系统的概念.doc

第一节 系统的概念一、系统的含义 系统这个词，人们并不陌生，它在我们的学习和生活中广泛存在。比如，人体就是一个系统，它由神经、呼吸、消化、循环、运动、生殖等许多分系统组成；学校可以看作是一个由教师、学生、管理人员、设施等部分组成的系统；多媒体教室也可以看成一个由电脑、投影器、音响设备、课桌椅、照明设备等组成的系统；宇宙则是由星系天体等许多系统组成的更大的系统。一台电脑、一个国家甚至整个社会都可以视为不同的系统。图6-1-1为银河系示意图。 图6-1-1 银河系示意图 台灯是由若干部分组成的：灯座、灯泡、灯罩、电源和开关等，这些部分相互联系、相互作用，形成了电灯发光照明的功能。其中任何一个部件出问题，都有可能导致台灯无法正常工作。这种由相互联系、相互作用、相互依赖、相互制约的若干元素（element）或部分构成的有机整体称为系统(system)。 在自然界和人类社会中，可以说任何事物都是以系统的形式存在的。我们可以把我们关心的问题都看成系统，血液循环系统是指把血液送到人或动物全身的血管系统和心脏；运输系统是指运送货物的人员、机器、组织机构以及公路、铁路、水路和航空线路；武器系统是指武器和相关设备、武器和设备的使用方法与使用武器及设备的人员。 要构成系统，必须有三个条件： （1）要有两个或两个以上的元素才能构成系统； （2）要素之间要相互联系、相互作用，按一定方式形成一个整体； （3）要素之间的联系和作用必须产生整体功能，并且整体的功能是其要素或部分所没有的。 二、元素和子系统元素是构成系统的最小部分或基本单元。例如原子是构成分子的元素，分子是构成物质的元素。元素具有不可分性，例如句子作为一个系统，元素是单词；机器作为系统，元素是不能再分的零件。所谓不可再分，是相对于所属系统而言，离开这个系统，元素本身又可认为是更小元素构成的系统。最小的系统有两个元素构成，称为二元系统。一般系统有多个元素组成，叫做多元素系统。根据辩证唯物主义的观点，系统与元素的辩证关系表现在： 1系统是整体，元素是部分，系统与要素的关系是整体与部分的关系。它们相互依存，互为条件。没有系统，也就无所谓元素；反之，没有元素，也就无所谓系统。 2系统与元素是相互联系和相互作用的。一方面，系统对元素起支配作用、主导作用，系统的性质与功能制约着元素的性质与功能。例如，电脑的特性与功能，支配和决定它的组成部分的特性和功能。用于大型运算的电脑系统，对它的中心处理器的主频要求很高；制作动画的电脑系统，则对它的显示系统的分辨能力要求很高。另一方面，系统对要素也有依赖性。元素的变化会影响系统的变化。比如一个球队，主力队员的变化会影响整个球队的战斗力。 3系统与元素的区分又是相对的，在一定条件下可相互转化。每一个系统对于更大一级的系统是一个元素，而这个系统的每一个元素又各自构成一个系统，所以子系统具有两重性，它除了子系统自身的地位与属性外，还同时具有元素的地位与属性。 在教学过程中，教师要强调如何运用系统思想和方法解决实际问题，学习了要素和子系统的概念后，区分要素是一项重要工作。一是区分要素的层次结构，即哪些定为一级要素，哪些定为二级要素，哪些不必再往下划分。例如，军这个系统，师是它的一级要素，团是它的二级要素。二是决定要素的取舍。即找出那些对系统性质、功能、发展、变化有决定影响的部分作为要素加以研究，次要的因素则可以忽略。 三、系统的分类 为了更方便地讨论和研究系统问题，人们用不同的方法对系统进行了分类： (1)依据系统的形成来源，系统可分为自然系统与人造系统。 自然系统即由“自然物”(物质或客观规律)所形成的系统。如地球的岩石圈、生物圈和大气层等。人造系统是人类为达到某种目的而建造的，例如钟表、自行车、机床、计算机集成制造系统、工厂、学校、城市等。 (2)依据系统存在的形式，系统可分为实体系统与抽象(概念)系统。 实体系统是以诸如矿物、生物、机械、能量和人等实体为元素所构成的系统。例如工厂、军队、学校等。抽象(概念)系统是以诸如概念、原理、原则、方法、制度、程序等理性的元素所构成的系统。例如一本书、一场演讲、知识体系、社会道德、宗教体系等。现实中的系统往往是实体系统和概念系统的复合系统。 (3)依据系统与环境的关系，系统可分为开放系统与封闭系统。 开放系统即系统与外部环境有交换的系统。例如一个商业系统就与社会有物质、能量、信息的交换。从理论上说，封闭系统是与外部环境无任何形式交换的系统。