第三章系统工程理论的新发展.ppt

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1、1,6/8/2023,系统工程 哈尔滨工业大学管理学院 张庆普,胞扔逊研板常悦褪溃包肉薪敦橙燎嚷矢又攒缺裙蛛扶碎囤重抹咏稻扛肚操第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,2,6/8/2023,第三章 系统工程理论的新发展,3.1 SE日益向多种学科渗透和交叉发展SE这门软科学日益受到人们的重视系统工程研究的对象可分为“硬系统”和“软系统”。所谓硬系统，一般是偏工程、物理型的，机理比较明显，比较容易用数学模型来表述，有较好的定量方法计算出系统的行为和最优解。所谓“软系统”，一般是偏社会、经济型的，机理往往不清楚，较难完全用数学模型来表述，常用定量与定性相结合的方法来处理问题。20世纪

2、70年代中期，一些有远见的学者感觉到“过分定量化”、“过分数学化”会给运筹学、系统工程的应用带来,存窟掳拈李久停垂泳猴立抑举蕾耗背仿怂牛肌吵丰萄片番金抖订屿惑亡膜第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,3,6/8/2023,副作用，有些人满足于数学公式的推导本身，而忽视了最有生命力的源泉实际问题本身。过分定量化、过分数学化的模型难以解决一些社会实际问题，许多学者开始了反思。到20世纪80年代，在美、英出现了一批新的系统方法论，他们的共同特点是偏软，大多没有数学模型，而强调思考方法、工作过程和人的参与等。3.2 复杂适应系统理论要点20世纪80年代中期，国际上兴起了对复杂性问题的研

3、究。1984年在美国成立了以研究复杂性为宗旨的圣塔菲研究所(Santa Fe Instituet，简称SFI）。,习镀竭舔案头驯茵奔喇安丙纷棋腿翰水釉蒋弦课仰明恒账阉拿摆创疯逮底第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,4,6/8/2023,1994年，霍兰正式提出复杂适应系统（Complex Adaptive System,简称CAS）理论。CAS理论的提出对于人们认识、理解、控制、管理复杂系统提供了新的思路。CAS理论的基本思想可以用一句话概括：“适应性造就复杂性”。但适应性只是产生复杂性的机制之一，而不是复杂性的惟一来源。CAS理论不排除还可能有其他的产生复杂性的机制与渠道。

4、CAS是一大类十分重要、常见的复杂系统，它从一个侧面概括了生物、生态、经济、社会等一大批重要系统的共同特点。CAS理论包括微观和宏观两个方面在微观方面，CAS理论最基本的概念是具有适应能力的、主动的个体，简称主体。所谓适应能力表现在它能够根据,滓柒唤敏捏陀浆潞今匣庆士岛镰症榔礁赠菊儡助哲韧湖网粮葛妆佣疲勇招第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,5,6/8/2023,行为的效果修改自己的行为规则，以便更好地在客观环境中生存。这种主体在与环境的交互作用中遵循一般的刺激反应模型。在宏观方面，由这样的主体组成的系统，将在主体之间以及主体与环境的相互作用中发展，表现出宏观系统的分化、涌现

5、等种种复杂的演化过程。CAS系统中的个体一般称为元素、部分或子系统。CAS理论采用了Adaptive Agent（具有适应能力的个体）这个词，是为了强调它的主体性，强调它具有自己的目标、内部结构和生存能力。围绕主体这个最核心的概念，霍兰提出了研究适应和演化过程中特别要注意的7个有关概念：,铝藩敢雨怜捷谣剔吧郡前沸烘伯啄呜吧泛话系鞭笑穆硷碰笆拄曰滇烟妈希第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,6,6/8/2023,聚集、非线性、流、多样性、标识、内部模型、积木。前4个概念是自适应个体的特性,将在适应和进化中起作用,后3个概念则是个体与环境进行交流时的机制。聚集(Aggregatio

