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大系统理论及其应用

来源:用户上传      作者: 黄辉先

  摘 要:本文论述了大系统理论的结构体系、特点、应用状况及发展趋势,指出了该理论的应用前景。
  关键词:大系统理论;学科分化;学科结合
  中图分类号:N945 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2013) 10-0071-02
  一、大系统的基本理论
  (一)大系统的共性
  现代社会日趋信息化、网络化、系统化,在工程技术、生态环境、社会经济等各领域出现了许多复杂的大系统,(见图1)。
  图1 大系统一览
  图1中大系统具有以下共性:(1)规模庞大。大系统包含的子系统(小系统)、部件、元件甚多。通常,而且大系统占有的空间大,涉及的范围广,经历的时间长,具有分散性。(2)结构复杂。大系统中各子系统、部件、元件之间的相互关系复杂。一般情况下,大系统中不仅包含有人,还包含有物,具有“人-人”、“人-物”、“物-物”之间的多种复杂关系,是主动系统。(3)具有综合功能。通常,大系统的目标是多样的(经济的、技术的、生态的、社会的……),因而大系统的功能应该是多方面的(经济管理、质量控制、环境保护……)、综合性的。(4)涉及因素众多。大系统是多输入、多输出、多变量、多目标、多参数、多干扰的系统。其中有“人”的因素,还有“物”的因素,不仅有技术因素,还有经济因素、社会因素等,具有不确定性、不确知性。
  这样的大系统极需人们去探索和研究,现代科学技术的进步为大系统研究提供了理论基础和发展条件。
  20世纪60年代末和70年代初,在国内外有许多原本从事控制理论、运筹学、系统科学方面研究的专家、学者纷纷转向大系统问题的研究,在大系统理论的研究上取得了进展:(1)大系统模型化及模型简化;(2)大系统结构分析与综合;(3)大系统最优化;(4)大系统稳定性;(5)大系统多级递阶控制;(6)大系统分散控制。
  研究方法主要采用时域数学模型(代数方程组、微分或差分方程组),通过分解-集结或分解-协调方法,将控制理论中的多变量控制理论、最优控制理论、稳定性理论等,和运筹学中的线性规划、非线性规划等加以综合和推广,用于大系统的分析与综合。
  近年来人们在大系统理论方面取得了不少进展,但也遇到了一系列难题,主要表现在如下几个方面:(1)主动性(Activity)。大系统往往是“主动系统”(ActiveSystem),包含有“主动环节”―“人”,例如,操作人员、控制人员、管理人员等。在大系统分析和设计中如何建立“人”的数学模型?如何考虑人的因素?(2)不确定性(Uncertainty)。大系统中有许多不确定因素,例如随机性、模糊性、对象特性漂移或结构和参数摄动,难以用传统的数学模型进行描述及控制。(3)不确知性(Uncertainly-Known)。大系统通常是信息不完全、知识不充分、数据不精确的系统,难以用准确的数学模型进行精确的定量分析和设计。(4)维数灾(CurseofDimensionality)。大系统的状态变量的数目较多,数学模型都是高维的。系统分析和设计的工作量随维数增高而迅速增长,导致所谓“维数灾”。(5)发展中系统(DevelopingSystem)。通常,大系统的控制过程较慢,过渡过程时间较长。在控制中作用进行期间,大系统本身也处在发展当中,系统的结构和参数、目标和环境条件、系统特性和功能也处在变化当中,这种“发展中系统”难以用常规方法进行控制。(6)分散化(Decentralization)。大系统包含了许多子系统,而各子系统往往是分散化的,分布在不同地方。这将使信息和控制分散,形成“非经典信息模式”,基于“经典信息模式”的控制理论和方法不一定适用。
  (二)大系统控制论
  控制论是关于机器、生物中的通信和控制的科学,是一门典型的横向学科,是自动控制、计算技术、通信工程、神经病理学、神经生理学、数学等有关学科相互结合而形成的新学科,突破了工程技术与生物科学之间的传统界限。
  为了解决大系统分析、设计和模型化的难题,在结构分析方面提出了控制系统信息结构“能通性”的新概念及分析方法,用以分析大系统的控制信息结构特性;在结构设计方面,提出了最经济控制、最经济观测以及分型能控性、分型能观性等新概念;在大系统模型化方面,提出了广义模型化的构想,在数学模型、知识模型、结构模型相结合的基础上,建立大系统的广义模型,提出了多重广义算子、多层状态空间、广义知识表达网络等新方法。在对待“维数灾”问题,提出了启发式优化、启发式动态规划、自觉习非线性规划、启发式线性规划等新方法。
  二、大系统的应用
  (一)大系统智能控制
  关于控制理论和技术的发展,经历了三个发展阶段。第一阶段为“经典控制理论”,主要采用传递函数模型、频域分析与综合方法。第二阶段为“现代控制理论”,主要采用状态方程模型、时域分析与综合方法。第三阶段有两个发展方向:(1)大系统理论。控制理论向广度方向发展。(2)智能控制理论。控制理论向高度方向发展,提高控制系统的智能水平。智能控制为复杂大系统提供了新的控制方法和技术,随着计算机网络的迅猛,为实现大规模、远距离的大系统智能控制提供了新条件、新环境。
  (二)大系统智能管理
  现代计算机管理系统是具有多层次、多方面、多阶段的综合管理功能的,人机协调的、智能化、集成化的计算机辅助管理系统。智能管理的理论方法和技术已在多行业、多部门的计算机管理信息系统中获得广泛应用,随着计算机网络的发展与普及,在分布式人工智能与管理科学相结合的基础上,可开发更大规模的分布式智能管理系统,形成大系统智能管理系统。
  (三)大型专家系统
  专家系统是人工智能学科领域中应用广泛的重要分支,是典型的知识工程系统。为了解决大系统应用需求的综合性与专家系统的专业性之间的矛盾,需要研究开发多专业、多学科的大型专家系统,其关键技术包括:广义知识表达、灵活推理方法、综合知识库、自组织推理机。
  三、大系统理论的发展前景
  理论是在生产实践中产生,反过来以用来指导实践的。随着通讯技术、计算机技术、自动化技术、人工智能技术的发展,加上现代管理软科学技术的发展,大系统理论将会日臻完善,应用天地会更广阔。
  参考文献:
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