系統(tǒng)科學(xué)與探索復(fù)雜性

1、,科學(xué)技術(shù)概論,龔小娟,2012年2月,20世紀(jì)40年代產(chǎn)生了系統(tǒng)論、信息論、控制論等，系統(tǒng)科學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要組成部分。 系統(tǒng)科學(xué)是以系統(tǒng)存在和發(fā)展的規(guī)律為研究對象的學(xué)科體系 10.1 一般系統(tǒng)論 10.2 控制論與信息論 10.3 自組織、非線性與探索復(fù)雜性,第10章 系統(tǒng)科學(xué)與探索復(fù)雜性,存在著適用于綜合系統(tǒng)或子系統(tǒng)的模式、原則和規(guī)律，普通系統(tǒng)論的目的就是確立適用于系統(tǒng)的一般原則。（由美籍奧地利生物學(xué)家貝塔朗菲創(chuàng)立） 10.1.1 一般系統(tǒng)論的發(fā)展過程 從歷史的發(fā)展看，人們對系統(tǒng)的認(rèn)識可追溯到古代。古代的自然觀中系統(tǒng)思想雖然豐富，但它缺乏充分的科學(xué)基礎(chǔ)，因而不可避免地具有思辨性

2、、模糊性，其間，天才的思想與錯誤的猜測交織在一起。直到20世紀(jì)40年代，關(guān)于系統(tǒng)思想的科學(xué)理論系統(tǒng)論才通過兩條線索得以建立。,10.1 一般系統(tǒng)論,一條是貝塔朗菲的系統(tǒng)論，來自他對機體論意義的再認(rèn)識，在1928的的現(xiàn)代發(fā)展理論和1932年的理論生物學(xué)中，他都強調(diào)生物的整體性、動態(tài)性、能動性和組織等級，以展示機體論的具體內(nèi)容。他認(rèn)為有機體是具有高度主動性的活動中心，而且是與環(huán)境不斷進行各種交換的開放系統(tǒng)。 貝塔朗菲系統(tǒng)論的真正問世是以1948年生命問題的出版為標(biāo)志的，該書描述了系統(tǒng)思想在哲學(xué)史上的發(fā)展，明確了系統(tǒng)論的任務(wù)，并刻劃出了系統(tǒng)論的基本原則。1968年，他的一般系統(tǒng)論：基礎(chǔ)、發(fā)展和應(yīng)用一

3、書，全面總結(jié)了他四十年來的工作，進一步闡述了他的思想，該書成為一般系統(tǒng)論的代表著作。,系統(tǒng)論以“系統(tǒng)”為研究對象，這決定了“系統(tǒng)”以及與之緊密相關(guān)的“結(jié)構(gòu)”、“功能”等必然是該理論中的基本概念和范疇，準(zhǔn)確理解這些概念是把握系統(tǒng)論的基礎(chǔ)。 (一)系統(tǒng)及其分類 貝塔朗菲認(rèn)為：系統(tǒng)即有相互作用的元素的綜合體。作者認(rèn)為系統(tǒng)是存在于一定環(huán)境之中，由若干相互聯(lián)系、相互作用的要素所構(gòu)成的具有特定功能的整體。 1、按照在時空中的存在狀態(tài)，分為動態(tài)系統(tǒng)和靜態(tài)系統(tǒng)、穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)和非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。 2、按照與外部環(huán)境的關(guān)系，分為開放系統(tǒng)（與外部環(huán)境進行物質(zhì)、能量和信息交換的系統(tǒng)）和封閉系統(tǒng)。,10.1.2 一般系統(tǒng)論的基本

4、概念,3、按照組成要素的性質(zhì)，分為： （1）自然系統(tǒng)：指以自然物質(zhì)作為要素而構(gòu)成的系統(tǒng)，是在自然界發(fā)展進化過程中自發(fā)形成的。如天體系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)等。 （2）人工系統(tǒng)：人們?yōu)榱诉_到某種目的而建造起來的系統(tǒng)，具有自為的目的。有實體系統(tǒng)和概念系統(tǒng)之分。 （3）復(fù)合系統(tǒng)：由自然系統(tǒng)與人工系統(tǒng)共同組成的。如導(dǎo)航系統(tǒng)，天氣預(yù)報系統(tǒng)等。 人類實踐的著重點，也正是立足自然系統(tǒng)，設(shè)計人工系統(tǒng)并構(gòu)造復(fù)雜系統(tǒng)，以此實現(xiàn)自在目的性與自為目的性的統(tǒng)一。,所謂結(jié)構(gòu)，指的是系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間相互聯(lián)系和相互作用的方式。表現(xiàn)為各要素之間在時間和空間上的組合形式。 系統(tǒng)的功能指的是系統(tǒng)在與外部環(huán)境相互聯(lián)系和相互作用過程

