系統(tǒng)科學(xué)概論

系統(tǒng)科學(xué)概論

SystemsScience主要內(nèi)容

非線性系統(tǒng)理論系統(tǒng)科學(xué)的簡介

自組織

協(xié)同學(xué)

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)

控制論

運(yùn)籌學(xué)淺談《周易》

涌現(xiàn)197586432第1講系統(tǒng)科學(xué)的簡介目錄Contents系統(tǒng)科學(xué)產(chǎn)生的背景系統(tǒng)科學(xué)的定義系統(tǒng)科學(xué)的體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)科學(xué)的形成系統(tǒng)科學(xué)的研究對(duì)象系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展1234567

系統(tǒng)科學(xué)發(fā)端于20世紀(jì)20年代，奧地利生物學(xué)家L.von貝塔朗菲倡導(dǎo)的機(jī)體論就是一般系統(tǒng)論的萌芽，與此同時(shí)，英國軍事部門的科學(xué)家研究和解決雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用問題，提出了運(yùn)籌學(xué)，這就是系統(tǒng)工程的萌芽。20世紀(jì)40年代，美國貝爾電話公司在發(fā)展通信技術(shù)時(shí)，使用了系統(tǒng)工程的方法。美國研制原子彈的曼哈頓工程，是系統(tǒng)工程的成功實(shí)踐。美國國防部設(shè)立的系統(tǒng)分析部，在軍事決策方面運(yùn)用了系統(tǒng)方法。20世紀(jì)50年代，系統(tǒng)科學(xué)的理論研究和教學(xué)工作全面展開。貝塔朗菲等人創(chuàng)辦了《一般系統(tǒng)論年鑒》，H.H.古德和R.E.麥克霍爾完成了專著《系統(tǒng)工程》。美國的麻省理工學(xué)院等院校開設(shè)了系統(tǒng)工程的課程。20世紀(jì)60年代，系統(tǒng)科學(xué)在西方、在蘇聯(lián)得到了廣泛的傳播。系統(tǒng)的理論研究取得了重要的成果，貝塔朗菲發(fā)表了《一般系統(tǒng)論——基礎(chǔ)、發(fā)展、應(yīng)用》的著作，使系統(tǒng)工程的應(yīng)用取得了明顯的效果。系統(tǒng)科學(xué)產(chǎn)生的背景

系統(tǒng)科學(xué)把事物看作系統(tǒng)，從系統(tǒng)的演化研究各學(xué)科（從物理系統(tǒng)、化學(xué)系統(tǒng)、生物系統(tǒng)，到經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)）的共性規(guī)律，是各門學(xué)科的方法論和基礎(chǔ)。系統(tǒng)科學(xué)的定義

馬克思主義哲學(xué)運(yùn)籌學(xué)控制論信息論各門系統(tǒng)工程自動(dòng)化技術(shù)通信技術(shù)

系統(tǒng)

學(xué)哲學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)科學(xué)工程技術(shù)系統(tǒng)論（系統(tǒng)觀）錢學(xué)森的系統(tǒng)科學(xué)體系結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)科學(xué)的體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)科學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系中的一個(gè)大部門，是一門綜合的、橫斷的新興科學(xué)?？茖W(xué)是內(nèi)在整體，它被分解為單獨(dú)的部門不是取決于事物的本質(zhì)，而是取決于人類認(rèn)識(shí)能力的局限性。實(shí)際上存在著由物理到化學(xué)、通過生物學(xué)和人類學(xué)到社會(huì)科學(xué)的連續(xù)的鏈條，這是一個(gè)任何一處都不能被打斷的鏈條----提出量子論的普朗克20世紀(jì)初，創(chuàng)立量子論和相對(duì)論為標(biāo)志的宇宙結(jié)構(gòu)學(xué)說--基礎(chǔ)；20世紀(jì)40年代，人類社會(huì)和生命系統(tǒng)為代表的“宏觀層次”--發(fā)展；20世紀(jì)后期，大型、復(fù)雜工程技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)問題優(yōu)化解決---蓬勃發(fā)展。系統(tǒng)科學(xué)的形成40年代出現(xiàn)了系統(tǒng)論、運(yùn)籌學(xué)、控制論、信息論，為早期的系統(tǒng)科學(xué)理論，后出現(xiàn)了系統(tǒng)工程、系統(tǒng)分析、管理科學(xué)的工程應(yīng)用。運(yùn)籌學(xué)：聯(lián)立約束條件議程和目標(biāo)函數(shù)方程并求解。如運(yùn)籌學(xué)應(yīng)用的一般程序：

控制論：即輸入-輸出反饋控制模型，研究生物系統(tǒng)和人工系統(tǒng)的共性和規(guī)律。信息論：關(guān)于系統(tǒng)的信息傳遞和處理的科學(xué)理論。明確問題結(jié)果分析選擇模型確定參數(shù)計(jì)算求解系統(tǒng)科學(xué)的形成系統(tǒng)科學(xué)研究的一大類系統(tǒng)，控制論從系統(tǒng)外顯的目的行為出發(fā)，把目的行為和信息的獲取、傳輸和處理關(guān)聯(lián)起來，概括成了一個(gè)反饋控制模型。而香農(nóng)信息論則去除了所謂信息的語義，從信息的語法方面建立了傳遞信息的通信系統(tǒng)模型。馮.諾伊曼計(jì)算機(jī)則實(shí)現(xiàn)了一種處理信息的“物理符號(hào)系統(tǒng)”，這是人類智能物化的偉大起點(diǎn)。目的、行為、控制、信息、語法、語義、智能等本來都是表征人的活動(dòng)的詞匯，由于控制論、信息論的發(fā)展，這些詞匯也被賦予了機(jī)器等人工物。這樣運(yùn)籌學(xué)、控制論和信息學(xué)的成就，就把科學(xué)的定量的系統(tǒng)適用范圍，從自然物擴(kuò)展到人工物，從“物理”擴(kuò)展到“事理”，為系統(tǒng)科學(xué)橫斷自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)和工程技術(shù)的基本特征的形成奠定了基礎(chǔ)。系統(tǒng)科學(xué)的形成簡單系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜任務(wù)大型集成系統(tǒng)體系單擺、時(shí)鐘、汽車等航空航天調(diào)度、供應(yīng)鏈調(diào)度等全球地面觀測體系、三峽工程、863計(jì)劃等人類社會(huì)等信息網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)科學(xué)的研究對(duì)象學(xué)科本身進(jìn)一步分化和向微觀的方向發(fā)展仍很重要。但當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的特征和趨勢之一，向著宏觀、交叉和復(fù)雜的整體化的趨勢發(fā)展成為主流。大量個(gè)體（天體、粒子、原子、分子、生物大分子、細(xì)胞、人、社團(tuán)組織等）怎樣組織成形形色色的系統(tǒng)？簡單個(gè)體怎樣運(yùn)動(dòng)組織成復(fù)雜的系統(tǒng)群體行為，是當(dāng)代科學(xué)研究的一個(gè)基本方向。（如可持續(xù)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)全球化等）----系統(tǒng)、秩序和組織系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展第2講非線性系統(tǒng)理論目錄Contents走進(jìn)非線性非線性特性非線性系統(tǒng)線性化描述當(dāng)作非線性非線性系統(tǒng)行為特征啟示1234567一只蝴蝶在巴西輕拍翅膀銷能力導(dǎo)致一個(gè)月后德克薩斯州的一場龍卷風(fēng)蝴蝶效應(yīng)非線性？瓶頸型指數(shù)型折疊型變比型滯后型間斷（跳躍）型失靈型飽和型拐點(diǎn)型循環(huán)型非單調(diào)型螺旋升降型多值相應(yīng)型過猶不及型振蕩型非線性特性兩個(gè)變量不按固定的比率變化如：彈簧系統(tǒng)的長度L與作用力F的關(guān)系F=kL在一定階段后逐步趨向于或保持在某一常數(shù)值“飽和特性”如：C圖為某一地區(qū)的種群增長率（如池塘魚群）曲線在拐點(diǎn)處前后彎曲程度不同如：社會(huì)的經(jīng)濟(jì)政治文化，個(gè)人的思維和心理活動(dòng)（i）（ii）代表拋物線，（iii）反映了“一波三折”自變量x太過(x2)與不及(x1)對(duì)應(yīng)的函數(shù)值相同如：事情做得過頭，就跟做得不夠一樣，都是不合適的不規(guī)則振蕩正弦波動(dòng)如：心跳如：聲波(i)為一元多線(ii)為多值函數(shù)“一因多果”如：一場大雨能使水稻長勢更旺，卻使棉花落鈴減產(chǎn)如：事物周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)如：辯證哲學(xué)中事物的螺旋式上升肯定——否定——否定之否定函數(shù)在自變量的某些點(diǎn)上發(fā)生不連續(xù)的變化“間斷特性”如：中彩票的收入變化在自變量x的一定范圍內(nèi)函數(shù)y的值為0“失靈特性”如：出臺(tái)一項(xiàng)政策函數(shù)連續(xù)而它的導(dǎo)數(shù)發(fā)生不連續(xù)的變化“折疊特性”如：街道的拐角如：市場經(jīng)濟(jì)的滯后性自變量不斷增大，因變量卻停滯不前如：下課時(shí)段，學(xué)生街小巷子的擁擠人群（1）是非指數(shù)式變化的（2）是指數(shù)式變化的如：細(xì)胞癌變，金融海嘯非線性系統(tǒng)不滿足疊加原理基本特征下面我們考察以下拋物線函數(shù)描述的響應(yīng)特性：非線性系統(tǒng)本質(zhì)非線性平庸非線性弱非線性非本質(zhì)非線性非平庸非線性

對(duì)非線性現(xiàn)象的粗略分類：強(qiáng)非線性X2弱于X3單調(diào)變化的弱于非單調(diào)變化的小范圍看是弱非線性，大范圍看是強(qiáng)非線性連續(xù)、光滑變化——非本質(zhì)不連續(xù)、非光滑變化——本質(zhì)能產(chǎn)生奇異行為的——非平庸非線性非線性系統(tǒng)的線性化描述最簡單的一維非線性系統(tǒng)，動(dòng)力學(xué)方程的一般形式為：

按泰勒公式展開的無窮級(jí)數(shù)：近似表示為以下線性系統(tǒng)：

“非線性是對(duì)線性的偏離”非線性余項(xiàng)“略去非線性余項(xiàng)”

對(duì)非線性系統(tǒng)的局部線性化處理：非線性系統(tǒng)的線性化描述局部線性化加微擾方法：線性化近似處理高次項(xiàng)為擾動(dòng)因素對(duì)結(jié)論加以修正

分段線性化方法：用一系列首尾相接的折線段近似代表曲線。如：沿曲折的海岸線修路把非線性當(dāng)作非線性非線性系統(tǒng)的線性化系統(tǒng)科學(xué)二者對(duì)比研究的主要對(duì)象是非線性只限于處理非本質(zhì)的非線性問題把非線性當(dāng)作余項(xiàng)把非線性當(dāng)做線性來對(duì)待把非線性當(dāng)作主項(xiàng)保留系統(tǒng)產(chǎn)生的多樣性，奇異性，復(fù)雜性的根源非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性

