自组织理论课件

自组织理论

自组织理论目录1.自组织理论概述2.自组织理论历史背景3.自组织理论建立与发展4.自组织理论研究启示5.自组织理论对管理思想发展的影响1.自组织理论概述 什么是组织？组织是怎样形成的？生物体有自己的组织，社会集团和银河系也有自己的组织。组织产生的过程实际上是一个系统从无联系的状态，排除了许多别的可能联系方式只取某一种或某几种联系方式的过程。比如，把混乱的人群排成队，就是一种组织过程，这个过程的意义无非是原来每个人都可任意处在空间各点，而一旦排了队，可取位置的可能性就比原来大大地缩小了。一个组织的确定意味着事物从无联系的状态进化到某种特定状态的过程。或者说是从混乱无序发展到有序的过程，是一个建立联系的过程。自然界有各种各样的组织过程，德国著名物理学家哈肯认为：从组织的进化形式来看，可以把它分为两类：自组织和他组织。如果不存在外部指令，系统按照相互默契的某种规则，各尽其责而又协调地、自动地形成有序结构，就是自组织。自组织系统无需外界指令而能自行组织、自行创生、自行演化，即能自主地从无序走向有序。如果一个系统靠外部指令而形成组织，就是他组织。举例说，在老师的督促下学习是“他组织”，学生自愿积极努力学习则是“自组织”被逼相亲是“他组织”，而自由恋爱则是“自组织”自组织现象无论在自然界还是在人类社会中都普遍存在。天上的星星，地上的山川，人间的家庭，社区和市场，物理世界的雪花与云层，生物世界的各种物种，它们在没有外界强加特定的干预和指令的条件下，依靠各部分的相互协调，而获得相对稳定的秩序，形成有组织的行动，我们将这种现象称为自组织。

自组织现象经典案例：

1.旋涡自然界中存在的大量旋涡，都是自组织系统，当火星局部区域风足够大时，能将表面尘埃举起，形成尘暴。在尘暴区内，大气被额外加热更急剧地上升，周围空气急速补充，加强对抗活动，形成很强的地面旋风，吹起更多尘埃。这些尘埃微粒，自动结合在一起，作整体有序运动，呈现出旋涡状。地球上的龙卷风具有奇特的外貌。通常，它上部是一块乌黑或浓灰的积雨云，下部是漏斗状的云柱，它其实是一种类似台风而规模不大的强烈的空气旋涡。发生在水面上的称“水龙卷”，陆地称“陆龙卷”，都有小、快、猛、短的特点。龙卷风的形成一般都与局部地区受热引起上下强对流中气体分子的自组织有关。同理，台风，又称热带风暴，它的漩涡状也是由大量分子在热力及动力不稳定的条件下，通过自组织而形成的有序运动，呈现出旋涡状结构。实际上，与气流的流动过程相类似，液体的流动只要有某种压力差和对流存在，哪怕是轻微的，就会发生自组织过程，造成旋转的趋势，可能形成旋涡。交替涨落的潮水，在海洋上造成旋涡。在奔腾的江河上，不时可看到一个个急转的旋涡。日常生活中，水流形成的各种各样的相似旋涡特征，无一不是遵从自然界的一条基本规律：大量微观子系统，通过自组织形成有序运动，出现宏观的旋涡状相似特征。自组织现象经典案例：2.激光20世纪60年代出现的激光是一种远离平衡条件下的典型宏观有序结构。哈肯在研究激光的发射机理过程中发现，当外加电压较小时，激光器犹如普通电灯，光向四面八方发射，发出无规则的自然光。当外加电压达到某一特定的阈值时，会突然出现一种全新的现象，即受激原子好像听到“向右看齐”的命令，发射出相位和方向都一致的单色光，就是激光这表明激光的内部状态完全改变了原来是无规则振荡的原子发射系统，现在完全自组织方式发生同相振荡。这种从无序自然光向有序激光的演化，是在非平衡条件下系统进行自组织的又一突出例子。激光激光——同频率、同相位、同偏振方向自然光——频率、位相、偏振方向不同粒子数反转受激辐射具有自组织特征自组织理论自组织的典型现象——远离平衡态的非线性系统中的现象自组织现象——某一系统中自发形成的时空有序结构或状态。贝纳德对流液体均匀加热T2T1T2T1>

