第02章系统科学与系统工程Word文档下载推荐.docx
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数
社
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筑科
为科
事科
理科
体科
维科
统科
学科
会科
然科
技术科学
文艺创作
学
应用技术
实践经验知识库和哲学思维
前科学
不成文的实践感受
按钱学森教授的构想,现代科学技术体系纵向可分为四个层次,即哲学、基础科学、技术科学和工程技术;
横向可由自然科学、社会科学、数学科学、系统科学、人体科学和思维科学组成。
系统科学是在自然科学、社会科学和数学科学之外正在形成的一个新的学科体系。
钱学森教授认为,在系统科学中,直接与改造客观世界的社会实践相联系的是一类新的工程学,即系统工程、自动化技术和通信技术,它们属工程技术层次的科学,这类工程技术的共同基础理论是运筹学、控制论和信息论,它们属技术科学层次的科学。
系统科学也像自然科学一样有基础科学,构筑这门基础科学的材料一方面来自工程技术实践中提炼的技术科学,即运筹学、控制论和信息论;
另一方面来自自然科学和数学科学中的系统理论,如冯·
贝塔朗费的一般系统理论和理论生物学、普里高津的耗散结构理论、哈肯的协同学、托姆的突变论、艾肯的生命自组织超循环理论等,把上述两方面的材料,融汇贯通、综合发展就可能建立起系统科学的基础科学、适应于一切系统的一般理论——系统学。
系统科学从各门系统工程到运筹学、控制论和信息论,再到系统学就形成了一个体系——系统科学。
从马克思主义哲学到系统学的桥梁可以称为“系统观”或“系统论”,它将成为辩证唯物主义的一个组成部分。
2.1.2系统理论
在系统科学中,构成系统学的几个基本理论是:
一般系统理论、运筹学、控制论、信息论、协同论、突变论和耗散结构以及复杂适应系统理论、开放复杂巨系统理论等。
2.1.2.1一般系统理论
该理论是美籍奥地利理论生物学家冯·
贝塔朗费创立的逻辑和数学领域的科学,其目的是为了要建立适用于系统的一般原则并对系统的共性进行概括。
一般系统理论起源于机体论,是从人与生物出发的一种与机械论相对立的生物学理论。
冯·
贝塔朗费指出机械论的三个基本错误是:
简单分解,简单叠加;
机械观点;
被动反应观点。
贝塔朗费针对“简单分解、简单相加原理”,提出了“非加和”原理和“整体大于部分之和”的概念。
他认为:
把有机体分解为各要素,并简单相加以说明机体的属性是错误的,把孤立的各组成部分的活动性质和活动方式简单的相加,不能说明高一级水平的活动性质和活动方式。
如果了解各组成部分之间存在的全部关系,则高一级水平的活动就能从各组成部分的关系中推导出来。
因此,要了解事物的整体特性,就要了解各组成部分,更要了解它们之间的关系。
这与前面介绍的系统思想是一致的。
贝塔朗费针对机械论的错误观点,提出适用于系统的一般原则为:
整体性原则;
相互关联原则;
有序性原则和动态原则。
整体性原则就是一切有机体都是一个整体——系统;
相互关联原则就是系统各组成部分之间都是相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的;
有序性原则就是一切有机体都是按严格的等级组织起来的;
动态原则就是这一切有机体本身都处于积极的运动状态,而不仅是被动的反应。
贝塔朗费从理论生物学的角度总结了系统思想,运用类比、同构的方法建立起开放系统的一般系统论,提出生命现象的有组织性、有目的性和有序性。
如果把研究对象当做一个系统——有机整体,就完全可以应用贝塔朗费的系统论。
2.1.2.2耗散结构学说
耗散结构学说是比利时物理学家普里高津于1969年创立的一种非平衡系统理论。
普里高津认为,非平衡可为有序之源,不可逆过程可导致一种新型物态。
他把这种远离平衡态的、稳定的、有序的结构称为耗散结构,回答了开放系统如何由无序走向有序的问题,并因此而荣获了诺贝尔奖。
(1)平衡、稳定和有序的概念。
马克思认为:
“平衡是经常不断地消除经常的不协调”;
恩格斯认为:
“相对静止即平衡”;
毛泽东说:
“所谓平衡就是矛盾暂时的相对的统一”。
因此,平衡具有协调、按比例、静止、统一等含义,可定义为:
系统各组成部分间保持相互协调、保持既定的某种比例而体现出的系统整体状态称为平衡态,简称平衡。
一般而言,它是人们追求的目标。
用数学语言可描述为:
反映系统特征量的边际值为零的状态:
或
式中:
—系统整体特征的变化率;
—第
要素的变化率;
—时间的变化率。
在经济系统中,总供给等于总需求、收入等于支出,均可称为平衡,否则称为非平衡。
稳定与平衡密切相关,按控制论的观点,如果系统处于平衡态,在一小的扰动下使其偏离平衡态,在一即定的时间内系统靠自身的力量仍能保持其平衡态,则该平衡态是稳定的,称稳定的平衡态,否则是不稳定的平衡态。
有序是指系统各组成部分有严格的秩序和结构,而无序则是组成部分杂乱无章,没有一定的秩序。
系统有序与无序是相对的,一般用“熵”来度量系统的有序程度。
熵越大系统无序程度越高,反之系统有序程度越高。
(2)耗散结构。
耗散结构的概念是对应于平衡结构而提出的,它的严格定义来自于物理学中的非平衡态热力学。
平衡态热力学主要以平衡系统的稳定有序结构为研究对象,解决整个系统由稳定有序结构变成不稳定的相对无序的结构,或变成稳定的有序程度较低的结构问题。
关于非平衡态以及从无序到有序的变化机制只能由耗散结构学说来解释。
人们通常认为,系统若处于一种混乱无序的非平衡状态是不可能出现一种稳定有序结构的。
但普里高津通过长期的研究后指出:
远离平衡态的开放系统在外界条件变化达到某一阈值时,量变可能引起质变,系统通过与外界不断地交换能量和物质,自动产生一种自组织现象,组成系统的各子系统会形成一种互相协同的作用,可能使系统从原来的无序状态转变为一种稳定有序的结构,从而实现系统由无序向有序、由较低的有序向较高的有序转化。
这种非平衡态下的稳定有序结构称为耗散结构,它是一种动态的稳定有序结构。
(3)耗散结构学说的基本观点。
耗散结构学说的基本观点为:
耗散结构是系统的客观表现,其产生条件为:
①系统必须是与环境进行能量、物质和信息交换的开放系统,并不断地引入足够大的负熵流;
②系统必须是远离平衡态的非平衡系统;
③系统内各要素之间存在非线性的相互作用。
一个系统熵的变化
由二项构成,一项是系统内的熵产生
。
一项是系统与外界进行能量交换引起的熵流
,可表示为
当系统是孤立系统或封闭系统时,因与外界环境不存在能量、物质、信息的交换,故
=0,此时,如系统处于非平衡态,按热力学第二定律,非平衡态总是使系统不可逆地、自发地趋于熵取最大值的平衡态,
将逐渐增大,
随之增大,因总熵不断增加,系统由有序逐渐变为无序,系统最终必定走向平衡;
此时,如系统处于平衡态,
已达极大值,
=0,总熵
也达到最大值,系统处于完全无序状态。
当系统开放且处于非平衡态时,在与环境进行能量、物质、信息的交换过程中产生熵流
,熵流可正,可负,可为零,如果
<
0,且其绝对值大于熵产生
时,才可能有
0,才能使
为负,系统总熵才能减少,系统才能由无序走向有序。
这种负熵流的引入将离不开系统与环境的交流和远离平衡态两个条件,这两个条件就是系统由稳定的无序产生不稳定的有序,再到稳定有序的必要条件。
从数学的角度看,系统的某种特定状态对应于系统动力学方程的某个特解,在系统由稳定无序向稳定有序转变过程中的行为所对应的特解应既可能有不稳定特解,又可能有稳定特解,此情况下的系统动力学方程必须是非线性的,所以耗散结构的形成又必须以系统内各要素间的非线性为充分条件。
用耗散结构理论研究经济系统,可以这样理解:
当经济系统是开放的且处于非平衡态时,意味着各经济部门发展不平衡且向平衡发展,此时熵产生大于熵流。
如果与外界交流较少时,系统将因熵增大而逐渐走向平衡。
但当某些发展快的部门从外界获得足够的资金和技术,便会迅速发展壮大,系统中的其他部门一部分可能消亡,另一部分则会在它们的带动和影响下也逐渐发展,从而使整个系统生机勃勃,这是因为引入的负熵的绝对值大于熵产生
0的结果,是系统走向有序的表现。
按经济学中边际效益递减规律,当投入的资金和技术达到一定限度之后,再投入资金将使这些部门的效益减少,致使这些部门投入减少,导致负熵增大,当负熵的绝对值等于熵产生时,
=0,此时,系统开始由有序向无序迈进;
当负熵的绝对值小于熵产生时,
>
0,系统就更加无序。
如果熵产生达到最大值,则该经济系统就完全无序,走向死亡。
