《系统科学》PPT课件.ppt

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1、系统科学基础,系统科学基础,第一讲 系统科学概述第二讲 系统概念第三讲 系统理论概述第四讲 学科分类第五讲 复杂科学、系统工程与 管理,第一讲 系统科学概述,一、绪论二、系统科学及内容三、系统科学的层次结构四、参考书籍,一 绪论,这门课讲什么？如何讲？要回答以上两个问题，我们首先要明白我们要培养什么样的人。,（一）社会需要什么样的人才,中科院院士王选指出：当今社会需要三种人才：1、指兔子的人；2、打兔子的人；3、捡兔子的人；我们培养的是：我们应该把自己培养成什么样的人？,（二）学生各学习阶段培养什么能力？,1、本科2、硕士研究生3、博士研究生4、博士后,（三）这门课讲什么？如何讲？,1、系统科

2、学的学科结构：一级：系统科学二级：系统理论、系统分析与集成“矿业工程”学科结构一级：矿业工程二级：采矿工程、安全技术与工程、矿物加工管理科学与工程学科结构没有二级学科，只有四个专业：管理科学工业工程信息管理与信息系统工程管理,（三）这门课讲什么？如何讲？,2、一般硕士研究生专业课的授课方法以自学为主教师指定参考书和目标3、本门课给博士生的讲课内容及方法4、院士的讲课方法及观点5、我们的讲课方法及考试方法,二、系统科学及内容,1、什么是系统科学？系统科学（System Science）：以系统及其机理为对象，研究系统的类型、性质和运动规律的科学。是关于研究系统的模式、原理和规律的科学，是把事物当

3、作一个整体，通过研究其内外部的全面而普遍地联系去认识事物。系统科学是一门横断（向）科学,什么是横向科学？,例子：“骡子”纺织机 18世纪60年代，英国纺织工人发明了贞妮纺车，效率提高了5倍，优点：纺出的纱线十分均匀，大缺点：不够结实；后来阿克勒斯发明了水力纺车，效率提高了几十倍，优点：纱布结实了，出现了一个新的不足：不够均匀。这时，另一个青年人克伦普敦动了一番脑筋，比较了两种纺车的优点和不足，经过分析综合研制成一架新纺车，纺出的纱布既均匀又结实，而且效率提高了300倍这就是历史上第一架纺织机。克伦普敦给它起了个有趣的名字骡子，意思是说它就像马和驴的杂交后代骡子具有马的耐力和驴的犟性的共同优点一

4、样。现在各地普遍种植的杂交水稻、杂交玉米，还有优选的杂交鸡鸭猪牛等，都因其具有父母双方的优点而提高了经济价值与商品价值，倍受人们的喜爱。杂交，实际上是不同种类间的横向结合。当代科学的发展需要学科间的横向联合，需要横向的思维方法系统科学就是一种横向思维的科学方法。,系统科学是一门横断（向）科学,它涉及自然科学中包括数学、物理学、化学等多个学科领域，还涉及到工程技术的多个部门，甚至与社会科学的不少学科也有联系，因此系统科学发展的历史与整个人类发展历史紧密相连。它的产生可以追溯到原始社会。古代人类认识自然界首先就是从对自然的整体认识开始的，也可以说系统科学思想是指导人们认识的第一个理论；而系统科学体

5、系的完整建立又要说道当代科学技术的最新成就，现代科学的每一个理论几乎都被系统科学吸收，并改造成为其自身理论体系中的一个部分。,2、系统科学的内容（5个方面）,1）系统概念：即关于系统的一般思想和理论。2）一般系统理论：即用数学的形式描述和确定系统的结构 和行为的纯数学理论。3）系统理论分论：指为了解决各种特点的系统结构和行为的一些专门学科，如图论、博弈论、排队论、控制论、信息论等。4）系统方法：即为了对系统对象进行分析、计划、设计和运用时所采用的具体应用理论及技术的方法步骤，主要指系统分析和系统工程。5）系统方法的应用：即将系统科学的思想和方法应用到各个具体领域中去。60年代以后关于非平衡系统