在一水平容器中放一薄层液体，从底部徐徐均匀地加热，开始液体没有任何宏观的运动。当上下温差达到一定的程度，液体中突然出现规则的六边形对流图案。自组织理论贝纳德对流

1900年，法国科学家贝纳德(E.Benard)做了一个著名的对流实验。自组织理论B—Z反应50年代初，俄国化学家别洛索夫用柠檬酸、溴酸钾、硫酸作配剂，用铈盐作催化剂进行实验，发现柠檬酸在稀释的硫酸中被溴氧化，铈离子在3价4价间振荡，溶液在无色透明至淡黄色间周期变化。这是一种时间周期性的化学反应。又称化学钟反应。

1963年，从莫斯科大学生物化学系毕业的扎鲍廷斯基对别洛索夫的配方做了一些修改，主要是用铁盐代替了铈盐，使颜色更鲜艳地从蓝变红。（1）化学钟自组织理论（2）化学波

“BZ反应”除了溶液颜色周期性变化外，还表现为多种多样的波动,这又是一种空间周期性。

信息由中心向外传播，空间对称性发生破缺。对称破缺——生命的基本特征，自组织特征。自组织理论简单思考题下列不属于自组织现象的是（）?A各种具有不同功能器官组成的人体

B美国硅谷IT产业带C西双版纳原始森林的生态系答案：B；分析：从组织的进化形式来看，可以把它分为两类:他组织和自组织。如果一个系统靠外部指令而形成组织，就是他组织;如果不存在外部指令，系统按照相互默契的某种规则，各尽其责而又协调地自动地形成有序结构，就是自组织。自组织现象还有许多，不再一一枚举。这些自组织现象的共同规律是：（1）通常只有某个系统参量达到一定阈值，新状态才突然出现；（2）新状态具有更丰富的时间和空间结构；（3）只有不断从外界提供能量，这些结构才能继续维持下去；（4）新结构一旦出现，不容易因为外界条件的微小改变而消失。2.自组织理论历史背景基于对天体的演化、生物的进化、社会的发展以及人类语言和思维的变化的深入观察与研究，一些新兴的交叉学科从不同的角度对自组织的概念给予了解说：从系统论的观点来说，自组织是指一个系统在内在机制的驱动下，自行从简单向复杂、从粗糙向细致方向发展，不断地提高自身的复杂度和精细度的过程。从热力学的观点来说，自组织是一个系统通过与外界交换物质、能量和信息，而不断地降低自身的熵含量提高其有序度的过程。不可逆性分子物理热力学过程的不可逆性：系统的演化具有时间箭头——熵增的方向。演化的世界静止的世界力学系统热力学系统自组织理论从进化论的观点来说，自组织是指一个系统在“遗传”、“变异”和“优胜劣汰”机制的作用下，其组织结构和运行模式不断地自我完善，从而不断提高其对于环境的适应能力的过程。达尔文的生物进化论的最大贡献就是排除了外因的主宰作用，首次从内在机制上，从一个自组织的发展过程中来解释物种的起源和生物的变化。进化论与退化论平衡态热力学的热寂说