6、n)。指系统中的自适应、活的、较低层次的个体，在一定条件下双方彼此接受时，通过“粘着”（Adhesion）形成较大、较高层次的多主体的聚集体（Aggregation Agent），在系统中像一个单独的个体那样行动。个体在聚集过程中会涌现出许多不能用还原论来解释的宏观性态,这是系统复杂性的重要行为特征。非线性(Nonlinearity)。CAS理论认为个体之间相互影响不是简单的、被动的单向因果关系，而是主动的“适应”关系。线性的、简单的、直线式的因果链已不复存在，一般,挎壬疑匡杀傍疆尊蓝权烤森聂簇伎魏译书腕知挪须育铡贴倍典扫次札茧木第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,7,6/8

7、/2023,各种反馈作用（包括负反馈和正反馈）交互影响的、互相缠绕的复杂非线性关系。正是这种复杂非线性关系造成了复杂自适应系统的行为特征难以把握和预测。流(Flow）。在个体与环境之间，以及个体相互之间存在着物质流、能量流和信息流。起关键作用的是信息流。这些流的渠道是否通畅，周转迅速到什么程度，都直接影响系统的演化过程。多样性(Diversity)。在相互作用不断适应的过程中，个体之间的差别会发展与扩大，最终形成分化，形成个体类型的多样性，这是CAS的一个显著特点。而从整个系统来看，这事实上是一种分工；和前面提到的聚集结合起来看，这就是系统从宏观方面看到的“结构”的“涌现”，即所谓的“自组织现

8、象”的出现。,梨苍麓队盒瞥娘褂斋幽灰串地使铸湘氏刊耘畔闲州妒苹鼓辈原濒洒荔契腔第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,8,6/8/2023,标识(Tagging)。为了相互识别和选择，是必须认真考虑标识。个体标识是系统个体在竞争环境中实现相互作用、相互识别、选择的方法。标识的作用主要在于实现信息的交流。CAS理论把信息的交流和处理作为影响系统进化过程的重要因素。内部模型(Internal Models)。内部模型主要表明了系统的层次概念。每个个体都有复杂的内部机制，对于整个系统来说，统称为内部模型。积木(Building Blocks)。复杂系统常常是在一些相对简单的构件的基础上

9、，通过改变它们的组合方式而形成的。事实上的复杂性往往不在于构件的多少和大小，而在于原有积木的重新组合。,添泞漏日瞧顷莆走蹦白众岩挛毗综蒸蔗樟哉挟挝刃鸥江这野隐姜住劈期器第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,9,6/8/2023,CAS理论是人们在系统运动和演化规律认识方面的一个飞跃：主体是主动的、活的实体。这个特点使CAS理论能够有效地应用于经济、社会、生态等其他方法难于应用的复杂系统；作为与系统、全局、整体相对而言的概念，元素、单元、部件都是作为一个被动的、局部的概念而提出的。主体的概念则把个体的主动性提高到了系统进化的基本动因的位置，成为研究与考察宏观演化现象的出发点。个体

10、与环境（包括个体之间）的相互影响和相互作用，是系统演化和进化的主要动力。这个特点使得CAS方法能够运用于个体本身属性极不相同，但是相互关系却有许多共同点的不同领域。,骡因栖贤启型拙壮肚布虚傍撅决梆钳遭柴捞羌耘三否崔袄携坪瘁树匿后裸第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,10,6/8/2023,把宏观和微观有机地联系起来。它通过对主体和环境的相互作用，使得个体的变化成为整个系统的变化的基础，统一地加以考察。引进了随机因素的作用，使CAS具有更强的描述和表达能力。CAS理论在主体模型的基础上，建立了整个系统的宏观模型，霍兰称之为回声模型（Echo Model），在这个基本模型中，主体

11、具有最简单的功能寻找交换资源的其他主体，与其他主体进行资源交流，保存及加工资源。主体要有三个基本部分：,歼平滑锈验咳钉涡弯舆鄙容泼肺烛堡怎搜浑爵墨缄鱼妮二籽阻黍馋亡湛望第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,11,6/8/2023,（1)进攻标识。用于主动与其他主体联系和接触。(2)防御标识。用于其他主体与自己联系时决定应答与否。(3)资源库。用于储存加工资源。主体的基本情况如图3一1所示。图3一1主体的功能：主动与其他主体接触，同时也对其他主体的接触进行应答，如果匹配成功则进行资源交流，在自己内部存储并加工资源；如果资源足够，则繁殖新的主体。,土暮椒根浸跌搭万延禁酉爆疙屡蔡粘柯

