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第二章系统工程理论基础

图2—2系统科学的体系
系统学（系统理论）主要研究系统的普遍属性和运动规律。即研究系统演化、转化、协同和控制的一般规律；研究系统间复杂关系的形成规律，结构和功能的关系，有序、无序状态的形成规律等。
系统工程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；应用定性和定量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和设计，以实现系统的综合最优化。

2.2系统工程的理论基础
系统工程宽广的理论基础及工具框架如图2一3所示。

图2一3系统工程理论基础及工具

控制论
“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。”
控制论的产生与发展
维纳（NorbertWiener）于1948年出版了《控制论》一书，他对控制论（Cybernetics）的定义是：
“关于动物和机器中控制和通信的科学。”维纳的控制论阐述了两个根本观念：

控制论的基本概念和分类
控制系统的构成:由施控器、受控器和控制作用的传递者三个部分所组成。图2一4闭环控制系统框图

控制论重点研究带有反馈回路的闭环控制系统。
控制论首要的观点是反馈。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；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。
机器和生物一般都通过负反馈来达到控制目的。负反馈是系统稳定的基本机制。

控制论的另一个重要观点是信息。控制系统是通过信息的传输、变换和反馈来实现控制的。
控制论对系统工程方法论的启示
黑箱一灰箱一白箱法
所有的科学问题都是作为“闭盒”（黑箱）问题开始的，研究途径是利用闭盒的输入和输出。
黑箱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系统。白箱指系统内部的构成十分清楚的系统。灰箱指介于两者之间的系统称。
黑箱方法：就是采用不打开系统“活体”，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。任何时候，人们总得采用不打开黑箱的方法研究事物，解决问题。

灰箱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。
功能模拟法
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。
如早期的计算机就是从模拟人的计算功能开始的，是一个成功的例子。又如对苍蝇复眼功能的模拟，造出蝇眼式照相机。它们的构造物质截然不同，但达到了功能上的模拟。这种方法实际上是把研究对象作为一种黑箱。

信息论
信息论的产生与发展
于20世纪40年代末产生，其主要创立者是美国的数学家申农和维纳。
狭义信息论：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：主要研究通信问题，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：包括前两项的研究内容，还包括所有与信息有关的领域。

信息论的基本概念
信息的定义
申农将信息定义为“两次不定性之差”，即“不定性减少的量”。
信息(量)=通信前的不确定性—通信后尚存的不确定性
（2-1）
从通信角度看，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”。
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。
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；信息是系统的组织性的量度。

信息概念的特点
信息源于运动，事物都具有信息表征。
信息可以被感知、处理和利用。
信息能消除人们对事物运动状态认识上的不确定性。
信息共享不同于实物的交流。
信息可以脱离产生者而被传递。
信息的使用价值具有相对性。
信息具有时效性。
信息不遵守能量守恒定律。信息、物质、能量的比较
表2一1物质、能量、信息三者的比较

通信问题的模型
通信过程构成：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。
申农通信系统结构模型，如图2-5所示。

图2一5申农通信系统结构模型

信息量
度量信息大小的量。信源产生的通信信息，正是概率论中所研究的随机现象。信息的定量描述就可用概率的方法来实现。
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。概率小的事件发生时所含的信息量大，如P（i)＝1/10所含的信息量很低，p（i）＝1/10000所含的信息量