一維系統(tǒng)：不動(dòng)點(diǎn)方程：即均為不動(dòng)點(diǎn)軌道穩(wěn)定性的非劃一性非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性

李亞普諾夫第一方法

（線性近似法）線性化處理，線性穩(wěn)定性分析李亞普諾夫第二方法

（直接法）直接構(gòu)造函數(shù)，按其性質(zhì)判斷非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的判別方法非線性系統(tǒng)的相圖極限環(huán)多維環(huán)面12345鞍點(diǎn)引出的軌道：鞍沿如：地球表面上的分水嶺非線性系統(tǒng)的吸引子線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)類型數(shù)量吸引域系統(tǒng)演化點(diǎn)吸引子，環(huán)吸引子，奇怪吸引子，“混沌邊緣”等可能存在幾個(gè)吸引子劃分為若干區(qū)域，每個(gè)吸引子只能刻畫吸引域中的系統(tǒng)行為有多種可能前途，系統(tǒng)演化過程中對(duì)其進(jìn)行選擇。只存在點(diǎn)吸引子至多只有一個(gè)整個(gè)相空間只有一種前途非線性系統(tǒng)的自激振蕩非線性系統(tǒng)自激振蕩穩(wěn)定：自持振蕩不穩(wěn)定：非自持振蕩極限環(huán)

系統(tǒng)在沒有周期性外作用力驅(qū)動(dòng)下由于本身的非線性效應(yīng)而自發(fā)出現(xiàn)周期運(yùn)動(dòng)。

判斷一個(gè)非線性系統(tǒng)有無極限環(huán)非線性系統(tǒng)的自激振蕩極限環(huán)孤立的閉合軌道周圍無閉合軌道，只有螺旋型軌道對(duì)周圍的軌道要么吸引，要么排斥一類定態(tài)代表系統(tǒng)的一類典型的運(yùn)動(dòng)體制中心點(diǎn)非閉合軌道周圍有無窮多條閉合軌道對(duì)附近的閉合軌道既不互相吸引，也不相互排斥附近的閉合軌道是系統(tǒng)的擾動(dòng)態(tài)不代表系統(tǒng)的一種典型運(yùn)動(dòng)體制非線性系統(tǒng)的非平庸行為自激振蕩多吸引子并存混沌運(yùn)動(dòng)……——非線性系統(tǒng)的各種非平庸行為

以上都是非線性相互作用產(chǎn)生的系統(tǒng)現(xiàn)象，反映的是系統(tǒng)的整體涌現(xiàn)性。非線性系統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)勢壘穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)A不穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)C穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)B非線性系統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)花瓶？臉型？

詩歌風(fēng)格

美國政治體制豪放派婉約派共和黨民主黨非線性系統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)并非所有的非線性系統(tǒng)都具有雙穩(wěn)態(tài)控制空間的吸引域決定了系統(tǒng)的的體制在雙穩(wěn)態(tài)體制下，穩(wěn)態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必須跨越橫亙?cè)趦蓚€(gè)穩(wěn)態(tài)之間的勢壘

非線性系統(tǒng)雙穩(wěn)態(tài)應(yīng)注意的問題：啟示1、現(xiàn)實(shí)世界本質(zhì)上是非線性的2、把非線性當(dāng)作非線性來處理是非線性

科學(xué)的方法論原則3、非線性是現(xiàn)實(shí)世界無限多樣性、

豐富性、奇異性和復(fù)雜性的來源4、非線性系統(tǒng)多吸引子共存并且相互競爭第3講運(yùn)籌學(xué)目錄Contents運(yùn)籌學(xué)的概念運(yùn)籌學(xué)的發(fā)展運(yùn)籌學(xué)的特點(diǎn)運(yùn)籌學(xué)的工作步驟運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容1234567

運(yùn)籌學(xué)是運(yùn)用科學(xué)的方法（如分析、試驗(yàn)量化等）來決定如何最佳地運(yùn)營和設(shè)計(jì)各種系統(tǒng)的一門學(xué)科。運(yùn)籌學(xué)，用定量化方法了解和解釋運(yùn)行系統(tǒng)、為管理決策提供科學(xué)依據(jù)的學(xué)科。它把有關(guān)的運(yùn)行系統(tǒng)首先歸結(jié)成數(shù)學(xué)模型，然后用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行定量分析和比較，求得合理運(yùn)用人力、物力和財(cái)力的系統(tǒng)運(yùn)行最優(yōu)方案，是系統(tǒng)工程學(xué)和現(xiàn)代管理科學(xué)中的一種基礎(chǔ)理論和不可缺少的方法、手段和工具。35運(yùn)籌學(xué)的概念

中國古代的“孫子兵法”在質(zhì)的論斷中滲透著量的分析（1981年美國軍事運(yùn)籌學(xué)會(huì)出版了一本書，書中第一句話就是說孫武子是世界上第一個(gè)軍事運(yùn)籌學(xué)的實(shí)踐家），中國古代運(yùn)籌學(xué)思想的例子還有：田忌賽馬、圍魏救趙、行軍運(yùn)糧，等等。國外歷史上的阿基米德、伽利略研究過作戰(zhàn)問題；第一次世界大戰(zhàn)時(shí)，英國的蘭徹斯特（Lanchester）提出了戰(zhàn)斗方程，指出了數(shù)量優(yōu)勢、火力和勝負(fù)的動(dòng)態(tài)關(guān)系；美國的愛迪生為美國海軍咨詢委員會(huì)研究了潛艇攻擊和潛艇回避攻擊的問題。運(yùn)籌學(xué)的發(fā)展

1938年7月，Bawdsey（波德賽）雷達(dá)站的負(fù)責(zé)人A.P.Rowe（羅伊）提出立即進(jìn)行整個(gè)防空作戰(zhàn)系統(tǒng)運(yùn)行的研究，并用“OperationalResearch”一詞作為這方面的描述，這就是運(yùn)籌學(xué)這個(gè)名詞的起源。

1940年，以Blackett為首的一個(gè)研究小組（代號(hào)“Blackett

馬戲團(tuán)”），研究如何改進(jìn)英國的空防系統(tǒng)，提高英國本土防空能力。這類小組包括物理家、數(shù)學(xué)家、生物學(xué)家、天文學(xué)家和軍官等。運(yùn)籌學(xué)的發(fā)展定量化分析多學(xué)科交叉，如綜合利用了心理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、物理、化學(xué)等方法最優(yōu)決策運(yùn)籌學(xué)的特點(diǎn)1）提出和形成問題，2）建立模型，3）求解，4）解的檢驗(yàn)，5）解的控制，6）解的實(shí)施。運(yùn)籌學(xué)的工作步驟庫存論搜索論可靠性理論圖論規(guī)劃論對(duì)策論決策論排隊(duì)論運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容內(nèi)容主要分為四部分：規(guī)劃論

規(guī)劃論又叫“分配理論”，它是運(yùn)籌學(xué)的一個(gè)重要分支。規(guī)劃論是研究對(duì)有限資源進(jìn)行合理分配、全面安排、統(tǒng)籌規(guī)劃，以取得最佳效果的一種數(shù)學(xué)理論。運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容規(guī)劃論的方法1：線性規(guī)劃

這里最簡單的一種問題就是線性規(guī)劃。如果約束條件和目標(biāo)函數(shù)都是呈線性關(guān)系的就叫線性規(guī)劃。要解決線性規(guī)劃問題，從理論上講都要解線性方程組，因此解線性方程組的方法，以及關(guān)于行列式、矩陣的知識(shí)，就是線性規(guī)劃中非常必要的工具。線性規(guī)劃及其解法—單純形法的出現(xiàn)，對(duì)運(yùn)籌學(xué)的發(fā)展起了重大的推動(dòng)作用。許多實(shí)際問題都可以化成線性規(guī)劃來解決，而單純形法有是一個(gè)行之有效的算法，加上計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使一些大型復(fù)雜的實(shí)際問題的解決成為現(xiàn)實(shí)。運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容規(guī)劃論的方法2：非線性規(guī)劃

非線性規(guī)劃是線性規(guī)劃的進(jìn)一步發(fā)展和繼續(xù)。許多實(shí)際問題如設(shè)計(jì)問題、經(jīng)濟(jì)平衡問題都屬于非線性規(guī)劃的范疇。非線性規(guī)劃擴(kuò)大了數(shù)學(xué)規(guī)劃的應(yīng)用范圍，同時(shí)也給數(shù)學(xué)工作者提出了許多基本理論問題，使數(shù)學(xué)中的如凸分析、數(shù)值分析等也得到了發(fā)展。運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容規(guī)劃論的方法3：動(dòng)態(tài)規(guī)劃還有一種規(guī)劃問題和時(shí)間有關(guān)，叫做“動(dòng)態(tài)規(guī)劃”。近年來在工程控制、技術(shù)物理和通訊中的最佳控制問題中，已經(jīng)成為經(jīng)常使用的重要工具。

運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容對(duì)策論又叫“博弈論”，它是研究競爭局勢對(duì)抗模型和搜索最優(yōu)對(duì)抗策略的一種教學(xué)方法。對(duì)策論的研究對(duì)象是有厲害關(guān)系沖突的雙方在競爭活動(dòng)中的各自對(duì)策現(xiàn)象。運(yùn)用對(duì)策論的方法，在各方具有一定行為規(guī)則的情況下，可以根據(jù)對(duì)方可能采用的策略和手段來決定對(duì)付對(duì)方的辦法，以使自己在對(duì)抗競爭中處于有利的地位。創(chuàng)建對(duì)策論學(xué)科的馮·諾依曼看耶魯大學(xué)博弈論課程視頻運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容對(duì)策論決策論

決策論又叫做“判決理論”，它是研究決策問題的基本理論和方法。所謂決策就是根據(jù)客觀可能性，借助一定的理論、方法和工具，科學(xué)的選擇最優(yōu)方案的過程。決策理論大致可以分為傳統(tǒng)決策理論和現(xiàn)代決策理論。傳統(tǒng)決策理論中將決策者作為整個(gè)決策過程的核心，認(rèn)為他們?cè)跊Q策時(shí)具有絕對(duì)理性，將會(huì)自然地遵循最優(yōu)化原則，從而選擇合適的實(shí)施方案?，F(xiàn)代決策理論因?yàn)檎J(rèn)識(shí)到一個(gè)人思維的局限性以及現(xiàn)實(shí)問題的復(fù)雜性，而強(qiáng)調(diào)決策者應(yīng)該采用一種客觀的、全面的決策方法去處理問題，其核心是令人滿意的決策原則。運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容排隊(duì)論