但经济系统不会走向终结,因为在系统处于非平衡态时,只要是开放的,必定会产生新的投资热点,萌生出新的经济增长点,使系统向更高的有序前进。
2.1.2.3协同学
协同学是西德物理学家哈肯在20世纪70年代后期建立起来的一种非平衡系统论,它是以研究不同学科间存在着的共同特征为目的的一门横断学科,也是许多学科形成的一门边缘学科。
它借助耗散结构理论的研究成果,成功地解释了系统的局部与整体,系统由简单到复杂,从低级到高级,由无序到有序稳定发展过程中最本质的东西,即协同作用。
哈肯认为:
必须从形成非平衡有序结构的系统行为入手,建立共同的数学模型,并对其进行动力学和统计学两方面的考察,才能认识非平衡开放系统的稳定有序结构形成的条件,特征及其规律。
按协同学的观点,系统均是物质的且可分为封闭系统和开放系统两类。
非平衡的封闭系统只能自发地趋于平衡。
趋于封闭的平衡也就是趋于无序、趋于简单。
一个开放的系统既可处于平衡态,也可处于非平衡态。
处于平衡态的开放系统在一定条件下可呈现出有序结构,称为静的有序。
处于非平衡态的开放系统在一定条件下也能出现宏观有序结构,称为动的有序。
开放性是产生有序结构的必要条件,而非线性是产生有序的基础,只有协同性才是产生有序性的直接原因。
系统的主要特征是协同性,而层次性、结构稳定性、有序性都与协同性有关。
因此,协同学在系统论创新过程中发挥了重大的作用。
系统的协同性是系统整体性的理论依据,它可以拓展到各种复杂系统,它说明整个自然界是由无限多个不同的物质形态组成的相互联系的统一体。
根据统一性原则,认为可以利用已知系统揭示的规律性去认识和揭示未知的各种复杂系统的规律性。
因此,在研究系统时,只需模拟一个已知的复杂系统的特征所得到的基本理论、规律、方法,就可将它推广到未知的复杂系统中去。
系统的这种属性称为系统的规范性。
此外,由协同学的研究引出系统论的协同性原则可定义为一个开放系统内部各子系统之间的协调同步的非线性作用。
由此可知,协同性与有序性恰好构成一个因果关系,也即协同性是有序性的原因,而有序性则是协同性的结果。
一个开放系统,由于协同性所导致的有序性是一种“活”的有序性,或称“动”的有序性。
正是这种动态性,才使系统得以发展。
总之,系统论的很多特性与原则,都是从协同性的研究中获得解释的,因此,系统论的协同性、规范性、自组织性(即系统由自身矛盾运动能够自身走向有序结构,它是系统通过信息的反馈作用在与环境交换物质和能量的过程中,不断地调整自己行为和活动的结果)等都是从近代科学研究新成果中引出的。
这不但丰富了系统论的研究内容,而且为我们发展和创新系统论打开了思路,提供了新的方法。
协同学主要是从物理学角度出发运用现代科学技术的最新成果和现代数学理论提出了多维相空间的理论,研究了系统的组织状态,提出系统必定走向一有序结构,该结构就是系统的客观目标,不管从空间的哪一点开始,终归要走到这个代表有序结构的点,系统只有在此目标上才是稳定的,否则就不稳定。
该理论解决了复杂系统如何由无序走向有序,且证明了不仅开放系统如此,封闭系统也如此;
不仅平衡系统如此,即使非平衡态也如此。
可见哈肯的系统论比普里戈金提出的耗散结构更前进了一步。
2.1.2.4复杂适应系统理论
复杂适应系统是计算机学家霍兰于1994年在圣菲研究所成立十周年时提出的认识和处理复杂系统的理论。
该理论从系统复杂性的产生机制上彻底打破还原论的思维框架,为人类解决复杂系统问题提供了新的思路、方法和工具。
霍兰认为,系统的复杂性源于主体的适应性。
为了解释这一基本思想,霍兰将组成系统的元素、部分或子系统均称为主体,并指出,主体是有自身目标和自身内部结构的、具有主动性、适应能力和生存动力的“活”的个体,其基本特征是:
①可在一定条件下,在双方彼此接受时,通过“粘着”形成像独立个体一样的多主体的聚集体;
②主体及其属性的变化,主体与其他主体、主体与系统及环境的交互作用均是非线性的;
③主体与其他主体、主体与系统及环境的交互作用均存在物质流、能量流和信息流,其中信息流的作用是重要的;
④由于主体的适应性,使主体间差异发展与扩大,最终分化,导致主体的多样化。
这些个体在与环境和其他个体进行交互作用时,通过不断地“学习”或“积累经验”,改变自身的结构和行为方式,以进一步适应环境,这种适应性导致了系统的复杂性。
