系统科学与探索复杂性

1、,科学技术概论,龚小娟,2012年2月,20世纪40年代产生了系统论、信息论、控制论等，系统科学已经成为现代科学技术的重要组成部分。 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 10.1 一般系统论 10.2 控制论与信息论 10.3 自组织、非线性与探索复杂性,第10章 系统科学与探索复杂性,存在着适用于综合系统或子系统的模式、原则和规律，普通系统论的目的就是确立适用于系统的一般原则。（由美籍奥地利生物学家贝塔朗菲创立） 10.1.1 一般系统论的发展过程 从历史的发展看，人们对系统的认识可追溯到古代。古代的自然观中系统思想虽然丰富，但它缺乏充分的科学基础，因而不可避免地具有思辨性

2、、模糊性，其间，天才的思想与错误的猜测交织在一起。直到20世纪40年代，关于系统思想的科学理论系统论才通过两条线索得以建立。,10.1 一般系统论,一条是贝塔朗菲的系统论，来自他对机体论意义的再认识，在1928的的现代发展理论和1932年的理论生物学中，他都强调生物的整体性、动态性、能动性和组织等级，以展示机体论的具体内容。他认为有机体是具有高度主动性的活动中心，而且是与环境不断进行各种交换的开放系统。 贝塔朗菲系统论的真正问世是以1948年生命问题的出版为标志的，该书描述了系统思想在哲学史上的发展，明确了系统论的任务，并刻划出了系统论的基本原则。1968年，他的一般系统论：基础、发展和应用一

3、书，全面总结了他四十年来的工作，进一步阐述了他的思想，该书成为一般系统论的代表著作。,系统论以“系统”为研究对象，这决定了“系统”以及与之紧密相关的“结构”、“功能”等必然是该理论中的基本概念和范畴，准确理解这些概念是把握系统论的基础。 (一)系统及其分类 贝塔朗菲认为：系统即有相互作用的元素的综合体。作者认为系统是存在于一定环境之中，由若干相互联系、相互作用的要素所构成的具有特定功能的整体。 1、按照在时空中的存在状态，分为动态系统和静态系统、稳态系统和非稳态系统。 2、按照与外部环境的关系，分为开放系统（与外部环境进行物质、能量和信息交换的系统）和封闭系统。,10.1.2 一般系统论的基本

4、概念,3、按照组成要素的性质，分为： （1）自然系统：指以自然物质作为要素而构成的系统，是在自然界发展进化过程中自发形成的。如天体系统、气象系统、生态系统等。 （2）人工系统：人们为了达到某种目的而建造起来的系统，具有自为的目的。有实体系统和概念系统之分。 （3）复合系统：由自然系统与人工系统共同组成的。如导航系统，天气预报系统等。 人类实践的着重点，也正是立足自然系统，设计人工系统并构造复杂系统，以此实现自在目的性与自为目的性的统一。,所谓结构，指的是系统内部各要素之间相互联系和相互作用的方式。表现为各要素之间在时间和空间上的组合形式。 系统的功能指的是系统在与外部环境相互联系和相互作用过程

5、中所具有的行为、能力和功效。 关系：结构是功能的基础；功能是结构的表现。表现形式： 第一、系统的结构虽然相同，但由了组成系统的要素不同，系统表现出不同的功能。 第二、组成系统的要素相同，但结构不同，系统的功能也不相同。 第三、组成系统的要素和结构都不同，但可以获得相同的功能异构同功功能模拟。,(二) 系统的结构与功能,1 、整体性原则：把系统作为由各个组成部分构成的有机整体。A+A2A 2 、层次性原则： 3 、有序性原则：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。 4 、开放性原则：系统与环境的相互作用,10.1.3 系统论的基本原则,系统方法：就是指按照事物本身的系统性

6、而把事物放在系统的运行过程中加以考察的方法。这种方法要求运用系统的观点，从系统整体与部分、系统与环境之间的相互联系和相互作用中考察事物。它的基本特点是整体性、综合性和最优化。 运用系统方法研究问题，可以帮助人们更好地做到客观、全面，并从而克服认识过程中的主观性和片面性。 霍尔三维结构：又称霍尔的系统工程，后人与软系统方法论对比，称为硬系统方法论。是美国系统工程专家霍尔于1969年提出的一种系统工程方法论。霍尔的三维结构模式的出现，为解决大型复杂系统的规划、组织、管理问题提供了一种统一的思想方法， 因而在世界各国得到了广泛应用。,10.1.4 系统方法,(一)逻辑维 1.问题阐述 2.目标设计

