系統(tǒng)論

一.系統(tǒng)論

系統(tǒng)論是研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能(包括演化、協(xié)同和控制)一般規(guī)律的科學(xué)。

加拿大籍奧地利理論生物學(xué)家貝塔朗菲是最早探索系統(tǒng)一般規(guī)律的科學(xué)家。在《一般系統(tǒng)論》一書(shū)中，他指出系統(tǒng)在不同領(lǐng)域中表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)上的相似性或同構(gòu)性，并將系統(tǒng)普遍性質(zhì)總結(jié)為系統(tǒng)整體性、關(guān)聯(lián)性、動(dòng)態(tài)性、有序性和預(yù)決性。

從50年代起，系統(tǒng)工程的大量實(shí)踐，運(yùn)籌學(xué)、控制論、信息論的迅速發(fā)展，都為系統(tǒng)學(xué)的建立提供了豐富材料。另一方面，其他科學(xué)技術(shù)特別是物理學(xué)、化學(xué)、理論生物學(xué)、數(shù)學(xué)等都有了新的發(fā)展和突破，如普里戈金的耗散結(jié)構(gòu)理論，哈肯的協(xié)同學(xué)，艾根的超循環(huán)理論，托姆的突變論，斯梅爾和廖山濤的動(dòng)力系統(tǒng)理論，都在不同程度上揭示了系統(tǒng)的深刻的性質(zhì)和規(guī)律，使得人們對(duì)系統(tǒng)有了更加深入的認(rèn)識(shí)。

例如，系統(tǒng)的過(guò)去和將來(lái)之間存在著對(duì)稱(chēng)破缺；系統(tǒng)具有自組織性，在漲落作用下，能自發(fā)形成穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)，有序是系統(tǒng)自組織和子系統(tǒng)協(xié)同的結(jié)果；系統(tǒng)包含有復(fù)雜的反饋機(jī)制，反饋是有序之本；系統(tǒng)在一定條件之下，可以從有序變成混沌，也可以從混沌變成有序，還可以從一種有序變?yōu)榱硪环N有序而導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)突變；混沌是系統(tǒng)對(duì)初始條件和邊界條件異常敏感產(chǎn)生的貌似無(wú)序的運(yùn)動(dòng)。

混沌現(xiàn)象表明，確定性系統(tǒng)可以產(chǎn)生隨機(jī)行為。卡姆定理說(shuō)明，在封閉系統(tǒng)中，三維以上非線性系統(tǒng)出現(xiàn)混沌是普遍的。

對(duì)開(kāi)放系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)理論也證明了類(lèi)似的事實(shí)?；煦缡且环N吸引子，不過(guò)不是平衡點(diǎn)、極限環(huán)這類(lèi)具有整數(shù)維的正常吸引子，而是分?jǐn)?shù)維的奇異吸引子，具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)普遍存在著李雅普諾夫穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；非線性系統(tǒng)中分岔現(xiàn)象是普遍發(fā)生的，分岔是產(chǎn)生新?tīng)顟B(tài)和多樣性之源等。

錢(qián)學(xué)森從系統(tǒng)觀點(diǎn)對(duì)這些分布在不同學(xué)科中的科學(xué)成就進(jìn)行概括和統(tǒng)一，揭示了系統(tǒng)普遍規(guī)律和深刻性質(zhì)，奠定了系統(tǒng)學(xué)的理論基礎(chǔ)。

系統(tǒng)學(xué)的研究對(duì)象是各類(lèi)系統(tǒng)。根據(jù)組成系統(tǒng)的元素和元素種類(lèi)的多少以及它們之間關(guān)聯(lián)的復(fù)雜程度，把系統(tǒng)分為簡(jiǎn)單系統(tǒng)和巨系統(tǒng)兩大類(lèi)。

簡(jiǎn)單系統(tǒng)是指組成系統(tǒng)的元素比較少，它們之間關(guān)系又比較單純，如某些非生命系統(tǒng)；巨系統(tǒng)是指組成系統(tǒng)元素的數(shù)目非常龐大的系統(tǒng)。

如果組成系統(tǒng)的元素非常多，但元素種類(lèi)比較少且它們之間關(guān)系比較簡(jiǎn)單，這類(lèi)系統(tǒng)稱(chēng)為簡(jiǎn)單巨系統(tǒng)，如激光系統(tǒng)。

如果組成系統(tǒng)的元素不僅數(shù)量大而且種類(lèi)也很多，它們之間的關(guān)系又很復(fù)雜，并有多種層次結(jié)構(gòu)，這類(lèi)系統(tǒng)稱(chēng)為復(fù)雜巨系統(tǒng)，例如人體系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)。在人體系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)中，元素之間關(guān)系雖然復(fù)雜，但還是有確定規(guī)律的。

另一類(lèi)復(fù)雜巨系統(tǒng)是社會(huì)系統(tǒng)，組成社會(huì)系統(tǒng)的元素是人。由于人的意識(shí)作用，系統(tǒng)元素之間關(guān)系不僅復(fù)雜而且?guī)в泻艽蟮牟淮_定性，這是迄今為止最復(fù)雜的系統(tǒng)。系統(tǒng)的上述分類(lèi)，清晰地刻劃了系統(tǒng)復(fù)雜性的層次，這對(duì)系統(tǒng)學(xué)的研究具有重要意義。

