系统科学及其发展趋势

系统科学及其发展趋势2023/6/121第一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三一、系统科学的含义

1．学科范围

理学系统科学（01系统理论

02系统分析与集成）工学控制科学与工程（……

系统工程）

2．系统科学的体系(钱学森)系统是由若干要素以一定结构形式联结构成的具有某种功能的有机整体，而且这个系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。2023/6/122第二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三钱学森提出的系统科学体系结构

马克思主义哲学|系统学运筹学－→各门系统工程控制论－→自动化技术信息论－→通信技术2023/6/123第三页，共四十九页，编辑于2023年，星期三系统论是研究系统的一般模式、结构、性能、行为和规律的学问，研究各种系统的共同特征，定量地描述其功能，寻求并确立适用于一切系统的原理、原则和模型。

1)认识系统和特点――弄清系统的组成和特点，如元素、结构，环境，整体性、功能、特性、行为等2)发现现象和规律――揭示和描述系统存在、演化、协同、发展的一般规律如物理、化学、生物、经济学等3)探索思路和方法――分析问题思考路径和技术方法，如控制论、信息论、运筹学等4)解决现实和工程――协调、控制、管理、改造、设计和运用系统，达优化目标：如各种系统工程自动化技术、通信技术等5)丰富哲学和思维――系统哲学、系统思维

2023/6/124第四页，共四十九页，编辑于2023年，星期三3.系统的属性（1）.系统的特性整体性：系统整体的功能不等于各部分功能之和，1+1>2,涌现

关联性：包括整体内部的关联、整体与环境的联系，结构性层次性

目的性环境适应性开放性2023/6/125第五页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

（2）.系统的行为

演化过程

动态性――系统的结构、状态、特性、行为、功能等随着时间的变化,

稳定性、发展、自组织、自适应

（3）.系统的功能――系统整体性的外在表现发动机的功能是为车辆或飞行器提供推力学校的功能是为社会培养人才、提供科研成果、提供社会服务。了解功能结构是把握系统特性的重要方面

2023/6/126第六页，共四十九页，编辑于2023年，星期三4.学科特点1)学科交叉，以理为主、理工交叉、理工经管相结合，“T”字型人才2)方法互通

了解对象――要素、结构、环境，信息、反馈；处理问题―认识、描述、规划、设计、管理、控制熟悉工具－－数学、计算机3)成果实用――研究课题现实、与社会实际紧密结合，与国计民生密切相关。2023/6/127第七页，共四十九页，编辑于2023年，星期三二、系统科学的主要方法

1系统工程方法论1)美国霍尔（A.D.Hall）的“三维结构”方法论(1969)2023/6/128第八页，共四十九页，编辑于2023年，星期三时间进程（时间维）：①规划阶段；②方案阶段；③研制阶段；④生产阶段；⑤运行阶段；⑥更新阶段系统论方法的基本步骤（逻辑维）：①提出、明确问题；②选择目标、要素及其相互关系；③调查研究收集数据，系统综合，构建逻辑和数学模型；④根据问题的性质和研究目标，分析系统的特点和研究采用的具体方法；⑤系统评价、根据要求选择最佳方案，提出备选方案和评价标准；⑥评估备选方案、作出决策、提出最可行方案；⑦付诸实施、总结提高。2023/6/129第九页，共四十九页，编辑于2023年，星期三2)英国切克兰德的软系统方法

2023/6/1210第十页，共四十九页，编辑于2023年，星期三2.系统分析方法

――把要解决的问题作为一个系统，对系统要素进行综合分析，找出解决问题的可行方案的方法

要素：目的和目标、可行方案、费用、模型、效果、评价标准、结论；程序：原则：以目标为中心，局部与总体结合、定性与定量结合、抓主要矛盾；技术方法：模型化方法、定量化方法、最优化方法系统定性预测方法（市场调查预测法、德尔菲法、交叉概率法、领先指标分析法、类推法）、

定量预测方法（简单算术平均法、平滑预测法、回归分析法）系统评价方法（单项评价法、关联矩阵法、层次分析法、模糊综合评价法）系统决策分析方法（确定型决策、风险型决策、不确定型决策、多阶段决策、冲突分析）2023/6/1211第十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三3.系统方法论还原论方法和整体论方法结合，分析方法与综合方法结合，定性描述与定量描述结合，局部描述与整体描述结合，确定性描述与不确定性描述结合，静力学描述与动力学描述结合，理论方法与经验方法结合，精确方法与近似方法结合，科学理性与艺术直觉结合

