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1、第七章 系统科学与探索复杂性本 章 导 读系统科学是以系统存在和发展的规律为研究对象的学科体系。20世纪40年代产生的系统论、信息论和控制论是这个学科研究的重要内容，主要研究系统存在的规律。60、70年代出现的耗散结构理论、协同学、超循环理论等自组织理论，以及80年代以后提出的混沌理论、分形学等非线性科学则侧重于研究系统发展和演化的规律。从而使系统科学研究的内容更加丰富多彩，并朝着“探索复杂性”方向发展。了解系统科学主要理论中的基本概念和核心思想，搞清楚系统论的基本原则，控制论和信息论的重要方法，自组织理论和非线性科学的前沿理论，是把握系统科学的基础。系统科学的出现，使当代科学家的思维方式发生
2、了革命性的转变，给自然科学、技术科学、工程技术和社会科学提供了一种跨学科的、从整体上分析问题和处理问题的新方法。第一节 一般系统论系统论是研究自然、社会、思维及其它各种系统的原则和规律，并对其功能进行数学描述的一门横断学科。一般系统论是以一般系统为研究对象的理论，它借鉴并总结了其它具体形式的系统论的思想和成果，因此，一般系统论的方法和理论对系统论的其它形式具有理论上的指导作用。一般系统论由美籍奥地利生物学家贝塔朗菲（L.V.Bertalanffy,1901-1971）创立于20世纪40年代。但真正受到人们的重视是60年代以后的事。 一、系统论的基本概念 系统论以各种“系统”为研究对象，因此，“
3、系统”及其密切相关的一些概念必然是该理论的基本概念和范畴，准确理解这些概念是把握系统论基本思想和观点的基础。 1、系统系统是系统科学中的最基本的概念。系统在宇宙中普遍存在，无论是在自然界，还是人类社会、思维领域，它无处不在。例如：在自然界中小到一个细胞，甚至组成细胞的分子、原子，大到宇宙空间的天体都是一些复杂程度不同的系统；在人类社会中小到社区、街道，甚至一个家庭，大到一个企业、部门，甚至一个国家，都是大小不等的系统。因此，通常人们将同类事物按一定的关系组成的整体叫做系统。在系统科学中，对系统概念作出的界定：系统是存在于一定环境之中，由若干相互联系、相互作用的要素组成的具有特定功能的整体。作为
4、一个系统，它应该具有的特征：（1）具有两个以上的要素组成；（2）要素之间有相互联系、相互作用；（3）要素之间的联系与作用能够产生整体功能。彼此毫无联系的要素拼凑在一起不会产生整体功能，因此，它不是一个系统。2、要素要素是指构成系统的组成部分。要素是相对于系统而言的，是部分与整体的关系，一个要素可以有许多组成部分，即它也可以是一个系统；而一个系统可以是更大系统的组成部分，即是更大系统的一个要素。要素是系统存在的基础。要素与系统相互依存、相互制约、相互影响。要素只有作为系统整体的组成部分时，才能起到它应有的作用，脱离了系统，它的性质和特点就会发生根本的变化。3、环境环境是指系统以外的所有事物。是系
5、统的外部条件。任何系统都在一定的环境包围之中，并与环境有着密切的联系。通常，把与环境有着物质和能量交换的系统称为开放系统，例如：生物系统就是一个开放系统；而把与环境无物质与能量交换的系统称为孤立系统，孤立系统不受环境影响，具有稳定生存能力。事实上，真正的孤立系统是不存在的。 4、系统的结构与功能系统的结构是指系统内部各要素相互联系和相互作用的方式。它表现为各要素在时间和空间上的组合形式。系统的功能是指系统与外部环境相互联系和相互作用的能力。体现了系统与外部环境之间进行物质、能量和信息交流与变换的关系。可以说，系统的结构揭示了系统内部各要素的秩序，而系统的功能则反映了系统对外部作用过程的秩序。系
