系统工程理论(1).docx

《系统工程理论(1).docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《系统工程理论(1).docx（32页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、系统工程理论 第一节 系统科学的学科体系我国著名科学家钱学森提出了一个清晰的现代科学技术的体系结构，认为从应用实践到基础理论，现代科学技术可以分为四个层次：首先是工程技术这一层次，然后是直接为工程技术提供理论基础的技术科学这一层次，再就是基础科学这一层次，最后通过进一步综合、提炼达到最高概括的马克思主义哲学。如图2-1所示。在此基础上他又进一步提出了一个系统科学的体系结构。他认为系统科学是由系统工程这类工程技术，系统工程的理论方法（像运筹学、大系统理论等）这一类技术科学（统称为系统学），以及它们的理论基础和哲学层面的科学所组成的一类新兴科学。如图2-2所示。马克思主义哲学自然科学数 学社会科学

2、工程技术技术科学（社会辩证法）自然辩证法 历史唯物主义图2-1现代科学技术体系系统学主要研究系统的普遍属性和运动规律，研究系统演化、转化，协同和控制的一般规律、系统间复杂关系的形成法则、结构和功能的关系、有序、无序状态的形成规律以及系统的仿真的基本原理等，随着科学的发展，它的内容也不断在丰富。由于其尚属于起步阶段，还不够成熟，因而学者们对系统科学的学科体系的认识仍有较大差异。系统工程是从实践中产生的，它用系统的思想与定量和定性相结合的系统方法处理大型复杂系统的问题，它是一门交叉学科。系统工程是把自然科学和社会科学的某些思想、理论、方法、策略和手段等根据总体协调的需要，有机地联系起来，把人们的生

3、产、科研、经济和社会活动有效地组织起来，应用定量和定性分析相结合的方法和计算机等技术工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目的，以便最充分地发挥人力、物力和信息的潜力，通过各种组织管理技术，使局部和整体之间的关系协调配合，以实现系统的综合最优化。系统工程是一门工程技术，但它与机械工程、电子工程、水利工程等其它工程学的某些性质不尽相同。上述各门工程学都有其特定的工程物质对象，而系统工程则不然，任何一种物质系统都能成为它的研究对象，而且还不只限于物质系统，它可以包括自然系统、社会经济系统、经营管理系统、军事指挥系

4、统等等。由于系统工程处理的对象主要是信息，所以系统工程是一门“软科学”。系统工程在自然科学与社会科学之间架设了一座沟通桥梁。现代数学方法和计算机技术，通过系统工程，为社会科学研究增加了极为有用的定量方法、模型方法、模拟实验方法和优化方法。系统工程为从事自然科学的工程技术人员和从事社会科学的研究人员的相互合作开辟了广阔的道路。马克思主义哲学社会科学数学科学数 学突变论自然科学基础科学物 理 学生 物 学其它技术科学系统学运筹学巨系统理论控制论信息论各门系统工程自动化技 术 通信技术（系统观）系统科学人体科学思维科学哲 学基础科学技术科学工程技术 图2-2 系统科学的体系第二节 系统工程的理论基础

5、系统工程是一门交叉学科，有其宽广的理论基础。系统工程的理论基础及工具的框架，大致如图2-3所示。正如钱学森同志所说：“我认为把运筹学、控制论和信息论同贝塔朗菲（一般系统论）、普利高津（耗散结构理论）、哈肯（协同学）、弗洛里希、艾肯等人的工作融会贯通，加以整理，就可以写出系统学这本书”，可见系统论、信息论、控制论、运筹学是系统科学的重要理论基础及工具。运筹学提供了定量分析的工具，三论为系统科学的发展注入了新的思想。下面就这几方面内容进行简要阐述。（理论基础）发展控 制 论信 息 论一般系统论耗散结构理论协同学运 筹 学突变论线性规划系 统 工 程 理 论 基 础 及 工 具 动态规划排队论存储论

6、对策论图论概率论、数理统计高等代数模糊数学集合论数理逻辑计算机科学模拟技术工程技术经济学心理学哲学社会科学图2-3 系统工程理论基础及工具一、控制论（一）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。维纳于1948年出版了控制论一书，他对控制论的定义是：“关于动物和机器中控制和通信的科学。”明确地指明这门新科学既突破了动物和机器地界限，又突破了控制工程与通信工程地学科界限。因而维纳的控制论阐述着两个根本观念： 一切有生命、无生命系统都是信息系统。控制的过程也可以说是信息运动的过程。无论是机器还是生物，在