2023/6/1212第十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三三.系统科学发展历史普朗克（M.Planck,提出量子论）认为，“科学是内在的整体，它被分解为单独的部门不是取决于事物的本质，而是取决于人类认识能力的局限性。”系统思想发展历程经验→哲学→科学、思辨→定性→定量古代农事、工程形而上学→辩证唯物主义

系统思想医药、天文古希腊朴素的分门别类

相互联系

数量、计算机唯物主义自然观2023/6/1213第十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期三2.系统科学产生背景文艺复兴时期牛顿、笛卡儿、伽利略、莱布尼兹等创立的分析、还原方法把研究对象分解成部分，以为部分研究清楚了，整体也就清楚。如果部分还研究不清楚，再继续分解下去进行研究，直到弄清楚为止。物理学的物质结构：分子→原子→质子、中子→夸克生物学对生命的研究也到了基因层次。肉眼→放大镜→显微镜→更精密仪器但是，认识了基本粒子还不能解释大物质构造，知道了基因也回答不了生命是什么。不能解释生物机体的秩序、目的性和精神，特别是经济、社会等复杂问题。2023/6/1214第十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

由上往下分解，还需要由下往上40年代美籍奥地利理论生物学家贝塔朗菲：对生物在分子层次上了解得越多，对生物整体反而认识得越模糊。1945年提出一般系统论，任务“是确立适用于系统的一般原则”，概括共性：整体性、关联性、动态性、有序性、终极性（目的性）等2023/6/1215第十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期三运筹学30年代末，英国研制雷达系统武器系统的分析、评价和有效运行――制约因素（约束条件）实现的目标（使其达到极大或极小）。把共性概括成数学模式：联立约束条件方程和目标函数方程并求解。二战后，军事、战争――经济、工业管理。1)控制论，美国维纳，1948年提炼出极为广泛的一大类系统的共性和规律；2)信息论，美国香农1948年从信息语法建立传递信息的通信系统模型；电子计算机，1948年，冯·诺伊曼（vonNeumann）实现人类智能的物化

2023/6/1216第十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期三自组织理论

3)耗散结构理论,比利时物理化学家普利高津(1977年获诺贝尔化学奖)，1969年。把形成的新有序结构称为“耗散结构”。――结构产生的自组织途径。4)协同学，德国物理学家哈肯研究结构自发形成的机制，1969年。序参量。5)超循环理论，德国生物物理学家艾根，1979年。6)突变论法国数学家托姆，1972年；7)混沌学理论、分形论；8)非线性科学9)复杂性科学2023/6/1217第十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期三圣菲研究所：美国新墨西哥州,1984年3位诺贝尔奖获得者：盖尔曼（M.Gell-Mann，物理学家）、阿罗（K.J.Arrow，经济学家）、安德森（P.W.Anderson，物理学家），宗旨是开展跨学科、跨领域的研究－－复杂性研究。他们认为事物的复杂性是从简单性发展来的，是在适应环境的过程中产生的。把经济、生态、免疫系统、胚胎、神经系统及计算机网络等称为复杂适应系统，认为存在某些一般性的规律控制着这些复杂适应系统的行为

2023/6/1218第十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

物理、生物、社会、经济等领域发出共同呼声：突破还原论。美国《科学》(Science)杂志于1999年4月2日发表了一个题为“复杂系统”的专辑，邀请物理、化学、生物、经济、生态环境、神经科学等方面8位科学家，撰写对复杂系统的研究进展，前言标题为“超越还原论”。四.系统理论的主要研究成果（略）2023/6/1219第十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期三五.系统科学的应用：系统工程1)系统工程的含义系统工程――是组织管理系统的技术，它根据系统总体目标的要求，从系统整体出发，运用综合集成方法把与系统有关的学科理论方法与技术综合集成起来，对系统结构、环境与功能进行总体分析、论证、设计和协调，包括系统建模、仿真、分析、优化、设计与评估，以求得可行的、满意的或最好的系统方案并付诸实施。广义的系统工程：从整体上对系统进行合理的规划、研究、开发、研制、设计、试验、运用而采取的思想、组织管理程序和方法等。――经验性、哲理性。狭义的系统工程：为了最好地达到系统目的，对系统的结构、组成元素、信息传输、控制机构等进行分析、设计的技术，主要指系统模拟、分析、综合设计、优化等――技术性、理论性2023/6/1220第二十页，共四十九页，编辑于2023年，星期三2．系统工程的方法

