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1、1,系统科学的基本理论 方法和应用思考 严广乐 上海理工大学管理学院 021-65681349 ,2,报告大纲 一、揭开系统科学的神秘面纱 （概念篇） 二、系统科学的研究、发展与应用思考 （内涵、进展及思考篇）,3,一、揭开系统科学的神秘面纱 （概念篇）,1、 在什么情况下1+12？ 系统与系统思想 什么是系统：由相互区别、相互作用的各个部分有机地联系在一起，为同一目的而完成某种功能的集合体。 归纳为：多元性、相关性、整体性、目的性 系统思想的核心： （1）事物的普遍联系观点 （2）事物的永恒发展观点,4,系统的基本概念： （1）系统 S=； S：系统； A；要素集合： R：关系集合 （2）结
2、构、功能、行为 （3）开放、封闭 （4）状态、过程、演化,系统,边界,环境,Si,5,（5）大系统、小系统 （6）简单系统、复杂系统 （7）层次性、涌现性 （8）系统整体与部分之间的关系： 整体 = 部分和 ,6,2、系统复杂性与决策陷阱 关于复杂性： （1）要素众多 （2）关联非线性 （3）人的因素 （4）随机因素 （5）不确定因素 （6）动态变化 （7）多层次与涌现特性,7,3、复杂性=“林妹妹”？ 哲学家们的高谈阔论 复杂性产生的后天论与先天论之争 还原论观点：复杂性是后天产生的； 应对方法：分解还原，线性逼近，小信号扰动； 系统论观点：复杂性是事物的固有特性，世界的本原就是复杂的； 应
3、对方法：直面非线性，向复杂性，挑战。,8,4、系统科学揭密 系统科学的定义及其体系结构 定义： 系统科学是一门由一组相辅相成、内涵相通的，以系统研究为中心的学科群（包括：一般系统论，控制论，信息论，耗散结构论，协同论，突变论，分形理论，混沌理论，超循环理论等）组成的新兴科学。,9,其中新兴：（1）时间上的概念 （2）思维方式的变革 特点：综合性、(横断性、新兴性 特征： （1）理论、方法的整体性；多种理论方法相结合或交替使用； （2）研究领域的交叉性；多学科交叉，边缘学科问题； （3）研究问题的复杂性；定性定量相结合。,10,系统科学研究的核心问题： 大规模复杂系统的演化。 系统演化的量个方向
4、：起源与归宿 老子语：道生一，一生二，二生三， 三生万物，万物负阴以抱阳,11,5、系统科学的体系结构和学科地位,马 克 思 主 义 哲 学,系 统 科 学,运筹学,控制论,信息论,系统工程,自动化技术,通信技术,哲学 基础科学 技术科学 工程技术,系统学,12,二、系统科学的研究与发展 （内涵与发展篇） 1、大雁为什么以人字队形飞翔？ 组织与自组织 组织：系统在特定的外部干预下获得其空间的、时间的或功能的结构。 自组织：系统在获得其空间的、时间的或功能的结构过程中没有外界的特定干预。 自组织的几种形式： 自创生自复制自生长自适应,13,2、组织能度量吗？ 探究序和熵 序：按次第区分、排列。
5、或对称破缺。 有序性方向,14,熵：用于度量系统中各个子系统对系统总体性质贡献的大小： H=-kPilogPi I=1,2n 最大熵： Hmax=klogn； 当 Pi=(1/n) 相对熵： H/Hmax 剩余度： r=1-H/Hmax,15,系统有序演化的自组织判据： 自组织有序演化 dr/dt = 0 有序化临界 渐近无序化 系统熵可用于简单巨系统演化的描述与分析,16,熵和序的关系: 熵:平均信息量,度量系统的不确定性和非均匀性;注重于量的度量. 序:对称破缺性,度量系统的差异性;注重于质的度量.,17,应用思考: 应用信息熵 （1）进行慢性疾病症状指标的聚类、关联性分析 （2）不同要素
6、之间的相关性分析 （见孙继佳的部分工作） （3）运用熵判据描述和研究慢性疾病的演化进程（待探索）,18,、烧开水中的学问 耗散结构及其形成条件 贝纳德流实验： T=T1-T2= (0c1c2c3),19,两类有序结构 静态有序结构： 静态结构，如食盐，冰水汽相互转化 动态有序结构： 耗散结构，如贝纳德流，生物系统等。 有序与系统演化： 进化系统状态越来越有序； 退化系统状态越来越无序。,20,耗散结构形成条件： （1）开放性 系统与环境存在物质、能量和信息的交换； （2）不可逆性 时间反演变换不对称：f(t) f(-t) （3）远离平衡态 趋近非稳定平衡点 （4）非线性 存在多个稳定平衡点 （
7、5）涨落现象,A,B,C,21,4、船到桥头自会直 支配与演化 系统协同演化的三大基本原理： （1）不稳定性原理 不稳定性的积极作用 （2）支配原理 慢变量支配快变量 （3）序参量原理 序参量支配系统中其他变量,22,三个臭皮匠顶个诸葛亮 团队的整体涌现,三人行必有我师 （孔子语，概率约为99.93%） 水(H2O)的自豪与无奈 INTERNET与无标度网络（小世界、负幂率分布） 搭便车（行为学）,23,拉面中的长程关联 害羞的因果关系,长周期性： 太阳黑子爆发（约11.2年） 商业周期（4-5年） 库茨涅兹周期（15-16年） 经济长波（50-60年） 股票系统（？年） 一因多果，一果多因，