7、构成控制系统的前提下，都存在着对信息进行接收、存取和加工的过程。 一切有生命、无生命系统都是控制系统。一个系统，一定有它的特定输出功能，而要具有这种输出功能，必须有相应的一套控制机制。控制必须要有目标，没有目标，则无所谓控制。通过一系列有目的的行为及反馈使系统受到控制。人们根据维纳的定义形成的比较公认的看法是：“控制论是以研究各种系统共同存在的控制规律为对象的一门科学。”钱学森认为其是二十世纪上半叶最伟大的三项理论（相对论、量子论、控制论）之一。 控制论的发展已大致经历了三个时期。从40年代末到50年代是第一个时期，即经典控制理论时期。在这一时期，主要的研究对象是单因素控制系统，重点是反馈控制

8、，借以实现的工具是各种各样的自动调节器、伺服机构及其有关的电子设备，着重解决单机自动化和局部自动化问题。如用自动调节器来控制锅炉水位，用伺服机构使雷达自动跟踪目标，控制火炮自动瞄准等。但是这些都是单变量自动控制，只解决单输入与单输出系统的控制问题，在应用上有一定局限性。控制论发展的第二个时期为60年代，即现代控制理论时期。随着导弹系统、人造卫星、航天系统等科学技术的迅速发展，提出了多输入、多输出、高精度和参数时变系统的分析和设计问题，以往经典控制论已不能满足需要了。因而这一时期，控制论的主要研究对象就成了多因素控制系统，研究重点是“最优控制”，研究借助的工具是电子计算机。美国科学家卡尔曼（Ka

9、lman）等人将量子力学等内容引入到了控制论中，扩展了经典控制论的内容，将控制论从“经典控制论”推向“现代控制理论”，从单变量的自动调节发展到多变量的最优控制。进入70年代以后，是大系统控制理论时期。在这一时期，主要研究对象是因素众多的大系统，重点是大系统多级递阶控制，借助的工具是电子计算机联机和智能机器，应用领域主要为社会系统、经济系统、生态系统、管理系统、环境系统等。这些大系统是大规模复杂系统，其规模庞大、结构复杂、环节数量大或层次较多，其间关系错综复杂，影响因素众多，并常带有随机性质的系统。研究大系统的结构方案、稳定性、最优化、建立模型的模型简化等问题成为大系统理论。分解与协调的方法是大

10、系统优化的基本方法。 （二） 控制论的基本概念1. 控制系统的构成控制系统由施控器、受控器和控制作用的传递者三者组成，形成一个整体的控制功能和行为，但这又是相对于某种环境而言。因而可以把施控器、受控器和控制作用的传递者三个部分所组成的、相对于某种环境而具有控制功能与行为的系统，称为控制系统。控制系统按照有无反馈回路而分为闭环控制系统和开环控制系统两大类。没有反馈回路的控制系统叫开环控制系统。具有反馈回路的控制系统叫闭环控制系统。与开环系统相比，它不仅多了一条把输出回输到原来的控制器的反馈回路及反馈装置，还多了一个比较器。如图2-4所示。因为开环控制系统是由系统的输入直接控制着它的输出的，因而对

11、环境的适应能力差，只有当外界干扰较小或干扰恒定时，这种控制系统才能正常发挥作用。闭环控制系统由于带有反馈回路，所以它的输出是由输入和输出的回输共同控制的，因而其对环境有较大的适应性。 输入 偏差 控制 输出反馈施控器受控器检测器比较器环 境图24 闭环控制系统框图控制论研究的重点是带有反馈回路的闭环控制系统，并不是任意的控制系统。控制论首要的观点是反馈，从反馈的观点看，反馈（负反馈）就是控制的调节行为，因而多把控制论系统局限于带反馈回路的闭环控制系统。控制论的另一个重要观点是信息。从信息的观点出发，可以认为控制论所说的反馈是指信息反馈。因而控制论系统是通过信息的传输、变换和反馈来实现自动调节的