热力学系统总是由非均匀、对称性少的状态向熵极大的、均匀的、对称性多的平衡态演化。

——退化

生物系统总是从简单、单一和均匀向复杂、多样和不均匀演化。

——进化达尔文的进化论：自组织理论从社会发展的观点来说：马克思的五种社会形态（原始社会、奴隶社会、封建社会、资本主义社会和共产主义社会(社会主义社会是它的第一阶段))的依次更替的演进理论是关于社会历史的自组织理论；而人类的制造过程是他组织的，也是一个提高产品有序度，降低其熵含量的过程。与他组织相比较，自组织系统的行为模式具有以下特征：（1）信息共享。系统中每一个单元都掌握全套的“游戏规则”和行为准则，这一部分信息相当于生物DNA中的遗传信息，为所有的细胞所共享。（2）单元自律。自组织系统中的组成单元具有独立决策的能力，在“游戏规则”的约束下，每一个单元有权决定它自己的对策与下一步的行动。（3）短程通信。每个单元在决定自己的对策和行为时，除了根据它自身的状态以外，往往还要了解与它临近的单元的状态，单元之间通信的距离比起系统的宏观特征尺度来，要小得多，而所得到的信息往往也是不完整的。（4）微观决策。每个单元所作出的决策只涉及它自己的行为，而与系统中其他单元的行为无关；所有单元各自的行为的总和，决定整个系统的宏观行为；自组织系统一般并不需要涉及整个系统的宏观决策。（5）并行操作。系统中各个单元的决策与行动是并行的，并不需要按什么标准来排队，以决定其决策与行动顺序。（6）整体协调。在诸单元并行决策与行动的情况下，系统结构和“游戏规则”保证了整个系统的协调一致性和稳定性。（7）迭代趋优。自组织的宏观调整和演化并非一蹴而就，而是在反复迭代中不断趋于优化；事实上，这类系统一般无法达到平衡，而往往处在远离平衡态的区域进行永无休止的调整和演化；一旦静止下来，就表示这类系统的“死亡”。3.自组织理论建立与发展：20世纪中期以来，当代自然科学的前沿出现了“耗散结构论”(DissipativeStructureTheory)、“协同学”(Synergetics)、“突变论”(Morphogensis)、“超循环论”(HypercycleTheory)、“混沌理论”(ChaosTheory)和“分形理论”(FractalTheory)等一批新兴学科，但其基本思想和理论内核可以完全由耗散结构理论和协同学给出。建立与发展：耗散结构论：耗散结构论是伊里亚·普里戈金(IlyaPrigogine)教授于1969年在“理论物理学和生物学”国际会议上正式提出。耗散结构是一个远离平衡态的非线性的开放系统通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构”(dissipativestructure)。耗散结构的特征耗散结构——系统通过不断与外界进行能量与物质交换所形成的时空有序结构。平衡结构——不受外界影响，宏观结构不变，如晶体。1、时空有序结构2、对称破缺——对称性降低Benard对流：空间平移对称性破缺B—Z反应：空间平移和时间平移对称性破缺激光：时空对称性破缺自组织理论3、非线性相互作用——流与力的关系为非线性4、状态突变——分岔Benard对流：

T较小时流力线性关系

T较大，达到或超过临界值时，流与力的线性关系被破坏。非线性关系导致对流结果。控制参量

T反应物浓度泵浦功率无序有序自组织理论分岔与耗散结构热力学平衡态较高的对称性耗散结构对称性降低（破缺）耗散结构的对称性破缺是由分岔引起的。热力学平衡态失稳分岔非平衡定态失稳分岔远离平衡态自组织理论耗散结构产生的条件1、开放开放系统的熵变为——系统内各种过程的熵变——系统与外界进行物质与能量交换引起的熵变（熵流）当且因——系统无序有序自组织理论条件2、远离平衡态普里高津：“非平衡是有序之源。”3、非线性相互作用非线性是产生系统新的性质和功能的前提。例：洛仑兹大气对流方程非线性项非线性项4、涨落许多系统动力学方程为非线性的。自组织理论建立与发展：协同学：1977年，德国科学家哈肯出版了《协同作用学导论》一书，创立了协同学。协同论是一门专门研究系统进化普遍规律的科学。它研究子系统构成的系统是如何通过协作从无序到有序演化的规律。“协同”思想有两个最基本的观点：①“协同效应”是核心概念。即“协同导致有序”；②“自组织”是协同思想的硬核。支配原理影响系统行为的两类变量：快变量——在临界点附近阻尼大、衰减快的一类参量；慢变量——在临界点附近阻尼趋于0的慢的一类参量。协同学的支配原理：在系统达到临界点时，快变量受慢变量的支配，慢变量决定和控制着快变量，从而导致新的结构的产生。自组织理论建立与发展：突变论：突变论作为现代数学的一门新兴分支学科，是20世纪70年代由法国数学家勒内·托姆提出的。突变论指出系统的熵可以增加也可以减少。这种熵增熵减可以在宏观无限小的时间内突然发生。突变熵减少产生的有序性，可以抵消、战胜自然界某些自发熵增趋势，有可能造成有序性的发展。突变论的研究内容