7、3.系统综合 4.系统分析 5.最优化 6.决策 7.实施计划,(二)时间维 1.规划阶段 2.制定方案阶段 3.研制阶段 4.生产阶段 5.安装实验阶段 6.运行阶段 7.更新(系统反馈并改造)阶段。,（三)知识维 : 在运用系统方法解决问题的过程中，不论是逻辑思维步骤的展开，还是工作时间阶段的运作，都需要必备的知识作为保证。不仅需要带有共性的知识，而且需要各种专业学科的知识。霍尔把这些专业学科的知识分为工程、医药、建筑、商业、法律、管理、社会科学和艺术等不同门类。这些基础与专业知识就构成了系统方法的知识维度。,二者一起被视为系统科学体系中的技术科学层次，是沟通系统工程技术和系统科学基础理论

8、的桥梁。它们不但提供了一套描绘不同系统的统一词汇和概念，而且给出了解决特定问题的研究方法，并在实践中取得突出成就。 10.2.1控制论与信息论的产生 控制论与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、神经生理学、心理学和计算机科学等多种学科相互渗透的基础上产生的横断学科。 1948年，维纳美出版了控制论一书，明确把“控制论”定义为“关于机器和生物的通讯和控制的科学”，宣告了控制论的诞生。 信息论的创始人是美国数学家申农。信息论的产生与人们为了解决如何能更准确、更迅速、更经济地传递信息的问题联系在一起。申农从理论上阐明了通信的基本过程。1948年出版的通信的数学理论一书，

9、标志着信息论这一学科的建立。,10.2 控制论与信息论,10.2.2 控制论与信息论的基本概念 (一)控制 控制，指的是一种带有目性的因果联系，即产生原因系统（施控系统）对产生结果系统（受控系统）有目的的影响干预。是带目的性的能动作用。 作为一种作用和过程，一般包含三个基本要素：施控主体、受控客体和传递控制作用的特定方式或途径。 (二)反馈（见P179图122，123） 控制系统根据是否有反馈分为开环系统和闭环系统两种。 开环系统抗干扰能力差，容易偏离目标，不能自动回到目标状态，系统很不稳定，因而它的控制作用受到很大限制。而闭环系统具有排除干扰的能力，可以控制系统达到或保持稳定。 控制论所研究

10、的系统是闭环控制系统，是以反馈原理为理论基础的，所以，有人认为控制论就是关于反馈的科学。,（三）信息 信息论研究信息的实质，并用数学方法研究信息的计量、传递、变换和存储。 信息的实质，从本体论意义而言，信息是标志事物存在及其关系的属性；就认识论而言，信息是认识主体接收到的，用以消除对事物认识不确定性的新内容和新知识。 特点： 1、信息不能离开物质而独立存在； 2、信息的作用和价值往往受到接收者主观因素的制约和影响 3、信息不仅具有可识别性、可传输性、可存贮性等，更重要的是，信息具有可分享性；这是物质与能量所不具备的。 信息是控制的基础。控制过程总是同对系统中的信息进行比较、判断和处理联系在一起

11、的。,一、控制论的发展 50年代，运用控制论基本理论和方法建立起来的主要分支学科是生物控制论和工程控制论。60年代后，形成了所谓“现代控制论”。 70年代出现的大系统理论是控制论向广度的发展，该理论以那些规模庞大、结构复杂、届次众多、关系错综，同时又具高随机性和动态性的大系统为主要研究对象，它不但构成综合自动化的基础，而且为研究复杂的社会经济系统提供了科学的理论和方法，并促进了社会控制论、经济控制论和人口控制论等学科的产生和发展。 同控制论的广度发展相对应，智能控制论则是控制论向深度的发展。智能控制论是研究与模拟智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统

12、的一个新兴分支学科。,10.2.3 控制论与信息论的发展,二、信息论的发展 人们把信息问题从更广的范围区分为 1、技术问题：怎样精确地传送信息符号； 2、语义学问题：怎样使通信符号精确地表达语义。 3、有效性问题：怎样使收到的语义按需要的方式有效地发挥作用。 在狭义信息论基础上，发展出一般信息论和广义信息论。进一步的发展成了我们正在逐渐向信息化社会转化的一种表征。,(一)功能模拟方法：以功能相似为基础，在未弄清原型内部结构的条件下，用模型再现原型功能的一种模拟方法。其应用范围非常广泛，在生命、思维领域，科学研究和社会领域中，都发挥了重要作用。例自动机，智能机器人等。 (二)黑箱方法：不打开黑箱

