論系統(tǒng)工程

為進一步探源錢老關(guān)于系統(tǒng)工程和系統(tǒng)科學(xué)思想，即日起轉(zhuǎn)發(fā)《論系統(tǒng)工程（增訂本）》有關(guān)內(nèi)容，供大家學(xué)習(xí)。有需要深入?yún)⒃數(shù)耐瑢W(xué)，請購買湖南科學(xué)技術(shù)出版社1988年10月版《論系統(tǒng)工程（增訂本）》（老夫子網(wǎng)上有，不過要多幾兩銀子哈。有需要電子版的可給公眾號留言，留下郵箱，分享共學(xué)）。工程控制論

*原載《系統(tǒng)工程理論與實踐》1985年6月，第2期.

控制論的一個分支學(xué)科，是關(guān)于受控工程系統(tǒng)的分析統(tǒng)計和運行的理論。法國物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家安培（A.M.Ampere于1755-1836年用控制論（cybernetique）這一名詞稱呼管理國家的科學(xué)。第二次世界大戰(zhàn)前后，自動控制技術(shù)在軍事裝備和工業(yè)設(shè)備中開始應(yīng)用，實現(xiàn)了對某些機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的自動化操作。美國、日本和蘇聯(lián)的科學(xué)家們C.Shannon，1938；A·Nakasima，1938；B·H，1941）先后創(chuàng)立了用僅有兩種工作狀態(tài)的繼電器組成邏輯自動機的理論，并用于實踐。在這一時期前后又出現(xiàn)了關(guān)于信息的計量方法和傳輸理論，并用于實踐，（RVL.Hartly，1928；C.Shannon，1948）。在這些科學(xué)成就的推動下，曾親自參加過自動機研制的美國數(shù)學(xué)家維納（NWiner，1894-1964）。于1948年把這些概念和理論應(yīng)用于動物體內(nèi)自動調(diào)節(jié)和控制過程的研究，把后者與機器中的信息傳遞和控制過程視為具有相同機制的現(xiàn)象加以研究，并稱為控制論【Cybernetics】，這一各詞隨即為世界科學(xué)界所襲用。1954年錢學(xué)森所著《工程控制論》一書（英文版）問世，第一次提出在工程設(shè)計和實驗中能夠直接應(yīng)用的關(guān)于受控工程系統(tǒng)的理論、概念和方法。隨著該書的迅速傳播（俄文版1956年，德文版1957年，中文版1958年），它為這一學(xué)科所賦予的含義很快被世界科學(xué)技術(shù)界所接受，按錢學(xué)森的定義，工程控制論的對象是研究控制論這門科學(xué)中能夠直接應(yīng)用到工程設(shè)計的那些都分，它是一門技術(shù)科學(xué)，其目的是把工程實踐中所經(jīng)常運用的設(shè)計原則和試驗方法加以整理和總結(jié)，取其共性，并提高到科學(xué)理論的水平，使科學(xué)拉術(shù)人員的眼界更加開闊，用更系統(tǒng)的方法去觀察技術(shù)問題，從而充分理解和發(fā)揮這門新技術(shù)的潛在力量，指導(dǎo)千千萬萬的工程實踐，推動系統(tǒng)工程的發(fā)展。

理論范疇：工程控制論的研究對象和理論范疇不斷在擴大。近二十年來該學(xué)科的各個方面都有了很大的發(fā)展。到目前為止，所包含的主要理論和方法有下列六個方面。

1.系統(tǒng)辨識和信息處理由于工程控制論中的所有概念和方法都建立在定量研究的基礎(chǔ)上，為了實現(xiàn)對工程系統(tǒng)的控制，精確地定量描述它的行為和結(jié)構(gòu)就具有決定性的意義。找出能夠完全描述系統(tǒng)狀態(tài)的所有變量，區(qū)分為輸入量、受控量和控制量等不同類別，把以機械的、電的、光的、聲的等各種物理信號型式表現(xiàn)出來的變量從各種偶然因素和噪音中提取出來，確定各變量在各種不同條件下的變化規(guī)律，這是系統(tǒng)辨識理論的任務(wù)。用濾波、預(yù)測、相關(guān)處理、逼近等方法從噪音中分離出具有本質(zhì)意義的信息以及尋求各變量之間的相互依賴程度。近年來發(fā)展起來的模式識別理論（Pattern recognition）和方法，能夠?qū)σ呀?jīng)提取出來的物理信號和信息進行更精細的分析、以便用機器手段去理解它的含義，并用文字或圖形顯示出來，為管理和操作人員提供準確的信息，它是信息處理理論的新成就。