12、痹父击膝服淑畏厄睬伴撤寄币项音第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,12,6/8/2023,在此基础上，整个回声模型成为如下情况：整个系统包括若干个位置，每个位置中有若干个主体，主体之间进行交往，交流信息和资源。这就是最基本的回声模型。为了描述复杂的系统行为，逐步增加各种功能和机制：(1)增加“交换条件”机制。即在进攻标识与防御标识相符的条件下，还要加上某种交换条件的确认。(2)增加“资源转换”机制。即主体具备加工、利用和重组资源的能力。增加这一功能为主体的分工和专门化打下了基础。(3)增加“粘着”机制。即若干主体通过建立固定的联系，成为一个多主体的聚合体在系统中一起活动。(4

13、)增加“选择交配”机制。即主体可以有选择地与其他主体结合，通过交换形成新的更强的主体。(5)增加“条件复制”机制。即主体在资源充裕，条件适宜的情况下，复制增加自身的功能。,柄喷铣守骨凤讥峦驳赋烙汾混诡搁碟督这发蔓诽敦歉展灾抡冗眯矽曼逐客第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,13,6/8/2023,通过这一步步扩充，回声模型的表达和描述能力不断增强，具备了描述和研究各种复杂系统的能力。CAS理论的另外一个特点可操作性。圣菲研究所开发的软件平台SWARM，提供了一个标准的软件工具集和软件实验环境，帮助人们集中精力于复杂的研究工作。SWARM的建模思想。建立一系列独立的个体，通过独立

14、事件之间进行交互，考察和研究系统的行为和演化规律。软件模拟的基本单元是个体。一个个体就像系统中的一个演员，它能够产生动作并影响自身和其他个体。个体定义了SWARM系统中的基本对象，即模拟部件。时间表则定义这些对象之间事件发生的流程。在SWARM中，特定的行为发生在特定的时间，按照时间表的规定进行。,悍漱宠护胃谤抠保引暂蛔叫咽展畔傲翅剂蛆动皇新试疮允贷真封辕掇校煤第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,14,6/8/2023,CAS理论的局限性：(1)CAS理论框架本身比较粗糙，带有十分明显的经济学与生物学的印记。还需要广泛地研究各类复杂适应系统，并且逐步形成确实具有方法论和认识论

15、意义和一定普遍性的理论体系和表达方式。(2)从理论本身的概念与内容来说，还有不少需要进一步明确的地方。(3)从实际应用的角度来看，除了需要应用到更广泛的范围之外，CAS理论还需要在实际的控制与管理方面提出有效的、切实可行的方法。(4）作为支持CAS理论研究的工具与环境SWARM，也还处于完善过程之中。,罐意横流宴抉吸鸦缄姜骏懒能辽舷焦沼础松佣俺党靠憎俭饯伺映盒份埂道第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,15,6/8/2023,开放的复杂巨系统 系统工程研究的对象系统规模越来越大，并朝着“巨系统”的方向发展。巨系统钱学森在论述社会系统工程时指出：“这不只是大系统，而是巨系统，是包

16、括整个社会的系统。”强调这类问题的范围之大和复杂程度之高是一般系统所没有的，这是学术界第一次提出巨系统概念。系统按其复杂程度可分成四类：简单系统、简单巨系统、复杂巨系统、特殊复杂巨系统（社会系统)。简单巨系统内子系统的数目一般很多，无法一个一个地描述每一个子系统的运动;系统内子系统之间的相互作用一,廓苑绎囚荧巢猿直萄歹督侵束筒狗住察虾泪参皇抵烩沪泞斟臃东帕区城兽第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,16,6/8/2023,般不太复杂，多数情况下是已知的，可以用确定的规律来描述。但是简单巨系统的整体性质不能从子系统叠加得出，而会“涌现”出新的性质,叠加原理不再适用这是简单巨系统和

17、简单系统之间的根本区别。复杂巨系统。如果组分种类繁多（几十、上百、上千或更多），并有层次结构，之间的关联方式又很复杂（如非线性、不确定性、模糊性、动态性等），这类系统就是复杂巨系统。特殊复杂巨系统（社会系统)。开放的复杂巨系统1990年自然杂志第一期发表钱学森、于景元、戴汝为三人署名的文章：“一个科学新领域开放的复杂巨系统及其方法论”，首次向世人公布了这一新的科学领域及其基本观点。,氮但棱危萝蠕丁畸舍傻几错舍艇抄矿贤脸票绅滚桓伤昭槽黄问襟捉缅这站第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,17,6/8/2023,“开放的复杂巨系统”有三个含义：系统本身与系统周围的环境有物质的交换、能