6、统的结构和功能密切相关，结构是系统的基本属性，要素与结构是系统具有功能的内在根据，功能是要素与结构的外在表现。有时具有相同要素和结构的系统，具有不同的功能；有时要素和结构都不同的系统，却具有相同的功能；还有同一结构的系统，可能具有多种功能。这是因为功能是系统和环境发生相互作用时表现出来的，当环境条件发生变化时，系统对外界的作用也会不同，因此功能的发挥也会是不同的。 二、系统论的基本原则运用系统论处理实际问题时，必须遵循以下基本原则：1、整体性原则整体性是系统的最基本的属性。整体性原则是指将研究对象作为一个整体来看待，研究这个整体的构成及其发展规律。整体性原则体现在三个方面：其一，系统的性质是通
7、过系统整体表现出来的，是它的各个要素所不具备的。例如：自来水系统具有供水的性质，这是系统整体的性质，是组成这个系统的水厂、调压站、水管等所不具备的。系统的整体性通常表述为“整体大于它的各部分的总和”，即“非加和性”，例如：钢筋混凝土结构的强度就大于钢筋、水泥和沙石的强度之和；其二，系统内部各要素的性质和行为都会影响到系统整体的性质和行为。例如：构成自来水系统的水厂、调压站、水管等，只要有一个要素出现故障，则整个系统将受到影响；其三，系统内每个要素的性质和行为都依赖于其它要素的性质和行为。有些系统的要素甚至不能离开系统而单独存在，这在生物系统尤为突出。整体性原则要求我们认识事物必须从整体出发，全
8、面考虑，从系统、要素、环境的相互联系中去认识事物，分析问题、解决问题。 2、层次性原则由于组成复杂系统的要素本身又是一个系统，称其为系统的子系统。一个系统可以分为若干个子系统，子系统又可以分为子子系统，子子系统还可以再分，以至最小的单位。因此，作为综合整体的系统便表现出特有的层次性。正如贝塔朗菲指出的：层次结构是系统的“部分的秩序”。系统的层次性在客观世界中有各种各样的表现形式。例如：生物系统就包含七个结构层次：亚细胞、细胞、器官、机体、群体种、群落、生物圈。在这七个层次中，每个层次都自成系统，但同时又是上一个层次的要素。而且不同的层次通过物质、能量、信息的传输和反馈，存在着辨证的相互联系。层
9、次性原则告诉我们，系统层次结构的划分是具有相对性的，因而对系统的结构和要素需要作具体的辨证的考察，不能凝固化和绝对化。 3、有序性原则系统的有序性包括系统结构层次的有序性、时间排列的有序性和系统发展的有序性。唯物辨证法认为，事物之间存在着普遍联系，联系是有规律的。这为系统的有序性提供了哲学依据。系统的有序联系保障着系统结构的稳定性，系统有序性的减低则意味着系统稳定结构的削弱或瓦解。有序性原则启示我们：要揭示客观事物的本质属性，必须探索系统的有序性，这是研究系统运动规律的重要途径。 4、动态性原则动态性是指系统的状态是随时间而变化的。由于系统内部各个要素之间的相互作用，系统的组成、结构和功能都是
10、在不断地变化之中，现实系统一般都是动态系统。动态性原则就是把系统看作动态系统，在动态中协调部分与部分、部分与整体之间的关系。动态性原则要求我们以运动、发展、变化的动态观点看待系统，研究系统的历史、现状、发展趋势和变化规律，在动态中把握系统整体，使系统沿最优化方向发展。 5、最优化原则最优化是指系统运行处于最佳状态、达到最佳目标。它是系统论方法的最根本的目的。系统的发展途径和结果总是有多种可能，最优化原则就是运用最新的技术手段和方法，从一系列可行性方案中选择出最佳方案，使系统的发展变化始终处于最佳状态，达到最佳目标。通常整个系统最优并不是指系统中的每一个要素都达到最优。实际上要达到系统的整体最优