6、自组织理论的产生和发展，丰富了一般系统理论。系统科学具有重要的方法论意义，它促进了现代科学的整体化趋势。,系统科学的内容：,三、系统科学的层次结构,我国著名科学家钱学森，从50年代初开始从事系统工程的研究，积累了丰富的经验，构想了系统科学的完整体系。他从自然科学“三阶梯结构”中受到启发，设想系统科学既然是与自然科学属于同一等次的科学部门，不会只有“系统工程”这一级阶梯，也应有三级阶梯。而当时系统工程是一级阶梯，还有它的理论“运筹学”是一级阶梯，比起自然科学来缺一个台阶。于是1980年提出了系统科学的第三个阶梯系统学；又设想在系统学之上还有个更高阶梯“系统观”系统科学体系最后完成了它的“四阶梯”

7、建构。,钱学森认为系统科学由三个层次、很多门学科和技术所组成：工程技术层次：系统工程，自动化技术、通信技术，是直接改造客观世界的知识。系统工程是组织管理系统的技术。根据系统类型不同，而有各类系统工程，如农业系统工程、经济系统工程、工程系统工程，社会系统工程等。技术科学层次：运筹学、信息论和控制论，是指导工程技术的理论。,基础科学层次：系统学。系统学是研究系统的基本属性与一般规律的学科，是一切系统研究的基础理论。系统学正在建立之中。系统科学通向哲学的桥梁是系统论或称系统观，属于哲学范畴。系统科学的建立必将极大加强人类认识和改造客观世界的能力，促进科学技术与经济的发展，又都最终发展和深化马克思主义

8、哲学。,四、系统科学的发展过程,五、参考书籍（书1）,五、参考书籍（书2）,五、参考书籍（书3）,五、参考书籍（书4）,五、参考书籍（书5）,五、参考书籍（书6）,五、参考书籍（杂志1）,1）系统工程学报-JOURNAL OF SYSTEMS ENGINEERING（季刊1985年创刊）。主办单位：中国系统工程学会2）系统工程与电子技术-SYSTEM ENGINEERING AND ELECTRONICS（双月刊1979年创刊）。主办：中国航天工业总公司二院、中国宇航学会、中国系统工程学会 3）信息与控制-INFORMATION AND CONTROL（双月刊1972年创刊）。主办单位：中国科

9、学院沈阳自动化研究所 4）制造技术与机床-MANUFACTURING TECHNOLOGY&MACHINE TOOL（月刊1985年创刊）。主办单位：北京机床研究所，中国机械工程学会,五、参考书籍（杂志2）,5）控制理论与应用-CONTROL THEORY&APPLICATIONS（双月刊）。主办单位：华南理工大学，中国科学院系统科学研究所 6）系统仿真学报-JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION（双月刊，1989年7月创刊）主办单位：中国系统仿真学会、航天工业总公司二院204所 7）Complexity Digest（复杂性研究文摘）,第二讲 系统概念,一、系统的概念二、系

10、统的特征三、系统的分类四、古代系统思想,一、系统的概念,1、系统（System）定义是由相互作用、相互依存要素（部分）组成的、具有特定功能的有机整体。或者说：系统是具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素所构成的一个整体。“系统”在于“系”，就是组成系统的各要素之间的联系；其次在于统”，要素之间联系成为一个统一的有机整体。,系统的其它定义,1、韦氏大辞典：有组织的或被组织化的整体；结合着的整体所形成的各种概念和原理的综合；由有规则的相互作用，相互依存的形式组成的诸要素集合等等。2、日本工业标准(JIS)：许多组成要素保持有机的秩序，向同一目标行动的东西。3、贝塔朗菲：相互作用的诸要素的综合

11、体。4、美国学者阿柯夫教授：系统是由两个或两个以上相互联系的任何种类的要素所构成的集合。因此，系统不是一个不可分解的要素而是一个可以分成许多部分的整体。5、苏联学者麦萨洛维奇：系统S是在集合V1，V2Vn基础上确定的一种关系。,从以上这些“系统”定义中，我们可以看出：第一，系统是由一些要素结合而成的。这些组成部分可以是元件、零件、个体也可能是子系统。在整体中每一个要素的性质或行为都将影响到整体的性质或行为。例如在人体这个系统整体内每一个器官的性质或行为将会影响人体这个整体的性质或行为。第二，系统是由各个组成部分按一定方式结合而成的。一堆砖和由砖砌成的房子完全不同。房子的每块砖对于整幢房子不具有