18、量的交换和信息的交换。系统所包含的子系统很多，成千上万，甚至是上亿万，所以是“巨系统”。子系统的种类繁多，有几十、上百，甚至几百种，所以是“复杂的”。开放的复杂巨系统广泛存在于现实世界,涉及到生物学、医学、生态学、天文学和社会科学等学科领域,如人脑系统、人体系统、社会系统、地理环境系统、军事系统和星系系统等。,瑰这譬劳表制醉凡投巴引蠢嫡阜索诱做磅母正疙菌蛮袁导奏怂鹿荣脾影潍第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,18,6/8/2023,从定性到定量综合集成方法复杂巨系统特别是社会系统无法用现有的数学工具描述出来。当人们寻求用定量方法处理复杂行为系统时，容易注重于数学模型的逻辑处理

19、，而忽视数学模型微妙的经验含义或解释。这样的数学模型，看来理论性很强，其实不免牵强附会，从而脱离实际。研究复杂巨系统,首先遇到的是方法论和方法问题，不是已有科学方法所能处理的.上个世纪80年代末至90年代初,钱学森先后提出了从定性到定量综合集成方法以及它的实践形式-从定性到定量综合集成研讨厅体系(以下将两者简称为综合集成方法),并将运用这套方法的集体称为总体部,形成了一套可以操作的行之有效的方法体系和实践方式.,匀愧壹氏唬工缺也狮辞毡乙面击锁揣备宝聂猴晌吝干缮湍倦泵舵捧默版新第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,19,6/8/2023,钱学森提出的处理复杂系统的方法论是半经验、

20、半理论的，是科学理论、经验和专家判断力的结合。综合集成方法论的完整表述是“从定性到定量综合集成方法,其实质是专家体系、统计数据和信息资料、计算机技术三者有机结合,构成一个高度智能化的人机交互系统,它具有综合集成各种知识,实现从定性到定量认识的功能.”这个过程是从提出问题和形成经验性假设开始的。这一步是专家体系所具有的有关科学理论、经验知识和专家判断力、智慧相结合，并通过讨论班的研讨而形成的，通常是定性的。这样的经验性假设（猜想、判断、方案、思路等）是经验性的，还没有经过精密的严格论证，不是科学结论。从思维科学角度来看，这一步是以形象思维和社会思维为主。在研讨过程中，要充分发扬学术民主，畅所欲言

21、，相互启发，大胆争论，把专家的创造性充分激发出来。,圆琢淀书谢翁痛鸡绸方凭搬臣嫩警阳狮廷粱击藤族氢傲翘隘菩馅督火护肋第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,20,6/8/2023,精密的严格论证是通过人机结合、人机交互、反复对比、逐次逼近，对经验性假设做出明确结论。如果肯定了经验性假设是对的，这样的结论就是现阶段对客观事物认识的科学结论。如果经验性假设被否定，就需要对经验性假设进行修正，提出新的经验性假设，再重复上述过程。从思维科学角度来说，这一过程是以逻辑思维和辩证思维为主。在这个过程中，要充分应用数学科学、系统科学、控制科学、人工智能、以计算机为主的各种信息技术所提供的各种有

22、效方法和手段，如系统建模、仿真、分析、优化等。以社会系统中决策支持系统为例，综合集成方法的应用如图3-2所示。,卖修陆软坪躯礁撑话滨掂蒋画耶咨冗方笺恿雍汛腔燥击铬骗淄砰戚纠峦歇第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,21,6/8/2023,图3-2综合集成方法的应用,束危张铭婚谗偿顾银冤晕殊卧陡钟忻课升哺钻蕾训邻诵厉醚棋赴骇号苟足第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,22,6/8/2023,综合集成研讨厅体系构想钱学森又提出“综合集成研讨厅体系”（Hall for Work Shop of Metasynthetic Engineering，简称HWSME）综合集

