什么是电子系统工程理论?

什么是电子系统工程理论?

[拼音]：dianzi xitong gongcheng lilun

[外文]：electronic system engineering theory

电子系统工程与一般系统工程在基本理论方面并没有原则的区别。一般系统工程理论应用在电子系统工程方面即形成电子系统工程理论。它包括的主要内容有线性规划、非线性规划、动态规划、决策论、对策论、排队论、可靠性理论等，大部分属于运筹学的范畴，核心的思想是最优化。此外，控制论和信息论在系统工程理论中也占有越来越显著的地位。

线性规划

在线性条件下求线性目标函数极值的理论和方法。线性目标函数是各变量幂次不超过 1次且无变量交乘项的函数。线性约束是指约束条件表现为线性方程组或线性不等式的约束。线性规划是数学规划论的分支之一，后者内容常被纳入运筹学中，并成为运筹学的主要内容之一。虽然线性规划问题作为一个数学问题是在19世纪提出来的，但是，关于多面凸锥和线性不等式组的代数理论作为一种成熟的理论，则起始于20世纪40年代G.B.丹齐克等人创立单纯形法以后。特别是在电子计算机出现以后，线性规划的应用日益普遍。在变量个数达几千、几万时，电子计算机几乎是唯一可用的手段。

在系统工程中，诸如资源的分配、物资的调运、计划的管理，以至工程科学中的许多问题，都可归结为线性规划问题，因此线性规划是系统工程理论的一个重要内容。

非线性规划

在约束条件和（或）目标函数为非线性函数时的数学规划理论和方法。问题仍然是求约束条件下目标函数的极值。与解线性规划问题相比，解非线性规划问题还没有一种通用的方法，解起来也困难得多。但是，由于系统工程中的许多数学规划问题多属于非线性规划问题，加上已有电子计算机这种强有力的手段，50年代以来，求解非线性规划问题的算法发展很快，已有不下数十种，各自都有一定的适用范围，象一维搜索中的牛顿法、黄金分割法、求多变量目标函数极值的梯度法、共轭梯度法、局部线性化法、变尺度法、罚函数法等。

动态规划

解决多级决策过程最优化的理论和方法。多级决策过程可以分为若干个次第衔接的阶段，每一阶段都要求作出决策，而每一阶段的决策又影响着下一阶段的决策。各个阶段的决策汇总成为一个决策序列，称为一个策略。多级决策问题就是要在各种可能的策略中选择出一个最优策略，它使决策效果在某个准则上达到最好。由于多级决策过程通常是一类随时间递推的过程，即这个过程具有动态的特征，因此称为动态规划。不过，动态规划并不限于解动态问题，许多静态问题在化为形式上的多级决策过程后同样可以用动态规划的方法解决。

动态规划是数学规划的主要分支之一，50年代由R.贝尔曼等人创立。贝尔曼提出了如下最优性原理：一个多级决策过程，不论它过去的状态和过去的决策如何，对过去的决策所形成的状态来说，余下的各级决策必须构成一个最优策略。根据这一最优性原理，人们可以把一个比较复杂的多级决策问题分解成一系列形式相似的子问题，而每个子问题的寻优求解则是比较简单的，因而十分有利于计算机求解。

决策论

以环境为一方，以决策者为另一方，寻求以何种策略应付环境可以达到最大的效益，这就是决策论讨论的问题。决策论是运筹学的分支之一。决策者可以根据不同的法则选取应对策略。决策论中有以下几种主要法则：

（1）最大可能法则：选择最大可能环境状态下效益最大的行动策略。

（2）等可能法则：选择算术平均效益最大的行动策略。

（3）最大期望法则：选择统计平均效益最大的行动策略。

（4）乐观法则：选择各种可能环境状态和可能行动策略中效益最大的行动策略。

（5）悲观法则：选择最不利（效益最低）环境状态下效益最高的行动策略。

此外，还有所谓遗憾法则等。

决策论广泛应用于系统工程。从方案的设计和选择，到系统的管理和运行，每一环节都有决策问题，都可用决策论的方法解决。

对策论

又称博弈论，是研究在竞争情况下决策的理论和方法。一般对策问题都有三个基本要素。

（1）局中人：对策中有决策权的参加者（个人或集团）；

（2）策略：对策中指导自己行动的整体方案；

（3）得失：对策结局中各方的赢得或损失。

对策论讨论得最多的是“二人有限零和”问题。参加对策的局中人只有甲、乙两方，各有有限个策略。对策的结局是甲方所得即乙方所失或甲方所失即乙方所得，也就是说，甲、乙双方得失之和等于零。