12、独立的影响，所以房子不能分解成独立的砖。第三，任何系统部有特定的功能，特别是人制造或改造的系统总有一定的目的性。系统的组织方式要适应这种功能和目的的要求。一个形成系统的各要素的集合永远具有一定特性或者表现为一定的行为。而这些特性和行为不是它的任何一个部分所能具有的。例如，一个人能写字、走路，但是他的任何一个部分都不能做到这一点。,二、系统的特征,1）整体性2）相关性3）层次性 4）目的性 5）环境适应性6）动态性 7）有序性,三、系统的分类,1.自然系统和人造系统2.实体系统和抽象(概念)系统3.静态系统和动态系统 4.开放系统和封闭系统,1.自然系统和人造系统,1）自然系统：由自然过程产生的

13、系统。原始的系统都是自然系统，如天体、海洋、生态系统等。自然系统是一个高阶复杂的均衡系统，如季节周而复始地变化形成的气象系统、食物 链系统、水循环系统等。自然系统中的有机物、植物与自然环境保特了一个平衡态。在自 然界中，物质流的循环和演变是最重要的，自然环境系统没有尽头，没有废止，只有循环往复，并从一个层次发展到另一个层次。,2）人造系统,人造系统都是存在于自然系统 之中的，如人造卫星、海运船只、机械设备等。人造系统和自然系统之间存在着界面，两者 互相影响和渗透。,3）人造系统对自然系统的影响,原始人类对自然系统的影响不大近年来，人造系统对自然系统的不良影响已成为人们关注的重要问题，如核军备、

14、化学武器、环境污染等。埃及阿斯旺水坝:是一个典型的人造系 统，水坝解决了埃及尼罗河洪水泛滥问题，但也带来一些不良影响，如东部的食物链受到 破坏，渔业减产;尼罗河流域土质盐碱化加快，发生周期性干旱，影响了农业;由于河水污 染使附近居民的健康受到影响等。但如能运用系统工程方法来全面考虑，统筹安排，有可 能得到一个既解决洪水问题又尽量减少损失的更好方案。,2.实体系统和抽象(概念)系统,实体系统，是指以物理状态的存在作为组成要素的系统，这些实体占有一定空 间，如自然界的矿物、生物，生产部门的机械设备、原始材料等。抽象概念系统，它是由概念、原理、假说、方法、计划、制度、程序等非物质实体构成的系统，如管

15、理系统、法制、教育、文化系统等。近年来，逐渐将概念系统称之为软科学系统，并日益受 到重视。关系：实体系统是概念系统的基础，而概念系统又往往对实体系统提供指导和服务。例如，为实现某项工程实体，需提供计划，设计方案和目标分解，对复杂系统还要用数学模型或其他模型进行仿真，以便抽象出 系统的主要因素，并进行多个方案分析，最终付诸实施。在这一过程中，计划、设计、仿真和 方案分析等都属于概念系统。,3.静态系统和动态系统,系统的静和动都是相对的。在宏观上没有活动部分的结构系统或相对静止的结构系统为静态系统，例如大桥、公路、房屋等动态系统指的是既有静态实体又有活动部分的系统，例如学校就是一个动态系统，它不仅

16、有建筑物，还有教师和学生。在中世纪以前，人们曾认为宇宙现象是永恒不变的，习惯将事物看成是恒定的，静止的，这种看法在哲学上是唯心的或机械唯物论的。随着科学的发展和人类的进步，才逐断 认识到世界不是恒定事物的集合体，而是动态过程的集合体，运动是永恒的。宇宙是一个 动态系统，静态是相对的。,4.开放系统和封闭系统,封闭系统是一个与外界无明显联系的系统，环境仅仅为系统提供了一个边界，不管外 部环境有什么变化，封闭系统仍表现为其内部稳定的均衡特性。如：密闭罐中的化学反应，在一定初始条件下，不同反应物在罐中经化学反应达到一个平衡 态。开放系统是指在系统边界上与环境有信息、物质和能量交互作用的系统。例如商业