霍兰进一步提出,每个主体均有其复杂的内部结构;
均有互相识别与选择的标识;
以主体为构件,系统整体的复杂性不取决于构件的多少和构件本身的大小,而取决于构件的重新组合方式。
霍兰建立了刺激—反应模型,描述了主体的适应和学习过程。
面对刺激,主体有足够多的、可存在矛盾或不一致的规则供选择,每一次选择,是一次学习,通过学习,修正或强化某些规则,就是积累,学习或积累将产生新的规则,即产生新的合理的假设去进一步适应环境。
为了研究系统整体的复杂性,霍兰建立了以进攻标识、防御标识和资源库为基本特征的主体的功能模型——回声模型,并利用圣菲研究所建立的软件平台——SWARM,通过模拟主体行为来确定整体行为特征,解决从微观到宏观的过渡问题。
该理论采用人机结合以机为主的方法解决复杂系统问题,是20世纪末系统科学研究的重大成果,对系统科学的发展具有划时代的作用。
2.1.2.5开放复杂巨系统理论
钱学森教授多年来对系统科学进行研究,在总结其研究成果的基础上于20世纪80年代末提出了处理开放复杂巨系统的方法论——从定性到定量的综合集成方法和建立从定性到定量综合集成研讨厅的实践形式。
该理论是我国科学家在世界上首次提出的解决开放的复杂巨系统的理论。
钱学森教授首次提出开放的复杂巨系统的概念。
钱学森教授在关于复杂性的讨论中反对泛泛地讨论复杂性,认为复杂是相对简单而言的,是从系统处理方法角度的一种分类,因此指出:
“凡是不能用还原论方法处理的或不宜用还原论方法处理的问题,而要用或宜用新的科学方法处理的问题都是复杂性问题……”,由此提出复杂性是系统的一种属性,应从研究方法上区分简单性和复杂性;
钱学森教授指出,按规模系统可分为小系统、大系统和巨系统三个类别,而在巨系统等级中,有些规模虽大,但并不复杂,有些规模虽相对小,但却非常复杂,再按规模分类已无意义,应按复杂性将巨系统分为简单巨系统和复杂巨系统,从结构上看,组分多、关联复杂和具有层次,从处理方法上看,不能用还原论方法处理的系统,均可归入复杂巨系统一类;
钱学森教授又对传统的开放性理论进行了完善,指出现有的开放性理论只考虑环境对系统地塑造,未提及系统对环境的塑造,他认为,开放是指系统与环境之间除进行能量、物质、信息的交换外,还应包括主动适应与进化,这种交流不仅要考虑环境对系统的作用,还必须考虑系统对环境的影响。
由此钱学森教授提出了开放的复杂巨系统的概念,并指出,不同的系统应采用不同的方法去解决,简单巨系统由于组分数量非常多,从组分之间的相互作用出发,直接综合成整个系统运动特征的处理方法是不行的,而略去细节,采用统计力学方法,会取得成功。
哈肯和普里高津建立的自组织理论就是应用这种从微观到宏观的统计综合方法。
钱学森教授认为,解决开放的复杂巨系统问题,必须采用新的科学方法论——从定性到定量综合集成方法。
从定性到定量综合集成方法是从整体上研究问题的方法,采用人机结合以人为主的思维方法和研究方式,对不同层次、不同领域的信息和知识进行综合集成,达到对整体的定量认识。
该方法的实质是把专家系统、数据和信息系统以及计算机系统结合起来,构成一个高度智能化的人机结合系统。
面对复杂问题,应用该方法首先将科学理论、经验知识和专家判断力相结合,形成和提出经验性假设或方案;
然后根据整个系统观测的数据资料,在对系统的实际理解和经验的基础上建立系统模型,通过计算机仿真、实验和计算获得定量结果,同时充分利用知识系统和专家系统等人工智能、信息技术,以专家系统为主,实现人机结合与融合,进行科学和经验知识、理性和感性知识、定性和定量知识的综合与集成,实现从经验到理论、从定性到定量的优化;
最后对经验性假设或方案的正确性进行判断或修正,从而得出对系统整体的客观结论。
该方法的精髓在于人机结合、以人为主和知识的综合集成。
(1)人机结合、以人为主。
人有逻辑思维和形象思维两种,逻辑思维采用微观的定量的信息处理方式,形象思维采用宏观的定性的信息处理方式,将二者结合将形成人的创造性思维,即采用将定性与定量、微观与宏观相结合的信息处理方式。
计算机在逻辑思维方面具有优势,而在形象思维方面则无能为力,只有靠人脑去完成,人机结合则将人脑和计算机的优势相结合,从总体上认识复杂系统是从微观到宏观的过程,因此以人的形象思维为主,以计算机的逻辑思维为辅,将二者相结合,则具有较强的处理复杂系统的能力。
