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1、信信 息息 科科 学学信息科学是以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机等技术为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要目标的一门新兴的综合性学科。信息科学由信息论、控制论、计算机科学、仿生学、系统工程与人工智能等学科互相渗透、互相结合而形成的。二十世纪 40 年代末，美国数学家香农发表了通信的数学理论和在噪声中的通信两篇著名论文，提出信息熵的数学公式，从量的方面描述了信息的传输和提取问题，创立了信息论。于是信息论首先在通信工程中得到广泛应用，为信息科学的研究奠定了初步的基础。随着自动化系统和自动控制理论的出现，对信息的研究开始突破原来仅限于传输方面的概念。美国
2、数学家维纳在这个时期发表了著名的控制论和平稳时间序列的外推、内插和平滑问题，从控制的观点揭示了动物与机器的共同的信息与控制规律，研究了用滤波和预测等方法，从被噪声湮没了的信号中提取有用信息的信号处理问题，建立了维纳滤波理论。60 年代中，由于出现复杂的工程大系统需要用计算机来控制生产过程，系统辨识成为重要研究课题。从信息科学的观点来看，系统辨识就是通过输入输出信息来研究控制系统的行为和内部结构，并用简明的数学模型来加以表示。控制就是根据系统结构和要求对信息加工、变换和利用。信息和控制是信息科学的基础和核心。70 年代以来，电视、数据通信、遥感和生物医学工程的发展，向信息科学提出大量的研究课题，
3、如信息的压缩、增强、恢复等图像处理和传输技术，信息特征的抽取、分类和识别的模式、识别理论和方法，出现了实用的图像处理和模式识别系统。香农最初的信息论只对信息作了定量的描述，而没有考虑信息的其他方面，如信息的语义和信息的效用等问题。而这时的信息论已从原来的通信领域广泛地渗入到自动控制、信息处理、系统工程、人工智能等领域，这就要求对信息的本质、信息的语义和效用等问题进行更深入的研究，建立更一般的理论，从而产生了信息科学。为了解决控制和决策中的非数值问题，和适应 80 年代以后智能机研究的需要，以及要解决知识信息处理的问题，遂产生了知识工程，并已研制成专家系统、自然语言理解系统和智能机器人等。信息科
4、学正在形成和迅速发展，人们对其研究内容的范围尚无统一的认识。现在主要的研究课题集中在以下六个方面：信源理论和信息的获取，研究自然信息源和社会信息源，以及从信息源提取信息的方法和技术；信息的传输、存储、检索、变换和处理；信号的测量、分析、处理和显示；模式信息处理，研究对文字、图像、声音等信息的处理、分类和识别研制机器视觉系统和语音识别装置；知识信息处理，研究知识的表示、获取和利用，建立具有推理和自动解决问题能力的知识信息处理系统即专家系统；决策和控制，在对信息的采集、分析、处理、识别和理解的基础上作出判断、决策或控制，从而建立各种控制系统、管理信息系统和决策支持系统。信息过程普遍存在于生物、社会
5、、工业、农业、国防、科学实验、日常生活和人类思维等各种领域，因此信息科学将对工程技术、社会经济和人类生活等方面产生巨大的影响。系系 统统 学学系统论是研究系统结构与功能(包括演化、协同和控制)一般规律的科学。加拿大籍奥地利理论生物学家贝塔朗菲是最早探索系统一般规律的科学家。在一般系统论一书中，他指出系统在不同领域中表现出结构上的相似性或同构性，并将系统普遍性质总结为系统整体性、关联性、动态性、有序性和预决性。贝塔朗菲试图建立各种系统共同规律的科学，但他的理论仅限于定性描述，思辨性内容居多，而属于科学技术范畴的结论甚少。从 50 年代起，系统工程的大量实践，运筹学、控制论、信息论的迅速发展，都为