2.模型抽象對于受控客體的靜態(tài)和動態(tài)特性的精細描述，常用建立數(shù)學(xué)模型的方法。成功的數(shù)學(xué)模型能更深刻地、集中地和準確地定量反映受控系統(tǒng)的本質(zhì)特征。借助數(shù)學(xué)模型，.工程設(shè)計者能清楚地看到控制變量與系統(tǒng)狀態(tài)之間的關(guān)系，以及如何改變控制變量才能使系統(tǒng)的參數(shù)達到預(yù)計的狀態(tài)，并且保持系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行。數(shù)學(xué)模型還能幫助人們與外界的有害干擾做斗爭，指出為排除這種干擾所必須采取的措施。根據(jù)具體受控工程的特點，可以用代數(shù)方程式、微分方程式、積分方程式、邏輯代數(shù)式、概率論和模糊數(shù)學(xué)等數(shù)學(xué)工具去建立數(shù)學(xué)模型。對復(fù)雜的系統(tǒng)常要用到由數(shù)種數(shù)學(xué)工具聯(lián)合起來的混合模型去實現(xiàn)對工程系統(tǒng)的完全描述。這種根據(jù)實驗數(shù)據(jù)用數(shù)學(xué)工具去抽象受控工程時象的特征稱為模理論（theory of modeling）

3.優(yōu)化控制欲使工程系統(tǒng)按希望的方式運行，完成預(yù)定的任務(wù)，應(yīng)該正確地選擇控制方式。幾乎所有的工程系統(tǒng)都有共同的特性，為達到同一個目標，存在著許多控制策略、不同的控制策略所付出的代價也各異，例如能量消耗，所費時間的長短、材料、人力和資金的稍耗等均不相同。研究如何以最小的代價達到控制的目的稱為最優(yōu)控制理論，尋求以最短時間達到控制目的理論稱為最速控制理論。線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、極大值原理、一優(yōu)化理論等都是業(yè)經(jīng)實踐證明具有嚴密結(jié)構(gòu)的最優(yōu)控制理論。為了解決最優(yōu)控制的工程實現(xiàn)問題，科學(xué)家們創(chuàng)造了很多適用于計算機程序的算法稱為優(yōu)化技術(shù)。最優(yōu)控制理論和優(yōu)化技術(shù)的建立是工程控制論中最突出的成就。

4.自我進化受控系統(tǒng)的工作環(huán)境、任務(wù)和目標常發(fā)生變化。為了使工程系統(tǒng)能自動適應(yīng)這些變化，科學(xué)家們創(chuàng)立的一系列設(shè)計原理和方法，賦予系統(tǒng)以自我進化的能力，即根據(jù)變化了的環(huán)境條件或工作任務(wù)，系統(tǒng)能夠自動改變自己的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和獲得新的功能。最早出現(xiàn)的是自穩(wěn)定系統(tǒng)（W.R. Ashby，1952），它能在環(huán)境條件發(fā)生劇烈變化時自動地改變自己的結(jié)構(gòu)，始終保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)而無需操作人員去于預(yù)。用自適應(yīng)控制理論（adaptive control theory）設(shè)計的工程系統(tǒng)能自動地對外界條件變化做出反應(yīng)，改變自己的結(jié)構(gòu)參數(shù)，保持高的性能和精度。計算機應(yīng)用于工程系統(tǒng)以后，由于具有信息記憶和存貯能力，出現(xiàn)了自學(xué)習(xí)系統(tǒng)（learning system）。經(jīng)過有經(jīng)驗的操作人員示教以后，系統(tǒng)把一切操作細節(jié)記憶下來、從此能準確地有動再現(xiàn)已學(xué)到的操作過程，完成指定的任務(wù)。只要存貯記憶容量足夠大，同一工程系統(tǒng)可記憶若干種操作過程，就成為多功能系統(tǒng)。把專家們在某一專門領(lǐng)域中的知識和經(jīng)驗存貯起來，工程系統(tǒng)就獲得處理復(fù)雜問題的能力，這稱為專家系統(tǒng)（expert system）。為完成不同的任務(wù)而能自動重組結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)稱為自組織系統(tǒng)（self-organization system）動物界中特別是靈長目動物大腦的機能至今是科學(xué)界引人入勝的研究課題。工程控制論的研究工作一直受著仿生學(xué)（bionics）新成就的啟發(fā)和鼓舞，不斷引進新的概念，發(fā)展新前理論，以求部分地模仿生物的技能。能夠辨識人的聲音，認識和翻譯文字、具有不斷增長的邏輯判斷和自動決策能方的智能系統(tǒng)，已在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和服務(wù)產(chǎn)業(yè)中廣泛采用，這是具有自我進化能力的工程控制論系統(tǒng)的最新成就。