5、中所具有的行為、能力和功效。 關(guān)系：結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)；功能是結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。表現(xiàn)形式： 第一、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)雖然相同，但由了組成系統(tǒng)的要素不同，系統(tǒng)表現(xiàn)出不同的功能。 第二、組成系統(tǒng)的要素相同，但結(jié)構(gòu)不同，系統(tǒng)的功能也不相同。 第三、組成系統(tǒng)的要素和結(jié)構(gòu)都不同，但可以獲得相同的功能異構(gòu)同功功能模擬。,(二) 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能,1 、整體性原則：把系統(tǒng)作為由各個組成部分構(gòu)成的有機整體。A+A2A 2 、層次性原則： 3 、有序性原則：包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次的有序性、時間排列的有序性和系統(tǒng)發(fā)展的有序性。 4 、開放性原則：系統(tǒng)與環(huán)境的相互作用,10.1.3 系統(tǒng)論的基本原則,系統(tǒng)方法：就是指按照事物本身的系統(tǒng)性

6、而把事物放在系統(tǒng)的運行過程中加以考察的方法。這種方法要求運用系統(tǒng)的觀點，從系統(tǒng)整體與部分、系統(tǒng)與環(huán)境之間的相互聯(lián)系和相互作用中考察事物。它的基本特點是整體性、綜合性和最優(yōu)化。 運用系統(tǒng)方法研究問題，可以幫助人們更好地做到客觀、全面，并從而克服認(rèn)識過程中的主觀性和片面性。 霍爾三維結(jié)構(gòu)：又稱霍爾的系統(tǒng)工程，后人與軟系統(tǒng)方法論對比，稱為硬系統(tǒng)方法論。是美國系統(tǒng)工程專家霍爾于1969年提出的一種系統(tǒng)工程方法論。霍爾的三維結(jié)構(gòu)模式的出現(xiàn)，為解決大型復(fù)雜系統(tǒng)的規(guī)劃、組織、管理問題提供了一種統(tǒng)一的思想方法， 因而在世界各國得到了廣泛應(yīng)用。,10.1.4 系統(tǒng)方法,(一)邏輯維 1.問題闡述 2.目標(biāo)設(shè)計

7、3.系統(tǒng)綜合 4.系統(tǒng)分析 5.最優(yōu)化 6.決策 7.實施計劃,(二)時間維 1.規(guī)劃階段 2.制定方案階段 3.研制階段 4.生產(chǎn)階段 5.安裝實驗階段 6.運行階段 7.更新(系統(tǒng)反饋并改造)階段。,（三)知識維 : 在運用系統(tǒng)方法解決問題的過程中，不論是邏輯思維步驟的展開，還是工作時間階段的運作，都需要必備的知識作為保證。不僅需要帶有共性的知識，而且需要各種專業(yè)學(xué)科的知識?；魻柊堰@些專業(yè)學(xué)科的知識分為工程、醫(yī)藥、建筑、商業(yè)、法律、管理、社會科學(xué)和藝術(shù)等不同門類。這些基礎(chǔ)與專業(yè)知識就構(gòu)成了系統(tǒng)方法的知識維度。,二者一起被視為系統(tǒng)科學(xué)體系中的技術(shù)科學(xué)層次，是溝通系統(tǒng)工程技術(shù)和系統(tǒng)科學(xué)基礎(chǔ)理論