排隊(duì)論又叫隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)理論。最初是在二十世紀(jì)初由丹麥工程師艾爾郎關(guān)于電話交換機(jī)的效率研究開始的，在第二次世界大戰(zhàn)中為了對(duì)飛機(jī)場跑道的容納量進(jìn)行估算，它得到了進(jìn)一步的發(fā)展，其相應(yīng)的學(xué)科更新論、可靠性理論等也都發(fā)展起來。排隊(duì)論主要研究各種系統(tǒng)的排隊(duì)隊(duì)長，排隊(duì)的等待時(shí)間及所提供的服務(wù)等各種參數(shù)，以便求得更好的服務(wù)。它是研究系統(tǒng)隨機(jī)聚散現(xiàn)象的理論。因?yàn)榕抨?duì)現(xiàn)象是一個(gè)隨機(jī)現(xiàn)象，因此在研究排隊(duì)現(xiàn)象的時(shí)候，主要采用的是研究隨機(jī)現(xiàn)象的概率論作為主要工具。此外，還有微分和微分方程。排隊(duì)論把它所要研究的對(duì)象形象的描述為顧客來到服務(wù)臺(tái)前要求接待。運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容庫存論

庫存論是一種研究物質(zhì)最優(yōu)存儲(chǔ)及存儲(chǔ)控制的理論，物質(zhì)存儲(chǔ)時(shí)工業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)的必然現(xiàn)象。如果物質(zhì)存儲(chǔ)過多，則會(huì)占用大量倉儲(chǔ)空間，增加保管費(fèi)用，使物質(zhì)過時(shí)報(bào)廢從而造成經(jīng)濟(jì)損失；如果存儲(chǔ)過少，則會(huì)因失去銷售時(shí)機(jī)而減少利潤，或因原料短缺而造成停產(chǎn)。因而如何尋求一個(gè)恰當(dāng)?shù)牟少?，存?chǔ)方案就成為庫存論運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容研究的對(duì)象。如果服務(wù)臺(tái)以被其它顧客占用，那么就要排隊(duì)。另一方面，服務(wù)臺(tái)也時(shí)而空閑、時(shí)而忙碌。就需要通過數(shù)學(xué)方法求得顧客的等待時(shí)間、排隊(duì)長度等的概率分布。搜索論

搜索論是由于第二次世界大戰(zhàn)中戰(zhàn)爭的需要而出現(xiàn)的運(yùn)籌學(xué)分支。主要研究在資源和探測手段受到限制的情況下，如何設(shè)計(jì)尋找某種目標(biāo)的最優(yōu)方案，并加以實(shí)施的理論和方法。在第二次世界大戰(zhàn)中，同盟國的空軍和海軍在研究如何針對(duì)軸心國的潛艇活動(dòng)、艦隊(duì)運(yùn)輸和兵力部署等進(jìn)行甄別的過程中產(chǎn)生的。搜索論在實(shí)際應(yīng)用中也取得了不少成效，例如二十世紀(jì)六十年代，美國尋找在大西洋失蹤的核潛艇“打谷者號(hào)”和“蝎子號(hào)”，以及在地中海尋找丟失的氫彈，都是依據(jù)搜索論獲得成功的。

運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容可靠性理論

可靠性理論是研究系統(tǒng)故障、以提高系統(tǒng)可靠性問題的理論?？煽啃岳碚撗芯康南到y(tǒng)一般分為兩類：（1）不可修系統(tǒng)：如導(dǎo)彈等，這種系統(tǒng)的參數(shù)是壽命、可靠度等，（2）可修復(fù)系統(tǒng)：如一般的機(jī)電設(shè)備等，這種系統(tǒng)的重要參數(shù)是有效度，其值為系統(tǒng)的正常工作時(shí)間與正常工作時(shí)間加上事故修理時(shí)間之比。運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容圖論

圖論是一個(gè)古老的但又十分活躍的分支，它是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)。圖論的創(chuàng)始人是數(shù)學(xué)家歐拉。1736年他發(fā)表了圖論方面的第一篇論文，解決了著名的哥尼斯堡七橋難題，相隔一百年后，在1847年基爾霍夫第一次應(yīng)用圖論的原理分析電網(wǎng)，從而把圖論引進(jìn)到工程技術(shù)領(lǐng)域。20世紀(jì)50年代以來，圖論的理論得到了進(jìn)一步發(fā)展，將復(fù)雜龐大的工程系統(tǒng)和管理問題用圖描述，可以解決很多工程設(shè)計(jì)和管理決策的最優(yōu)化問題，例如，完成工程任務(wù)的時(shí)間最少，距離最短，費(fèi)用最省等等。圖論受到數(shù)學(xué)、工程技術(shù)及經(jīng)營管理等各方面越來越廣泛的重視。運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容

運(yùn)籌學(xué)已被廣泛應(yīng)用于工商企業(yè)、軍事部門、民政事業(yè)等研究組織內(nèi)的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)問題，故其應(yīng)用不受行業(yè)、部門之限制；運(yùn)籌學(xué)既對(duì)各種經(jīng)營進(jìn)行創(chuàng)造性的科學(xué)研究，又涉及到組織的實(shí)際管理問題，它具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，最終應(yīng)能向決策者提供建設(shè)性意見，并應(yīng)收到實(shí)效；它以整體最優(yōu)為目標(biāo)，從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，力圖以整個(gè)系統(tǒng)最佳的方式來解決該系統(tǒng)各部門之間的利害沖突。對(duì)所研究的問題求出最優(yōu)解，尋求最佳的行動(dòng)方案，所以它也可看成是一門優(yōu)化技術(shù)，提供的是解決各類問題的優(yōu)化方法。運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容第4講控制論目錄Contents控制論的產(chǎn)生控制論的基本概念控制系統(tǒng)控制論系統(tǒng)控制論的運(yùn)用1234567

控制論是第二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展起來的一門新興橫斷科學(xué)。隨著1948年美國著名數(shù)學(xué)家維納所著《控制論》一書的發(fā)表，這才宣布了控制論這門新興橫斷科學(xué)的誕生，在短短幾十年的歷史中，控制論這門學(xué)科便以神奇的力量迅速發(fā)展起來，并滲透到人類活動(dòng)的諸多領(lǐng)域，涉及科學(xué)技術(shù)的幾乎所有部門?，F(xiàn)在，越來越多的人們開始注目于控制論，試圖用這種近代科學(xué)方法，指導(dǎo)自己的實(shí)踐活動(dòng)?？刂普摰漠a(chǎn)生社會(huì)背景

第二次世界大戰(zhàn)成為推動(dòng)控制論研究的客觀動(dòng)力，通過對(duì)控制論的研究，使控制論的許多核心問題在無形中獲得了突破和解決。另一方面，在“二戰(zhàn)“期間，各國對(duì)資源的開發(fā)利用大大加快。加快生產(chǎn)過程的自動(dòng)化是促使控制論得以迅速發(fā)展的動(dòng)力。如何把控制的功能更多地交給機(jī)器來完成，也是促使控制論產(chǎn)生和發(fā)展的客觀因素之一。

控制論的產(chǎn)生理論淵源

控制論是一門橫斷科學(xué)，它的發(fā)展是建立在很多其他學(xué)科研究成果的基礎(chǔ)上的。在這里，只介紹對(duì)控制論的建立和發(fā)展起決定性作用的三個(gè)主要方面。數(shù)學(xué)和物理學(xué)

控制論是建立在可能性空間的基礎(chǔ)上的，很多系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)或狀態(tài)下不能夠精確預(yù)見，而是帶有偶然性。因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)動(dòng)具有多種可能狀態(tài)，在給定條件下便具有某種概率分布，服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，控制論研究這類系統(tǒng)就必然要用到數(shù)學(xué)中的統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)。同時(shí)，控制論研究的系統(tǒng)也是一種動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，所以控制論還要用到物理學(xué)中的統(tǒng)計(jì)力學(xué)?？刂普摰漠a(chǎn)生生命科學(xué)

生命科學(xué)為控制論的產(chǎn)生提供了可供類比的對(duì)象?？刂普摰难芯孔畛跏呛蜕茖W(xué)的研究聯(lián)系在一起的，生命科學(xué)中對(duì)于很多現(xiàn)象的研究，如刺激與響應(yīng)、抑制與興奮等，是控制論中不少概念、理論、技術(shù)產(chǎn)生的來源?？刂普摰漠a(chǎn)生

計(jì)算機(jī)科學(xué)和邏輯學(xué)的發(fā)展與控制論的產(chǎn)生和發(fā)展互為因果、相互促進(jìn)。一方面，控制論要模擬人的智能，利用二進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算的電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使得人們借助計(jì)算機(jī)模擬人的智能行為成為可能。另一方面，邏輯學(xué)作為人類思維過程的理論總結(jié)，必然也是控制理論的研究基礎(chǔ)之一，特別是在無法弄清楚系統(tǒng)內(nèi)部的具體機(jī)制時(shí)。計(jì)算機(jī)科學(xué)和邏輯學(xué)

什么是控制

我們把控制理解為：根據(jù)信息選擇目的的行為及實(shí)現(xiàn)這一行為的過程。

然而，并不是所有事物都可以實(shí)施控制的，控制的實(shí)現(xiàn)需要一定的條件，必須具備以下三個(gè)條件：1、被控對(duì)象必須存在多種發(fā)展變化的可能性2、目標(biāo)狀態(tài)在各種可能性中是可選擇的3、系統(tǒng)須具備一定的控制能力控制論的基本概念控制論的定義與分類

控制論是以研究各種系統(tǒng)共同存在的控制規(guī)律為對(duì)象的一門科學(xué)。

控制論按其發(fā)展過程分類，可以分為古典控制論和現(xiàn)代控制論。

控制論按其應(yīng)用范圍分類，可以分為生物控制論、社會(huì)控制論、工程控制論、智能控制論等?？刂颇芰?/p>

控制能力必須能夠改變和創(chuàng)造條件，使事物朝著第二條所選的目標(biāo)方向轉(zhuǎn)化發(fā)展。如果我們用F表示控制能力，

控制論的基本概念

用M表示實(shí)施控制前事物的可能性空間，m表示事物在控制后縮小了的可能性空間，那么控制能力可以用下式表示：F=M/m。輸入與輸出

我們把環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的作用和影響稱為系統(tǒng)的輸入，而把系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的作用和影響稱為系統(tǒng)的輸出。系統(tǒng)的輸入可以分為可控輸入和不可控輸入。系統(tǒng)的輸出是系統(tǒng)對(duì)輸入進(jìn)行反應(yīng)并加工的結(jié)果，

是輸入的函數(shù)，輸出的集合反映了系統(tǒng)的行為效應(yīng)?？刂普摰幕靖拍?/p>

反饋

所謂反饋，就是系統(tǒng)的輸出對(duì)于輸入的影響。系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)性，主要靠反饋來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)輸出的部分或是全部，通過一定的通道又成為系統(tǒng)輸入的一部分，從而對(duì)系統(tǒng)的輸入和再輸出產(chǎn)生影響，這個(gè)過程就是反饋。根據(jù)反饋后果不同，反饋可以分為正反饋和負(fù)反饋。