突变论的研究内容是：研究从一种稳定组态跃迁到另一种稳定组态的现象和规律。在自然界和人类社会活动中，除了渐变的和连续光滑的变化现象外，还存在着大量的突然变化和跃迁现象，如水的沸腾、岩石的破裂、桥梁的崩塌、地震、细胞的分裂、生物的变异、人的休克、情绪的波动、战争、市场变化、经济危机等等。突变论试图用数学方程描述这种过程。自组织理论突变分岔系统突变时可从一种稳定状态进入不稳定状态，随参数的再变化，又使不稳定状态进入另一种稳定状态，还可以从一种形态分岔到多种可能状态。突变论给出了系统状态的参数变化区域。如非线性系统常常随参数的变化而状态分岔。自组织理论建立与发展：混沌论：“混沌”一词最初是一个哲学概念，源于古中国的”混沌初开无所不包”的意思。目前主要指在确定性系统中出现的“无序性”、“无规性”和“不可预测性”，是描述复杂性和不能根据初始状态预知其未来的运动状态的动力学系统的理论。在近阶段，混沌理论标志了人类对客观世界的认识已进入了一个新阶段：不仅对“非此即彼”的明晰形态，而且对“亦此亦彼”的过渡性形态都能进行研究。混沌现象

湍流雷诺实验木星大红斑障碍物后的流体自组织理论单摆不计空气阻力，在自然坐标系下，摆球的切向运动方程为mg

令得摆球的运动微分方程自组织理论忽略空气阻力，摆球与地球系统机械能守恒可解得或写为由该式可以画出单摆在相空间的情况。自组织理论理想摆球运动相图O

在无阻尼，无外力下，在物理量

和

张成一个二维平面相空间中，单摆相图：自组织理论小角度摆动时或利用得相轨迹为椭圆，摆球做简谐振动。

大角度摆动时，摆球相轨迹仍为闭和曲线，但曲线不再是椭圆，即摆球此时的运动不是简谐的。自组织理论有阻尼小角度摆动相图运动方程方程的解相图摆角与时间的关系自组织理论确定的外界影响下单摆相图有阻尼单摆相图确定外力超过一定大小时单摆相图自组织理论洛仑兹大气对流方程60年代初，美国数学家洛伦兹(E.Lorens)在气象部门工作。他把将大气对流与贝纳德液体对流联系起来，利用流体力学中的纳维叶-斯托克斯(Navier-Stokes)方程、热传导方程和连续性方程，处理贝纳德对流，推导出描述大气对流的微分方程，即著名的洛伦兹方程。