8、的橋梁。它們不但提供了一套描繪不同系統(tǒng)的統(tǒng)一詞匯和概念，而且給出了解決特定問題的研究方法，并在實踐中取得突出成就。 10.2.1控制論與信息論的產(chǎn)生 控制論與信息論是在自動控制技術(shù)、通信工程電子技術(shù)、數(shù)理邏輯、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)和計算機科學(xué)等多種學(xué)科相互滲透的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的橫斷學(xué)科。 1948年，維納美出版了控制論一書，明確把“控制論”定義為“關(guān)于機器和生物的通訊和控制的科學(xué)”，宣告了控制論的誕生。 信息論的創(chuàng)始人是美國數(shù)學(xué)家申農(nóng)。信息論的產(chǎn)生與人們?yōu)榱私鉀Q如何能更準(zhǔn)確、更迅速、更經(jīng)濟地傳遞信息的問題聯(lián)系在一起。申農(nóng)從理論上闡明了通信的基本過程。1948年出版的通信的數(shù)學(xué)理論一書，

9、標(biāo)志著信息論這一學(xué)科的建立。,10.2 控制論與信息論,10.2.2 控制論與信息論的基本概念 (一)控制 控制，指的是一種帶有目性的因果聯(lián)系，即產(chǎn)生原因系統(tǒng)（施控系統(tǒng)）對產(chǎn)生結(jié)果系統(tǒng)（受控系統(tǒng)）有目的的影響干預(yù)。是帶目的性的能動作用。 作為一種作用和過程，一般包含三個基本要素：施控主體、受控客體和傳遞控制作用的特定方式或途徑。 (二)反饋（見P179圖122，123） 控制系統(tǒng)根據(jù)是否有反饋分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)兩種。 開環(huán)系統(tǒng)抗干擾能力差，容易偏離目標(biāo)，不能自動回到目標(biāo)狀態(tài)，系統(tǒng)很不穩(wěn)定，因而它的控制作用受到很大限制。而閉環(huán)系統(tǒng)具有排除干擾的能力，可以控制系統(tǒng)達到或保持穩(wěn)定。 控制論所研究

10、的系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，是以反饋原理為理論基礎(chǔ)的，所以，有人認(rèn)為控制論就是關(guān)于反饋的科學(xué)。,（三）信息 信息論研究信息的實質(zhì)，并用數(shù)學(xué)方法研究信息的計量、傳遞、變換和存儲。 信息的實質(zhì)，從本體論意義而言，信息是標(biāo)志事物存在及其關(guān)系的屬性；就認(rèn)識論而言，信息是認(rèn)識主體接收到的，用以消除對事物認(rèn)識不確定性的新內(nèi)容和新知識。 特點： 1、信息不能離開物質(zhì)而獨立存在； 2、信息的作用和價值往往受到接收者主觀因素的制約和影響 3、信息不僅具有可識別性、可傳輸性、可存貯性等，更重要的是，信息具有可分享性；這是物質(zhì)與能量所不具備的。 信息是控制的基礎(chǔ)?？刂七^程總是同對系統(tǒng)中的信息進行比較、判斷和處理聯(lián)系在一起

11、的。,一、控制論的發(fā)展 50年代，運用控制論基本理論和方法建立起來的主要分支學(xué)科是生物控制論和工程控制論。60年代后，形成了所謂“現(xiàn)代控制論”。 70年代出現(xiàn)的大系統(tǒng)理論是控制論向廣度的發(fā)展，該理論以那些規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、屆次眾多、關(guān)系錯綜，同時又具高隨機性和動態(tài)性的大系統(tǒng)為主要研究對象，它不但構(gòu)成綜合自動化的基礎(chǔ)，而且為研究復(fù)雜的社會經(jīng)濟系統(tǒng)提供了科學(xué)的理論和方法，并促進了社會控制論、經(jīng)濟控制論和人口控制論等學(xué)科的產(chǎn)生和發(fā)展。 同控制論的廣度發(fā)展相對應(yīng)，智能控制論則是控制論向深度的發(fā)展。智能控制論是研究與模擬智能活動及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律，研制具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)

12、的一個新興分支學(xué)科。,10.2.3 控制論與信息論的發(fā)展,二、信息論的發(fā)展 人們把信息問題從更廣的范圍區(qū)分為 1、技術(shù)問題：怎樣精確地傳送信息符號； 2、語義學(xué)問題：怎樣使通信符號精確地表達語義。 3、有效性問題：怎樣使收到的語義按需要的方式有效地發(fā)揮作用。 在狹義信息論基礎(chǔ)上，發(fā)展出一般信息論和廣義信息論。進一步的發(fā)展成了我們正在逐漸向信息化社會轉(zhuǎn)化的一種表征。,(一)功能模擬方法：以功能相似為基礎(chǔ)，在未弄清原型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的條件下，用模型再現(xiàn)原型功能的一種模擬方法。其應(yīng)用范圍非常廣泛，在生命、思維領(lǐng)域，科學(xué)研究和社會領(lǐng)域中，都發(fā)揮了重要作用。例自動機，智能機器人等。 (二)黑箱方法：不打開黑箱