圖1反饋環(huán)回路

控制論的基本概念被控對(duì)象反饋控制系統(tǒng)及其分類

一個(gè)簡單的控制系統(tǒng)，由兩個(gè)最基本的部分組成——施控主體系統(tǒng)和受控客體系統(tǒng)，施控主體也叫施控裝置，受控客體也叫被控裝置。前者具有導(dǎo)向作用，具有產(chǎn)生目的的功能，后者的目的性是在前者的控制下實(shí)現(xiàn)的。

現(xiàn)代控制理論根據(jù)控制系統(tǒng)的控制方式不同，將控制系統(tǒng)分為三類，即開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和組合控制系統(tǒng)。根據(jù)控制的目的可以將控制系統(tǒng)分為穩(wěn)定控制、程序控制、隨動(dòng)控制、最優(yōu)控制；按照目標(biāo)值的不同，可以分為定值控制、追值控制、最大值與最小值控制等等?？刂葡到y(tǒng)

控制系統(tǒng)的主要方法

在研究控制系統(tǒng)的過程中，人們逐步形成、發(fā)展和完善了許多科學(xué)方法，最主要的有功能模擬方法、黑箱方法、反饋控制方法等。

功能模擬方法

模擬方法是一種傳統(tǒng)的科學(xué)方法。功能模擬法，就是用功能模型來模仿客體原型的功能和行為的方法。所謂功能模型就是只以功能行為是相似為基礎(chǔ)而建立的模型?？刂葡到y(tǒng)

黑箱方法

所謂黑箱方法，就是運(yùn)用相對(duì)獨(dú)立的原則，通過分析系統(tǒng)的輸入、輸出及其動(dòng)態(tài)過程，而不必直接考察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，來定量或定性地認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的功能特性、行為方式，以及探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)理的一種控制論認(rèn)識(shí)方法。

反饋方法

所謂反饋方法，是指用系統(tǒng)活動(dòng)的結(jié)果來調(diào)整系統(tǒng)活動(dòng)的方法。反饋方法的特點(diǎn)就是根據(jù)過去的操作情況來調(diào)解未來的行動(dòng)，使系統(tǒng)演化以接近我們的預(yù)期目的?？刂葡到y(tǒng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)

穩(wěn)定裕度

穩(wěn)定裕度，形象的說法就是穩(wěn)定性的富裕程度?？刂葡到y(tǒng)必須具備足夠的穩(wěn)定裕度，才能充分發(fā)揮其系統(tǒng)功能。

控制精度

受控量的穩(wěn)態(tài)值與預(yù)定值之差的絕對(duì)值。

動(dòng)態(tài)特性

對(duì)于控制系統(tǒng)的過渡階段，要求測量多種特性指標(biāo)，一般有過渡時(shí)間T、超調(diào)量h、振蕩次數(shù)N等?？刂葡到y(tǒng)

過渡時(shí)間T

從控制開始啟動(dòng)到系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)誤差允許范圍后不再越出邊界的最短時(shí)間T就是過渡過程時(shí)間。

超調(diào)量h

在控制系統(tǒng)的過渡過程中，受控量y在很多時(shí)候是以振蕩的方式逼近預(yù)定值y0的。若令其中偏離最遠(yuǎn)的振蕩受控量為ymax，即ymax為過渡過程中y的最大值，那么超調(diào)量h定義為振蕩過程中的最大振幅：h=|ymax-y0|。

振蕩次數(shù)N

在0~T的過渡時(shí)間內(nèi)受控量y的振蕩次數(shù)?？刂葡到y(tǒng)控制論系統(tǒng)

控制論系統(tǒng)這個(gè)概念一方面定義了一類系統(tǒng)，它是控制論的研究對(duì)象之一；另一方面它提出了特定的控制規(guī)律，可形成專門的研究方法和途徑。那么什么是控制論系統(tǒng)呢？現(xiàn)在很多人，甚至包括研究控制的人，都容易把控制論系統(tǒng)和控制系統(tǒng)相混淆。實(shí)際上，控制論系統(tǒng)好和控制系統(tǒng)是不同的，控制論系統(tǒng)專指帶有反饋的控制系統(tǒng)，即它是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，涵蓋的范圍顯然不及控制系統(tǒng)廣。

控制論系統(tǒng)

一個(gè)企業(yè)系統(tǒng)其生產(chǎn)、管理、運(yùn)營的活動(dòng)過程可以抽象為如圖所示的控制系統(tǒng)，即包括了反饋的控制系統(tǒng)?？刂普撓到y(tǒng)控制論系統(tǒng)的基本規(guī)律

控制器對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換或處理的規(guī)律，就是控制論系統(tǒng)的控制規(guī)律。

設(shè)控制器的輸出為u(t)，輸出的偏差的函數(shù)，可用如下關(guān)系來表示：u(t)=F[e(t)]

此式即為系統(tǒng)的控制規(guī)律。

控制論系統(tǒng)圖3控制論系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)

目前常用的控制規(guī)律有以下幾種

位式控制規(guī)律

位式控制規(guī)律就是控制器的開關(guān)控制規(guī)律，對(duì)應(yīng)于不同的偏差，控制器為二值輸出，要么開啟，要么關(guān)閉。

比例控制規(guī)律

比例控制規(guī)律，就是在控制器輸出與偏差之間增設(shè)一個(gè)比例關(guān)系，它是對(duì)位式控制中受控量無穩(wěn)態(tài)值的一種改進(jìn)。

比例積分控制規(guī)律

比例積分控制規(guī)律，除了設(shè)定控制器的輸出與偏差成正比外，系統(tǒng)同時(shí)還對(duì)偏差進(jìn)行時(shí)間積分。

控制論系統(tǒng)

控制器的輸出信號(hào)c(t)同時(shí)成比例地反應(yīng)輸入信號(hào)ε(t)和輸入信號(hào)ε(t)的積分。

其方程為：

式中：k↓p為比例系數(shù)；T↓i為積分時(shí)間常數(shù)。

比例積分微分控制規(guī)律

比例積分微分控制規(guī)律的表達(dá)式：PID控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律，它在比例的基礎(chǔ)上引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于控制通道時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場合?？刂普撓到y(tǒng)控制論的理論內(nèi)容

在實(shí)際運(yùn)用中，控制理論主要有以下相關(guān)內(nèi)容。

最優(yōu)控制理論

這是現(xiàn)代控制論的核心內(nèi)容，主要應(yīng)用于工程控制系統(tǒng)和社會(huì)控制系統(tǒng)。對(duì)于多輸入和多輸出的現(xiàn)代的控制系統(tǒng)，最優(yōu)控制理論強(qiáng)調(diào)采用動(dòng)態(tài)的控制方式，通過各種數(shù)學(xué)模型方法，力圖有效地解決大型復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制問題，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體和過程的最優(yōu)化。控制論的運(yùn)用

自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)控制理論

自適應(yīng)控制系統(tǒng)是一種前饋控制系統(tǒng)，就是在環(huán)境條件還沒有影響到控制對(duì)象之前，就通過預(yù)測而進(jìn)行控制的一種方式。所謂自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，就是系統(tǒng)具有自我學(xué)習(xí)的機(jī)制，能夠按照自己在運(yùn)行過程中的經(jīng)驗(yàn)，逐步改進(jìn)機(jī)器的控制算法，使之趨于理想狀態(tài)。

模糊控制理論

模糊控制理論建立在模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，主要用于解決一些不確定性系統(tǒng)的控制問題?？刂普摰倪\(yùn)用

大系統(tǒng)控制論

大系統(tǒng)控制論是現(xiàn)代控制論最新發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域，它是系統(tǒng)工程中解決大系統(tǒng)整體與部分、整體與外界環(huán)境之間的相互關(guān)系，以達(dá)到最優(yōu)控制的理論和研究方法?？刂普摰倪\(yùn)用概況

控制論自它誕生之日起，就與生物結(jié)下了不解之緣。從控制論的創(chuàng)始人維納的奠基性著作《控制論》一書中的內(nèi)容即可見一斑。如今，生物控制論已經(jīng)是一門發(fā)展非常迅速，有著廣闊前景的新興學(xué)科。

控制論的運(yùn)用

人工智能是控制論的一個(gè)嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域，也是實(shí)現(xiàn)智能控制的主要途徑。作為一門新興的邊緣學(xué)科，人工智能的目標(biāo)是研究如何使用機(jī)器具有認(rèn)識(shí)問題與解決問題的能力，從而實(shí)現(xiàn)人類勞動(dòng)的第二次解放，即腦力勞動(dòng)的解放。

控制論向社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域滲透，形成了社會(huì)控制論和經(jīng)濟(jì)控制論?？刂普撗芯可鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)的一個(gè)基本方法，就是用數(shù)學(xué)公式來描述社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象，也就是建立所謂的社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)模型。然后，用控制理論的方法按最優(yōu)反饋控制來求解，由此得出計(jì)劃、管理過程的最優(yōu)策略，為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的領(lǐng)導(dǎo)者提供科學(xué)的決策依據(jù)?？刂普摰倪\(yùn)用第5講復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)目錄Contents復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用影響其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能的因素復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分類123467這部分將從三個(gè)方面介紹復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)：概念，特性，主要表現(xiàn)方面。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)1.1復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的概念我國著名科學(xué)家錢學(xué)森給出了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)一個(gè)較嚴(yán)格的定義：具有自組織、自相似、吸引子、小世界、無標(biāo)度中部分或全部性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)稱為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。自組織：如果一個(gè)系統(tǒng)靠外部指令而形成組織，就是他組織；如果不存在外部指令，系統(tǒng)按照相互默契的某種規(guī)則，各盡其責(zé)而又協(xié)調(diào)地自動(dòng)地形成有序結(jié)構(gòu)，就是自組織。Figure1.網(wǎng)絡(luò)自組織復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)自相似：一種形狀的每一部分在幾何上相似于整體，一般對(duì)分形而言。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)吸引子：相空間（可以表示出一個(gè)系統(tǒng)所有可能狀態(tài)的空間）中穩(wěn)定的不動(dòng)點(diǎn)集。海納百川，大海就是百川的吸引子落葉歸根，樹根就是葉子的吸引子熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)就是該系統(tǒng)的吸引子

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)SixDegreesofSeparation有一個(gè)數(shù)學(xué)領(lǐng)域的猜想，名為SixDegreesofSeparation，中文翻譯包括以下幾種：六度分割理論或小世界理論等。理論指出：你和任何一個(gè)陌生人之間所間隔的人不會(huì)超過五個(gè)，也就是說，最多通過五個(gè)中間人你就能夠認(rèn)識(shí)任何一個(gè)陌生人，見圖所示。這就是六度分割理論，也叫小世界理論。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)小世界：

Figure2.小世界網(wǎng)絡(luò)圖復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)無標(biāo)度：