x-对流的翻动速率，

y-比例于上流与下流液体之间的温差，

z-是垂直方向的温度梯度，

s-无量纲因子,称为Prandtl数,

b-速度阻尼常数,

r-相对瑞利数r=R/RC。

自组织理论

相曲线不闭和、不相交——运动为非周期性的，而且具有不可预测的随机性。其中xz与xy是非线性项。右图是洛伦兹方程计算结果在计算机屏幕上画出的相图。自组织理论系统状态演变对初值极端敏感，相图中两个任意靠近的点经过足够长时间，在吸引子上宏观的分离开，对应截然不同的状态——由于实际上对初值的测量不可能绝对精确，这种不确定性在一定条件下被放大，导致不可预测的结果——蝴蝶效应。蝴蝶效应自组织理论建立与发展：超循环论：20世纪70年代德国化学家艾根(ManfredEigen)提出了“超循环”概念。并于1977年出版了《超循环：自然的自组织原理》一书。“超循环”(HyPercycle)理论，是一门研究生物信息起源的理论，是直接建立生命现象的数学模型。艾根他们观察到生命现象都包含许多由酶的催化作用所推动的各种循环，而基层的循环又组成更高一层次的环，即“超循环”也可以出现再高层次的超循环。自组织理论建立与发展总结：清华大学的吴彤教授认为：（1）耗散结构理论是解决自组织出现的条件环境问题（2）协同学基本上是解决自组织的动力学问题（3）突变论从数学抽象的角度研究了自组织的途径问题（4）超循环论解决了自组织的结合形式问题（5）分形理论和混沌理论，则是从时间序与空间序的角度研究了自组织的复杂性和图景问题。在这样的定位下，不同的方法论不存在逻辑冲突，它们是一个序列，是一个研究自组织各个方面和全过程的方法论集合体，它们各自在整体的自组织方法论中有自己的“生态龛”。自组织理论以新的基本概念和理论方法研究自然界和人类社会中的复杂现象，并探索复杂现象形成和演化的基本规律。从自然界中非生命的物理、化学过程怎样过渡到有生命的生物现象，到人类社会从低级走向高级的不断进化，等等，都是自组织理论研究的课题4.自组织理论研究启示：经济系统的自组织理论1.计划经济是一种有组织的行为，而市场经济是一种自组织行为。在市场经济中，国家的宏观调控政策起到一种控制参数的作用，但它不是唯一的控制参数，因为自组织经济还取决于开放的程度，取决于国内经济与国际经济环境间的相互作用。我国提出的改革开放政策，其中，“开放”就是使我国变为一个适合于自组织经济结构产生的开放系统，“改革”就是在寻求个体与个体、企业与企业、集团与集团之间的合作与竞争中创造序参量，使我国的经济走向有序与繁荣。我国加入WTO，为我国经济与国际经济协同发展创造了一个条件。在城市中经常看到饭店挨饭店，商店挨商店，商业一条街，小吃一条街，鞋城、服装城等。这些竞争对手为什么自发地集中在一个地方？经济中的合作与竞争在商业活动中表现最为明显。原因是通过竞争与合作会使这个地方具有更大的吸引力，招揽更多的顾客。在这种合作中，他们之间又施以计谋，进行竞争，以期获得支配地位，如提高服务质量，引进流行时装，使商品种类繁多，物美价廉等。在一定条件下，有的商店计谋获得成功，吸引了这个商业中心的大部分顾客。这就是说，涨落不断放大，使其成为有支配地位的序参量，但这样的地位不会一劳永逸，在激烈竞争中有可能被其他商店取代。和商店常常聚集在一起的机制类似，我们不难理解为什么城市越来越大的道理。涨落并不无条件地发展为序参量的，只有当控制参数达到分支点附近才有可能。经济现象非常复杂，控制参数也不止一两个。在分支处，可以有种种稳定的经济结构并存，有的对应经济繁荣，有的则对应经济衰退。国家制定宏观调控政策，使各种产业在合理的竞争法则下协调发展，就有可能使涨落发展为序参量，形成布局合理的产业结构。

2.经济中一只“看不见的手”

美国经济学家亚当·斯密第一次在经济学中提出了自组织的思想，协同的概念，这就是著名的“看不见的手”。亚当·斯密在《国富论》里提出一个著名的观点，即由于每人都力图应用他们的资本，使其生产品能得到最大的价值。一般的说，他并不企图增进公共福利，他所追求的仅仅是他个人的利益，斯密写道：