研究对象――复杂的大系统，规模大、技术复杂、专业部门多、关系错综复杂，需要从整体和相互联系的角度去考虑问题，制定一套处理复杂系统和组织工作的科学方法及程序。研究思路――整体性乌杰：“建设市场经济必须整体推进，配套改革，否则的话搞单项突破，必然导致腐败和低效率的官僚主义”。两点论，一分为二。分析重点――结构、要素、信息、反馈，应用知识――综合应用自然科学和社会科学有关思想、理论和方法；利用工具――电子计算机、数学2023/6/1221第二十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

研究方法：步骤、方法、工具、技术；定性＋定量；微观＋宏观；还原论＋整体论；科学＋经验＋哲学研究深度：认识、描述事物，分析系统构成的

结构、原因、功能；研究子系统联系的特征、机理、规律和复杂特性；揭示产生混沌、涌现、自组织、自适应、自相似等机理，演化内在规律研究目的：控制系统的协同、演化、优化――最优规划、最优设计、最优管理、最优控制、预测未来2023/6/1222第二十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三3.应用事例

20世纪40年代美国贝尔电话公司首先使用了“系统工程”二战后,美国兰德公司，研究大型社会、经济系统问题，倡导系统分析50年代美国一些大型工程项目和军事装备系统开发美国的导弹研制、1969年，阿波罗飞船登月计划60年代我国导弹研制70、80年代社会、经济、自然等各领域2023/6/1223第二十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期三4.我国系统工程的应用领域

①工程系统②社会系统③经济系统④农业系统⑤企业系统⑥科学技术管理系统⑦军事系统⑧环境生态系统⑨人才开发系统：⑩运输系统（11）能源系统（12）区域规划系统人口、物理、生命、认知、网络、物流等

2023/6/1224第二十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期三六、系统科学在中国的发展状况1.发展过程1955年运筹学，华罗庚60年代初起推广“统筹法”。1978年9月，钱学森、许国志、王寿云发表了“组织管理的技术——系统工程”，提出了利用系统思想把运筹学和管理科学统一起来。1979年10月，中科院、教育部、中国社科院、一至八机部、总参、总后、军事科学院、国防科委等150名代表，举行系统工程学术讨论会，钱学森等21名知名科学家联合倡议。1980年11月成立中国系统工程学会

2023/6/1225第二十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

1986年开始，钱学森指导“系统学讨论班”，提倡“整体论与还原论的辩证统一”。①形成以简单系统、简单巨系统、复杂巨系统（包括社会系统）为主线的系统学提纲和内容，②明确系统学是研究系统结构与功能（包括演化、协同与控制）一般规律的科学，③对社会经济系统等复杂系统进行研究，④提炼与总结出开放的复杂巨系统概念、从定性到定量的综合集成法

2023/6/1226第二十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

钱学森：“逻辑思维，微观法；形象思维，宏观法；创造思维，宏观与微观相结合。创造思维才是智慧的源泉，逻辑思维和形象思维都是手段”。把专家体系、信息与知识体系以及计算机体系有机结合起来，构成一个高度智能化的人·机结合与融合体系。利用人·机结合、人·网结合，以人为主的信息、知识和智慧的综合集成技术，把人的思维、思维的成果、人的经验、知识、智慧以及各种情报、资料和信息集成起来，从多方面的定性认识上升到定量认识2023/6/1227第二十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期三2.中国系统工程学会第一届理事会（1980.11）名誉理事长：

钱学森薛暮桥(1904-2005)理事长：关肇直副理事长：刘豹、李国平、宋健、张钟俊、陈珽、薛葆鼎

秘书长：许国志其他早期人物：王众托

王慧炯吴文俊吴几康沈元汪浩汪应洛郑维敏罗沛霖钱伟长越民义谢力同翟力林、戴汝为、刘源张、张嗣瀛、钟山、李京文17个专业委员会系统理论、模糊数学与模糊系统、系统动力学等专业委员会，军事、社会经济、教育、科技、农业、信息、人—机—环境、医药卫生、决策科学、法制等系统工程专业委员会。2023/6/1228第二十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期三中国系统工程主要人物