但由于事物总是运动变化的，实际上没有不与外部环境发生任何联系的系统，即严格的封闭系统是不存在的。不过，在一定的时间内不依赖于外部而且具有稳定运行能力的系统，即可近似地看作一个封闭系统。例如在较长时间内不需要人的干预就能按程序完成其功能的自动机(一只上紧了发条自行运转的钟表、一台计算机控制的自动机床等)。 (4)依据系统存在的状态，系统可分为静态系统和动态系统。 四、系统的基本特性 （一）整体性 整体性是系统最基本的性质，也是系统分析最基本的思想方法。 系统是个整体，虽然它是由各个要素组成的，但不是各个要素的简单相加，而是这些元素按一定的结构、为实现系统目标所构成的一个整体。当各个元素构成一个整体之后，系统就产生出种整体的功能，即系统的功能。这种整体功能不是各元素所单独具有的，相对于各元素而言，是一种质变。例如收录机是收音机和录音机结合而构成的一个系统。收录机不仅具备收音机和录音机所单独具备的收音功能和录音功能，而且它还具备一种新的系统整体功能，即在收音的同时能自动地通过电路进行内录。这种内录功能就不是收音机和录音机功能的简单相加。 系统功能大于组成系统的各部分功能之和，这就是我们常说的“21+1”。例如钢筋混凝土结构的强度就大于钢筋、水泥、沙石的强度之和；没有梵高弟弟梵高就出不了成果；没有赫歇尔妹妹则赫歇尔不能成为伟大的天文学家；没有阿贝尔的老师对阿贝尔全力辅助就 没有阿贝尔的成就；没有孟母和伽罗华之母的悉心培养就没有孟子、伽罗华的杰出才能；人们常说“三个臭皮匠等于一个诸葛亮”，研究表明，人的双眼视觉功能大大超过两只眼睛视觉功能简单相加之和，这些例子都反映了整体功能大于部分之和。反面例子如“三个和尚没水喝“，“一着不慎，全盘皆输”其原因是部分的变化会影响到整体的变化，甚至还会对全局产生决定性的影响。在教学过程中要提醒学生，做任何事，都要重视整体效果，必要的时候，要舍得抛弃部分而保存整体。传说，法国著名雕塑家罗丹曾经给作家巴尔扎克雕了一座塑像，受到大家的赞扬，人们特别对雕塑上巴尔扎克的那双手赞不绝口，都说太逼真了，罗丹听到后，毫不犹豫地从雕像上砍掉那双手，其目的在于使人们注意雕像的整体而不去再注意那双手。 （二）相关性 相关性指系统内各要素之间存在着某种相互依赖和相互制约的特定关系，某一要素的变化会影响另一些要素的变化。正是由于这些特定关系把各种要素有机地结合在一起，形成一定的结构，才使系统显示出整体功能和综合行为。以一所中学学生的学习成绩系统为例，这个系统由语文、历史、地理、数学、物理、化学、生物、外语、体育等学科成绩组成。显然，数学成绩下降常会影响物理、化学等科成绩下降；而外语成绩上升往往会同时带动语文等其他学科成绩上升。又如导弹系统，以其总质量、速度、火箭推力、雷达功率等因素作为要素，这些要素也是互相依赖和互相制约的，譬如导弹的总质量会影响火箭推力，因为总质量决定了火箭燃料的装载量；反过来，火箭推力又影响着导弹的总质量。再如一个农业区的生态系统由有益鸟类、农业害虫和农作物组成。害虫种类、数量的变化会影响农作物的收成；有益鸟类又能控制害虫的生长。如果在一个农业区把麻雀打光，就可能引起虫害，甚至造成大面积的农作物欠收。系统中要素的这种相关性在系统论和控制论中也叫耦合，指的是各要素之间的因果关系链，即一个要素的存在与变化和另一个要素的存在与变化之间的关系。相关的内容有物质流、能量流、信息流。比如，一个生产系统，原材料的传送、加工是物质流；电、热等能源的输送是能量流；为了协调运转，实施的各项计划、指令、控制信号等是信息流。两个要素(A，B)之间的相关性有四种形式：正向相关AB；反向相关AB；双向相关AB；无关联(作为一种特殊的联系形式)。 系统作为一个整体，并具备一定的功能，都要通过要素之间的联系来实现。系统中各要素都有确定的功能，各要素之间不同形式的联系又会产生出新的、不同于要素本身功能的功能。这些新的功能是我们感兴趣的，人工系统就是通过联系创造出新的功能满足人们的需要。例如，只有10个阿拉伯数字，若不联系，只能表示10个数目，一经联系，就可表示无限多的数目。万千物质世界只是1000多种元素相互联系、相互作用的结果。人脑有成百亿细胞，每个细胞与其它细胞又有成千种联系，这种难以想象的复杂联系，引起了不同的属性和高级功能的出现。在教学中应引导学生在认识了系统要素相关性基础上，在理解和观察事物时，要从事物的内部和外部联系上看问题，从全局和整体上把握事物，这样才能进行科学的系统分析，选择最佳方案，进行科学决策。 （三）目的性 任何一个系统的存在都具有其特定的目的，因而具有一定的功能。这正是系统间区别的标志。研究、设计、组建、管理系统都是为了实现特定的功能目标。例如，经营管理系统通过优化和配置企业的人、财、物等资源而形成，其目的是实现企业利润最大化；成本和能源使用最小化等。系统的目的既有单一的也有多样的，现代化系统多半是多目标的系统。例如高等学校就是一个多目标系统，它要培养人才(包括大学生、研究生、进修生等)；要进行科学研究，取得研究成果；以及要为社会提供服务等等。例如电脑也是一个多目标系统，它可供娱乐、学习、工作等。 在教学过程中，要注意引导学生在处理问题时，必须把握事物的目的性，因为人类任何一项实践活动都具有目的性。首先必须确定系统应该达到的目标，然后在尊重客观规律的前提下，通过反馈作用，调节和控制系统，使系统的发展顺利地导向目标。管理工作中的目标管理就是根据大系统的总目标，来协调各子系统的分目标。分目标服从于总目标。各层次的子系统应在总目标的指引下协同配合，完成自己的分目标。 （四）动态性 物质系统都有物流、能流、信息流在不断的运动，系统本身都有生命周期，都有一个从孕育、产生、发展到衰退、消亡的过程。系统的这种运动、发展、变化过程就是它的“动态性”。任何系统都是作为过程而展开的动态系统，具有时间性程序，例如，人本身这个系统，从出生到死亡，无时不在与外界进行能量、物质的交换，处于一个动态变化过程中；太阳系从产生以来有46亿年，好比到中年了；从卫星上探测的长江口与1949年地图对比，向东海延伸了十几公里，沧海成了桑田。 在教学过程中，要注意引导学生善于运用动态的观点来研究问题，研究系统的历史、现状和发展趋势以及变化规律。善于在动态中平衡系统，改革系统的活动过程，这样才能充分发挥系统的效益。常用动态规划和预测技术解决动态性问题。例如工厂在生产时，常常要考虑到产品的经济寿命曲线，看某一项产品目前是在萌芽期（研制后开始投入市场），发展期（产品在市场上销售量迅速增加）还是到了成熟期（大量产销，销售量稳定）或衰退期（逐渐被淘汰）。对于还有一定销路的老产品，不要轻易放弃，对于进入衰退期的老产品，不要盲目生产，而在此之前适当时候就要改进或研制新产品，以更新换代。这就是按动态观点对生产进行的安排。 图 6-1-2 产品经济寿命曲线 生活中运用系统的动态思想对事物发展进行预测并取得效果的例子很多，例如农民对农作物病虫害预防和治理，工业控制系统中的前馈控制方式，它跟踪系统的变化，及时做出响应。台式机的CPU上安装小风扇，是为CPU散热用的， CPU下面有温度传感装置会控制风扇转速，当CPU过热时，温度传感装置使风扇的转速变快，当温度低时，使风扇转速变慢，从而达到动态控制CPU温度的目的。需要指出的是静止是相对的，绝对静止的系统不存在。任何系统都是在不断与外界环境进行物质和能量的交换，只是有的系统表现不明显而已。例如，一块石头看起来是静止的，可是时间长了，它也会风化。 （五）环境适应性 一个系统之外的一切事物或系统的总和，称为该系统的环境。大系统中各个子系统，相对于某一特定或单个子系统来说就是环境。在研究系统时首先要区分哪些是系统内部要素，哪些是系统外部要素环境要素。把系统与环境分开的假想线叫做边界。边界是事物质的规定性在人们头脑中的反映，用以区分系统与环境的本质不同和系统所包含的要素的界限。确定系统的边界能够使问题更加明确。比如，人们在工作中划分职责范围，就是区分系统的边界。系统的边界不是固定不变的，要依据具体情况而定。确定边界的主要依据是某要素与系统中的其他要素相互联系的紧密程度，即该要素发生变化时能否对系统功能产生决定的影响。应把那些联系紧密，对系统功能有决定影响的要素归为系统内部要素。系统不能脱离环境而独立存在。系统和包围它的环境之间通常总有物质、能量和信息的交换。外界环境特性的变化往往会引起系统特性的变化，即系统的形式和发展要受到环境的制约。因此系统必须适应外部环境的变化，否则系统就不能继续存在下去。例如，一架正在飞行的飞机，周围的空气、湿度、山水、其他飞行器等是它的环境。飞机常会因为环境的变化而改变速度、姿态、飞行路线或停飞。总之，一个系统必须是动态的，它经常改变着自己以适应外部环境的变化，同时在适应的过程中又能动地改造着外部环境。例如在大自然中，动物的“保护色” 是动物自身对环境适应性的表现