6、系统学的建立提供了丰富材料。另一方面，其他科学技术特别是物理学、化学、理论生物学、数学等都有了新的发展和突破，如普里戈金的耗散结构理论，哈肯的协同学，艾根的超循环理论，托姆的突变论，斯梅尔和廖山涛的动力系统理论，都在不同程度上揭示了系统的深刻的性质和规律，使得人们对系统有了更加深入的认识。例如，系统的发展在时间上具有不可逆性，系统的过去和将来之间存在着对称破缺；系统具有自组织性，在涨落作用下，能自发形成稳定的有序结构，有序是系统自组织和子系统协同的结果；系统包含有复杂的反馈机制，反馈是有序之本；系统在一定条件之下，可以从有序变成混沌，也可以从混沌变成有序，还可以从一种有序变为另一种有序而导致状
7、态突变；混沌是系统对初始条件和边界条件异常敏感产生的貌似无序的运动。混沌现象表明，确定性系统可以产生随机行为。卡姆定理说明，在封闭系统中，三维以上非线性系统出现混沌是普遍的。对开放系统，动力系统理论也证明了类似的事实。混沌是一种吸引子，不过不是平衡点、极限环这类具有整数维的正常吸引子，而是分数维的奇异吸引子，具有复杂的几何结构。系统普遍存在着李雅普诺夫稳定性和结构稳定性；非线性系统中分岔现象是普遍发生的，分岔是产生新状态和多样性之源等。钱学森从系统观点对这些分布在不同学科中的科学成就进行概括和统一，揭示了系统普遍规律和深刻性质，奠定了系统学的理论基础。系统学的研究对象是各类系统。根据组成系统的
8、元素和元素种类的多少以及它们之间关联的复杂程度，把系统分为简单系统和巨系统两大类。简单系统是指组成系统的元素比较少，它们之间关系又比较单纯，如某些非生命系统；巨系统是指组成系统元素的数目非常庞大的系统。如果组成系统的元素非常多，但元素种类比较少且它们之间关系比较简单，这类系统称为简单巨系统，如激光系统。如果组成系统的元素不仅数量大而且种类也很多，它们之间的关系又很复杂，并有多种层次结构，这类系统称为复杂巨系统，例如人体系统和生态系统。在人体系统和生态系统中，元素之间关系虽然复杂，但还是有确定规律的。另一类复杂巨系统是社会系统，组成社会系统的元素是人。由于人的意识作用，系统元素之间关系不仅复杂而
9、且带有很大的不确定性，这是迄今为止最复杂的系统。系统的上述分类，清晰地刻划了系统复杂性的层次，这对系统学的研究具有重要意义。对于简单系统和简单巨系统，自然科学的理论和方法(包括运筹学、控制论、信息论、数学以及耗散结构理论、协同学、突变论等)是可以很好地描述和研究的，并取得了很大的成功。70年代末以来有人把上述理论方法应用到复杂巨系统，也取得了一定的成功，如超循环理论。但对整个复杂巨系统的研究，特别是对社会系统的研究，上述理论方法有很大的局限性。例如对策论，就其理论框架而言，是研究社会系统的理想工具。但对策论已取得的成就，还不能处理社会系统的复杂性，问题在于对策论把人的社会性、复杂性、心理和行为
10、的不确定性大大简化了，以至把复杂巨系统问题变成了简单巨系统或简单系统的问题了。系统学的任务从根本上来说是两个方面，一个是对系统规律的认识，另一个是在认识系统规律的基础上如何控制系统。第一个方面是关于系统结构、子系统协同，以及系统功能在系统环境作用下的演化规律。第二个方面则是把控制的思想和理论引入到系统学。如同认识客观世界是为了更好的改造客观世界一样，人们认识系统也是为了更好的控制系统。协协 同同 学学协同学是研究协同系统从无序到有序的演化规律的新兴综合性学科。协同系统是指由许多子系统组成的、能以自组织方式形成宏观的空间、时间或功能有序结构的开放系统。协同学一词来源于希腊文，意为共同工作。协同学
11、是 20 世纪 70 年代初联邦德国理论物理学家哈肯创立的。60 年代初，激光刚一问世哈肯就注意到激光的重要性，并立即进行系统的激光理论研究。在深入研究激光理论的过程中，哈肯发现在合作现象的背后隐藏着某种更为深刻的普遍规律。他在 1970 年出版的激光理论一书中多处提到不稳定性，为后来的协同学准备了条件。1969 年哈肯首次提出协同学这一名称，并于 1971 年与格雷厄姆合作撰文介绍了协同学。1972 年在联邦德国埃尔姆召开第一届国际协同学会议。1973 年这次国际会议论文集协同学出版，协同学随之诞生。1977 年以来，协同学进一步研究从有序到混沌的演化规律。1979 年前后联邦德国生物物理学