1)钱学森――理工科

钱学森院士原全国政协副主席、中国科协主席

宋健院士原国务委员、国家科委主任，全国政协原副主席

戴汝为院士、中科院自动化研究所研究员

郭雷院士、中科院数学与系统科学研究院院长

刘源张院士、中科院数学与系统科学研究院研究员

汪应洛院士、西安交通大学管理学院名誉院长

王众托院士、大连理工大学

李京文院士中国社会科学院学部委员

2)成思危――管理科学，全国人大副委员长3)乌杰――系统辩证法，原国家体改委副主任2023/6/1229第二十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期三3.系统科学的体系结构和重要地位人类正探索从渺观、微观、宏观、宇观到胀观5个层次时空范围的客观世界。其中宏观层次就是我们所在的地球，又产生生命、生物，出现人类和人类社会。自然科学从物质在时空中的运动、物质运动的不同层次、不同层次的相互关系；社会科学从人类社会发展运动，即从人类社会内部运动以及人类社会发展运动和客观世界的相互影响的角度研究整个客观世界。钱学森提出一个现代科学技术体系相互关系图

2023/6/1230第三十页，共四十九页，编辑于2023年，星期三马克思主义哲学

桥梁

数

学

哲

学自

然

辩

证

法历

史

唯

物

主

义

系

统

论人

天

观认

识

论社

会

论审

美

观军

事

哲

学学

科

部

类

数

学自

然

科

学社

会

科

学系

统

科

学人

体

科

学思

维

科

学行

为

科

学文

学

艺

术军

事

科

学基

础

理

论

几数

何学

代分

数析物生

理物

学学

力化

学学经社

济会

学学

民族

学系

统

学生理学

心理学

神经学

思信

维息

学学伦行

理为

学学美

学战

略

学技

术

基

础

计应

算用

数数

学学化机

工械

原原

理理

电工

学

资本主义经济理论

社会主义理论

控制

论

运筹

学病理学

药理学

免疫学情模

报式

学识

、别道社

德会

理主

论义音文

乐艺

理理

论论指

挥

学应

用

技

术

统速

筹算

方技

法术硫酸

生产

工艺

齿轮

技术企业经营

管理

社会工作系

统

工

程心理咨询

技术、内科学

密人

码工

技智

术能公人

共际

关关

系系

学学

文绘

学画

技方

巧法战军

术事

训工

练程2023/6/1231第三十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三七.学习系统理论的作用、意义中国科学院院长路甬祥：“当代对科学发展起核心作用的已不再是一两门科学技术，而是越来越关注复杂系统的研究”，“尤其是对社会、经济、脑和生命、生态、网络等复杂系统的研究，将对经济、社会、人与自然的协调发展，对科技的进步本身产生重大影响”。李政道：“我猜想21世纪的方向要整体统一，微观的基本粒子要和宏观的真空构造、大型量子态结合起来，这些很可能是21世纪的研究目标”

2023/6/1232第三十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三1.认识问题――系统意识

系统科学是从事物的整体与部分、全局与局部，以及层次关系的角度来研究客观世界的。客观世界包括自然、社会和人自身。系统论的基本思想方法，就是把所研究和处理的对象当作一个系统，分析系统的结构和功能，研究系统、要素、环境三者的相互关系和变动的规律性，并用优化系统的观点看问题2023/6/1233第三十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期三2.分析问题――系统思维系统思想――把各部分从整体角度分析和综合的思想整体性、关联性、动态性、层次性、有序性、预决性，演化发展，模型化、最优化系统思考是一种能了解事理因果关系的思维逻辑，必须想清楚目的何在，站在全部合适、长期最适的角度思考问题。视角拉广、视线拉高、时间拉长

2023/6/1234第三十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

思维的方式：以实体为中心以系统为中心以复杂系统、复杂大系统为中心开放的复杂巨系统。思维的对象：简单系统、大系统、巨系统、复杂巨系统；更加重视综合性的复杂性科学，重视人类世界、主观世界的科学，三层面：基元层面＋关系层面、整体层面；三层次：物理、生物、社会思维的任务：从揭示系统的有机等级的结构功能关系及演变过程中，把握复杂大系统的整体性质从系统的性质中去把握大系统过程的关系。方法论上：不仅研究单一个体（还原论），而且更从不同学科，不同侧面，用不同方法和工具，对总体系统进行多方面的整合研究。

看片断、单方面――看整体；系统控制、系统组织管理的基本内涵，也是系统工程所要实现的主要目标――改变系统组成部分，或改变部分之间、层次结构之间、系统与环境之间的关系2023/6/1235第三十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

