对系统学的初步认识.docx

对系统学的初步熟悉系统学是当代的新兴科学。从19世纪末开头，科学就进入了现代进展阶段。20世纪 以来，现代科学最主要的趋向是整体化，包括高度综合与高度分化；而由分化所产生的各 种边沿性交叉学科又成为整体的一种重要形式。所以这时候就迫切需要有一套统一的科学 理论，以便横向贯穿各门学科，建立各门学科之间的精确 联系。此外，既然传统的 科学讨论方法只适合简洁系统，不适合简单系统；而对简单系统的讨论又成为当代人类面 临的迫切问题。因此，在科学和应用需要的双重推动下，系统科学应运而生。系统科学中包含很多理论，如系统论、掌握论、信息论、耗散结构理论和协同学、一 般生命系统理论和超循环理论、嫡经济学理论和定量社会学等等。什么是系统？系统在我们的日常生活中常常消失，比如说由原子核和各层电子所构成 的原子是一个系统；由太阳和八大行星构成的太阳系也是一个系统；一台机器、一个工厂、 一个观测站、一个我国等等。总的来说，系统就是由相互联系、相互依靠、相互制约、相 互作用的事物或过程组织成的具有整体功能和综合行为的统一体。一个系统包括若干个子 系统，但它本身又是另一个更高层次系统的子系统。系统无处不在，讨论系统的一般理论 和方法，称为系统论。钱学森从工程掌握论的角度把系统定义为："我们把极其简单的讨论对象称为系统， 即由相互作用和相互依靠的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体，而这个系 统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分而在美国，系统被定义为：有组织的或者被组织化的整体；结合着的整体所形成的各 种概念和原理的综合；由有规章的相互作用、相互依存的形式组成的诸多要素的集合。在日本的JJS工业标准中，系统被定义为：很多组成要素保持有机的秩序，向同一目 的行动的东西。系统都有肯定的结构，都离不开环境，都具有肯定的功能。系统包括两个以上，以致很多个相互联系的部分。系统内部的这些部件之间有着自己 特有的相互结合方式或构成形式，这种系统内部各部件的组织形式称为系统的结构。尽管 部件相同，但结构不同，各系统之间也会呈现出质的差别。例如，各种化学元素的原子都 由质子、中子和电子构成，但其结构不同，各元素的性质就千差万别。在系统内部各部分 之间存在着错综简单的相互影响，存在着信息流、能量流和物质流的交换，这种关系不仅 是多元的而且往往是多层次的交叉和反馈。例如人体的内部内部神经系统、血液系统、呼 吸系统、消化系统等各子系统之间就存在着极其简单的相互作用。系统的结构和内部联系 是一种客观存在，毫无联系的部分不能构成系统。任何系统都存在于肯定的环境中，系统 和四周环境之间同样存在着信息流、能量流和物质流的交换。环境作用于系统的因子称为 系统的输入，又可称为缘由变量或者激励因子。系统作用于环境因子称为系统的输出，又 可称为结果变量或系统对激励的响应。输入和输出可以同时发生，也可以之后相当肯定时 间再发生，但不行以超前发生。输入和输出可以是变量，也可以是向量。肯定结构的系统在特定的环境下所发挥的作用和力量，称为该系统的功能。详细体现 在为系统对输入的响应力量（输出x在条件近似的状况下，一个讨论所比另一个讨论所能 多出高质量的成果，多出优秀的人才，明显前者比后者的效率高，也就说功能好。可见， 有什么样的内在结构就会产生什么样的功能。但功能也会反作用于结构。当外界条件快速 发生变化时，系统不能有效的适应环境，功能不能正常发挥或者处于低效率时，就会刺激 并逼迫结构的改革。这种例子在生物进化和社会进步中是屡见不鲜的。对系统的结构、环境和功能的综合讨论，将导致对系统行为的猜测，即依据过去和现 在的输入，来猜测系统现在和将来的输出；假如这种输出不能令人满足的话，还可以讨论 一套如何转变输入甚至转变系统结构，来使得系统的输出达到优化。可见，系统论、掌握 论和信息论的方法和学问。无论是对自然科学还是对社会性科学，都具有重大的实际意义。系统可以依据不同的讨论目的分为很多类。比如自然与人造系统、实体与概念系统、 静态与动态系统、封闭与开放系统、白箱与黑箱系统、小型与大型系统和专业对象系统。 下面将介绍集中分类系统：自然系统是由自然物质所组成的系统，它是在大自然的进展过程中自然形成的，如气 象系统、海洋系统等。而人造系统是由人工造成的各要素构成的系统，如各种工程技术系 统等。人类活动离不开自然环境，实际上大多数系统都是自然和人造系统的复合系统。因 此，在设计和构建人造系统（大型水电工程、核电站、大工厂等）时，必需把人造系统和 四周的自然环境作为一个有机联系的动态大系统，统一地进行综合讨论和将来猜测，以便 最优化地处理好两者之间的关系。实体系统是以物质实体为构成要素所组成的系统。概念系统的构成要素是概念，是思 想、理论、定理、原理、方法、依据等。一个系统要有高效率，应当特殊留意实体与概念 相结合，硬件与软件相结合。输出变量仅依靠于同时刻输入变量的值，而不依靠于后者过去的值，这种系统称之为 静态系统，又称为无记忆系统。例如，对于线性的固定电阻值来说，任何时刻t的电流数 值仅依靠于同一时刻的电压值。而动态系统是指输出变量的值不仅依靠于同时刻的，而且 还依靠于过去输入变量的值。严格来说，一切系统都是动态系统。