17、系统、生产系统或生态系统，这些都是开放系统。在环境发生变化时，开放系统通过系统中要 素与环境的交互作用以及系统本身的调节作用，使系统达到某一稳定状态。因此，开放系 统常是自调整或自适应的系统。,四、古代系统思想,1、系统思想(System thought)：就其最基本的涵义来说，是关于事物的整体性观念、相互联系的观念、演化发展的观念。例如：五行：认为世界上的事物先 由天地生出五行水、火、木、金、土，然后再形成万物。这样用阴阳、五行、八卦的观点来统一自然界的各种现象，统一人类与自然，我们可以把它们看成是整体观点、运动变化观点、综合观点等系统思想的具体体现。,2、我国古代的系统思想：,1）医学方面

18、：齐国名医扁鹊主张按病人气色、声音、形貌综合辨症，用砭法、针灸、汤液、按摩、熨贴多种疗法治病；周秦至西汉初年古代医学总集的黄帝内经,强调人体各器官的有机联系、生理现象和心理现象的联系、身体健康与自然环境的联系。2）农事方面 我国古天文学很早就提示了天体运行与季节变化的联系，编制出历法和指导农事活动的廿四节气。,我国东汉袁康所著的越绝书计倪内经中有如下一段文字记载：“太阳三岁处金则穰；三岁处水则毁；三岁处木则康；三岁处火则旱。故散有时，积有时。领则决万物，不过三岁而发矣。以智论之，以决断之，以道佐之，断长继短。一岁再倍，其次一倍，其次而反。水则资车，旱则资舟。物之理也。天下六岁一穰，六岁一康，凡

19、十二岁一饥。是以民相离也，故圣人早知天地之反，为之预备。”这段话介绍的是公元前四世纪的博物知识，意思是说，太阳的位置三年在金(西方)会有大丰收，三年在水(北方)就会欠收，三年在木(东方)就会富足，三年在火(南方)就会发生旱灾。因此，不仅要注意适时囤积粮食，还要注意将囤积的粮食适时出手，存粮不必超过三年的需要。应该明智地考虑问题，适时决断，依靠自然规律的帮助，以富余弥补不足。第一年可以按两倍的需要存粮，第二年只存一倍即可，第三年则应该考虑适时出手。水灾时应准备好车子，旱灾时要准备好船只。天下每六年有一次大丰收，每十二年有一次大灾荒，人民流离失所。所以圣人要预见自然界的变化，对未来的灾变提早做难备

20、。,3）军事方面,“孙子兵法”:春秋时期（公元前500年），就有著名的军事家孙武写出了“孙子兵法”十三篇，指出战争中的战略和策略问题，如进攻与防御、速决和持久、分散和集中等之间的相互依存和相互制约的关系，并依此筹划战争的对策，以取得战争的胜利。其著名论点，“知已知彼，百战不殆”，“以我之长，攻敌之短”等，不仅在古代，而且在当代的战争中都有指导意义，在当今激烈的国际市场竞争和社会经济各个领域的发展中，这些论断也有现实意义。田忌赛马:战国时期，著名军事家孙膑继承和发展了孙武的学说，著有“孙膑兵法”，在齐威王与田忌赛马中，孙膑提出的以下、上、中对上、中、下对策，便处于劣势的田忌战胜齐王，这是从总体出

21、发制定对抗策略的一个著名事例。系统论的一条原理-由相同要素组成的不同结构的系统具有不同的功能。如石墨与金刚石,4）在水利建设方面,都江堰工程:战国时期秦国太守李冰父子设计修造了四川伟大的都江堰工程，这一伟大水利工程巧妙地将分洪、引水和排沙结合起来，使各部分组成一个整体，实现了防洪、灌溉、行舟、漂木等多种功能，至今，该工程仍在发挥着重大的经济效益，是我国古代水利建设的一大杰出成就。该工程包括：“鱼嘴”岷江分水工程“飞沙堰”分洪排沙工程“宝瓶口”引水工程三大主体工程和120个附属渠堰工程，工程之间的联系处理得恰到好处，形成一个协调运转的工程总体。,都江堰水利工程示意图（0）,都江堰水利工程示意图（

