二、系统相关理论专题

二、系统理论专题王国华E-mail:ghwang@目录系统概述系统规律系统理论学科分支编辑课件系统定义目前我国的系统科学界对系统通用的定义是：系统是由相互作用和相互依赖的假设干组成局部(要素)结合而成的、具有特定功能的有机整体。系统是整个系统科学最根本的概念，它浓缩着系统理论的最根本内容。编辑课件系统三个条件第一，系统必须由两个或两个以上的要素(成局部、子系统)所织成，要素是构成系统的最根本单位，因而也是系统存在的根底和实际载体。系统离开了要素就不成为系统。第二，要素与要素之间存在着一定的有机联系，从而在系统的内部和外部形成了一定的结构或秩序。任何一个系统又是它所附属的一个更大系统的组成都分。由此。系统整体与要素、要素与要素、整体与环境之间存在着相互作用和相互联系的机制。第三，任何系统都有特定的功能，这是整体不同于各个组成要素的新功能，这种新功能也是由系统内部的有机联系和结构所决定的。编辑课件系统的特征系统作为假设干要素的集合体，其本质特性就是具有整体性系统内的各要素是相互作用而又相互联系的系统的目的性系统的环境适应性编辑课件系统的分类从系统的自然开展层次来看，可将系统分为无机系统、生物系统和社会系统从系统的形成原因来看，可将系统分为自然系统和人造系统从系统与环境的关系来看，可将系统分为封闭系统和开放系统绝对的封闭系统〔孤立系统〕不存在编辑课件系统的分类从系统的状态与时间的关系来看，可将系统分为静态系统和动态系统绝对静态系统不存在从系统组成要素的属性来看，可将系统分为实体系统和概念系统实体系统是由实物组成的系统，包括人造物与自然物所组成的系统。而概念系统那么是由概念、原理、方法、法那么、制度、程序等非实物所组成的系统。实体系统与概念系统多数情况下不可分割。编辑课件系统的分类从系统的复杂程度来看，可将系统分为普通系统和大系统从系统具体对象的性质来看，可以分出各种具体的局部系统如可把社会系统具体分为经济系统、军事系统、政治系统、工程系统、教育系统。具体系统的形态可能千变万化，但是根本上可以看作是上述各种系统形态相互结合而形成的。它们之间往往是相互交叉和相互渗透的。编辑课件系统的结构与功能系统的结构与功能是系统科学的根本范畴，是一切系统不可分割的两个方面。系统的结构是系统保持整体性及具有一定功能的内在依据，系统科学就是从系统结构与功能的观点出发研究整个客观世界。探讨系统结构与功能也是理解系统的根本特性和系统方法应用的一个重要环节。编辑课件系统与要素任何事物都是系统与要素的对立统一体，系统与要素相互依存、互为条件，在事物的运动和变化中，系统和要素总是相互伴随而产生，相互作用而变化。系统通过整体作用支配和控制要素要素通过相互作用决定系统的特性和功能系统和要素的概念是相对的编辑课件系统的结构系统的结构是指组成系统的各要素(子系统)之间在数量上的比例和空间或时间上的联系方式，即系统内诸要素相互依赖、相互作用的内在方式。结构是系统的普遍属性，凡系统都有结构，系统目的是靠系统功能实现的，而系统的整体功能是由系统结构所决定的。没有无结构的系统，也没有离开系统的结构。编辑课件系统结构特点〔2〕系统结构在整体上有许多特点：稳定性。系统之所以能够保持其有序性，是在于系统各要素素之间有着稳定的联系。系统统构的稳定性就是指系统总是趋向于保持某一状态。层次性。包括等级性和多侧面性两重含义。等级性是指任何一个复杂系统都可以从纵向上把它分为假设干等级，低一级的系统结构是高一级系统结构的有机组成局部。多侧面性是指任何同一级的复杂系统又可以从横向上分为假设干互相联系而又各自独立的平行局部。编辑课件系统结构特点〔2〕系统结构在整体上有许多特点：相对性。系统结构和要素是相对于系统的等级和层次而言的。开放性。任何系统总是存在于一定的环境之中，总要与外界进行物质、能量和信息的交换，系统的结构在这种交换过程中总是由量变到质变，不断变化，这就是系统结构的开放性。