Figure3.無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)圖復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)冪律冪律來自上世紀(jì)20年代對(duì)于英語單詞頻率的分析，真正常用的單詞量很少，很多單詞不常被使用，語言學(xué)家發(fā)現(xiàn)單詞使用的頻率和它的使用優(yōu)先度是一個(gè)常數(shù)次冪的反比關(guān)系。簡單來說，冪律就是兩個(gè)通俗的定律，一個(gè)是“長尾”理論，只有少數(shù)大的門戶網(wǎng)站是很多人關(guān)注的，但是還有一個(gè)長長的尾巴，就是小網(wǎng)站，小公司。長尾理論就是對(duì)冪律通俗化的解釋。另外一個(gè)通俗解釋就是馬太效應(yīng)，窮者越窮富者越富。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)冪律分布復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)1.2復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的特性復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)一般具有以下特性：小世界，集群，度，相似性，介數(shù)。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)集群：集群即集聚程度(clusteringcoefficient)的概念。

Figure4.網(wǎng)絡(luò)集群圖度：度指的是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)關(guān)系（用網(wǎng)絡(luò)中的邊表達(dá)）的數(shù)量。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)相似性：節(jié)點(diǎn)u和v的相似性反應(yīng)的是節(jié)點(diǎn)u和v的相同鄰居節(jié)點(diǎn)的情況。Figure5.節(jié)點(diǎn)相似性圖介數(shù)：節(jié)點(diǎn)u的介數(shù)含義為網(wǎng)絡(luò)中所有的最短路徑之中，經(jīng)過u的數(shù)量。它反映了節(jié)點(diǎn)u的影響力。影響力：蝴蝶效應(yīng)，洛倫茨吸引子，混沌（天氣預(yù)報(bào)）復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)1.3復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的主要表現(xiàn)方面復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)簡而言之即呈現(xiàn)高度復(fù)雜性的網(wǎng)絡(luò)。其復(fù)雜性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜：表現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多種不同特征。

Figure6.Internet在自治系統(tǒng)層次上的拓?fù)鋱D網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化：表現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)或連接的產(chǎn)生與消失。例如WorldWideWeb，網(wǎng)頁或鏈接隨時(shí)可能出現(xiàn)或斷開，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)連接多樣性：節(jié)點(diǎn)之間的連接權(quán)重存在詫異，且有可能存在方向性。

Figure7.藥物復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)帶權(quán)圖復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)特性-平均路徑長度平均路徑長度：網(wǎng)絡(luò)研究中,一般定義兩節(jié)點(diǎn)間的距離為連接兩者的最短路徑的邊的數(shù)目;網(wǎng)絡(luò)的直徑為任意兩點(diǎn)間的最大距離;網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度l則是所有節(jié)點(diǎn)對(duì)之間距離的平均值,它描述了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的分離程度,即網(wǎng)絡(luò)有多小。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究中一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)是絕大多數(shù)大規(guī)模真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度比想象的小得多,稱之為“小世界效應(yīng)”。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)盡管許多實(shí)際的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)巨大，網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度卻小得驚人，具體地說，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)稱為是具有小世界效應(yīng)的，如果對(duì)于恒定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均度，平均路徑長度L的增加速度至多與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模N的對(duì)數(shù)成正比。平均路徑長度復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)聚類系數(shù)假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)i有Ki條邊將它和其他節(jié)點(diǎn)相連，這Ki個(gè)節(jié)點(diǎn)之間最多可能有Ki(Ki-1)/2條邊，而Ki個(gè)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)際存在的邊數(shù)Ei和總的可能的邊數(shù)Ki(Ki-1)/2之比就定義為節(jié)點(diǎn)i的聚類系數(shù)Ci，即Ci=2Ei/(Ki(Ki-1))復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)C就是所有節(jié)點(diǎn)i的聚類系數(shù)Ci的平均值。在很多類型的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多，它的聚類系數(shù)會(huì)趨向于某一個(gè)非零常數(shù)，在某種程度上有”物以類聚“的特性。1.3復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的主要表現(xiàn)方面

Figure8.社會(huì)關(guān)系網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)復(fù)雜性：節(jié)點(diǎn)集可能屬于非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，例如節(jié)點(diǎn)狀態(tài)隨時(shí)間發(fā)生復(fù)雜變化。

Figure9.復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)間變化圖復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多樣性：復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以代表任何事物。例如，人際關(guān)系構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)代表單獨(dú)個(gè)體，萬維網(wǎng)組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以表示不同網(wǎng)頁。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)

社會(huì)網(wǎng)：演員合作網(wǎng)，友誼網(wǎng)，姻親關(guān)系網(wǎng)，科研合作網(wǎng)，Email網(wǎng)生物網(wǎng)：食物鏈網(wǎng)，神經(jīng)網(wǎng)，新陳代謝網(wǎng)，蛋白質(zhì)網(wǎng)，基因網(wǎng)絡(luò)信息網(wǎng)絡(luò)：WWW，專利使用，論文引用，計(jì)算機(jī)共享技術(shù)網(wǎng)絡(luò)：電力網(wǎng)，Internet，電話線路網(wǎng)，交通運(yùn)輸網(wǎng)：航線網(wǎng)，鐵路網(wǎng)，公路網(wǎng)，自然河流網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分類WS所以后來提出了一個(gè)兼具小世界性和高聚集性的網(wǎng)絡(luò)模型，他們通過將規(guī)則網(wǎng)絡(luò)中的每條邊以概率p隨機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)新節(jié)點(diǎn)上,構(gòu)造出一種介于規(guī)則網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)絡(luò)(簡稱WS網(wǎng)絡(luò)),它同時(shí)具有較小的平均路徑長度和較大的聚集系數(shù),而規(guī)則網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)則分別是WS網(wǎng)絡(luò)在p為0和1時(shí)的特例。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分類規(guī)則網(wǎng)絡(luò)(1)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)是指平移對(duì)稱性晶格,任何一個(gè)格點(diǎn)的近鄰數(shù)目都相同(2)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的具有相同的度值(3)如圖為最近鄰耦合網(wǎng)絡(luò)：每個(gè)節(jié)點(diǎn)都與它左右的K/2個(gè)節(jié)點(diǎn)相連(4)對(duì)大的N,K,有：聚集系數(shù)C~3/4,平均路徑長度L~無窮大復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分類1998年，美國康奈爾大學(xué)的Watts和Strogatz在Nature上著文建立了第一個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，即“小世界網(wǎng)絡(luò)模型”。

Figure14.WS模型(1)影響其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能的因素電力系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用：

Figure10.電力系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)受到隨意攻擊典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用細(xì)胞復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用：

Figure11.肺部細(xì)胞形成一個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用生物網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用因特網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用：

Figure12.因特網(wǎng)形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用PhysicscollaborationnetworkPallaetal.Nature435,9(2005)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的社團(tuán)結(jié)構(gòu)CommunityStructures社團(tuán)內(nèi)部連接緊密，社團(tuán)之間連接相對(duì)稀疏典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)物理學(xué)科學(xué)家合作網(wǎng)典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上的疾病傳播典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的少數(shù)者博弈模型少數(shù)者博弈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響？數(shù)值模擬結(jié)果典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用第6講協(xié)同學(xué)協(xié)同學(xué)

synergetics

赫爾曼·哈肯

近年來，協(xié)同理論已經(jīng)引起我國物理、化學(xué)、生物、地理地質(zhì)、天文氣象、系統(tǒng)工程、機(jī)械電器、思維科學(xué)、醫(yī)學(xué)、自動(dòng)化科學(xué)以及哲學(xué)界廣大同志的關(guān)注和興趣。目錄Contents歷史背景定義研究對(duì)象基本思想應(yīng)用--微流控1234567協(xié)同學(xué)產(chǎn)生的歷史背景

協(xié)同學(xué)是由原西德斯圖加特大學(xué)理論物理學(xué)教授哈肯（H.Haken）創(chuàng)立，他從1960年起就研究激光理論，激光是一種遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)，由無序向有序轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。他以激光理論為基礎(chǔ)，通過類比歸類，形成完整的理論，1970年，他最初提出協(xié)同學(xué)，又用了7年時(shí)間，哈肯于1970年出版了＜協(xié)同學(xué)導(dǎo)論＞，創(chuàng)立了協(xié)同論。立即引起了國際理論物理、理論生物、化工、醫(yī)學(xué)、工程應(yīng)用，以及社會(huì)學(xué)界的極大興趣。1976年，英國物理研究院和德國物理協(xié)會(huì)授予他玻恩獎(jiǎng)。1981年美國富蘭克林研究院鑒于他在協(xié)同學(xué)方面的開創(chuàng)性工作，授予他邁克爾遜獎(jiǎng)?wù)隆v史背景定義

協(xié)同學(xué)是以現(xiàn)代最新的一些科學(xué)理論（如信息論、控制論、突變論等）為基礎(chǔ)，采用適用范圍很廣的統(tǒng)計(jì)學(xué)和動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的方法，通過分析類比，建立了一整套數(shù)學(xué)模型和處理方案，來描述各種系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象中從無序到有序轉(zhuǎn)變的共同規(guī)律的一門新興學(xué)科。定義研究對(duì)象

協(xié)同學(xué)是研究由不同性質(zhì)的大量子系統(tǒng)（諸如電子、原子、分子、細(xì)胞、神經(jīng)元、力學(xué)元、光子、器官、動(dòng)物乃至人類）所構(gòu)成的各種系統(tǒng)。系統(tǒng)是由兩個(gè)以上的要素組成的整體，單個(gè)要素也無法構(gòu)成系統(tǒng)。系統(tǒng)的諸要素之間、要素與整體之間、以及整體與環(huán)境之間存在著一定的有機(jī)聯(lián)系。系統(tǒng)要素之間的聯(lián)系與作用必產(chǎn)生一定的功能。功能是系統(tǒng)所發(fā)揮的作用或效能，且是各要素個(gè)體所不具備的功能，這種功能是由系統(tǒng)內(nèi)部要素的有機(jī)聯(lián)系和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定的。研究對(duì)象協(xié)同學(xué)的基本思想從系統(tǒng)內(nèi)部尋找有序源泉。系統(tǒng)的行為并不是其子系統(tǒng)行為的迭加，而是由子系統(tǒng)的相互作用調(diào)節(jié)和組織起來的。漲落導(dǎo)致有序。自組織是系統(tǒng)有序化的內(nèi)在根據(jù)?；舅枷霊?yīng)用—芯片實(shí)驗(yàn)室Lab-on-a-chip或稱微全分析系統(tǒng)定義：泛指能整合多種化學(xué)、生物分析功能于單一小型芯片上，處理非常微小液量（不到數(shù)皮升）的技術(shù)典型制造法是使用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)制出微小尺度的渠道，致動(dòng)器，傳感器等。從本質(zhì)上講,芯片實(shí)驗(yàn)室就是一種微型化的生化分析儀微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS,Micro-Electro-MechanicSystem）是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。微流控芯片是MEMS的一個(gè)分支，是當(dāng)前微全分析系統(tǒng)發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域。應(yīng)用微流控一種精確控制和操控微尺度流體，尤其特指亞微米結(jié)構(gòu)的技術(shù)。（即：對(duì)于微尺度下流體的控制）狹義上的行業(yè)共識(shí)：1納米材料（100nm以下）2亞微米材料（100nm~1.0