对策论的基础是由J.诺伊曼奠定的。1927年他证明了对策论基本定理──最小最大定理，1944年他出版了对策论的第一部著作《对策论与经济行为》。

排队论

研究有关服务系统如何提供最优服务的理论和方法。任何服务系统都有一个排队问题，例如电话用户对电话总机的呼叫，计算机用户终端对中央处理器(CPU) 的请求，武器控制系统对多批次来袭目标的处理，系统工程中指挥机构对各种事务的有序安排等。所有服务系统都有三个基本要素。

（1）输入规律：服务请求到达的规律；

（2）排队原则:服务请求排队等待服务的规则；

（3）服务机制：服务系统提供服务的方式。排队论起源于A.K.爱尔朗等人关于电话系统理论的研究。

库存论

研究有关库存或存储问题的理论和方法。以备件问题为例，库存过多，备件积压，占用流动资金，还要付保管费；反过来，备件短缺，得不到及时补充，也要付出代价。运用库存论所建立的一套理论和方法，可以合理地设计库存，使费用减至最小。费用、需求、补给是库存问题的三个基本要素。

可靠性理论

主要研究可靠性的度量，可靠性评价，可靠性设计和提高可靠性的途径等问题。可靠性是指系统在规定条件下和指定时间内完成既定功能的能力。

用于度量可靠性的主要的几个量是：

（1）可靠度：系统在规定条件下和指定时间内完成既定功能的概率；

（2）失效率：系统在单位时间内失效的概率；

（3）平均失效间隔时间：系统两次失效的平均间隔时间；

（4）平均故障修复时间：系统从出现故障到恢复正常功能所需的平均时间。

定量评价系统的可靠性是从建立系统的可靠性模型入手的。可靠性设计的一项重要内容是进行可靠性指标的分配。提高系统可靠性的途径有，采用高可靠性的元件、器件、部件或子系统，采用冗余技术和并联备份技术，以及注意人-机设计等。

控制论

研究工程系统、生命系统和社会系统等领域中有关反馈现象和控制机制的共同理论的一门学科。控制论是N.维纳等人创立的。1948年出版了维纳的著作《控制论，或关于在动物和机器中控制和通信的科学》。维纳在这部著作中阐明了一些有关控制论的基本科学思想，如关于把控制论建立在统计理论基础上的思想，关于平稳时间序列的滤波和预测的思想，关于通过反馈以减少系统无组织程度的思想，关于自学习、自增殖和自组织系统的思想等。控制论在此后有了很大发展，特别是在现代称之为控制理论的方面，如关于系统状态的概念，关于系统的可控性和可观性的概念，大系统理论，分布参数系统理论，分级递阶控制的思想等。由于系统工程面对的是一类大型复杂的过程或系统，应用控制论的许多基本原理去处理系统工程问题就是很自然的事情。不过系统工程的发展水平还离不开人的干预，而现有理论又不足以精确地说明人的机能和反应，因此在许多场合应用控制论的原理实现精确的定量化研究还有困难。

信息论

研究有关信息的采集、变换、传输、处理、存储、显示等方面的基本理论。信息论的奠基性工作是由C.E.仙农等人作出的。1948年，仙农等人发表了长篇论文《通信的数学理论》。一年后仙农又发表了论文《噪声中的通信》。仙农把统计热力学中熵的概念引入到信息论中来，并认为熵的减少意味着信息的增加，较好地解决了信息的度量问题。仙农还建立了关于信源编码的定理和信道编码的定理，并在1959年的另一篇论文中提出了信息率-失真理论，为后来的数据压缩理论奠定了理论基础。信息论的诞生和发展对通信工程、信息工程、系统工程和其他广泛的科学领域产生了很大的影响。