對(duì)于簡(jiǎn)單系統(tǒng)和簡(jiǎn)單巨系統(tǒng)，自然科學(xué)的理論和方法(包括運(yùn)籌學(xué)、控制論、信息論、數(shù)學(xué)以及耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)、突變論等)是可以很好地描述和研究的，并取得了很大的成功。70年代末以來(lái)有人把上述理論方法應(yīng)用到復(fù)雜巨系統(tǒng)，也取得了一定的成功，如超循環(huán)理論。但對(duì)整個(gè)復(fù)雜巨系統(tǒng)的研究，特別是對(duì)社會(huì)系統(tǒng)的研究，上述理論方法有很大的局限性。

例如對(duì)策論，就其理論框架而言，是研究社會(huì)系統(tǒng)的理想工具。但對(duì)策論已取得的成就，還不能處理社會(huì)系統(tǒng)的復(fù)雜性，問(wèn)題在于對(duì)策論把人的社會(huì)性、復(fù)雜性、心理和行為的不確定性大大簡(jiǎn)化了，以至把復(fù)雜巨系統(tǒng)問(wèn)題變成了簡(jiǎn)單巨系統(tǒng)或簡(jiǎn)單系統(tǒng)的問(wèn)題了。

系統(tǒng)學(xué)的任務(wù)從根本上來(lái)說(shuō)是兩個(gè)方面，一個(gè)是對(duì)系統(tǒng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，另一個(gè)是在認(rèn)識(shí)系統(tǒng)規(guī)律的基礎(chǔ)上如何控制系統(tǒng)。第一個(gè)方面是關(guān)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、子系統(tǒng)協(xié)同，以及系統(tǒng)功能在系統(tǒng)環(huán)境作用下的演化規(guī)律。第二個(gè)方面則是把控制的思想和理論引入到系統(tǒng)學(xué)。如同認(rèn)識(shí)客觀世界是為了更好的改造客觀世界一樣，人們認(rèn)識(shí)系統(tǒng)也是為了更好的控制系統(tǒng)。

二. 系統(tǒng)工程學(xué)

系統(tǒng)工程學(xué)是研究分析有關(guān)復(fù)雜信息反饋系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)的學(xué)科。系統(tǒng)工程學(xué)以控制論、控制工程、系統(tǒng)工程、信息處理和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為基礎(chǔ) ，研究復(fù)雜系統(tǒng)隨時(shí)間推移而產(chǎn)生的行為模式。

系統(tǒng)工程學(xué)把系統(tǒng)的行為模式看成是由系統(tǒng)內(nèi)部的信息反饋機(jī)制決定的。通過(guò)建立 系統(tǒng)工程學(xué)模型，可以研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和行為之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，以便尋求較優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。

第二次世界大戰(zhàn)以后，隨著工業(yè)化的進(jìn)展，城市人口、就業(yè)、環(huán)境污染和資源等各種社會(huì)問(wèn)題日趨嚴(yán)重，迫切需要用新的方法對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行綜合研究。

系統(tǒng)工程學(xué)研究的對(duì)象是復(fù)雜的系統(tǒng)。除了一般大系統(tǒng)所具有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、因素眾多、系統(tǒng)行為有時(shí)滯現(xiàn)象 ，以及系統(tǒng)內(nèi)部諸參數(shù)隨時(shí)間而變化等特征外。系統(tǒng)工程學(xué)認(rèn)為的復(fù)雜系統(tǒng)還有一些其他特征，比如系統(tǒng)都是高階數(shù)、多回路、非線性的信息反饋系統(tǒng)；系統(tǒng)的行為具有“反直觀”性，即其行為方式往往與多數(shù)人們所預(yù)期的結(jié)果相反；系統(tǒng)內(nèi)部諸反饋回路中存在一些主要回路；系統(tǒng)的非線性多次反饋以后，呈現(xiàn)出對(duì)外部擾動(dòng)反映遲鈍的傾向，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感 等。

從系統(tǒng)方法論來(lái)說(shuō)， 系統(tǒng)工程學(xué)是結(jié)構(gòu)方法、功能方法和歷史方法的統(tǒng)一。它有一套獨(dú)特的解決復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題的工具和技巧，如雙向因果環(huán)、反饋、流位和速率等概念。

系統(tǒng)工程學(xué)模型中能容納大量的變量，一般可達(dá)數(shù)千個(gè)以上；它是一種結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)它可以充分認(rèn)識(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并以此來(lái)把握系統(tǒng)的行為，而不只是依賴(lài)數(shù)據(jù)來(lái)研究系統(tǒng)行為；它是實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室。

系統(tǒng)工程學(xué)通過(guò)人和計(jì)算機(jī)的配合，既能充分發(fā)揮人的理解、分析、推理、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造等能力的優(yōu)勢(shì)，又能利用計(jì)算機(jī)高速計(jì)算和跟蹤能力。以此來(lái)實(shí)驗(yàn)和剖析系統(tǒng)，從而獲得豐富的信息，為選擇最優(yōu)的或次優(yōu)的系統(tǒng)方案提供有力工具。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型主要是通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析計(jì)算，主要計(jì)算結(jié)果都是未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)各種變量隨時(shí)間而變化的曲線。也就是說(shuō)，模型能處理高階次、非線性、多重反饋的復(fù)雜時(shí)變系統(tǒng)(如社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng))的有關(guān)問(wèn)題。

建立系統(tǒng)工程學(xué)模型首先是確定系統(tǒng)分析目的；其次是確定系統(tǒng)邊界，即系統(tǒng)分析涉及的對(duì)象和范圍；之后是建立因果關(guān)系圖和流圖；然后寫(xiě)出 系統(tǒng)工程學(xué)方程；最后進(jìn)行仿真試驗(yàn)和計(jì)算。