μm）3微米材料（1.0μm~5.0μm）“微”以為著以下的特性：1微小的容量（納升、皮升、飛升）2微小的體型3低能量消耗4裝置本身占用體積小應(yīng)用微流控技術(shù)在20世紀(jì)80年代興起，并在DNA芯片、芯片實(shí)驗(yàn)室、微進(jìn)樣技術(shù)、微熱力學(xué)技術(shù)得到了發(fā)展。多交叉學(xué)科：包括工程學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、微加工、生物工程流體在微觀上的行為與宏觀上的行為的主要區(qū)別在于表面張力，能量耗散，及流體阻力開始主導(dǎo)著流體行為。在流體通道的尺寸約為100nm-幾百μm時(shí)，一些有趣及有違常理的現(xiàn)象出現(xiàn)了。雷諾數(shù)（比較慣性力和粘性力的常數(shù)）變的很小。一個(gè)重要的結(jié)果就是當(dāng)幾束流體并行時(shí)，沒有混合，這幾束流體之間的分子傳送時(shí)通過擴(kuò)散來達(dá)到的。這個(gè)性質(zhì)在微流體儀器中顯得尤為重要。應(yīng)用微流控病毒檢測應(yīng)用新聞

微流控芯片由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個(gè)系統(tǒng);取代常規(guī)生物或化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的各種功能。微流控芯片實(shí)驗(yàn)室的基本特征和最大優(yōu)勢是多種單元技術(shù)在微小平臺(tái)上的靈活組合和規(guī)模集成。微流控芯片技術(shù)是把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上，自動(dòng)完成分析全過程。由于它在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的巨大潛力，已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、流體、電子、材料、機(jī)械等學(xué)科交叉的嶄新研究領(lǐng)域。應(yīng)用微流控實(shí)驗(yàn)芯片材料分類區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)一（芯片材料）硅芯片玻璃芯片石英芯片高聚物芯片硅-玻璃、硅-石英、玻璃-高聚物等復(fù)合材料芯片區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)二（功能需求）高分辨分離芯片微采樣(進(jìn)樣)芯片微檢測(傳感器)芯片細(xì)胞分析芯片前處理芯片化學(xué)合成芯片多功能集成芯片應(yīng)用基底材料是芯片實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ),是生化反應(yīng)的載體,大部分微結(jié)構(gòu)都是在芯片材料上刻制而成的。由于蝕刻技術(shù)的發(fā)展和造價(jià)原因,塑料已被視為目前制作微芯片的理想材料。它的成功應(yīng)用主要與其所具有的良好的光學(xué)性質(zhì)、研究透徹的表面性質(zhì),并且在玻璃材質(zhì)非常容易對(duì)其實(shí)施微電子加工等原因有關(guān)。另外,晶體硅、陶瓷等材料也可用于芯片毛細(xì)管電泳的制作,但是硅作為基底材料有很多缺點(diǎn),如導(dǎo)電性太強(qiáng),不太適合于高電場強(qiáng)度的電泳。此外,各種聚合物材料也引起了研究者的廣泛興趣,這主要是由于聚合物芯片易于成形、化學(xué)惰性、便宜、無毒。較常用的聚合物材料包括聚碳酸脂、環(huán)氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。目前研究的芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)是以毛細(xì)管電泳為基礎(chǔ),其分離過程主要通過電泳方法來實(shí)現(xiàn)。PDMS聚二甲基硅氧烷：成本低，使用簡單，同硅片之間有良好的粘附性，有良好的化學(xué)惰性。廣泛應(yīng)用在微流控領(lǐng)域的聚合物材料。應(yīng)用原理簡析主要依托學(xué)科：分析化學(xué)（基礎(chǔ)）、微機(jī)電加工技術(shù)結(jié)構(gòu)特征：微管道網(wǎng)絡(luò)工作原理：微管道中流體控制前處理功能：多種技術(shù)供選擇集成化對(duì)象：全部化學(xué)分析功能應(yīng)用領(lǐng)域：全部分析領(lǐng)域，生命科學(xué)是目前主要應(yīng)用對(duì)象應(yīng)用結(jié)構(gòu)及加工特點(diǎn)微流控分析芯片是通過微細(xì)加工技術(shù)將微管道、微泵、微閥、微儲(chǔ)液器、微電極、微檢測元件，窗口和連接器等功能元件像集成電路一樣，使它們集成在芯片材料(基片)上的微全分析系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)和加工特點(diǎn)如下：1)以微管道為網(wǎng)絡(luò)，將微泵、微閥、微儲(chǔ)液器、微電極、微檢測元件等連接在一起，對(duì)加入微通道中的流體進(jìn)行控制與分離測定，以完成多種分析功能，如采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離、檢測等。2)微流控分析芯片的面積為幾個(gè)平方厘米。3)微管道寬度和深度為微米級(jí)。4)芯片材料已從硅片發(fā)展到玻璃，石英，有機(jī)聚合物等，因此也發(fā)展了有機(jī)聚合物材料的加工技術(shù)。在傳統(tǒng)的光刻和蝕刻的基礎(chǔ)上發(fā)展了模塑法，熱壓法，激光燒蝕法，LIGA技術(shù)和軟光刻等新方法。應(yīng)用在微機(jī)電加工技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過光蝕刻或微注模技術(shù)在芯片上制作出用于進(jìn)樣和分離的微小通道,并進(jìn)一步聯(lián)之以微閥、微泵是現(xiàn)階段芯片實(shí)驗(yàn)室加工的一般途徑。目前常用的刻制技術(shù)有光蝕刻技術(shù)、微刻技術(shù)、紫外激光切除方法以及深層反應(yīng)離子蝕刻法等。對(duì)玻璃材料的加工目前多采用標(biāo)準(zhǔn)的光蝕刻技術(shù),其加工過程主要包括膜的沉積、光刻、蝕刻及粘接等四個(gè)步驟。首先在玻璃表面噴涂一層金屬掩膜,通常是Cr/Au金屬膜,在金屬掩膜層上涂上一層光敏劑。然后用適當(dāng)波長的光經(jīng)模板對(duì)芯片進(jìn)行曝光,用適當(dāng)?shù)母g液除掉已曝光部分的光敏劑和金屬掩膜。在此基礎(chǔ)上對(duì)芯片進(jìn)行化學(xué)蝕刻,氫氟酸是最常用的蝕刻劑,可以通過控制溫度來調(diào)控氫氟酸對(duì)玻璃的蝕刻速率,用輪廓曲線儀監(jiān)測整個(gè)蝕刻過程。微通道蝕刻完成后,將芯片表面剩余的光敏物質(zhì)膜和掩膜除掉。芯片通道與外界連接的緩沖液池,可以粘在已蝕刻的基片上或另一片空白的玻璃芯片上。最后將已蝕刻完成的芯片和另一空白芯片,采用加熱的方法直接進(jìn)行鍵合,就可形成一個(gè)完整的芯片。應(yīng)用高分子聚合物微流控芯片的加工技術(shù)高分子聚合物基片上制作微通道的技術(shù)有模塑法，熱壓法，LIGA技術(shù)，激光燒蝕法和軟光刻等。軟光刻是相對(duì)于微制造領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的光刻而言的微圖形轉(zhuǎn)移和微制造的新方法。因光刻不但需要昂貴的設(shè)備和超凈實(shí)驗(yàn)室，也不能在曲面上加工微結(jié)構(gòu)。從1995年開始，G.Whitesides等以自組裝單分子層(self-assembledmonolayer,SAMs)，彈性印章(elastomericstamp)和高聚物膜塑技術(shù)為基礎(chǔ)，發(fā)展了一種新的低成本的微細(xì)加工新技術(shù)“軟光刻”。軟光刻技術(shù)的核心是圖形轉(zhuǎn)移元件-彈性印章。方法有微接觸印刷法，毛細(xì)微模塑法，轉(zhuǎn)移微模塑法和微復(fù)制模塑法等。它不僅可在高聚物等材料上制造復(fù)雜的三維微通道，而且可以改變材料表面的化學(xué)性質(zhì)，有可能成為低成本的微流控分析芯片的新方法。應(yīng)用食品安全：檢測食物中的重金屬離子

項(xiàng)目建立了一種用于重金屬離子現(xiàn)場檢測的多通道無動(dòng)力微流控芯片及其使用方法。該微流控芯片包括流體流動(dòng)的通道片層和芯片基片，兩者都由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，其優(yōu)點(diǎn)在于該芯片的進(jìn)樣方式不需外部能量，僅僅利用聚二甲基硅氧烷的存儲(chǔ)氣體的能力，經(jīng)過抽真空前處理就可以達(dá)到現(xiàn)場使用的效果。本微流控芯片與不同種類的金納米探針結(jié)合，適用于現(xiàn)場不同種類的重金屬離子實(shí)時(shí)快速檢測。整個(gè)芯片試劑盒包含密封的8通道微流控芯片和獨(dú)特設(shè)計(jì)的納米生物探針。建立的是一種多通道的無動(dòng)力的微流控芯片，其與特定納米探針相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)重金屬離子樣品的現(xiàn)場快速并行檢測。當(dāng)前，環(huán)境保護(hù)日益受到重視，該技術(shù)將為現(xiàn)場監(jiān)控水環(huán)境中的重金屬污染提供一種非常便捷而使用的工具。應(yīng)用應(yīng)用前景長期以來，重金屬污染受到人們的廣泛關(guān)注，工業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致的汞、鉛、鎘、鉻等重金屬污染的生物毒性非常顯著，給人類健康和環(huán)境造成極大危害。以汞為例，全世界汞的年排放量約1.5萬噸，主要來源于汞礦、冶金、氯堿工業(yè)、電器工業(yè)和礦物燃料的燃燒。這些無機(jī)汞進(jìn)入大氣循環(huán)和水體循環(huán)系統(tǒng)后，在生物體內(nèi)轉(zhuǎn)化成有機(jī)汞（甲基汞、乙基汞），毒性大大增強(qiáng)。最終在食物鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)中累積，給人類的健康和生存帶來巨大威脅。因此，對(duì)環(huán)境重金屬離子的監(jiān)測十分重要。常規(guī)的檢測儀器包括電感耦合等離子質(zhì)譜儀、原子光譜法、分光光度法等，這些大型儀器需要復(fù)雜樣品前處理，儀器笨重昂貴，不適合快速、實(shí)時(shí)、現(xiàn)場檢測，所以開發(fā)具有此功能的微型化檢測器件勢在必行。無動(dòng)力微流控芯片檢測重金屬離子的工作原理應(yīng)用東京大學(xué)的糖尿病給藥微流控芯片該裝置可模擬食物和口服藥物流經(jīng)人體時(shí)經(jīng)歷的過程，對(duì)藥物篩選和化學(xué)藥品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等應(yīng)用非常有用。微流控給藥芯片（另稱為Jewel胰島素泵）是利用Debiotech和MEMS技術(shù)聯(lián)合開發(fā)的，可安裝在一次性皮膚貼布上，從而連續(xù)輸注胰島素。從工作原理上看，刺入皮膚的電化學(xué)葡萄糖傳感器每5分鐘檢測血糖水平，并根據(jù)血糖水平釋放驅(qū)動(dòng)信號(hào)以推動(dòng)馬達(dá)注射器。應(yīng)用該光度計(jì)所有部件包括雙波長紫外發(fā)光二極管(LED)光源、光電二極管檢測器、長光程液芯波導(dǎo)檢測池、微量試樣驅(qū)動(dòng)裝置、控制電路、液晶顯示器和電池均集成于12cm×4.5cm×2.1cm的儀器內(nèi)。該儀器成功應(yīng)用于微量DNA試樣的純度和含量測定，以350nL的試樣消耗獲得了約15mm的有效光程。對(duì)比商品化的微消耗光度計(jì)，手持式光度計(jì)以其1/3的試樣消耗量獲得了其15倍的檢測光程，且價(jià)格低廉，在現(xiàn)場分析和即時(shí)檢驗(yàn)等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。此外，我們還將該光度計(jì)與缺口管陣列結(jié)合，成功用于血清中總膽固醇含量的快速自動(dòng)分析。浙江大學(xué)微分析系統(tǒng)研究所方群教授研究組研制的手持式光度計(jì)應(yīng)用研究現(xiàn)狀方群教授：這里我是用“十字路口”這四個(gè)字來形容當(dāng)前微流控芯片技術(shù)的研究現(xiàn)狀。以在分析化學(xué)中的情況為例，微流控芯片出現(xiàn)之初，研究者眾多，大家在分析化學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域都進(jìn)行了普遍地嘗試。然而，十多年已過去，微流控芯片分析領(lǐng)域內(nèi)相對(duì)容易研究的領(lǐng)域已基本了解清楚，而剩下的領(lǐng)域和任務(wù)都是“硬骨頭”。這些“硬骨頭”研究難度大、耗費(fèi)時(shí)間長、不易出成果且成果產(chǎn)業(yè)化難度大，這需要研究者具有極大的毅力、耐力以及堅(jiān)持的信心。應(yīng)用