5.容錯系統(tǒng)關(guān)于提高系統(tǒng)工作可靠性的理論一直是工程控制論這一門學(xué)科的中心研究課題之一。早期的研究集中在如何用不太可靠的元件組成可靠的系統(tǒng)（J.vonNeumann，1952）上。例如，人的大腦中每天都有成千上萬個腦細胞死亡，卻仍能在數(shù)十年內(nèi)可靠地工作而不出現(xiàn)故障。用設(shè)置備份的辦法去提高可靠性稱為冗余技術(shù)，它至今仍被大量采用。自診斷理論是關(guān)于自我功能檢查并發(fā)現(xiàn)故障的理論。按這種理論設(shè)計的工程系統(tǒng)，能自動地定期診斷全系統(tǒng)和組成部分的功能，及時發(fā)現(xiàn)故障，自動切換備份設(shè)備或器件，從而恢復(fù)系統(tǒng)的正常功能。有的系統(tǒng)能在全部運行過程中連續(xù)地進行自我診斷。利用糾錯編碼理論可以自動地發(fā)現(xiàn)工程系統(tǒng)中在信息傳輸過程中可能發(fā)生的差錯，自動地糾正錯誤，使系統(tǒng)的功能不受損害。在不可能糾正時，則剔除錯誤信息，或讓系統(tǒng)重復(fù)操作，以排除偶然差錯。對不能簡單排除的故障；則選用無需故璋部件參與的其它相近的功能代替。自我診斷理論、檢錯理論、最憂備份切換理論和功能恢復(fù)技術(shù)總稱為容錯理論。.

6.仿真技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計和制造過程中，不能在尚未建成的工程系統(tǒng)上進行實驗、或者由于代價太高而不宜進行這種實驗。用簡單的裝置和不同的物理過程去摸擬真實系統(tǒng)的受控運行過程稱為仿真技術(shù)。早期曾以物理仿真為主，即用不同質(zhì)但易于實現(xiàn)、易于觀察的物理過程去模仿真務(wù)的過程試模擬計算機（analog computer）是專為仿真技術(shù)而發(fā)展起來的技術(shù)，它利用電信號在電路中的變化規(guī)律去模仿物理運動的規(guī)律。數(shù)字計算機出現(xiàn)以來，又有混合計算機（Hybrid computer）作為仿真工具。隨著數(shù)字計算機運算速度和存貯容量的提高，:數(shù)字計算機已成為仿真技術(shù)的主要手段，在這里，只需要編制相應(yīng)的軟件就可模擬各種不何性質(zhì)的物理過程。仿真技術(shù)是在工程控制論學(xué)科中發(fā)展起來的強有力的實驗技術(shù)，使設(shè)計師們能在極短時間內(nèi)，用很小的代價在實驗室內(nèi)進行龐大工程系統(tǒng)的實驗。