编辑课件系统的功能系统的结构与功能是不可分割的一对范畴，理解系统的结构是理解系统功能的根底。所谓系统的功能是指系统接受物质、能量和信息并予以转换，产生另一种形态的物质、能量和信息的能力，或者说系统与外部环境相互作用的能力。编辑课件系统结构与功能系统结构说明的是系统的内部状态和内部作用，而系统功能所说明的是系统的外部状态和外部作用。功能是系统内部固有能力的外部表现，它归根结底是由系统内部结构所决定的。系统功能的发挥，既有受环境变化制约的一面，又有受系统内部结构制约的一面，这表达了系统功能对结构的相对独立性和绝对依赖性的双重关系。编辑课件功能研究方法从研究系统与环境的相互关系中把握系统的能力和行为的方法，就是功能方法。功能分析方法〔要素—功能分析法；环境—功能分析法〕功能模拟方法黑箱方法〔特大黑箱方法和局部可察黑箱方法〕编辑课件系统结构与功能的关系结构是系统的内在根据，功能是要素与结构的外在表现。一定的结构总是表现为一定的功能，一定的功能总是由具有一定结构的系统实现的。关系一：结构对功能起主要决定作用。有以下两方面的原因：编辑课件系统结构与功能的关系①结构使系统形成了不同于它的诸要素的新质。系统的各个要素在相互联系、相互作用中，交流和交换着物质、能量和信息，这样，就使系统整体出现了其要素所没有的新质，齐新质的根底上，系统整体获得了新的功能。②组成要素的行为在一定约束条件下和协同作用下决定系统的功能，而“约束〞和“协同〞是由系统结构所赋予的。编辑课件系统结构与功能的关系关系二：功能对结构具有相对独立性，同时还对结构具有反作用。功能在与环境的相互作用中、会出现与结构不相适应的异常状态，当这种状态维持一定时间后，就会刺激迫使结构发生变化，以适应环境的需要。编辑课件系统结构与功能关系的实际表现不同的结构产生不同的功能和功能效率。结构不同，功能相同。结构决定功能，但对一定的功能，结构并不唯一。如：机械表与电子表。结构相同，功能不同。即同一结构的系统可以发挥多种功能，例如企业组织系统。结构相同，功能相同。即相同的结构表现为相同的功能，例如天然橡胶与人造橡胶。编辑课件目录系统概述系统规律系统理论学科分支编辑课件系统规律根本运动规律转化连锁反响反响限制代换根本规律贝塔朗菲定律五率最高定律编辑课件根本运动规律一系统输入与输出间动态平衡的保持与打破不断转化的规律所谓系统输入与输出间的动态平衡是指系统为了某一目的而执行功能的时段内，无论在什么时候，已输入的总物质、总能量和已输出的总物质、总能量局部别守恒。而静态平衡那么是指系统在执行功能的时段内已输入的总物质、总能量分别守恒，至于在这一时段内的任何时刻是否守恒并无保证，也不予以考虑。编辑课件根本运动规律二系统的连锁反响规律子系统之间；与其他系统间；不同层次间〔层次性〕由于系统的稳定性，系统一定程度上具有抑制连锁反响的能力连锁反响在逻辑上对应的是因果系列。在逆时间方向上，连锁反响规律可以帮助人们寻找问题的真正根源，为制定正确的解决方案创造条件。在顺时间方向上可以帮助人们传播好的作用，使其效果在空间和时间上进一步扩大。〔如中医五行〕编辑课件根本运动规律三反响规律如果甲变化引起乙变化，乙的变化反过来又促进甲的变化，使甲更加远离原来的状态，即原因产生结果，结果更加强化原因，这种反响叫正反响。如果甲变化引起乙变化，乙的变化却反过来抑制甲的变化，使甲接近原来的状态，即原因产生结果，结果却抑制原因，这种反响叫负反响。编辑课件根本运动规律三反响的作用正反响：促进、放大作用负反响：稳定性、趋向系统目标编辑课件根本运动规律四局部薄弱环节限制总体功能的规律由于矛盾的同一性是有条件的、暂时的和相对的，所以一个复杂的事物在其开展过程中会经常处于不平衡的状态。这种现象反映到系统上就是经常出现一些薄弱环节，这些薄弱环节虽然都是局部的，但对系统的总体功能却起着限制作用。典型的例子是木桶理论。编辑课件根本运动规律五等效优效代换规律一个系统在它存在和开展的过程中，无论是组成元素还是外界输入的物质、能量或信息都不会绝对不变。