中國科學(xué)院大連化物所林炳承教授：目前困擾科學(xué)家的一個(gè)問題是，微流控芯片系統(tǒng)至今為止還沒有拿出一個(gè)能夠讓大家為之一振的“有殺傷力”的，也就是說其他手段無法替代的應(yīng)用成果，國外稱之為KillerApplication。目前，全球許多實(shí)驗(yàn)室，包括我們?cè)趦?nèi)的，都在為此努力的工作。我相信，KillerApplication遲早是會(huì)出現(xiàn)的。現(xiàn)在在某些領(lǐng)域，譬如細(xì)胞培養(yǎng)和分析方面，微流控芯片的獨(dú)到性已經(jīng)有所反映。產(chǎn)業(yè)化：堅(jiān)持中迎來曙光應(yīng)用第7講涌現(xiàn)目錄Contents關(guān)于“涌現(xiàn)”特性應(yīng)用1236意義4分類5總結(jié)6關(guān)于“涌現(xiàn)”“涌現(xiàn)”一詞來源于Emergence，最初被譯為“突現(xiàn)”。系統(tǒng)科學(xué)使用emergence一詞是為了談?wù)撓到y(tǒng)上下層次之間的或部分與整體之間的關(guān)聯(lián)問題。人們?cè)谀骋粚哟紊嫌^察到的非加和式現(xiàn)象、特征、屬性、行為等,其根源首先來自下層的要素、關(guān)系、運(yùn)動(dòng),是由下向上產(chǎn)生的。在下一層次觀察不到,但在上一層次可以觀察它、把握它。這就是emergence的方向性,中文的涌現(xiàn)一詞恰好能夠表達(dá)這種方向性,突現(xiàn)則不行。

——《論涌現(xiàn)》關(guān)于“涌現(xiàn)”涌現(xiàn)——從混沌到有序什么是涌現(xiàn)涌現(xiàn)（英語：emergence，或譯為突現(xiàn)、呈展）是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)中由次級(jí)組成單元間簡單的互動(dòng)所造成的復(fù)雜現(xiàn)象。Wikipedia

涌現(xiàn)是復(fù)雜系統(tǒng)的根本特征，通常認(rèn)為，它是指復(fù)雜系統(tǒng)在自組織過程中新結(jié)構(gòu)、新屬性的出現(xiàn)。按照目前公認(rèn)的看法，“復(fù)雜性科學(xué)本質(zhì)上是關(guān)于涌現(xiàn)的一門學(xué)科，同時(shí)研究如何確認(rèn)涌現(xiàn)現(xiàn)象的基本法則。”關(guān)于“涌現(xiàn)”整體涌現(xiàn)性構(gòu)成了豐富的系統(tǒng)多個(gè)要素組成系統(tǒng)后，出現(xiàn)了系統(tǒng)組成前單個(gè)要素所不具有的性質(zhì)，這個(gè)性質(zhì)并不存在于任何單個(gè)要素當(dāng)中，而是系統(tǒng)在低層次構(gòu)成高層次時(shí)才表現(xiàn)出來，所以人們形象地稱其為“涌現(xiàn)”。系統(tǒng)功能之所以往往表現(xiàn)為“整體大于部分之和”，就是因?yàn)橄到y(tǒng)涌現(xiàn)了新質(zhì)的緣故，其中“大于部分”就是涌現(xiàn)的新質(zhì)。系統(tǒng)的這種涌現(xiàn)性是系統(tǒng)的適應(yīng)性主體之間非線性相互作用的結(jié)果。特性凡是系統(tǒng)都具有涌現(xiàn)性嗎？涌現(xiàn)分為兩種，即疊加式涌現(xiàn)和非疊加式涌現(xiàn)，疊加式指僅僅是在數(shù)量上的增加，故而不能稱之為系統(tǒng)；而非疊加式則指整體具有組分不具有的性質(zhì)或特點(diǎn)，系統(tǒng)最重要的特點(diǎn)就是整體涌現(xiàn)性，所謂整體涌現(xiàn)，是指新功能和新性質(zhì)的出現(xiàn)。系統(tǒng)涌現(xiàn)性是系統(tǒng)非加和的屬性，“整體大于部分之和”與“整體小于部分之和”這樣的整體與部分差值就是涌現(xiàn)。特性舉一個(gè)身邊體現(xiàn)涌現(xiàn)的例子不同的結(jié)構(gòu)方式，不同的相互激發(fā)產(chǎn)生不同的整體涌現(xiàn)性。整體涌現(xiàn)性的產(chǎn)生不是單一的，是規(guī)模效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)共同的結(jié)果。比如分子作用力、氫鍵以及疏水作用力相對(duì)于原子來說就是整體涌現(xiàn)。只有原子形成了分子才可能具有這些特性，原子不形成分子或者大分子，簡單的混合是不會(huì)具有這種層次的特性。應(yīng)用西洋跳棋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)探索涌現(xiàn)的意義由此可以看到，我們身邊無處不存在著涌現(xiàn)現(xiàn)象，系統(tǒng)科學(xué)就是關(guān)于整體涌現(xiàn)性的科學(xué)理論。探索整體涌現(xiàn)發(fā)生的條件、機(jī)制、規(guī)律，則有助于我們?cè)诟钊氲膶用嫔狭私膺@個(gè)世界的本質(zhì)規(guī)律，以及如何利用這些規(guī)律。意義涌現(xiàn)的分類既然凡系統(tǒng)必具有整體涌現(xiàn)性,涌現(xiàn)的存在就是普遍現(xiàn)象。普遍性的東西一定分為不同類型,各個(gè)具有自己的特殊性,需要分門別類地研究。但涌現(xiàn)的分類是一個(gè)新問題,目前遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到給出完備分類的程度,甚至尚未明確提出涌現(xiàn)的分類問題。這里只限于討論我們業(yè)已有所認(rèn)識(shí)的涌現(xiàn)類型。分類弱涌現(xiàn)和強(qiáng)涌現(xiàn)——司馬賀

從層次之間不同的反饋類型和因果關(guān)系，將涌現(xiàn)分為4類，并解釋了它們的可預(yù)測性：簡單或有名無實(shí)的涌現(xiàn)(simple／nominalemergence)、弱涌現(xiàn)(weakemergence)、多重涌現(xiàn)(multipleemergence)、強(qiáng)涌現(xiàn)(strongemergence)，如圖3。類型I只包含前饋，而無反饋；類型II只包含簡單的正反饋或負(fù)反饋；類型III中存在多個(gè)反饋循環(huán)，同時(shí)還包含了學(xué)習(xí)和適應(yīng)；類型IV則表現(xiàn)為，在高層組織中出現(xiàn)了涌現(xiàn)結(jié)構(gòu)或產(chǎn)生了體現(xiàn)不可還原性新性質(zhì)的復(fù)雜性。分類有規(guī)則和無規(guī)則控制下的涌現(xiàn)現(xiàn)象——霍蘭第一個(gè)在現(xiàn)代科學(xué)意義上系統(tǒng)研究涌現(xiàn)問題的是約翰·霍蘭,風(fēng)靡世界的《涌現(xiàn)——從混沌到有序》一書中系統(tǒng)地表述了他的觀點(diǎn)?；籼m事實(shí)上提出一種涌現(xiàn)分類:一類可以簡化表述為由規(guī)則控制的涌現(xiàn),如奕棋游戲、基因指導(dǎo)下的生物發(fā)育等,圣塔菲學(xué)派研究的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)(CAS)中的涌現(xiàn)現(xiàn)象都屬于這一類;另一類是無控制規(guī)則的涌現(xiàn)現(xiàn)象,但霍蘭沒有具體論及。分類“首先，我將把我們的研究領(lǐng)域限制在那些在規(guī)則和規(guī)律方面富有啟發(fā)的系統(tǒng)。這方面主要的例子包括游戲、人們已充分理解其組成的物質(zhì)系統(tǒng)（如由原子組成的分子）和用科學(xué)理論（如牛頓萬有引力定律）定義的概念系統(tǒng)。當(dāng)然，涌現(xiàn)現(xiàn)象也會(huì)在那些至今幾乎還沒有什么規(guī)律可循的領(lǐng)域中發(fā)生?！?/p>