13、，不直接考察研究對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只通過觀察對象的輸入、輸出及其動態(tài)過程，來定量認(rèn)識研究對象的功能特性和行為方式，并探索其內(nèi)部構(gòu)造和機理的科學(xué)方法。例人腦就是一個黑箱,10.2.4 控制論與信息論方法,(三)信息方法 運用信息的觀點，通過分析復(fù)雜事物所包含的信息過程來揭示其內(nèi)部機理，或通過建立適當(dāng)?shù)男畔⒛Ｐ秃秃侠淼募夹g(shù)手段來模擬復(fù)雜事物的高級行為的一種研究方法。 是以信息概念作為分析問題和處理問題的基礎(chǔ)。把實際系統(tǒng)抽象為一個信息變換的過程：信息的輸入；信息的存儲；信息的處理；信息的輸出。,10.3 自組織、非線性與探索復(fù)雜性,系統(tǒng)科學(xué)的新進展體現(xiàn)在當(dāng)代新興的自組織理論、非線性科學(xué)和復(fù)雜性科學(xué)之中

14、，可以說，它們都是從不同側(cè)面研究系統(tǒng)發(fā)展這一中心問題的。 系統(tǒng)科學(xué)及其在當(dāng)代的發(fā)展，不但代表著自然科學(xué)研究的重要成就，而且也深刻地改變了人們的世界觀和方法論。 10.3.1 耗散結(jié)構(gòu)理論 耗散結(jié)構(gòu)理論是指用熱力學(xué)和統(tǒng)計物理學(xué)的方法，研究耗散結(jié)構(gòu)形成的條件、機理和規(guī)律的理論。耗散結(jié)構(gòu)理論作為以揭示復(fù)雜系統(tǒng)中的自組織運動規(guī)律的一門具有強烈方法論功能的新興學(xué)科，其理論、概念和方法不僅適用于自然現(xiàn)象，同時也適用于解釋社會現(xiàn)象。,耗散結(jié)構(gòu)理論的創(chuàng)始人是伊里亞普里戈金教授，這一理論于1969年由普里戈金在一次“理論物理學(xué)和生物學(xué)”的國際會議上正式提出。由于對非平衡熱力學(xué)尤其是建立耗散結(jié)構(gòu)理論方面的貢獻，他

15、榮獲了1977年諾貝爾化學(xué)獎。 耗散結(jié)構(gòu)理論可概括為：一個遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線性的開放系統(tǒng)(不管是物理的、化學(xué)的、生物的乃至社會的、經(jīng)濟的系統(tǒng))通過不斷地與外界交換物質(zhì)和能量，在系統(tǒng)內(nèi)部某個參量的變化達到一定的閾值時，通過漲落，系統(tǒng)可能發(fā)生突變即非平衡相變，由原來的混沌無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時間上、空間上或功能上的有序狀態(tài)。 這種在遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)形成的新的穩(wěn)定的宏觀有序結(jié)構(gòu)，由于需要不斷與外界交換物質(zhì)或能量才能維持，因此稱之為“耗散結(jié)構(gòu)”。,形成耗散結(jié)構(gòu)所必須的條件： 1、開放系統(tǒng) 熱力學(xué)第二定律告訴我們，一個孤立系統(tǒng)的熵一定會隨時間增大，熵達到極大值，系統(tǒng)達到最無序的平衡態(tài)，所以孤立系統(tǒng)絕不會