12、控制系统。2. 系统的稳定性系统处于环境之中，受到内、外部的干扰（即把系统从一种状态变迁到另一种状态的作用），要保证系统确定的性质和功能，就必须具有抗干扰的稳定性。稳定性分为第一类稳定性和第二类稳定性。当外界的变化不致使系统发生显著变化时，也就是说任意给定一个，必存在一个使得时（为系统的起始状态，为平稳状态），称为第一类稳定性。当系统所受到干扰偏离正常的状态时，在干扰消失后能自动恢复其正常状态时，也就是说任意给定一个，必存在一个，当（系统恢复正常的时间），使得时，称为第二类稳定性。3. 系统的稳定机制及控制方式稳定机制中的基本机制是负反馈。“一切有目的的行为都可以看作需要负反馈的行为。”所以，

13、机器和生物一般都通过负反馈来达到控制的目的的。这是控制论的基本理论观点。维纳等人指出：人的“随意活动中的一个极端重要的因素就是控制工程师们所谓的反馈作用。”技术系统与生物系统在结构上都具有反馈回路，在功能上则表现为它们都具有自动调节和控制功能。反馈有两类：正反馈与负反馈。如果输出反馈回来放大了输入变化导致的偏差，这就是正反馈；如果输出量反馈回来弱化了输入变化导致的偏差，这就是负反馈。正反馈的作用是用来放大某种作用或效应；使有直接关联的系统相互促进，协调发展。负反馈的作用是保持系统行为的稳定；使系统的行为方向趋向一个目标。此外，控制过程的实现，离不开系统要素间的信息联系和运动。所以，控制的过程也

14、可以说是信息运动的过程。维纳提出了同构理论。这种理论认为，尽管机器与动物在质上相差甚大，但从机器控制的动作和人的行为过程来看，它们都具有一种共通的性质：同构性。在这种“同构理论”的基础上，维纳从伺服机构理论中引入了“反馈”概念，从无线电通信工程中引入了“信息”概念，提出依靠信息与反馈运动实现控制是在机器和动物中普遍存在的一种运动方式。4. 系统的结构结构是指要素在系统范围内的秩序，亦即要素之间相互联系、相互作用的内在方式。任何系统都具有一定的结构，没有无结构的系统。系统的有序性越高，系统结构也就越严密。系统结构的特点是：（1）层次性是系统结构的普遍形式。整个宇宙可以看成一个系统，这个系统也有结

15、构，它按自然发展规律形成等级秩序，这就是结构的层次性。（2）结构具有相对性。较高层次具有较高的复杂性。系统与要素是相对于系统的等级和层次而言的。一般说来，高一级的结构层次对低一级的结构层次有着制约性，而低一级结构又是高一级结构的基础，低一级结构层次反作用于高一级结构层次，它们之间的关系是辨证的。（3）各层次都有其自身的最佳规模。层次可以按照系统中各要素联系的方式、系统运动规律的类似性、人类认识尺度的大小、能量变化的范围和功能特点来划分，不当的层次划分会影响人们对客观系统的正确认识。（4）结构具有稳定性。系统之所以能够保持它的有序性，就在于其各要素之间有着稳定的联系。结构的稳定性是指结构总是趋于

16、保持某一状态，具有抗干扰力。结构中各要素稳定联系的类型有二：平衡结构和非平衡结构。平衡结构如晶体，其结构稳定性是非常明显的；非平衡结构又有两种：一种组织严密、有机程度高，如生物体，它与外界经常交换物质、能量和信息，呈动态稳定，以维持自身生存；另一种是非严密组织的结构，如生态系统中的花粉传播结构，由蜜蜂花蜜花粉三者构成有机联系，这种方式虽然偶然成分很大，但隐藏着必然、有序的方面，正是通过这种传播结构，蜜蜂和花丛才得以繁衍后代。（5）结构具有开放性和动态性。系统总要与外界进行物质、能量和信息的交换，并在交换过程中使自身发展变化，由量变到达质变，这就是结构的开放性和动态性，这是绝对的，不存在绝对的封

17、闭系统。系统各层次之间以及每个层次内部要素之间也都存在着物质、能量或（和）信息的联系。系统结构有其意义：结构说明存在的方式，不同结构为不同物；结构决定系统的性能。要素相同而结构不同，功能也不同。如石墨与金刚石同由碳原子组成，但由于结构不同，它们的性质便迥然不同。5. 系统的能控性、能观性一个系统若具有能控性和能观性，就可以对它实施最优控制，否则只能求其次优控制，甚至不能控。假定系统初始时刻处于状态空间任意一点XR， 如果系统能通过控制函数（输入）在有限时间内将系统由初态XR转移到状态空间原点，则说明这一系统具有能控性。假定系统初始时刻位于状态空间原点，如果系统能通过控制函数（输入）在有限时间内