23、成方法运用的实践形式和组织形式，是把下列成功的经验汇总和升华了：几十年来世界学术讨论的seminar经验；从定性到定量综合集成法 C3I及作战模拟；情报信息技术；人工智能；灵境（Virtual Reality）技术；人机结合的智能系统；,轴咆拦抠诈私仕汞肄姚步修煌汀字遣嫂鸿博钞朋铺滨撵蝎咆亏溯吁贱拿嚷第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,23,6/8/2023,系统学；第五次产业革命中的其他技术。研讨厅体系由三部分组成：以计算机为核心的现代高新技术的集成与融合所构成的机器体系、专家体系、知识体系，其中专家体系和机器体系是知识体系的载体。这三个体系构成高度智能化的人机结合体系，不

24、仅具有知识与信息采集、储存、传递、调用、分析与综合的功能，更重要的是具有产生新知识和智慧的功能，既可用来研究理论问题，又可用来解决实践问题。,南手肺宠沏谋吐饶著敷病秀扣颖犀缺旱衷国壤遍斑姥砸圾渍锋幌它墩撒兹第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,24,6/8/2023,图3一3是研讨厅的简单示意图。图3一3研讨厅示意图,忱匝喀盯拣鸭篆惑搪玉担紫仗夜围铜现屁桥捣淆焕誉脑私迅爆姬狡区肤垢第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,25,6/8/2023,研讨厅按照分布式交互网络和层次结构组织起来，就成为一种具有纵深层次横向分布、交互作用的矩阵式研讨厅体系，为解决开放的复杂巨

25、系统问题提供了规范化、结构化的形式。开放的复杂巨系统具有科学与经验的本质，综合集成方法和研讨厅体系实际上遵循科学和经验相结合、智慧与知识相结合的途径，去研究和解决开放的复杂系统问题。综合集成研讨厅体系本身就是开放的、动态的体系，也是不断发展和进化的体系。钱学森曾指出：“关于开放的复杂巨系统，由于其开放性和复杂性，我们不能用还原论的办法来处理它，不能像经典统计物理以及由此派生的处理开放的简单巨系统的方法那样来处理。我们必须依靠宏观观察，只求解决一定时期,翠萌频豢杠帛屋萨纸峭竿脆盒统洗濒停覆抹资把迸舶尖无拄艰鞭阮锭猫泞第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,26,6/8/2023,的

26、发展变化的方法。所以任何一次解答都不可能是一劳永逸的，它只能管一定的时期。过一段时间，宏观情况变了，巨系统成员本身也会有其变化，具体的计算参数及其相互关系都会有变化。因此对开放的复杂巨系统，只能作比较短期的预测计算，过了一定时期，要根据新的宏观观察，对方法作新的调整。”应用综合集成方法（包括综合集成研讨厅体系）必须有总体设计部这样的实体机构。如果说综合集成方法是研究开放的复杂巨系统的方法论，那么总体设计部是实现这个方法论所必需的体制和机制，两者是紧密结合在一起的，不同于传统科学研究中的个体研究方式。,遣厘潦馏极裸龄泉罚廉汞驱子漆增佐住向巫豪供瞥季铬乏姨膳鲜壬万溢智第三章系统工程理论的新发展第三

27、章系统工程理论的新发展,27,6/8/2023,钱学森指出：“我们把处理开放的复杂巨系统的方法定名为从定性到定量综合集成方法，把应用这个方法的集体称为总体设计部。”总体设计部由熟悉所研究系统的各方面专家组成，并由知识面宽广的专家负责领导，应用综合集成方法（或综合集成研讨厅体系）对系统进行总体研究。总体设计部设计的是系统的总体方案和实现途径。总体设计部把系统作为若干分系统有机结合的整体来设计，对每个分系统的要求首先从实现整个系统相协调的观点来考虑，对分系统之间、分系统和系统之间的关系，都首先从系统总体协调的需要来考虑，进行总体分析、总体论证、总体设计、总体协调、总体规划，提出具有科学性、可行性和可操作性的总体方案。,笛淌澡节为辕桥梳距抿毖毁孤嚎遗峦弹搽情兹毯嗽论业违牟憨聚脯钢芒蚊第三章系统工程理论的新发展第三章系统工程理论的新发展,