8、多因多果（糖尿病）,24,应用思考： 慢性疾病在分子、细胞、组织、器官等方面存在复杂的纵向关联，呈现出一定的层次性和涌现性。因此，自组织理论包括协同理论和耗散结构理论将是处理问题的有力武器。,25,（1）城门失火，殃及池鱼 肾阴虚与季节有无（长程）关联？（五行学说） （2）慢性疾病的诊治有没有快变量和慢变量？其支配机制如何？序参量又是什么？（待探索） （3）慢性疾病发病过程是一个耗散结构演化过程？是有序化走向无序化？ （待探索）,26,5、从美国世贸大厦的倒塌谈起 突变与结构稳定性 结构稳定性： 控制参量小的扰动不会引起系统定性特征的变化。 突变与渐变： 控制参量的渐变导致系统定性特征的突变。
9、 分叉与选择：,27,最后一根稻草压死骆驼 量变与质变的阈值原理,真理与谬误仅一步之差（过犹不及） 变化与演化： 白蚁侵蚀木屋（突变） 炸药爆炸（崩溃） 零度水（临界）,28,应用思考： 慢性疾病病理变化的多阶段性，并且阶段内表现为数量渐变，阶段间表现为本质性突变。因此突变理论和方法将会有用武之地。 其势函数包括那些因素？突变芽如何确定？从量变到质变的内在机制是什么？（待研究）,29,6、电脑算命你信吗？ 混沌与初值敏感性 什么是混沌？ （1）鱼缸中的苍蝇 （2）春蚕结茧 （3）心跳与脉搏 （4）天气能预报吗？ （5）股价指数谁能说得准？,30,.蝴蝶效应,A,B,C,31,、一枚蹄钉亡了一个
10、帝国初值 敏感性,美国民谣： 缺了一枚钉，坏了一只蹄铁； 坏了一只蹄铁，翻了一匹马； 翻了一匹马，死了一位将； 死了一位将，输了一场战争； 输了一场战争，亡了一个帝国。 罗伦兹的故事 差之毫厘，谬以千里。,32,.混沌的基本特征： （1）初值敏感性 （2）非周期性 （3）局部不稳定、全局稳定性 （4）内在随机性 （5）自相似性 （6）分数维数,33,应用思考： 慢性疾病在发展过程中一些细微的因素可能会成为“导火索”，此时“蝴蝶效应”、初值敏感性，混沌理论可能会有表演的舞台。 （1）慢性疾病的病变过程中是否会有阈值效应？（待研究） （2）慢性疾病的演变有没有自相似过程？如果有，其自相似规律又是什
11、么？（待研究）,34,、造就美的机器 自相似与分形 自相似：整体与局部相似 EEEEE E EEEEE E EEEEE,35,分形： 海岸线到底有多长？ 传统维数的概念： d=k/ l 点零维； 线一维 面两维 体三维 运动物体四维,36,分数维数： D=lnN(e)/ln(1/e) koch曲线： D=n*ln4/（n*ln3）,n=1,2,3 =1.26（维）,37,Sierpinski地毯 D=n*ln8/n*ln3,n=1,2,3 =1.89（维）,38,应用思考： 分型几何学也许会成为中医药临床疗效评价的一种重要的手段。 （1）利用慢性疾病检查的图象信息（CT、B超等）提取图象特征，
12、建立分形模型，计算分数维数，进行比对分析。（见孔平的工作计划）,39,、生命游戏与百分之七规法则,t,t+1,系统走向何方？,40,几种可能的结果 （1）停止不动（不动点） （2）周而复始循环（周期态） （3）非周期运动（混沌态） 显然与初始状态有关（1的个数及其分布） 问题：要使系统不死（非全0），初始时至少要有多少个1？ （7%法则）,41,应用思考： “生命游戏”模型为探讨慢性疾病的演变规律提供了一个复杂结构模拟实验室。 慢性疾病的诊治是否存在7%规律？其演化规则该如何确定？（待研究）,42,11.幽静山庄中的复杂适应系统（Complex Adaptive System, CAS） 19
13、84年圣达菲研究所成立 特色：跨学科，非盈利 主旨: 适应性产生复杂性,43,（1） 规模报酬递增-计算机键盘的奇怪排列 （2）（经济学家阿瑟 Arshur Burks） 随机决定未来-汽油车与柴油车之争 （3）个体偏好描绘GDP曲线之手 SWARM模拟平台-遗传算法的舞台 (计算机专家霍兰John Holland）,44,（4）少数服从多数？ 不，少数者赢！ 周末俱乐部 公交车难题 股票操盘手的赢利准则,45,应用思考： 复杂适应系统理论可能是应对在慢性疾病诊治过程中药与病的相互作用关系的一个有效实验分析工具。 （1）中西医药是医学领域的柴油车和汽油车？（先入者通吃） （2）少数者未必劣势，把握时机，发奋努力，少数者赢！（我们的期望）,46,结束语 1、系统科学是一门使人聪明的 科学 2、系统科学是引领科学技术发 展的前沿性科学 3、系统科学是值得我们去期 待，更值得我们去努力探索,47,系统科学是一把开启 复杂系统之门的钥匙！ 谢谢大家！,