7.應(yīng)用領(lǐng)域的演變工程控制論發(fā)源于純技術(shù)領(lǐng)域。轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等機械和物理變量的自動調(diào)節(jié)等是最早期的工業(yè)應(yīng)用，而自動調(diào)節(jié)理論是對這一時期技術(shù)進步的理論總結(jié)。第二次世界大戰(zhàn)前后出現(xiàn)的自動化防空系統(tǒng)和自尋目標的導(dǎo)彈系統(tǒng)，促進了伺服機構(gòu)和自動控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用。自動調(diào)節(jié)理論，經(jīng)過發(fā)展和提高以后，上升為自動控制理論。隨著電子數(shù)字計算機的出現(xiàn)（ENIAC，1946），開始研制具有數(shù)學(xué)運算能力和邏輯分析功能的自動機，自動控制系統(tǒng)隨即獲得子智能拉制成分，價格低廉的微型計算機大量進入市揚，自動化工程系統(tǒng)隨即進入了智能階段，自動控制理論的全部含義遂得得以展開。從此，工程控制論的概念、理論和方法開始從純技水領(lǐng)域，進了許多非技術(shù)部門，派生出了社會控制論、經(jīng)濟控制論、生物控制論、軍事控制論、人口控制論等新的專業(yè)學(xué)科，這些新學(xué)科一出現(xiàn)，便與它們的先行者并駕齊驅(qū)，并且根據(jù)各自領(lǐng)域的特點，又抽象出新的概念、創(chuàng)造新的理論和方法，從而賦以新的內(nèi)涵。另一方面，它們畢意是孿生學(xué)科，有共同的淵源，在前進過程中能彼此借鑒和相互補充，它們所共有的那些原理、理論和方法，作為廣義控制論的基本內(nèi)容，又促進了另一門更廣泛的學(xué)科-系統(tǒng)工程的誕生（參見系統(tǒng)工程）。

工程控制論進入社會科學(xué)領(lǐng)域是當代重大科學(xué)技術(shù)成就之一。主要是由于信息科學(xué)技本的巨大進步，“工程”的含義在不斷擴展，繼早期的純技術(shù)工程（機械、電力、化工、水利、航空、航天等）之后，傳統(tǒng)上屬于社會科學(xué)范疇的問題已能用工程方法去處理，而且無不得到比純行政管理方法更準確、更富于預(yù)見性的效果。對社會事務(wù)的具體部門進行狀態(tài)分析、政策評價、態(tài)勢預(yù)測和優(yōu)化決策時，常常得到意想不到的新發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

在社會工程中應(yīng)用工程控制論，所依靠的技禾手段與在純技術(shù)工程中完全不同。信息的采集要靠統(tǒng)計，狀態(tài)分析依靠以計算機為中心的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)。社會事務(wù)的定量模型被貯存在計算機的數(shù)據(jù)庫中，成為所要研究或管理的那些社會領(lǐng)域的動態(tài)映像。在社會領(lǐng)域中進行新的政策性試驗要費很長時向，還常伴有一定的風(fēng)險，故數(shù)學(xué)仿真在這里起著非常重要的作用。狀態(tài)分析、模型提取、系統(tǒng)設(shè)計和政策優(yōu)化等都能在實驗室內(nèi)于極短的時間內(nèi)完成。政策變量的設(shè)置和實施只能用政令法令的形式和通過有關(guān)政府或事業(yè)管理機構(gòu)來推行，而不能象在純技術(shù)工程中那樣用機械的或其它物理信號去驅(qū)動。狀態(tài)反饋也多在人的參與下經(jīng)過信息網(wǎng)絡(luò)回授。所以，以計算機為中心的信息系統(tǒng)是社會工程的技術(shù)基礎(chǔ)，也是工程控制論之所以能用到社會范疇的先決條件。此外在模型抽象和政策優(yōu)化分析中，經(jīng)常用到運籌學(xué)、博弈論、規(guī)劃論、排隊論、庫存論等歷史上獨立于工程控制論之外并行發(fā)展起來的理論，出現(xiàn)了各新興決策學(xué)科在工程實踐中薈萃、補充的新局面。