(2)知识的综合集成。
有了信息未必就有了知识,有了知识就未必有了智慧,把不同层次、不同领域的人的思维、思维的成果、人的经验、知识、智慧以及各种情报资料和信息进行综合集成可以产生新的知识、发现新的规律、获得新的认识。
对信息进行综合集成可获得知识,对信息和知识的综合集成可获得智慧。
综合集成方法处理开放复杂系统的基本模式见图2.1.2。
在解决开放复杂系统时,钱学森教授提出的综合集成方法论比复杂适应系统理论更加科学、更加“精确”,具有从定性判断到精密论证、从以形象思维为主的经验判断到以逻辑思维为主的精密定量论证的特点。
其哲学基础是认识论和实践论,其理论基础是思维方法,其方法基础是系统科学与数学,其技术基础是以计算机为主的信息技术。
2.2系统工程
2.2.1系统工程的定义
现代科学技术为系统思想的定量化创造了条件,它为系统思想定量化提供了数学理论和强有利的计算工具——计算机,并推动了系统科学的发展。
到20世纪60年代,系统思想的定量化已发展成既有理论指导,又有科学方法和实践内容的新的工程技术学科——系统工程。
系统工程作为一门学科问世以来,仅仅60年的时间,在各行各业、各个领域都得到了广泛的应用,收到了良好的效果,同时系统工程的实践也促进了本学科的继续发展与完善。
毋庸置疑,系统工程已成为当前最有前途的学科之一。
但是系统工程毕竟是一门非常年青的学科,它的理论和方法尚需在实践中进一步发展与完善。
到目前为止,关于系统工程的定义和研究的内容,国内外学者仍齐说不一,原因在于:
(1)系统工程的理论和方法是在自然科学、社会科学和数学科学向纵深发展时产生一些需要协同解决的问题的情况下产生的,从事不同专业的人,出于专业兴趣,对系统工程有不同的理解;
(2)由于系统工程是现代科学技术的产物,它综合地运用各学科的先进成果去解决面临的问题,因此很难划清系统工程的学科界限。
由于以上原因,从事不同专业的人为系统工程所作的定义也各不相同。
这里首先介绍钱学森教授对系统工程定义的说明。
钱学森教授在“系统思想与系统工程”一文中说:
“20世纪40年代以来,国外对定量化系统方法的实际应用相继取了许多不同的名称:
运筹学(OperationsResearch)、管理科学(ManagementScience)、系统工程(SystemsEngineering)、系统分析(SystemsAnalysis)、系统研究(SystemsResearch),还有费用效果分析(CostEffectivenessAnalysis)等。
他们所谓运筹学,指目的在于增加现有系统效率的分析工作;
所谓管理科学,指大企业的经营管理技术;
所谓系统工程,指设计新系统的科学方法;
所谓系统分析,指对若干可供选择的执行特定任务的系统方案进行选择比较;
如果上述选择比较着重在成本费用方面,即所谓费用效果分析;
所谓系统研究,指拟制新系统的实现程序。
现在看来,由于历史原因形成的这些不同名称,混淆了工程技术与其理论基础即技术科学的区别,用词不够妥当,认识也不够深刻。
国外曾有人试图给这些名词的涵义以精确区分,但未见取得成功。
用定量化的系统方法处理大型复杂系统的问题,无论是系统的组织建立,还是系统的经营管理,都可以统一地看成是工程实践。
工程这个词18世纪在欧洲出现的时候,本来专指作战兵器的制造和执行服务于军事目的的工作。
从后一涵义引伸出一种更普遍的看法:
把服务于特定目的的各项工作的总体称为工程,如水利工程,机械工程等,如果这个特定的目的是系统的组织建立或者是系统的经营管理,就可以统统看成是系统工程。
国外称运筹学、管理科学、系统分析、系统研究以及费用效果分析的工程实践内容,均可以用系统的概念统一归入系统工程;
国外所称运筹学、管理科学、系统分析、系统研究以及费用效果分析的数学理论和算法,可以统一地看成是运筹学。
”
综合归纳上述意见,我们认为:
系统工程是一门新兴的工程技术学科,是应用科学。
它不仅定性,而且定量地为系统的规划与设计、试验与研究、制造与使用和管理与决策提供科学方法的方法论科学,它的最终目的是使系统运行在最优状态。
系统工程的研究内容具有
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