“在这场合，像其他许多场合一样，他受着一只看不见的手的指导，去尽力达到一个并非他本意想要达到的目的。也并不因为事非出于本意，就对社会有害。他追求自己的利益，往往使他能比在真正出于本意的情况下更有效地促进社会的利益。”亚当·斯密在这里提出了一个重要问题，即资本主义经济的自发调节机制问题，为什么人们追逐他自己利益的随机行为却导致了一个协同的目标，表现出社会经济系统的组织结构和有序化，从而保证这种体制的生存和发展呢？这些也就是西方经济学里微观理论的基本课题，它一直激励着亚当·斯密的后继者们的才智和创造力，从而去回答经济学的三个基本问题：生产什么？如何生产？为谁生产？关键是经济系统从无序到有序的结构、功能和机制。对此，萨缪尔森在其《经济学》中作了陈述：“竞争机制是一架精巧的机构，通过一系列的价格和市场，发生无意识的协调作用。它也是一台传达信息的机器，把千百万不同个人的知识和行为汇合在一起。虽然不具有统一的智慧，它却解决着一种可以想象到的牵涉到数以千计未知数和关系的最复杂的问题。没有人去设计它，它自然而然地演化出来；像人类的本性一样，它总在变动。但是，它经受了任何社会组织最基本的考验——它可以生产。”亚当·斯密，英国苏格兰哲学家和经济学家。1740年进入了牛津大学贝利奥尔学院，1746年离开牛津大学。1748年开始于爱丁堡大学演讲授课。年近30岁时第一次阐述了经济哲学的“明确而简易的天赋自由制度”，他后来将这些理论写入被简称为“国富论”的《国民财富的性质和原因的研究》一书里。《国富论》是第一本试图阐述欧洲产业和商业发展历史的著作，在1776年出版。5.自组织理论对管理思想发展的影响所谓管理就是对管理对象施加一种影响和约束，使之达到希望出现的效果。一般管理系统所包含的子系统数量少，相互关系简单，运动规律相对清楚，可以使用比较精确的管理手段加以控制。受一般系统管理思想影响所形成的传统管理模式是：从外部来对系统加以设计、组织和控制，这种模式可称为“他组织”的模式，迄今包括人类的制造系统在内的几乎所有的人造系统都是采用“他组织”的模式。然而对复杂管理系统而言，却出现了以下三个方面的困难：（1）由于不能完全了解直接影响管理对象的所有因素与信息而产生的各种不确定性；（2）由于全球信息化、经济一体化和文化的碰撞、融合，使管理的环境变得异常多变，系统的边界变得模糊；（3）由于管理系统各组分之间存在不可忽略的非线性相互作用，在宏观上涌现出来的全局复杂性等等。总之，现代管理系统的复杂性主要表现在：系统生存环境的随机多变，难以预测的不确定性；系统本身及其子系统与外界有物质、能量和信息交换的开放性；系统固有的非线性。面对这些复杂问题，以往的传统控制方式与管理模式都是难以驾驭的。系统自组织理论的建立与发展，给管理学界带来了新的思路——“自组织”化的思路自组织理论应用于管理的基本思想就是系统的组成部分与整体之间既有相互联系，又有一定的自主性，能在没有上层组织的控制下，在其所处的特定层次上适应环境和处理问题，但又不是完全独立的单元。整体又能接受来自上层整体的指导，某种程度上受上层整体的控制。自主的特性保证了整体的指导，某种程度上受上层整体的控制。自主的特性保证了整体是稳定的，具有抗干扰性的弹性，能够在内外干扰下保持适应能力并生存下来。而对上层整体的服从又确保了更大整体的有效运转。自组织管理模式中最重要的两个概念是“自治”和“协调”。自组织理论告诉我们：在复杂的条件下，系统可能同时表现出“多中心”（即拥有几个控制中心和组织中心）、“无中心”（即以无政府的方式通过自发的相互作用运转）和“单一中心”（即同时还有一个最高的决策中心）。因此，应该按照“非中心化思维”来进行管理。由于它主要是从个体出发，采取自下而上的研究策略，所以又称为“基于个体的思维范式”。举例来说，计划经济体现了自上而下的“中心控制思维方式”，而市场经济则建立在“基于个体思维范式”的基础上，商品生产者根据价值规律的指示相互作用也能自发地形成宏观经济秩序。由此观之，根据自组织理论来观察管理，所得出的结论是：用中央集权的办法来进行管理不会有好的效果，但无政府主义也不是行之有效的办法。一切健康的经济和健康的社会都必须保持秩序与混乱之间的平衡。在自下而上组织而成的，具有灵活