13、，不直接考察研究对象的内部结构，只通过观察对象的输入、输出及其动态过程，来定量认识研究对象的功能特性和行为方式，并探索其内部构造和机理的科学方法。例人脑就是一个黑箱,10.2.4 控制论与信息论方法,(三)信息方法 运用信息的观点，通过分析复杂事物所包含的信息过程来揭示其内部机理，或通过建立适当的信息模型和合理的技术手段来模拟复杂事物的高级行为的一种研究方法。 是以信息概念作为分析问题和处理问题的基础。把实际系统抽象为一个信息变换的过程：信息的输入；信息的存储；信息的处理；信息的输出。,10.3 自组织、非线性与探索复杂性,系统科学的新进展体现在当代新兴的自组织理论、非线性科学和复杂性科学之中

14、，可以说，它们都是从不同侧面研究系统发展这一中心问题的。 系统科学及其在当代的发展，不但代表着自然科学研究的重要成就，而且也深刻地改变了人们的世界观和方法论。 10.3.1 耗散结构理论 耗散结构理论是指用热力学和统计物理学的方法，研究耗散结构形成的条件、机理和规律的理论。耗散结构理论作为以揭示复杂系统中的自组织运动规律的一门具有强烈方法论功能的新兴学科，其理论、概念和方法不仅适用于自然现象，同时也适用于解释社会现象。,耗散结构理论的创始人是伊里亚普里戈金教授，这一理论于1969年由普里戈金在一次“理论物理学和生物学”的国际会议上正式提出。由于对非平衡热力学尤其是建立耗散结构理论方面的贡献，他

15、荣获了1977年诺贝尔化学奖。 耗散结构理论可概括为：一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)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。 这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，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”。,形成耗散结构所必须的条件： 1、开放系统 热力学第二定律告诉我们，一个孤立系统的熵一定会随时间增大，熵达到极大值，系统达到最无序的平衡态，所以孤立系统绝不会

16、出现耗散结构。只有开放系统才能从外界输入负熵流来抵消系统本身的熵增，才能使系统从无序走向有序或使系统保持有序状态。 2、远离平衡态 只有远离平衡态，原有定态的稳定性及其对涨落的独立性才失去保证，才有可能形成新的有序结构。,3、非线性作用 系统内部应当存在非线性相互作用，因其具有相干性和耦合的特点，这是系统产生新的整体性质和功能的必备前提。 4、涨落导致有序 系统处于近平衡态时，涨落只能使系统状态发生暂时的偏离，最后仍将回到原有的稳定态。在远离平衡态时，系统中一个微观随机的小扰动就会通过相干作用得到放大，成为整体宏观“巨涨落”，推动系统从一个不稳定态跃迁到一个新的稳定的有序状态。 耗散结构理论中

17、的“开放”是所有系统向有序发展的必要条件。如一个企业只有开放才能获得发展，这种开放不仅是输出产品，输入原料，而且涉及人才、技术和管理等方面。不断引进入才和技术，不断更新设备，才能使企业充满生机和活力。,协同学是研究协同系统从无序到有序的演化规律的新兴综合性学科。协同系统是指由许多子系统组成的、能以自组织方式形成宏观的空间、时间或功能有序结构的开放系统。协同学一词来源于希腊文，意为共同工作。 一、学科创立 协同学是20世纪70年代初联邦德国理论物理学家哈肯创立的。他在1977年出版的协同学导论一书标志着协同学的正式成立。 二、研究对象 协同学研究协同系统在外参量的驱动下和在子系统之间的相互作用下

18、，以自组织的方式在宏观尺度上形成空间、时间或功能有序结构的条件、特点及其演化规律。 协同系统的状态由一组状态参量来描述。这些状态参量随时间变化的快慢程度是不相同的。当系统逐渐接近于发生显著质变的临界点时，变化慢的状态参量的数目就会越来越少，有时甚至只有一个或少数几个。,10.3.2 协同学,三、学科内容 协同学的主要内容就是用演化方程来研究协同系统的各种非平衡定态和不稳定性(又称非平衡相变)。 例如，激光就存在着不稳定性。当泵浦参量小于第一阈值时，无激光发生；但当其超过第一阈值时，就出现稳定的连续激光；若再进一步增大泵浦参量使其超过第二阈值时就呈现出规则的超短脉冲激光序列。 流体绕圆柱体的流动是呈现不稳定性的另一个典型例子。当流速低于第一临界值时是一种均匀层流；但当流速高于第一临界值时，便出现静态花样，形成一对旋涡；若再进一步提高流速便其高于第二临界值时，就呈现出动态花样，旋涡发生振荡。 协同学中求解演化方程的方法主要是解析方法，即用数学解析方法求出序参量的精确的或近似的解析表达式和出现不稳定性的解析判别式。,四、学科应用 协同学有广泛的应用。 在自然科学方面主要用于物理学、化学 、生物学和生态学等方面。 例如，在生态学方面求出了捕食者与被捕食者群体消长关系等； 在社会