思维的深度：元素－子系统，扩大研究范围，大系统

定性描述－定量分析看事件－看变化背后的结构；关系－联系－数量功能－明确功能思维的灵活性：由静态分析变因看见其间的互动，进而寻求一种动态地平衡.思维的效果

系统化、模型化、数量化、最优化3.解决问题――系统工程

2023/6/1236第三十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期三八、系统科学发展展望（一）发展前景胡锦涛2004年6月2日在两院院士大会上的讲话:落实科学发展观，是一项系统工程，不仅涉及经济社会发展的方方面面，而且涉及经济活动、社会活动和自然界的复杂关系，涉及人与经济社会环境、自然环境的相互作用．这就需要我们采用系统科学的方法来分析、解决问题，从多因素、多层次、多方面入手研究经济社会发展和社会形态、自然形态的大系统

2023/6/1237第三十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

1.胡锦涛、江泽民多次讲到系统工程2美国彼得·圣吉《第五项修炼》学习型组织：连续三年列全美最畅销书榜榜首。①自我超越、②改善心智模式、③建立共同愿景、④团体学习、⑤系统思考发现组织的智障：在思维中，人类总是习惯于将问题加以分解，把世界拆成片断来理解，但是无形中，我们付出了巨大的代价———全然失掉对整体的连属感。《第五项修练》核心是强调以系统思考代替机械思考和静止思考3.1996年《美国国家科学教育标准》，要求从幼儿园到12年级的教学活动，所有的学生都应培养与下述概念和过程相关的理解和能力。系统、秩序和组织；证据、模型和解释；不变性、变化和测量；演变与平衡；形式和功能2023/6/1238第三十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期三（二）研究趋势

欧洲学派――以数学设计理念为特点，并带有强烈的哲学思想和人文情怀；美国学派――以实验科学、计算机模拟为主要研究手段

SFI过分看重计算机的作用，忽视了人的作用的重要性；中国学派――以中国传统文化思想为根基，以综合集成法、物理－事理－人理结合法等为中心。东方文化中的整体性思维往往是‘只见森林，不见树木'西方文化则容易‘只见树林，不见森林'，整合、探索‘既见树木，又见森林'的系统思想。西方理论和东方思想的融合。要研究系统工程，也要研究系统学2023/6/1239第三十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期三（三）研究方向

研究课题――向着宏观、交叉和复杂的整体化的趋势发展；研究事关世界全局的一些重大问题，诸如可持续发展、经济全球化、金融危机等。研究方法――定性描述和概念阐发＋定量理论和方法，建立系统科学的观念、理论、方法和技术；研究目的――把事物看作系统，从系统结构、功能、演化，研究各学科的共性规律和方法论；研究内容――研究各式各样的个体怎样组织成形形色色的系统，较简单的个体运动又怎样组合为较复杂的系统群体行为2023/6/1240第四十页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

大系统－－巨系统－复杂巨系统确定性－－随机、模糊、混沌，不确定性线性－－某些非线性－－广义的非线性代数系统－－微分系统－－广义系统（微分－代数系统）元素－－主体（有主动性的、活的）联系－－关联－－结构独立（孤立）－－环境适应性－－适应环境＋影响环境定量化定量＋定性相结合系统思想－－系统思维、思维科学控制－－管理－－系统管理系统辩证法－－系统哲学

认识论和方法论；乌杰2023/6/1241第四十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三涉及的主要学科

控制理论――控制论、信息论管理科学――系统管理等计算机――建模与仿真、人工智能、神经网络、遗传算法、演化算法、Swarm软件平台、以Agent为基础的系统建模、用数字技术描述的人工生命等。数学――运筹学、图论、博奕论、排队论、决策论；最优化方法；不确定系统、随机过程、模糊数学；数理逻辑；李雅普诺夫稳定性；系统动力学(包括分岔、混沌)；非线性系统等物理、生物、生命科学、化学、经济、社会学等的某些方向哲学――系统的本体论、认识论、价值论等2023/6/1242第四十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三（四）.系统工程应用（略）

系统工程包括两个层次的系统：1)工程的成果如建好的发电厂2)创造作为工程成果系统的过程，如建发电厂的过程基本原理、基本思路、分析方法、预测方法、优化方法、评价方法、决策方法

2023/6/1243第四十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期三（五）.人才培养模式

――复合型自然科学、社会科学、人文科学相互结合、融合，已成为现代科学技术发展的重要特点。涌现出系统科学、管理科学、软科学、非线性科学、复杂性科学等学科。于景元：我们需要的是把自然科学、社