22、1）,都江堰水利工程（2）,都江堰水利工程（3）,都江堰水利工程（4）,“鱼嘴”岷江分水工程,鱼嘴的设置极为巧妙，它利用地形、地势，巧妙地完成分流引水的任务，而且在洪、枯水季节不同水位条件下，起着自动调节水量的作用。鱼嘴所分的水量有一定的比例。春天，岷江水流量小；灌区正值春耕，需要灌溉，这时岷江主流直入内江，水量约占六成，外江约占四成，以保证灌溉用水；洪水季节，二者比例又自动颠倒过来，内江四成，外江六成，使灌区不受水潦灾害。在二王庙壁上刻的治水三字经中说的“分四六，平潦旱”，就是指鱼嘴这一天然调节分流比例的功能。我们的祖先十分聪明，在流量小、用水紧张时，为了不让外江40的流量白白浪费，采用杩搓

23、截流的办法，把外江水截入内江，整就使内江灌区春耕用水更加可靠。1974年，在鱼嘴西岸的外江河口建成一座钢筋混凝土结构的电动制闸，代替过去临时杩搓工程，截流排洪，更加灵活可靠。,“飞沙堰”溢洪道,宝 瓶 口（1）,宝 瓶 口（2）,5）在建设施工方面,丁谓造宫:北宋真宗年间，皇城失火，宫殿烧毁，大臣丁谓（修茸使）主持了皇宫修复工程。他采用了一套综合施工方案，先在需要重建的通衢大道上就近取土烧砖，在取土后的 通衢深沟中引入汴水，形成人工河，再由此水路运人建筑材料，从而加快了工程进度。皇宫修复后，又将碎砖废土填入沟中，重修通衢大道。使烧砖、运输建筑材料和处理废墟三项繁重工程任务协调起来，从而在总体上

24、得到了最佳解决，一举三得，节省了大量劳力、费用和时间。,6、铸造方面,群炉汇铸 我国明朝永乐年间，铸成一口大钟，重达四十多吨，至今尚存。可是当时的熔炉高仅一丈二尺，而容量也只有一吨。那么，这个闻名于世的大钟又是怎样铸造出来的呢?据考那时的聪明工匠，采用群炉汇铸的系统工艺取得了成功。他们在铸件周围建起一系列熔炉，使其总容量与铸件重量相等，炉群位高，铸型位低，各炉糟均作辐射状通向铸型。安排停当以后，各炉同时升火冶炼，炼成的金属液一齐汇流铸型，万钧大钟片刻铸成。与群护汇铸相似，科技史上还有连续浇铸工艺，就是由多个熔炉先后鼓风冶炼，然后依次连续浇铸而成。这些系统工艺实践启示我们：对于任何一项工程技术，

25、都要有一个全局即整体的观点；每一项技术工艺都需注意内部环节之间的有机联系，以便进行合理部署，就是说树立有序联系的观点；一切工程技术乃至一切系统工程都包含了整体最优化的原则，这是评定系统功能或工效的主要尺度，也是一项系统工程成败的关键。,合金系统 我国明代的万钧大钟，不仅它的浇铸工艺是系统理论的成功实践，而且钟体本身便是一个结构最佳的合金系统。新中国成立以后，我国声学家运用精密的超声声速仪，测算出这口大钟有465吨重。化验分析得知，该钟的合金比例是，铜为8054，锡为164，铅为112，其他金属少量。这口钟的合金结构被公认为属于最佳比例结构，所以它的音质悦耳、幽招感人，音响更是纯厚绵长，圆润宏亮，而且节奏明快，穿透力强，钟声可达百里之遥。显然，此钟的这些最优功能，正是由它的最佳合金结构所造成或决定的。不仅如此，我国明代大钟合金结构的最佳比例，还使它具备了耐敲的功能，所以即使敲击了五百余年而仍具其魅力。而国外有些大钟之所以一敲就裂，正是由于钟体合金结构比例失调所致。例如1733年俄国铸造的重达193吨的“皇钟”，只敲一响就裂了，便是由于合金结构的比例错误所造成的。由此可见，搞好一个系统的最佳结构和成分比例对于人类的系统实践有着重要的指导作用和现实意义，例如我们可以根据所需要的系统功能的要求，选择合适的构件或要素，来组建最佳的系统结构等等。,谢谢各位！,