12、家艾根将协同学的研究对象扩大到生物分子方面。协同学研究协同系统在外参量的驱动下和在子系统之间的相互作用下，以自组织的方式在宏观尺度上形成空间、时间或功能有序结构的条件、特点及其演化规律。协同系统的状态由一组状态参量来描述。这些状态参量随时间变化的快慢程度是不相同的。当系统逐渐接近于发生显著质变的临界点时，变化慢的状态参量的数目就会越来越少，有时甚至只有一个或少数几个。这些为数不多的慢变化参量就完全确定了系统的宏观行为并表征系统的有序化程度，故称序参量。那些为数众多的变化快的状态参量就由序参量支配，并可绝热地将他们消去。这一结论称为支配原理，它是协同学的基本原理。序参量随时间变化所遵从的非线性方
13、程称为序参量的演化方程，是协同学的基本方程。演化方程的主要形式有主方程、有效朗之万方程、福克-普朗克方程和广义京茨堡-朗道方程等。协同学的主要内容就是用演化方程来研究协同系统的各种非平衡定态和不稳定性(又称非平衡相变)。例如，激光就存在着不稳定性。当泵浦参量小于第一阈值时，无激光发生；但当其超过第一阈值时，就出现稳定的连续激光；若再进一步增大泵浦参量使其超过第二阈值时就呈现出规则的超短脉冲激光序列。流体绕圆柱体的流动是呈现不稳定性的另一个典型例子。当流速低于第一临界值时是一种均匀层流；但当流速高于第一临界值时，便出现静态花样，形成一对旋涡；若再进一步提高流速便其高于第二临界值时，就呈现出动态花
14、样，旋涡发生振荡。协同学中求解演化方程的方法主要是解析方法，即用数学解析方法求出序参量的精确的或近似的解析表达式和出现不稳定性的解析判别式。在分析不稳定性时，常常用数学中的分岔理论。在有势存在的特殊情况下也可应用突变论。协同学也常采用数值方法，尤其是在研究瞬态过程和混沌现象时更是如此。协同学有广泛的应用。在自然科学方面主要用于物理学、化学、生物学和生态学等方面。例如，在生态学方面求出了捕食者与被捕食者群体消长关系等；在社会科学方面主要用于社会学、经济学、心理学和行为科学等方面。例如，在社会学中得到社会舆论形成的随机模型；在工程技术方面主要用于电气工程、机械工程和土木工程等方面。协同学与耗散结构
15、理论及一般系统论之间有许多相通之处，以致它们彼此将对方当作自己的一部分。实际上，它们既有联系又有区别。一般系统论提出了有序性、目的性和系统稳定性的关系，但没有回答形成这种稳定性的具体机制。耗散结构理论则从另一个侧面解决了这个问题，指出非平衡态可成为有序之源。协同学虽然也来源于非平衡态系统有序结构的研究，但它摆脱了经典热力学的限制，进一步明确了系统稳定性和目的性的具体机制。协同学的概念和方法为建立系统学奠定了初步的基础。耗耗 散散 理理 论论耗散结构理论是研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论。耗散结构是指处在远离平衡态的复杂系统在外界能量流或物质流的维持下，通过自组织形成的一
16、种新的有序结构。“耗散”一词起源于拉丁文，原意为消散，在这里强调与外界有能量和物质交流这一特性。例如，从下方加热的液体，当上下液面的温度差超过某一特定的阈值时，液体中便出现一种规则的对流格子，它对应着一种很高程度的分子组织，这种被称为贝纳尔流图像，就是液体中的一种耗散结构。又如，化学反应中的别洛索夫扎博京斯基反应，某些反应物浓度随时间和空间呈周期性的变化，这种化学振荡和空间图像，就是化学反应中的一种耗散结构。耗散结构是比利时布鲁塞尔学派著名的统计物理学家普里戈金，于 1969 年在理论物理和生物学国际会议上提出的一个概念。这是普里戈金学派 20 多年从事非平衡热力学和非平衡统计物理学研究的成果。1971 年普里戈金等人写成著作结构、稳定和涨落的热力学理论，比较详细地阐明了耗散结构的热力学理论，并将它应用到流体力学。化学和生物学等方面，引起了人们的重视。19711977 年耗散结构理论的研究有了进一步的发展。这包括用非线性数学对分岔的讨论，从随机过程的角度说明涨落和耗散结构的联系，以及耗散结构在化学和生物学等方面的应用。1977 年普里戈金等人
