon1916——）和维纳。1948年申农发表的《通讯的数学理论》一文，成为信息论诞生的标志。申农为解决通讯技术中的信息编码问题，把发射信息和接收信息作为一个整体的通讯过程来研究，提出发通讯系统的一般模型；同时建立了信息量的统计公式，奠定了信息论的理论基础。人们认为他是20世纪最伟大的科学家之一。他在通信技术与工程方面的创造性工作，为计算机与远程通信奠定了坚实的理论基础。

人们尊崇香农为信息论及数字通信时代的奠基之父。

信息论是研究信息的产生、获取、变换、传输、存贮、处理识别及利用的学科。可以分为三种：狭义信息论——它以编码理论为中心，主要研究信息系统模型、信息的度量、信息容量、编码理论及噪声理论等。一般信息论（通信理论）：主要是研究信息传输和处理问题，除了香农理论外，还包括噪声理论、信号滤波和预测、统计检测和估计理论、调制理论以及信息处理理论等。广义信息论——又称信息科学，主要研究以计算机处理为中心的信息处理的基本理论，包括评议、文字的处理、图像识别、学习理论及其各种应用。

3.2信息论的应用

（1）信息论在数据压缩理论中的应用

信息论之父香农在 1948 年发表的论文《通信的数学理论》一文中指出，任何信息都有冗余，冗余大小和信息中每个符号的出现概率或者说不确定性有关。香农把信息中排除了冗余后的平均信息量称为信息熵，并给出了计算信息熵的数学表达式，这为数据压缩奠定了理论基础。

数据压缩技术的不断完善是依靠在信息论这门学科的成长上的，信息能否被压缩以及能在多大程度上被压缩与信息的不确定性有直接的关系，人工智能技术将会对数据压缩的未来产生重大影响。

（2）信息论在密码学中的应用

近代密码学由于数据加密标准与公钥体制的出现于应用，使近代密码学所涉及的范围有了极大的发展，尤其是在网络认证方面得到广泛应用，但其中的安全性原理与测量标准仍未脱离香农保密系统所规定的要求，多种加密函数的构造，如相关免疫函数的构造仍以香农的完善保密性为基础。

（3）信息论在统计中的应用

信息论在统计中的应用一般指信息量在统计中的应用，也有编码定理与码结构在统计中的应用等问题。由于统计学研究的问题日趋复杂，如统计模型从线性到非线性，统计分布从单一分布到混合分布，因此信息量在统计中的作用日趋重要，在许多问题中以信息量作为它们的基本度量。

（4）信息论在信号处理中的应用

信号处理包括数据、影象、语声或其他的信号的处理，从信息论的观点看，信号则是观察客观事物表达其相应信息的技术手段，也就是特定信息的载体。信息是通过信号来表达的，对信息的加工和处理，也就是信号的加工和处理。所有处理过程无非是信源编码，变换，过滤或决策过程，其实变换也是一种编码过程。这些过程中的大部分的信息论基础是信息率失真理论。

现在，信息理论与技术不仅直接应用于通信、计算机和自动控制等领域，而且还广泛渗透到生物学、医学、语言学、社会学、经济学和管理学等领域，与这些交叉学科的发展，是信息论的应用范围更加广泛。