由于各种各样的原因，有时候会被一些效果相等或效果更优的元素和物质、能量或信息来代替，系统的这种现象叫等效优效代换规律。通过等效优效代换，系统更好地保持着稳定，或向更高的水平开展。编辑课件根本定律〔1〕贝塔朗菲定律系统的属性总是多于组成它的各个要素在孤立状态时的属性之和。系统对可累加或不可累加的某一具体属性的数量既可起放大作用。也可起缩小作用，或者既不放大也不缩小，其作用方式取决于这一属性的本质、系统的结构以及系统内协同作用的强弱。编辑课件根本定律〔2〕五率最高定律系统内各子系统之间的分工和协作方式不是各个子系统在被此孤立的情况下形成的，而是在整个系统控制下形成的，受系统的目的及外界环境的影响，因此要服从一个统一的自然规律。这个规律就是：在保证实现环境允许系统到达的功能(目的)的前提下，使整个系统对空间、时间、物质、能量、信息的利用率最高，又称为五率最高定律。编辑课件根本定律〔2〕如果在许可的条件下，系统未到达五率最高的条件，那么系统内分工和协作的方式就不会稳定，就要由落后的方式向先进的方式开展，直到在许可条件下到达最高，分工和协作的方式才会稳定。当系统的外界环境发生突变，使系统内分工和协作方式不能实现五率最高的要求时，就会出现两种可能结果：一是走向消灭，二是继续进化，不断改善系统内部的分工协作方式，使之适应新的环境，直至实现五率最高。在自然界中，内局部工协作比较稳定的系统都能较好地满足这一客观规律。编辑课件目录系统概述系统规律系统理论学科分支编辑课件一般系统论一般系统论的创始人是奥地利生物学家贝塔朗菲。他在1947年提出一般系统论时，曾明确地把马克思和思格斯的辩证法列为一般系统论的思想来源之一。一般系统论来源于机体论，这是一种与机械论相对立的生物学理论。编辑课件一般系统论机械论有三个错误观点：一是相加的观点。这就是把有机体分解为各要素，并以简单相加来描述有机体的功能。二是“机械〞观点。把生命现象简单地比作机器，认为“人即机器〞。三是被动反映的观点。认为有机体只有受到刺激时才能出现反响，否那么便静止不动。编辑课件一般系统论三个根本观点系统观点。即指一切有机体都是一个整体(系统)。动态观点。即指一切有机体本身都处于积极的运动状态。等级观点。即指各种有机体都技严格的等级组织起来。〔后来有人参加了系统有序性观点〕编辑课件一般系统论一般系统论是一门新学科，属于逻辑和数学的领域，它的任务是确立适用于各种系统的一般原那么，即不能局限在“技术〞范围内，也不能当作一种数学理论来对待，因为有许多系统问题不能用现代数学求出解答，而要从系统观点来认识和分析客观事物。一般系统理论用相互关联的综合性思维来取代分析事物的分散思维，突破了以住分析方法的局限性。编辑课件控制论控制论是20世纪40年代末期开始形成的一门新兴学科。第二次世界大战期间，由于自动化技术，导弹和电子计算机的开展，要求自然科学在理论上进行系统研究和科学总结。1948年，美国数学家维纳总结了前人的经验，创立了控制论这门学科。编辑课件控制论钱学森指出：“控制论的对象是系统〞；“为了实现系统自身的稳定和功能，系统需要取得、使用、保持和传递能量、材料和信息，也需要对系统的各个构成局部进行组织〞；“控制论研究系统各个局部如何进行组织，以便实现系统的稳定和有目的的行为〞。由此可见，控制论是研究系统的调节与控制的一般规律的科学。它是自动控制、无线电通信、神经生理学、生物学、心理学、电子学、数学、医学和数理逻辑等多种学科互相渗透的产物。编辑课件控制论的开展过程第一阶段：20世纪50年代末以前，经典控制论阶段；主要研究单输入和单输出的线性控制系统的一般规律，它建立了系统、信息、调节、控制、反响、稳定性等控制论的根本概念和分析方法，为现代控制理论的开展奠定了根底。第二阶段：50年代末至70年代初，现代控制论阶段；研究对象是多输入和多输出系统的非线性控制系统，其中重点研究的是最优控制、随机控制和自适应控制，主要应用于机组自动化和生物系统。