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1第2章系统科学与系统工程学习要点1．了解现代系统科学体系2．熟悉系统理论3．掌握系统工程定义及基本观点4．掌握系统工程的基础理论5.掌握系统工程的方法论2.1系统科学体系2.1.1现代系统科学体系2.1.1.1系统科学的形成与发展系统科学的形成是认识论和科学技术发展的结果，从认识论上看，它是在系统思想从经验上升到哲学，从思辨进展到定性、再到定量的发展中形成的，体现了从整体论到还原论、再到整体—还原论的发展历程；从科学技术发展方面看，科学技术的发展使人们在从微观到宏观、直至宇观的所有层次中从物质世界到生物界、再到人类社会的所有领域的认识进一步深化，尤其是一般系统论、运筹学、控制论和信息论等现代科学技术的出现，使系统思想在辩证唯物论那里取得了哲学表达形式的同时又获得了数学表达形式和计算工具，从而形成了既有哲学表达形式、又有定量描述形式和计算工具的观念、理论、技术、方法齐全的科学——系统科学。随着人们认识的进一步深化，在将系统组织成有序结构的过程中，提高组织效能成为系统科学的研究重点。贝尔纳图样、激光、超导等现象的出现并成功得到解释，说明系统的组织除“他组织”外尚存在“自组织”，以往人们只注意“他组织”，而忽视“自组织”，因此开始了以非线性理论研究为基础的自组织理论研究，如普里高津的耗散结构理论、哈肯的协同学、艾根的超循环理论等。随着科学技术的进一步发展，人们面临的问题越来越复杂、规模越来越大。什么是复杂性、它是怎么产生的、应如何研究这类系统等问题急需解决，因此科学家们进行了大量研究，提出了很多新的理论与方法，其中美国圣菲研究所提出的复杂适应系统理论、钱学森教授提出的开放复杂巨系统理论与方法最具代表性。这些理论和方法的产生，大大丰富了系统科学，也促进了系统科学的发展。当前系统科学仍有很多尚未开发的领域和尚未研究的空白，需要更多创新性的理论、技术、方法和工具，具有广阔的发展空间。2.1.1.2现代系统科学体系钱学森教授于1996年构造设计的系统科学体系见图2.1.1[2]。2马克思主义哲学——人认识客观和主观世界的科学哲学性智量智文艺活动美学建筑哲学人学军事哲学地理哲学人天观认识论系统论数学哲学唯物史观自然辩证法桥梁文艺理论建行军地人思系数社自基础理论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学学学学学学学学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、本表摘自《系统科学》许国志第13页图2.1.1系统科学体系3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。冯·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。冯·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。冯·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：odtdw或odkdwi式中：dw—系统整体特征的变化率；idk—第i要素的变化率；dt—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4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ds由二项构成，一项是系统内的熵产生sid。一项是系统与外界进行能量交换引起的熵流sed，可表示为sdsddsei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sed=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，sid将逐渐增大，ds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，sid已达极大值，sed=0，总熵ds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sed，熵流可正，可负，可为零，如果sed0，且其绝对值大于熵产生sid时，才可能有ds0，才能使ds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5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ds0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，ds=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，ds0，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