1、第 6章 学科中的系统科学方法 系统科学方法广泛地应用于社会、经济和科学技术等各个领域。在计算学科中，采用的系统科学方法主要是模型方法，包括建模、验证和实现。建模属于学科抽象方面的内容，模型的验证属于学科理论方面的内容，模型的实现属于学科设计形态方面的内容。为理解学科中的系统科学方法。本章首先介绍系统科学方法的基本概念和应遵循的基本原则等内容；然后，针对软件的复杂性，以及人所固有的局限性，介绍在软件开发中为什么要引入系统科学方法；最后介绍计算学科中两种最常用的系统科学方法，即结构化方法和面向对象方法。6.1 引 言系统科学方法是指用系统的观点来认识和处理问题的各种方法的总称，它是一般科学方法论
2、中的重要内容。系统科学方法为现代科学技术的研究带来了革命性的变化，并在社会、经济和科学技术等各个方面都得到了广泛的应用。模型方法是系统科学的基本方法，研究系统具体来说就是研究它的模型。模型是对系统原型的抽象，是科学认识的基础和决定性环节。模型与实现是认识与实践的一种具体体现，在计算学科中，它反映了抽象、理论和设计 3个过程的基本内容。模型与实现包括建模、验证和实现 3方面的内容。其中，建模主要属于学科抽象形态方面的内容，模型的验证主要属于学科理论形态方面的内容，而模型的实现则主要属于学科设计形态方面的内容。本章主要介绍学科中有关系统建模（抽象）和实现（设计）两方面的内容，至于模型的验证（理论）
3、，在上一章已经介绍。6.2 系统科学与系统科学方法系统科学起源于人们对传统数学、物理学和天文学的研究，诞生于 20世纪 40年代。系统科学的崛起被认为是 20世纪现代科学的两个重大突破性成就之一。建立在系统科学基础之上的系统科学方法开辟了探索科学技术的新思路，它是认识、调控、改造和创造复杂系统的有效手段，它为系统形式化模型的构建提供了有效的中间过渡模式。现代计算机普遍采用的组织结构，即冯 诺依曼型计算机组织结构就是系统科学在计算技术领域所取得的应用成果之一。今天，随着计算技术的迅猛发展，计算机软硬件系统变得越来越复杂。因此，系统科学方法在计算学科中的作用也越来越大。6.2.1 系统科学的基本概
4、念系统科学是探索系统的存在方式和运动变化规律的学问，是对系统本质的理性认识，是人们认识客观世界的一个知识体系。计算学科中一些重要的系统方法，如结构化方法、面向对象方法都沿用了系统科学的思想方法。如何更好地借鉴系统科学的思想方法，是计算科学界应引起重视的问题，而了解系统科学的基本概念和方法是我们自觉运用系统科学方法的基础。1系统（ System）和子系统（ Subsystem） 系统是指由相互联系、相互作用的若干元素构成的，具有特定功能的统一整体。系统可以形式化地定义为： S=其中：A表示系统 S中所有元素的集合；R表示系统 S中所有元素之间关系的集合。一个大的系统往往是复杂的，它通常可以划分为
5、一系列较小的系统，这些系统称为子系统。子系统可以形式化地定义为： Si=其中：SiS；AiA；RiR。2结构（ Structure）和结构分析（ Structure Analysis） 所谓结构是指系统内各组成部分（元素和子系统）之间相互联系、相互作用的框架。结构分析的重要内容就是划分子系统，并研究各子系统的结构以及各子系统之间的相互关系。3层次（ Hierarchy）和层次分析（ Hierarchy Analysis）层次是划分系统结构的一个重要工具，也是结构分析的主要方式。系统的结构可以表示为各级子系统和系统要素的层次结构形式。一般来说，在系统中，高层次包含和支配低层次，低层次隶属和支撑高
6、层次。明确所研究的问题处在哪一层次上，可以避免因混淆层次而造成的概念混乱。层次分析的主要内容有：系统是否划分层次，划分了哪些层次，各层次的内容，层次之间的关系以及层次划分的原则等。4环境（ Environment）、行为（ Behavior）和功能（Function）系统的环境是指一个系统之外的一切与它有联系的事物组成的集合。系统要发挥它应有的作用，达到应有的目标，系统自身一定要适应环境的要求。系统的行为是指系统相对于它的环境所表现出来的一切变化。行为属于系统自身的变化，同时又反映环境对系统的影响和作用。系统的功能是指系统行为所引起的、有利于环境中某些事物乃至整个环境存在与发展的作用。5状态（
7、 State）、演化（ Evolution）和过程（ Process）状态是系统科学中的基本概念之一，它是指系统的那些可以观察和识别的形态特征。状态一般可以用系统的定量特征（如温度 T、体积 V等）来表示。演化是指系统的结构、状态、特征、行为和功能等随着时间的推移而发生的变化。系统的演化性是系统的基本特性。过程是指系统的演化所经过的发展阶段，它由若干子过程组成。过程的最基本元素是动作，动作不能再分。 6. 系统同构（ System Isomorphism）系统同构是指不同系统数学模型之间存在的数学同构，它是系统科学的理论依据。在数学中，同构有以下两个重要特征：（ 1）两个不同的代数系统，它们的
8、元素基数相同，并能建立一一对应的关系；（ 2）两个代数系统运算的定义也对应相同。也就是说，一个代数系统中的两个元素经过某种运算后得到的结果与另一个代数系统对应的两个元素经相应的运算后得到的结果元素互为对应；还可以说，一个代数系统中的元素若被其对应代数系统的元素替换后，可得另一代数系统的运算表。系统同构是数学同构概念的拓展。根据系统同构的性质，就可以用一种性质和结构相同的系统来研究另一种系统。甚至，针对不同学科领域和不同现实系统之间存在系统同构的事实，还可以对各学科进行横向综合的研究。根据同构的特征，可知，布尔代数与数字逻辑电路同构。因此，可以用数字逻辑电路来表示布尔代数，也可以用布尔代数来研究数字逻辑电路。提到同构，还会涉及同态的概念。不同系统间的数学同态关系具有自返性和传递性，但不具有对称性。因此，数学同态一般用于模型的简化，不能用来划分等价类。