18、将系统由初态转移到状态空间任意一点，则说明系统具有能达性。假定系统初始状态为X(t0)，若依据有限时间区间J内所测得的输出和外加的输入能够确定出系统的初态X(t0)，如果J是t0开始以后的区间，称该系统在t0时刻具有能观性；若J是t0以前到t0的区间，则该系统在t0时刻具有能构性。能控性与能观性参见图25。C1SC2C2SS2S1 能控 不能控 不能控 C1C2CSSBS1S2 能观 不能观 不能观 图25 能控性与能观性示意图6. 闭环控制系统的动态过程闭环控制系统按目标性质的不同而分为定常控制系统和随动系统两类。定常控制系统的目标固定，其输入的目标值是给定的。当干扰存在时，系统能自动地使输

19、出保持在给定值上下的容许范围内。随动系统的目标是运动变化的，其输入的目标值是随时间变化的，其输出能以一定精度跟随输入的变化而变化。如导弹的自动寻的系统就是这类系统。虽然这两类系统的目标性质不同，但它们都要具备检测、纠偏的功能，以达到系统目标的要求。当被控对象处于需要纠偏的过程中时，它处于动荡的、不平衡的状态，控制过程就是实现从动荡状态到稳定状态的转变过程，这也是一个过渡过程。依据被控制对象在过渡过程中的行为（即动态响应），可以判断控制系统的工作品质。一般通过向系统输入一个阶跃信号，测量其过渡过程的输出（行为、响应），依据输出加以判断。图26表示一个正常闭环系统的单位阶跃响应曲线。图中t坐标轴是

20、时间坐标轴；c(t)坐标轴是输出坐标轴，系统的稳定值为1；ts是曲线首次进入允许误差范围的时间，称为调整时间或过渡过程时间；MP是最大超调量。 c(t) Mp 1 0 ts t图26 系统的过渡过程曲线系统的过渡时间ts和超调量Mp是描述过渡过程的两个重要性能指标。ts越小，系统从一个稳态过渡到另一个稳态所需时间越短，反之则越长。所以，ts是表征系统反应输入信号速度的一项性能指标。Mp越小，系统的过渡过程进行地越平稳。超调值大，系统的过渡时间就长。（二） 控制论对系统工程方法论的启示1. 黑箱灰箱白箱法控制论的创始人维纳在模型在科学中的作用一文中认为，所有的科学问题都是作为“闭盒”问题开始的。

21、若干可选择的结构被密封在“闭盒”中，研究它们的唯一途径是利用闭盒的输入和输出。这里的闭盒就是黑箱。黑箱是指人们一时无需或无法直接观测其内部结构，只能从外部的输入和输出去认识的现实系统。比如中医看病，通过“望、闻、问、切”等外部观测作出诊断，开出处方。这种从人体输入和输出的“辨证施治”，就是把病体视为黑箱。白箱则指系统内部的构成都是十分清楚的系统，如某种氧气发生器，其内部的成分和反应机理都是十分清楚的。介于两者之间的系统称为灰箱。按照对系统的输入、输出及内部结构的认识我们可以采用黑箱、灰箱、白箱方法来研究、分析系统。一个被观察对象是黑箱还是灰箱，往往是对于不同的观察和不同的观察目的而言的。而对于

22、人类来说，事务总是从黑箱到灰箱，最后变成白箱的过程，这反映了人类认识的不同阶段，从黑箱方法到白箱方法，在对观察对象的已知性和预测性两方面都反映了一级比一级更高的认识水平。控制论的贡献不在于把一无所知的系统视为黑箱，而在于它提供了认识黑箱的方法，即黑箱方法。所谓黑箱方法，就是采用不打开系统“活体”，仅从系统的整体联系出发，通过系统的输入和输出关系的研究，去认识和把握系统的功能特性，探索其结构和机理的研究方法。所谓打开黑箱，在任何场合也只是打开其中的某一层次。事物本质的层次性，决定了事物的黑箱总是一层套一层，永远不会完结。黑箱永远有，白箱永不白。这就是说，在任何时候，人们总得采用不打开黑箱的方法研