第三阶段：70年代初至现在，大系统理论阶段。主要研究对象是众多因素复杂的控制系统(如宏观经济系统、资源分配系统、生态和环境系统、能源系统等)，研究的重点是大系统的多级递阶控制、分解协调原理、分敷最优控制和大系统模型降阶理论等。编辑课件控制理论的具体内容在实际应用中，有关控制理论的具体内容主要有：最优控制理论。这是现代拧制论的核心。自适应、自学习和自组织系统理论。模糊理论。在模糊数学的根底上形成的一种新型的数理理论。主要是用来解决一些不确定型的问题。大系统理论〔最优化〕。编辑课件信息论信息论是一门研究信息传输和信息处理系统中一般规律的学科。它起源于通信理论，是1948年由美国科学家申农提出的。信息论可分为狭义信息论与广义信息论。狭义信息论是研究通信和控制系统中信息传递的共同规律，以及如何提高信息传输系统的有效性和可靠性的。广义信息论是利用狭义信息论观点来研究一切问题的理论，它研究机器、生物和人类对于各种信息的获取、交换、传输、存贮、处理、利用和控制的一股规律，设计和制造各种智能信息处理和控制机器，以便局部模拟和代替人的功能，从而提高人类认识和改造客观世界的能力。编辑课件信息论的根本思想和特有方法信息论的根本思想：完全撇开了物质与能量的具体运动形态，把任何通信和控制系统看作是一个信息的传输和加工处理系统，把系统的有目的的运动抽象为一个信息变换过程，通过系统内部的信息交流才使系统维持正常的有目的性的运动。编辑课件信息论的根本思想和特有方法任何实践活动都可简化为多股流，即人流，物流、财流、能流和信息流等，其中信息流起着支配作用，通过系统内部的信息流作用才能使系统维持正常的有目的性的运动，它调节着其他流的数量、方向、速度、目标，并控制人和物进行有目的、有规律的活动。因此，信息论可以说是控制论的根底。编辑课件信息与信息量从信息论严格的科学观点有，并非任何消息都是信息，而是那些事先不知道其结果的消息才是信息。信息论提出者申农把信息定义为：“不确定度的减小。〞为此，他又提出信息量的概念，信息量就是把某种不确定度趋向确定的一种量度。信息量的单位称为比特(bit)。编辑课件信息量设P(A)为A发生的概率，I(A)为A包含的信息量，那么P(A)越大，I(A)越小，不确定性越小。(可预知消息)P(A)越小，I(A)越大，不确定性越大。(小道消息)设A，B为同时发生的两个相互独立的信息，那么：I(AB)＝I(A)十I(B)编辑课件信息量1比特信息量就是含有两个独立等概率可能状态的事物所具有的不确定性被全部消除所需要的信息。〔例子：抛硬币〕编辑课件信息量和熵维纳曾指出：“信息量是一个可以看作几率的量的对数的负数，实质上就是负熵。〞所以，信息量和熵(无序)，意义相反，表示的是系统获得信息后无序状态被减少甚至被消灭的程度。编辑课件耗散结构理论系统熵的增减和演化方向从哲学观点来看，自然界物质的运动是由简单到复杂、由低级到高级、由不确定到确定、由无序到有序、由高熵到低熵演化的。由此，系统的熵S(x)随时间减少。即：dS／dt＜0，那么称系统状态的这种演化方向为进化或开展；反之，假设dS/dt＞0，那么称系统运动状态的演化方向为退化或没落。编辑课件耗散结构概念的提出耗散结构的概念是相对于平衡结构的概念提出来的。长期以来，在物理学中人们只研究平衡系统的有序稳定结构，并认为倘假设系统原先是处于一种混乱无序的非平衡状态时，是不能在非平衡状态下呈现出一种稳定有序结构的。编辑课件两类有序结构事实上，存在两类有序结构平衡条件下的有序结构，如晶体、机器、无机系统等，宏观上看是静止的结构，不与外界发生交换关系。这种结构通常与时间无关，是一种死的结构。非平衡条件下的有序结构，如有机系统、社会系统、经济系统等。这类系统的结构形式和演化过程只能在不断与环境进行物质、能量和信息交换的条件下进行、一旦把它与环境分割开来，其结构立刻就会瓦解。它们总是处在一种非平衡状态，而平衡状态意味着生物机体的死亡。这种结构与时间有关，状态不断变化。