已建好的桥梁，从宏观 上看是不变的，但从微观上看仍旧是变化的。为了简化讨论程序，有时候依据讨论的目的，可将某些动态系统作为静态系统处理。系统不仅分类多样，它还具有多个特点。如：(1)综合性系统由两个以上的多个部件组成，是部件群体的综合。系统又和环境有着亲密的联系， 存在着多输入、多输出的关系。系统在运动变化着，它的将来不仅取决于当前，也取决于 过去。可见，系统不仅是多部件、多因子的综合，也是空间联系和时间联系的综合，也是 各种能量流、物质流和信息流的综合。只有把一个系统放置在肯定环境中，在运动和进展 过程进行考察，从结构、环境、功能多方面综合的讨论，才有可能揭示这个系统的特性。(2 )整体性系统不是各部分元素杂乱无序的偶然积累，而是由各部分组成的有机整体。整体的性 质和规律存在于各部分的相互联系、相互作用中，系统的整体性并不等于它的各个组成部 分功能的总和，它具有各个组成部分所没有的新功能。因此，系统可能通过最优化途径从 整体上获得增益。(3)层次结构系统具有层次结构，系统越简单，层次就越多。同级结构之间有肯定的独立性又有联 系性，相当于并联；不同等级结构之间相当于串联。一个系统既有属于自己的子系统，而 它本身又从属于另一个更大的系统。(4)信息联系维纳说过，任何系统都是信息系统。依靠信息，使系统的各部分之间、各层次之间联 为一个整体，并和环境再连接成为一个更大的整体。有信息联系，系统才能产生反馈、调 整、掌握、最优化、组织性、适应性等一系列性能。(5)目的性所谓目的，就是在给定环境中，系统只有在目的点或者目的环上才能稳定下来，离开 了就不稳定了。系统要把自己拖到目的点或者目的环才能罢休。这个点或者环就是系统的 目的。(6 )学习性系统可以在运行实践中，通过观看和类比进行学习，从而完善自己的功能。(7 )适应性转变一个系统的性质(结构及其行为方式)，使它能够在变化着的环境中达到最好的, 至少是能允许的功能，这就称之为系统的适应性。(8)组织性系统内部各部分之间的有秩序的状态，称为系统的组织性。依据热力学其次定律，在一个孤立的系统中，任何自发变化只能导致它的嫡的增加，即混舌屏呈度 增加，有序性和组织性削减。因此，系统为了保持甚至增加它的有序度，就必需从环境中 汲取负熔。接下来，我们将分析一下层次结构与功能。自然界的物质形态变化万千，但不同的物质形态都不是孤立存在的，总是处于肯定的 层次系统中。它和本层次的其他系统或者更高层次及更低层次的另一些系统进行着信息流、 能量流和物质流的交换。这种即有区分，又有联系，纵横相连的不同系统层次，构成了自 然界进展演化与普遍联系的整体图像，体现了多群性和整体性的统一。要对物质形态进行 更深入刻的讨论和研讨，就必需要研讨该物质形态所处的系统层次和其内含的系统层次。地球及其四周环境的层次性很明显，比如可以分为：银河系一太阳系一电离层一平流 层一对流层一地壳层一地幔层一地核等相互包涵的层次。在各层次之间存在着能量流交换 （例如热能、光能、电磁能等），物质流交换（水、气、射线、粒子等），并表现出各种力 的交叉掌握、调至耦合（例如引力、摩擦力、电磁力、光压力等会、明显对任何一个层次 都不应当也不行能分割孤立讨论，而应当和有关的层次结合，用动态大系统的整体观点进 行讨论。地球表层是和人类最直接有关系的那部分地球环境，上至温度层，下至岩石层， 这是一个开放的系统。社会经济系统也普遍具有层次结构。以一个工厂为例，它可能具有 总厂一分厂一部门一车间一班组的系统层次。由于人的参加，使这种系统比起纯机器系统 或者纯自然系统，具有大得多的不定性与随即扰动。其功能模型是一个维数很高的动力学 模型，具有随机变化着的结构与参数。怎么样掌握这种系统呢？一种是集中掌握，另一种 是层次掌握，理论和实践均证明后者优于前者。集中掌握的缺点在于:1）由于调整权利不属于系统的各部分，而仅属于唯一的掌握中 心。致使整个系统表现出高度的"刚性"调整，效率低，功能差。甚至可能由于系统的不 变结构和进化演化冲突的急剧扩大，而造成系统解体。2 ）由于全部信息均由掌握中心处理， 致使中心处理信息的负担过重，简洁造成决策失误。3 ）掌握中心消失的任何错误均会剧烈的影响整个系统。但是层次结构可以避开上述缺陷。它把系统分为若干个子系统，逐级实 施反馈掌握。在层次掌握中，低层次只能解决一些局部的较为简洁和详细的掌握问题。较 高层次对下属较低层次中的各个子系统进行协调，在更大范围内进行概括程度更高的掌握。 来自被掌握系统状态的信息，以越来越概括的形式，从低层次传输到高层次。而掌握指令， 则由高层次在把握整个系统概况的基础上以最一般化的形式产生。随着指令向低层次传送, 它们就逐次变得越详细。由于每一层次都是一个分担总体目标，并在肯定范围内又相对独 立的信息反馈系统，因而能够准时地对各种随机性的变化做出恰当的反应，使整个系统具 有强韧性和弹性。此外由于每一掌握层次都只有几个下属系统和几个相邻系统，只要处理 好它们之间的信息联系就达到目的。无论系统怎样浩大和简单，直接关联的系统总能保持 较低数目。因此每个层次所处理的信息量不会过于浩大和杂乱，从而提高了决策的准时性 和正确性。层次掌握结构的一般原理，无论对国民经济系统，还是行政系统都是适用的。 这种结构和信息传送反馈方式，有助于系统的稳定、改善功能和增加应变与适应力量。