23、究事物，解决问题。因此，控制论黑箱方法，在人类认识的任何阶段，都不失为一种重要的实践手段。灰箱的方法则指对系统有部分的认识，但不够完全，利用灰箱方法可以比黑箱的方法更容易解决问题，这方面的知识可以参考灰色系统理论的有关书籍。2. 功能模拟法：功能模拟方法，就是以功能和行为的相似性为基础，用模型模仿原型的功能和行为的一种方法。电子计算机的创造就是功能模拟法应用成功的一个例子，早期的计算机就是从模拟人的计算功能开始的，但这种模型在外形和结构上与原型已很不一样。功能模拟法主要有以下几个特点：功能模拟以功能和行为相似性为基础，而不是模拟事物的外形、结构，所模拟的是一切具有通讯和控制功能系统的合乎目的性

24、的行为。比如对苍蝇复眼功能的模拟，造出蝇眼式照相机。尽管它们构造物质截然不同，达到了功能上的模拟。这种研究方法实际上是把研究对象作为一种黑箱。因此，它提出的问题不是“这是什么东西”，而是“它能做什么”，即着眼于功能的相似性。它不追求模型与原型的结构相同，改变了传统的模拟方法以结构与功能严格对应的相似性理论基础，表明相同的功能可以在不相同的物质结构中实现。在传统模拟（如直观模拟和仿制，物理模拟、数学模拟、病理模拟等模拟试验）中，模型只是认识原型的手段；在功能模拟中，模型是具有生物目的行为的机器。具有生物目的行为的机器或机器事物构成的系统，作为模型已不仅是认识原型的手段，而是用以代替原型去执行某些

25、功能。甚至通过功能模拟，探求比某些原型更好、更快、更准确地履行相应功能的技术装置，因而模型本身就是研究的目的。 3.形式化、数量化、最优化方法控制论的提出促使人们对系统采用形式化加以抽象，进行数量化加以定量描述，并寻求系统的最优化。 （三） 控制理论分支与系统研究各方面的对应关系控制论理论的分支和系统工程研究方面有很紧密的联系，下表表明各种理论在系统研究中所对应的研究方面。表21 控制论分支与系统工程研究的分类表结构方面行为方面反馈性能能控性、能观性可靠性大系统理论稳定性最优化滤波、随机控制鲁棒性自适应、自组织、自学习人工智能和模式识别二、信息论 （一）信息论的产生与发展信息论于本世纪40年代

26、末产生，其主要创立者是美国的数学家申农（C.E.Shannon）和维纳。起初，信息论仅局限于通讯领域，以应用概率论和数理统计方法研究信息处理和信息传递。它的基本内容是研究信源、信宿、信道及编码问题。在此期间，申农提出了信息熵的数学公式，解决了信息的度量问题，建立了信息量的概念，以及提出了通讯系统模型和编码定理等问题，初步解决了如何利用信道容量等问题。后来，信息论为控制论所采用，用以研究通讯和控制系统中普遍存在着的信息传递的共同规律，同时用来研究如何提高信息传输系统的有效性和可靠性。在此期间，维纳建立了著名的维纳滤波理论、信号预测理论。人们根据不同的研究内容，把信息论分成三种不同的类型。狭义信息

27、论：即申农信息论。主要研究消息的信息量、信道（传输消息的通道）容量以及消息的编码问题。一般信息论：主要研究通讯问题，但还包括噪声理论、信号滤波与预测、调制、信息处理等问题。广义信息论：不仅包括前两项的研究内容，而且包括所有与信息有关的领域。进入70年代以后，信息概念和方法广泛渗透到各门科学领域，为了有效地开发和利用信息资源，迫切要求突破申农的信息论的范围，把它发展成为处理人类活动中所碰到的一切信息问题的理论。早在申农信息论刚刚诞生时，曾于申农合作过的魏沃尔（W.Weaver）就指出了其局限性。他认为申农信息论只能解决信息传输的技术问题，而不能解决信息的语义（含义、内容）问题和信息的有效性（主观