〔生物机体就是一种空间有序、时间有序和功能钉序相结合的结构，是一种活的结构〕编辑课件耗散结构普利高津从热力学第二定律出发，通过研究非平衡态热力学，指出一个远离平衡态的开放系统，在外界条件变化到达某一特定阈值时，量变可能引起质变，系统通过不断地与外界交换能量与物质，就可能从原来的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态，这种远离平衡态的、稳定的、有序的结构称之为“耗散结构〞。这一学说答复了开放系统如何从无序走向有序的问题，并因此而获得了诺贝尔奖。编辑课件根本观点开放系统是产生耗散结构的必要前提，同时也是耗散结构得以维持和存在的根底。非平衡态是有序之源。晋利高津认为，开放系统是耗散结构形成的必要条件，但不是充分条件。涨落导致有序。所谓涨落，是指系统的某个变量或某种行为对平均值的偏离。编辑课件耗散结构的系统在孤立系统中，因不能与环境交换物质、能量和信息，所以只能按照热力学第二定律，自动地走向无序化。封闭系统只能在低温条件下形成“死〞的有序结构，如晶体。在温度低时，其分子呈有序排列，当温度逐渐到达一定阂值以后，就会由有序结构变为无序结构。只有在开放系统中，才能从与外界物质、能量和信息的交换中不断获得负熵流，使系统向有序化开展。编辑课件协同学理论〔协同论〕协同学的创始人是德国著名理论物理学家赫尔曼．哈肯。与耗散结构理论一样，协同学也是研究远离平衡态的开放系统在保证外流的条件下，如何能够自发地产生一定的系统有序结构或动能行为的一门新兴学科。它以现代科学理论中的最新成果(信息论、控制论、突变理论)作为根底，汲取了耗散结构理论的论点，采用统计力学的考察方法来研究开放系统的行为。编辑课件协同协同或称协作，即协同作用之意。协同学理论强调协同效应，协同效应是指在复杂大系统内，各子系统的协同行为产生出的超越各要素自身的单独作用，从而形成整个系统的统一作用和联合作用。协同作用是任何复杂系统本身所固有的自组织能力，是形成系统有序结构的内部作用力。“协同导致有序〞是这一理论的高度概括。编辑课件自组织原理自组织原理是协同学理论的核心，它了复杂系统在演化过程中，如何通过内部诸要素的自行主动协同来到达宏观有序的客观规律。协同学理论正是在研究各类自组织现象所遵从的这种共同规律的根底上产生和开展起来的。这一原理指出，在一定的外部能量流和物质流输入的条件下，系统会通过大量子系统之间的协同作用，在自身涨落力的推动下到达新的稳定，形成新的时间、空间或时空有序结构。系统演化的这种过程，称为自组织。编辑课件自组织原理对自组织的含义，哈肯特别强调它是指系统在没有外部指令的条件下，其内部子系统之间能够按照某种规那么白动形成一定的结构和功能，具有内在性和自主性。自组织的演化过程是开放系统中大量子系统集体的、自发的、自动的协同合作效应，是系统自身内部矛盾运动的结果。编辑课件自组织原理举例正如哈肯在1976年发表的?协同学导论?中所举例说明的那样：在一个工人集体中，如果每个工人按照经理发出的外部指令以一定的方式活动时，那么我们就称它为组织，或更控确地讲，它有组织的功能。如果经理不发出外部指令，工人们会按照互相默契的某种规程，各尽其责地协调工作，能很好地完成任务，就称其为自组织的功能。编辑课件协同论意义协同学理论所研究的从无序到有序的临界转变，深刻地反映了自然界和人类社会不断开展与演化的机制。这种理论不仅对自然科学的研究做出了一定的奉献，近年来对现代经济管理、城市规划、系统工程等方面的研究，也愈来愈显示出它的重要作用，成为系统科学的重要理论根底。编辑课件突变论突变论的创始人是法国数学家雷内托姆，他于1972年发表的?结构稳定性和形态发生学?一书阐述了突变理论，荣获国际数学界的最高奖——菲尔兹奖章。突变论的出现引起各方面的重视，被称之为“是牛顿和莱布尼茨创造微积分三百年以来数学上最大的革命〞。编辑课件突变论突变论是研究客观世界非连续性突然变化现象的一门新兴学科。“突变〞一词，法文原意是