16、出現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)。只有開放系統(tǒng)才能從外界輸入負(fù)熵流來抵消系統(tǒng)本身的熵增，才能使系統(tǒng)從無序走向有序或使系統(tǒng)保持有序狀態(tài)。 2、遠(yuǎn)離平衡態(tài) 只有遠(yuǎn)離平衡態(tài)，原有定態(tài)的穩(wěn)定性及其對漲落的獨立性才失去保證，才有可能形成新的有序結(jié)構(gòu)。,3、非線性作用 系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)當(dāng)存在非線性相互作用，因其具有相干性和耦合的特點，這是系統(tǒng)產(chǎn)生新的整體性質(zhì)和功能的必備前提。 4、漲落導(dǎo)致有序 系統(tǒng)處于近平衡態(tài)時，漲落只能使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生暫時的偏離，最后仍將回到原有的穩(wěn)定態(tài)。在遠(yuǎn)離平衡態(tài)時，系統(tǒng)中一個微觀隨機的小擾動就會通過相干作用得到放大，成為整體宏觀“巨漲落”，推動系統(tǒng)從一個不穩(wěn)定態(tài)躍遷到一個新的穩(wěn)定的有序狀態(tài)。 耗散結(jié)構(gòu)理論中

17、的“開放”是所有系統(tǒng)向有序發(fā)展的必要條件。如一個企業(yè)只有開放才能獲得發(fā)展，這種開放不僅是輸出產(chǎn)品，輸入原料，而且涉及人才、技術(shù)和管理等方面。不斷引進入才和技術(shù)，不斷更新設(shè)備，才能使企業(yè)充滿生機和活力。,協(xié)同學(xué)是研究協(xié)同系統(tǒng)從無序到有序的演化規(guī)律的新興綜合性學(xué)科。協(xié)同系統(tǒng)是指由許多子系統(tǒng)組成的、能以自組織方式形成宏觀的空間、時間或功能有序結(jié)構(gòu)的開放系統(tǒng)。協(xié)同學(xué)一詞來源于希臘文，意為共同工作。 一、學(xué)科創(chuàng)立 協(xié)同學(xué)是20世紀(jì)70年代初聯(lián)邦德國理論物理學(xué)家哈肯創(chuàng)立的。他在1977年出版的協(xié)同學(xué)導(dǎo)論一書標(biāo)志著協(xié)同學(xué)的正式成立。 二、研究對象 協(xié)同學(xué)研究協(xié)同系統(tǒng)在外參量的驅(qū)動下和在子系統(tǒng)之間的相互作用下

18、，以自組織的方式在宏觀尺度上形成空間、時間或功能有序結(jié)構(gòu)的條件、特點及其演化規(guī)律。 協(xié)同系統(tǒng)的狀態(tài)由一組狀態(tài)參量來描述。這些狀態(tài)參量隨時間變化的快慢程度是不相同的。當(dāng)系統(tǒng)逐漸接近于發(fā)生顯著質(zhì)變的臨界點時，變化慢的狀態(tài)參量的數(shù)目就會越來越少，有時甚至只有一個或少數(shù)幾個。,10.3.2 協(xié)同學(xué),三、學(xué)科內(nèi)容 協(xié)同學(xué)的主要內(nèi)容就是用演化方程來研究協(xié)同系統(tǒng)的各種非平衡定態(tài)和不穩(wěn)定性(又稱非平衡相變)。 例如，激光就存在著不穩(wěn)定性。當(dāng)泵浦參量小于第一閾值時，無激光發(fā)生；但當(dāng)其超過第一閾值時，就出現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)激光；若再進一步增大泵浦參量使其超過第二閾值時就呈現(xiàn)出規(guī)則的超短脈沖激光序列。 流體繞圓柱體的流動是呈現(xiàn)不穩(wěn)定性的另一個典型例子。當(dāng)流速低于第一臨界值時是一種均勻?qū)恿?；但?dāng)流速高于第一臨界值時，便出現(xiàn)靜態(tài)花樣，形成一對旋渦；若再進一步提高流速便其高于第二臨界值時，就呈現(xiàn)出動態(tài)花樣，旋渦發(fā)生振蕩。 協(xié)同學(xué)中求解演化方程的方法主要是解析方法，即用數(shù)學(xué)解析方法求出序參量的精確的或近似的解析表達式和出現(xiàn)不穩(wěn)定性的解析判別式。,四、學(xué)科應(yīng)用 協(xié)同學(xué)有廣泛的應(yīng)用。 在自然科學(xué)方面主要用于物理學(xué)、化學(xué) 、生物學(xué)和生態(tài)學(xué)等方面。 例如，在生態(tài)學(xué)方面求出了捕食者與被捕食者群體消長關(guān)系等； 在社會