28、价值）问题。在这一时期，一方面，信息论在解决技术问题即信息的传输方面取得了新的进展。另一方面，对信息概念的扩展也取得了很大的成就。如，提出“语义信息”、“无概率（主观）信息”、“相对信息”、“有效信息”的概念，推广了“广义有效信息”，建立了“模糊信息论”、“算法信息论”等等。当前，信息的概念和方法已经广泛应用于物理学、化学、生物学、心理学、经济学、哲学等学科中。一门以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机、光导纤维为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要研究目标的信息科学正在形成。（二）信息论的基本概念（1） 信息定义申农将信息定义为“两次不定性之差”，即“不

29、定性的减少的量”。从通讯角度看，信息是数据、信号等构成的消息所载有的内容。消息是信息的“外壳”，信息是消息的“内核。在同样一条消息中，对不同的人来讲，可能信息量很大，也可能信息量很小，甚至为零。从实用角度看，信息是指能为人们所认识和利用的，但事先又不知道的消息、情况等。也就是说信息对于收信者来说，应该是有用的和未知的东西。维纳则认为：信息不是物质也不是能量，在信息与物质、能量之间划了一条界限；信息是控制系统进行调节活动时，与外界相互作用、相互交换的内容；信息是系统的组织性的量度 。（2）信息概念的特点1）信息源于运动，无运动则无信息。世界上没有静止的事物，因而它们都具有信息的表征。2） 信息可

30、以被感知、处理和利用，其符合人们认识事物的规律。3）信息具有知识秉性，它能用以消除人们对事务运动状态或存在方式的认识上的不确定性，有信息就获得了某种知识。信息的共享性有其自身特性，不同于实物的交流。在实物交流中，一方得到的正是另一方失去的。而在信息的交流中，一方得到了新的信息，而另一方并无损失。4）信息依赖于物质而存在并在物质上传递、存储，它又不同于物质，可以脱离产生者而被传递。但信息的变化、传递需要能量，如印刷书籍，刻录光盘都要消耗能量。5）信息的使用价值具有相对性。由于人的知识素养与思维方法不同，以及理解处理问题的能力不同，对于同一信息，可以得出截然不同的价值观。6）信息具有时效性。由于客

31、观事物的不断发展变化，使反映其变化规律的信息源源不断的产生。信息活动是动态的，信息是有寿命、有时效的。7）信息不守恒，可以放大、缩小、湮灭。信息不遵守能量守恒定律，常常由于传递过程中所受到的干扰，造成信息的损失。随事物发展变化，信息会出现“老化”现象，因此人类应不断认识新事物，开发新信息。信息本身是可以增殖的。在科学的历史上，往往一个新的发现会触发多种可能的信息。（3）信息、物质、能量的比较下面对信息、物质能量的比较作了一个简要列表。表22 物质、能量、信息三者的比较表现形式变化过程守恒熵物质能量信息电子、细胞等引力、热等信号等扩散、传递能量转化传递、存储物质不灭能量守恒不守恒热力学第二定律信

32、息熵（4） 通讯问题的模型通讯过程是由以下几个环节构成的：信源（发信者）发出信息，通过信息通道来传送信息，最后由信宿（收信者）获取信息。申农依据通讯过程，建立了如图27所示的通讯系统结构模型。信源编码信道译码信宿 噪声 消息 信号 信号噪声 消息人、机器、物 电、器、声 空间 编码转换 人、机图27 申农通信系统模型（5）信息量不同信息所含有的信息量是有大小之分的，信息量就是用来度量信息大小的量。如，反常的事件比正常的事件所含信息量大，稀有事件比正常事件所含信息量大等等。为了精确度量信息所含信息量的大小，申农提出了度量信息的科学方法，使通讯理论由定性进入定量阶段，对信息的研究也得以广泛展开。在

33、申农的信息论中，信息被看作系统的不确性的减少。如果事物只有一种可能性，是不存在不确定性的。在数学上，这些可用概率来度量。事实上，信源产生的通讯信息，正是概率论中所研究的随机现象。很自然，信息的定量描述就可用概率的方法来实现。各消息的信息量不一样，概率小的事件发生时所提供的信息量大，如所含的信息量很低，所含的信息量很高。作为一个极端情况，如果事先知道某事情肯定会发生，此时其出现概率为1，如果有消息告诉我们这件事的确发生了，对于我们来讲并没有消除任何不确定性，所得信息量为0。采用对数作为信息的度量，在数学上比较合适。一般地讲，若某事件出现概率为p，则这一事件所具有的信息量为这是以2为底的对数，单位