11、常常要使某些要素不是最优。或者说要获得整体的最大利益往往需要牺牲局部的利益。例如：齐王和田忌赛马时，田忌用他的劣马与齐王的良马比，用他的中马与齐王的劣马比，用他的良马与齐王的中马比。尽管田忌的劣马输了，但他的另两匹马却赢了。田忌使用最优化原则获得了整体的最佳效果。 6、环境适应性原则 任何系统都处于一定的环境之中，并且与环境有着物质、能量和信息的交流。环境向系统输入物质、能量和信息，反过来，系统将经过加工处理的物质、能量和信息向环境输出，系统的功能在这一过程中得到体现。因此，我们在考察一个系统的功能时，必须要考虑它所处的环境，因为环境对系统功能的影响很大。系统论方法的基本原则在系统论方法中非常
12、重要，它们分别从不同的方面表现了系统的本质特征。其中整体性原则是系统论方法的根据和出发点，最优化原则是系统论方法的主要内容和最终目标，其它原则是系统论方法的手段。 三、系统论方法的程序步骤1、系统论方法 系统论方法是指按照事物自身具有的系统性，把对象放在系统的形式中加以考察的一种方法。就是从系统的观点出发，从整体与部分之间、整体与环境之间的相互联系、相互作用、相互制约的关系中，全面地、准确地考察对象，以达到最佳地处理问题的一种方法。2、系统论方法的程序步骤在运用系统论方法解决实际问题的过程中，已经总结出一套行之有效的工作程序，主要有以下的几个步骤：（1）定义系统 定义系统，就是根据所要实现的目
13、标确定系统的范围。即确定哪些因素属于系统内部的要素，哪些因素属于系统外部的环境条件。 （2）确立关系 确立关系，就是明确系统的结构和功能。具体地说，就是在弄清楚每个要素在系统中的地位和重要性的基础上，把它们排列在不同的层次上，并弄清它们之间的关系。然后，进一步弄清系统与外部环境是如何进行物质、能量和信息的交换的。 （3）构造模型构造模型，就是用数学语言（数学式、数学符号、计算机程序等）精确地描述系统的结构和功能。即运用数学理论和方法建立数学模型来模拟系统的实际情况。 （4）寻求优化 寻求优化，就是运用多种技术手段，通过计算，根据模型的数据对多种方案进行分析、比较、判断和推理，选出最佳方案。在寻
14、找最佳方案的过程中，可以不断调整系统的结构，直至找出最满意的方案。寻求优化的过程就是寻求建立最佳数学模型的过程。 （5）分析评价分析评价，就是请专家和使用部门来评价所选的方案是否真实可靠，是否达到系统的目标并获得最佳的效果。如果专家和使用部门对所选的方案不满意，则需要回到前面的步骤重新做起，直到满意为止。系统论方法的出现，不仅为科学研究、科学理论的整体化提供了新思路，为科学技术的发展开辟了新途径，而且给国民经济的发展带来极大的促进作用。由于当代各种社会活动日趋复杂，使得人们所研究的对象呈现出规模大、要素多、结构复杂的特点。而且这种大系统又是动态的，不仅要研究其现状，还要预测其未来。系统论方法为
15、庞大复杂的系统，提供了一种分析、设计、研究、管理和控制达到最优化的有效工具，而且，系统越复杂其效果越明显。 第二节 控制论与信息论 控制论和信息论都是20世纪40年代末在通信技术发展的基础上产生和发展起来的。在理论内容上，两者之间有着难以分割的联系。在整个科学技术体系中，控制论和信息论是在自动控制技术、通信工程电子技术、数理逻辑、生物学、医学、计算机科学等众多学科相互渗透的基础上产生的横断学科，是连接自然科学、社会科学和哲学的桥梁；在系统科学体系中，控制论与信息论同属于技术科学层次，是沟通系统科学基础理论和系统工程技术的桥梁。它们在实践中取得的突出成就，对系统科学的发展起到极其重要的推动作用。 一、控制论与信息论的产生控制论的创始人是美国著名的数学家维纳（N.Wiener,1894-1964），维纳十五岁时获得数学学士学位后，在哈佛大学作了一年的动物学研究生，这一年的学习对他后来创立控制论具有很大帮助。他十九岁时获得博士学位，1919年开始在麻省理工学院任教，他早期的研究方向是数学中的概率论和函数论，后来又转向应用数学。1931年出任美国数学会会长。在第二次世界大战期间，维纳先后两次参加了防空火炮自动瞄准系统的研制工作。由于飞机的飞行方向是变