——霍蘭分類當(dāng)然，“涌現(xiàn)”這個(gè)概念還可能科學(xué)有效地應(yīng)用于其他方面。但是在上述這一由規(guī)則制約的領(lǐng)域中，它就已經(jīng)復(fù)雜得足以花費(fèi)我們幾乎全部的時(shí)間去研究了。本書將一遍又一遍地反復(fù)證明，少數(shù)規(guī)則和規(guī)律就能產(chǎn)生令人驚訝的、錯(cuò)綜復(fù)雜的系統(tǒng)。塞繆爾西洋跳棋——基于規(guī)則的建模西洋跳棋毫無疑問地具有涌現(xiàn)性——通過8*8的方格，與24顆棋子，以及相對(duì)簡單的規(guī)則，便構(gòu)成了多種多樣，千變?nèi)f化的棋局。分類很顯然，在對(duì)弈的過程中，可能出現(xiàn)的棋局是多種多樣的，我們無法為遇到的每一種可能的棋局作出反應(yīng)，進(jìn)行編程。在無法及時(shí)得到反饋，以確定所選擇的行動(dòng)是否正確的情況下，機(jī)器棋手必須學(xué)習(xí)如何在對(duì)弈過程中作出正確選擇。西洋跳棋程序概觀分類新聞：/html/shownews.aspx?id=185017莫斯科國際象棋機(jī)器人：/v/b/77799571-1512562303.html人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模單向傳播型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類反饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類摘要重述1、涌現(xiàn)現(xiàn)象出現(xiàn)在生成系統(tǒng)之中。2、在這樣的生成系統(tǒng)之中，整體大于各部分之和。3、生成系統(tǒng)中一種典型的涌現(xiàn)現(xiàn)象是，組成部分不斷改變的穩(wěn)定模式。4、涌現(xiàn)出來的穩(wěn)定模式的功能是由其所處的環(huán)境決定的。5、隨著穩(wěn)定模式的增加，模式間相互作用帶來的約束和檢驗(yàn)使得系統(tǒng)的功能也在增強(qiáng)。6、穩(wěn)定模式通常滿足宏觀規(guī)律。7、存在差別的穩(wěn)定性是那些產(chǎn)生了涌現(xiàn)現(xiàn)象的規(guī)律的典型結(jié)果。8、更高層的生成過程可以由穩(wěn)定性的強(qiáng)化而產(chǎn)生。總結(jié)結(jié)束語

“包括圣菲研究所許多成員在內(nèi)的科學(xué)家，都正在力圖了解在沒有外界影響和特殊要求的情況下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的方式。當(dāng)環(huán)境發(fā)生巨大變化時(shí)，顯然，正是系統(tǒng)中的簡單規(guī)則生成了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和行為?！?/p>

——《夸克和美洲豹》“我們對(duì)于涌現(xiàn)的探究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，即使我自己，對(duì)涌現(xiàn)的認(rèn)識(shí)也很貧乏...無論如何，受限生成過程為我們研究涌現(xiàn)提供了一個(gè)繼續(xù)研究的起點(diǎn)?！?/p>

——JohnHolland總結(jié)第8講自組織目錄Contents定義理論基礎(chǔ)方法論耗散結(jié)構(gòu)123467應(yīng)用5組織（organization）：是指系統(tǒng)內(nèi)的有序結(jié)構(gòu)或形成有序結(jié)構(gòu)的過程。自組織與他組織他組織：如果一個(gè)系統(tǒng)靠外部指令而形成組織；自組織（self-organization）：如果不存在外部指令，系統(tǒng)按照相互默契的某種規(guī)則，各盡其責(zé)而又協(xié)調(diào)地自動(dòng)地形成有序結(jié)構(gòu)。自組織的含義：

“自”，是指“自發(fā)”；“組織”說明系統(tǒng)中所包含的各個(gè)運(yùn)動(dòng)變化的子過程之間的相互協(xié)作、競爭，使過程演化為有序。自組織過程：

具有一定功能的非線性的多體開放系統(tǒng)在離開平衡態(tài)時(shí)會(huì)與外界不斷進(jìn)行交換，受到影響和干預(yù)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)從無序變成（規(guī)則或不規(guī)則的）有序時(shí)空結(jié)構(gòu)的過程。自組織現(xiàn)象：這種能自行產(chǎn)生的組織性和相干性，叫自組織現(xiàn)象定義耗散結(jié)構(gòu)理論（DissipativeStructure）協(xié)同學(xué)（Synergetics）突變論（CatastropheTheory）超循環(huán)理論（Supercircle）理論基礎(chǔ)研究自組織的方法分類條件方法論協(xié)同動(dòng)力學(xué)方法論演化路徑（突變論）的方法論超循環(huán)結(jié)合方法論分形結(jié)構(gòu)方法論動(dòng)力學(xué)（混沌）演化過程論綜合的自組織理論方法論方法論自組織基本思想與理論內(nèi)核耗散結(jié)構(gòu)理論（DissipativeStructure）主要研究系統(tǒng)與環(huán)境之間的物質(zhì)與能量交換關(guān)系及其對(duì)自組織系統(tǒng)的影響等問題。協(xié)同學(xué)（Synergertios）主要研究系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間的協(xié)同機(jī)制，認(rèn)為系統(tǒng)各要素之間的協(xié)同是自組織過程的基礎(chǔ)，系統(tǒng)內(nèi)各序參量之間的競爭和協(xié)同作用使系統(tǒng)產(chǎn)生新結(jié)構(gòu)的直接根源。突變論（CalastropheTheory）突變過程是由一種穩(wěn)定態(tài)經(jīng)過不穩(wěn)定態(tài)向新的穩(wěn)定態(tài)躍遷的過程。方法論方

法

論

與

要

點(diǎn)一、耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)必須是開放的系統(tǒng)必須遠(yuǎn)離平衡二、協(xié)同動(dòng)力學(xué)大量子系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)間非線性相互作用相互競爭和相干效應(yīng)形成一定功能新系統(tǒng)三、演化路徑經(jīng)過臨界點(diǎn)或臨界區(qū)域演化的間斷性道路漸進(jìn)的演化道路四、混沌論特點(diǎn)對(duì)初始條件臨界水平非線性系統(tǒng)。自反饋系統(tǒng)方法論熵

Entropy含義：“一個(gè)系統(tǒng)的熵就是它的無組織程度的度量?！保ňS納）玻爾茲曼給出微觀解釋，即S=klnW開放系統(tǒng)的熵：熵產(chǎn)生diS熵流deSdS=diS+deS只要有deS<-diS則有dS=diS+diS<0對(duì)于一個(gè)孤立的封閉系統(tǒng)，熵總是增加的！?——克勞修斯耗散結(jié)構(gòu)協(xié)同動(dòng)力學(xué)合作競爭阻尼運(yùn)動(dòng)：耗散結(jié)構(gòu)非生命的自組織貝納德流體的對(duì)流花紋B-Z化學(xué)振蕩花紋與化學(xué)波激光器中的自激振蕩頻控震動(dòng)自組織成形實(shí)驗(yàn)應(yīng)用B-Z化學(xué)振蕩應(yīng)用頻控震動(dòng)自組織成形應(yīng)用問題面板上的粒子的跳動(dòng)是自動(dòng)的還是被動(dòng)的？說明粒子的跳動(dòng)有沒有規(guī)律？粒子跳動(dòng)有沒有方向性？說明粒子有沒有協(xié)同作用？是不是收到某種指令而動(dòng)，粒子之間有沒有信息傳遞？應(yīng)用生命體自組織人的群居意識(shí)政治、軍隊(duì)等的組織魚群的自組織逃生應(yīng)用魚群自組織應(yīng)用自組織系統(tǒng)一、自然界自組織系統(tǒng) 皮膚模式二、人工自組織系統(tǒng) 自平衡機(jī)器人應(yīng)用第9講淺談《周易》目錄Contents《周易》來源認(rèn)識(shí)《周易》《周易》名字解釋《周易》簡介陰陽學(xué)說與現(xiàn)代科學(xué)12345677案例陰陽學(xué)說與現(xiàn)代科學(xué)河圖與洛書是中國古代流傳下來的兩幅神秘圖案，歷來被認(rèn)為是河洛文化的濫觴,是中華文明的源頭。上古伏羲氏時(shí)，洛陽東北孟津縣境內(nèi)的黃河中浮出龍馬，背負(fù)"河圖"，獻(xiàn)給伏羲。伏羲依此而演成八卦，后為《周易》來源。大禹時(shí)，洛陽西洛寧縣洛河中浮出神龜，背馱“洛書”，獻(xiàn)給大禹。大禹依此治水成功，遂劃天下為九州，治理社會(huì)。《周易》來源黃河馬圖洛水龜書

《周易》來源《周易》《論語》《老子》《孫子兵法》活水源頭三大基石兼達(dá)天下獨(dú)善己身奇正相生《周易》來源正確認(rèn)識(shí)易經(jīng)易歷三圣世歷三古上古伏羲氏（六千年前）中古周文王（三千年前)近古孔子（二千五百年前）時(shí)代不同作風(fēng)有異伏羲，主要在造字和推行識(shí)字教育文王，主要在闡述建國育民的哲理孔子，主要在發(fā)揚(yáng)積極的處世智慧認(rèn)識(shí)《周易》→→《易經(jīng)》是中國最古老的文獻(xiàn)之一，它以一套符號(hào)系統(tǒng)來描述狀態(tài)的簡易、變易、不易，表現(xiàn)了中國古典文化的哲學(xué)和宇宙觀。它的中心思想是以陰陽的交替變化描述世間萬物?！兑住吩腥N版本：《連山》、《歸藏》和《周易》，但《連山》和《歸藏》已經(jīng)失傳，于是一般所稱《易經(jīng)》即指《周易》?！哆B山》據(jù)傳是伏羲氏或神農(nóng)氏所創(chuàng)的易，成書于夏朝。黃帝時(shí)代的《易》為《歸藏》易，殷商朝代用以占卜?！吨芤住废鄠鳛橹芪耐跛鶆?chuàng)，盛行于周朝。認(rèn)識(shí)《周易》《周易》

《周易上經(jīng)》即《易經(jīng)》《周易大傳》即《易傳》

“古者包犧氏之王天下也，仰則觀象于天，俯則觀法于地，觀鳥獸之文與地之宜，近取諸身，遠(yuǎn)取諸物，于是始作八卦?！?/p>

“以通神明之德，類萬物之情?！薄吨芤住访纸忉屖裁词恰爸堋?？一般認(rèn)為《易經(jīng)》是在周代形成故而得此名，雖然其中也包含有形成于周代的意思，但其本意更應(yīng)該是周而復(fù)始，萬物的循環(huán)。那么，“易”又當(dāng)何解？變不簡易《周易》名字解釋爻(yao2)周易中用陽爻和陰爻來表達(dá)陽和陰這兩種抽象的概念，對(duì)于陰陽就把它當(dāng)作兩種符號(hào)，好比正號(hào)和負(fù)號(hào)。爻是組成卦的基本元素。爻有兩種，一種叫陽爻，一種叫陰爻。陽爻用一長橫表示，陰爻用兩個(gè)短橫表示《周易》的簡介單卦單卦的組成很簡單，由三個(gè)爻組成，每個(gè)爻都有兩種狀態(tài)：陽爻和陰爻。這八卦