34、为比特（bit），这是信息量最常用的单位。如上抛一质地均匀的硬币，它只有两种可能性状态：正面朝上或反面朝上，每种状态出现的概率为0.5，每种状态所具有的信息量为。所以1比特就是含有两个独立等概率可能状态的事件，择其中之一时所具有的信息量。信息源一般以符号的形式发出信息，它是一系列符号的集合。信息源可能发出的全部符号所包含的信息量之和，就是信源所具有的总信息量。为了更好的表征信源的总体特征，就需取其平均值，即计算出信源发出的每一个符号所包含的平均信息量，这个平均值就是信源平均信息量，即信息熵。整个信源的各状态所具有的平均不定性数量就是的数学期望，即平均信息量：这就是申农计算信源信息量的一般方法，

35、即信息熵公式。申农信息熵的公式，与物理学中熵的计算公式仅差一个负号。因此，维纳说：“信息量是一个可以看作几率的量的对数的负数，它实质上就是负熵。”信息熵与熵的这种关系并不是偶然的巧合，它们之间存在着非常密切的内在联系。熵是系统紊乱程度的表征，系统越“乱”，熵就越大系统越有序，熵就越小。而信息是表示系统不定性的减少。一个系统不定性越大，则系统就越无序；不定性消除了，系统也就稳定了。一个系统所获信息量越大，系统就越有序，熵就越少。反之，所获信息量越小，系统就越无序，熵就越大。由此可知，信息与熵是互补的，它们的这种互补关系，表现在计算公式上仅差一个负号。它表明负熵与熵描述的是同一事物的两个相反方向。

36、正像有些科学家指出的那样，“熵的获得永远意味着信息的丢失，而不是别的。” （二）信息论及方法论的启示 1.信息论研究运用了类比方法和统计方法 信息论运用了科学抽象和类比方法，将消息、信号、情报等不同领域中的具体概念，进行类比、抽象出了信息概念、抽象出了信息论模型。 针对信息的随机性特点，运用了统计数学（概率论与随机过程）解决了信息量问题。并扩展了信息概念，壮大了语义信息、有效信息、主观信息、相对信息、模糊信息等方面的内容。2.信息方法信息存储信息输出信息处理信息反馈信息输入信息信息信息方法，就是运用信息的观点，把系统看作是借助于信息的获取、传送、加工、处理而实现其有目的性的运动的一种研究方法。

37、如效用曲线的获取及应用。图28便是信息方法的图示。 图28 信息方法信息方法以信息为基础，把系统有目的的运动抽象为一个信息变换过程。这是与传统方法不同的，传统方法注重的是物质和能量在事务运动变化过程中的作用，而信息方法是以信息的运动作为分析和处理问题的基础，在分析和处理问题时，它完全撇开系统的具体运动形态，把系统的有目的的运动抽象为信息变换过程。如在对企业进行信息系统设计时，要摆脱信息系统对组织机构的依从性，着眼于企业过程，而不是围绕每一部门来进行，这样设计出来的信息系统具有高的应变能力。传统方法在研究问题时，主要运用剖析法，这不利于掌握事物间的内在联系，甚至以孤立、静止的方法来研究事物，忽视

38、事物的整体性能。可见，传统方法对于复杂的系统，特别是活的有机体，往往显得无能为力。信息方法是用联系、转化的观点，综合研究系统运动的信息过程。在对复杂事物进行研究时，不对事物的整体结构进行剖析，而是从其信息流程加以综合考察，获取关于整体的性能和知识。这是一种新的认识问题、解决问题的方法。信息方法的意义就在于它指示了机器，生物系统的信息过程，揭示了不同系统的共同信息联系；指示了某些事物运动规律，如遗传现象、生物解体等活动规律；有利于管理、决策科学化，信息是管理、决策的基础，现代化管理、决策系统必须有信息系统功能；指明了信息沟通的重要性，在信源、信道、信宿间要有有效的沟通。三、一般系统论 （一）一般

39、系统论产生过程 1.实验科学时代的还原论 自然科学初期（实验科学时代）主要任务是分析事物内部细节，要收集、整理资料，客观上要求人们分门别类地进行研究，因而科学的主要趋势是分化，与之相适应的是分析解剖法。古典自然科学中还原论占统治地位，把研究对象进行一层层地不断分解至基本单元，分解隔离为不同因果链，研究其基本单元因素，认为基本单元弄清了，因果量与因素弄清了，对象也就研究清楚了。这样的方法论和观点在古典自然科学中曾取得了很大成功，从而对其他科学研究产生了巨大影响。如力学的分解隔离法研究，化学的周期律，原子结构研究等。但这种方法没有领略到整体大于部分之和的系统思想。2生物学中机械论与活力论之争： 机

40、械论认为一种原因导致一种结果。用分析方法把生物问题化为物理、化学问题来研究。通过对生物进行分解（生物系统器官组织细胞）研究，最终导致分子生物学产生，破译了遗传密码，取得了显赫的成就。但对更高层次的问题却仍然知之不多，如生命现象、生命组织。分析方法侧重于分析事物的各个部分。分析方法的应用取决于两个前提：部分之间的相互作用不存在，或其弱得可以在某些研究中忽略；描述部分行为的关系式是线性的。因而这种方法在处理各部分间有紧密联系的系统及非线性系统问题上有局限性。活力论认为生物体中存在一种有目的的超物质的“活力”，断言有机界与无机界之间存在一道不可逾越的鸿沟。活力论的生命观虽然正确地指出了生命现象不能归

41、结为机械、物理、化学的过程，但在解释生命现象的复杂性时，除了从外部加进一种超自然的活力外，什么问题也没解决。3. 一般系统论的产生 本世纪二十年代美籍奥地利生物学家冯贝塔朗菲在对生物学的研究中发现把生物分解的越来越多，反而会失去全貌，对生命的理解和认识反而越来越少。因此开始了理论生物学研究，创立了一般系统论。1945年关于一般系统论的发表，成为系统论形成的标志。 （二）一般系统论的基本观点1 系统的整体性系统整体性是系统最本质的属性。贝塔朗菲指出“一般系统论是对整体和完整性的科学探索”。系统的整体性，根源于系统的有机性和系统的组合效应。系统整体性原理的基本内容，可以概括为以下几个方面：a. 要

42、素和系统不可分割。凡系统的组成要素都不是杂乱无章的偶然堆积，而是按照一定的秩序和结构形成的有机整体。系统与要素、整体与部分，这种“合则两存”，“分则两亡”的性质，就是系统的有机性。b. 系统整体的功能不等于各组成部分的功能之和。在系统论中1加1不等于2，这是贝塔朗菲著名的“非加和定律”。系统的这种非加和性又可以分为两种情况：一是“整体大于部分之和”，这种现象称为系统整体功能放大效应；二是“整体小于部分之和”，这种现象称为系统整体功能缩小效应。c. 系统整体具有不同于各组成部分的新功能。这是从质的关系方面看，系统的整体效应表现为系统整体的性质或功能，具有构成该整体的各个部分自身所没有的新的性质或

43、功能，也就是说，系统整体的质不同于部分的质。2系统的开放性生物系统本质上是开放系统，不同于封闭的、物理系统，有其特殊性。贝塔朗菲认为，一切有机体之所以有组织地处于活动状态并保持其活的生命运动，是由于系统与环境处于相互作用之中，系统与环境不断进行物质、能量和信息的交换，这就是所谓的开放系统。正是由于生命系统的开放性，才使这种系统能够在环境中保持自身的有序的、有组织的稳定状态。他提出等结果性原理，用一组联立微分方程对开放系统进行数学描述，从数学上证明了开放系统的稳态，并不以初始条件为转移，指出了开放系统可以显示出异因同果律。系统的目的性（有效性、适应性、寻的性）是存在的，不是完全由因果律决定的。开放系统可以保持自身的稳定结构和有序状态，或增加其既有秩序，这正是系统目的性的表现。把系统的开放性、有序性、结构稳定性和目的性联系起来，这正是贝塔朗菲一般系统论的核心和重要成果。3. 系统的动态相关性任何系统都处在不断发展变化之中，系统状态是时间的函数，这就是系统的动态性。系统的动态性，取决于系统的相关性。系统的相关性是指系统的要素之间、要素与系统整体之间、系统与环境之间的有机关联性。它们之间相互制约、相互影响、相互作用，存在着不可分割的有机联系。相关就是联系。系统论的相关性原则与唯物辩证法普遍联系的原