第五章系统科学方法系统论、信息论、控制论是20世纪40年.

第五章系统科学方法系统论、信息论、控制论是20世纪40年代来产生的横断学科。70年代又形成了以耗散结构理论、协同学说、突变理论、超循环理论为主的非平衡自组织理论。它们都是以系统类型作为研究对象的，其理论基础是一般系统论，所以，统称为系统科学。它们撇开研究对象的具体物质形态和内容（天体、生物、机器、社会），从不同的侧面研究事物和过程所共有的本质和规律，具有普通的认识论和方法论意义。本章主要介绍系统论、信息论和控制论方法的一般特征和意义，自组织理论则给予省略。第一节系统论方法一般系统论是由奥地利生物学家贝塔朗菲创立的。其思想基础渊源于解释生命现象的有机论观点，即来源于20世纪20年代英国数学家、哲学家怀德海关于把生命看成一个有机的整体的观点。机械论和活力论。一、系统和系统方法1.关于系统的概念（1）贝塔朗菲认为：系统是“处在一定相互联系中的并与环境发生关系的各组成部分的总体。”（2）钱学森则认为：系统是“由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体，而且这个系统又是它们从属的更大系统的组成部分。”由此可知“系统”概念主要包含以下涵义：①系统是一个整体。是由相互作用，相互依赖的若干要素(组成部分)有机结合起来的；②系统各要素的这种有机结合又赋予系统整体以特定功能。这种特定功能不仅是由组成系统的所有要素所造成的，而更主要的是由组成这些要素的相互关系所造成的；③系统具有层次性和相对性。对于下一个层次来说是系统，而对于上一个层次来说，则是要素；④系统是一个开放的系统。它与环境进行着物质、能量和信息的交换，在多变的环境中以求得自身的稳定性。因而，系统的特征和功能又表现为系统与环境的联系之中。2.系统方法所谓系统方法是指将研究对象作为一个系统整体来看待，着重从系统与要素、要素与要素、系统与环境之间的相互联系、相互作用的关系中，综合地、定量地考虑研究对象，以达到全面而精确地了解和把握研究对象，并对问题作出最佳处理的方法。二、系统方法的原则1.整体性原则。这是系统方法最基本的原则。2.动态原则。这是系统方法的历时性原则。3.优化原则。这是系统方法的基本目的。也是任何一个系统所追求的目标。①整体效应的最优。这是系统优化原则的核心。②多级优化。对系统整体做出逐级优化的处理。即从最低的层次到最高的层次进行逐级优化，使系统达到整体效应的目的。反之，亦然。③最优与满意。最优化是系统方法所追求的目标。4.模型化原则模型化原则是实现系统整体原型的简单化、定量化和最优化的必要途径和手段。它是指在运用系统方法时，由于系统规模庞大或很小，或者由于系统的因素众多，或者由于系统的结构复杂，或者由于难于直接作用于系统（如人体系统）或者由于研究对象时过镜迁，难以追踪等原因，从而设计出与原型系统相同或相似的系统模型，来代替真实系统，通过对系统模型的研究，来认识和掌握真实系统的本质和规律。系统方法建立的模型通常是用数学方法、图像或原理实物模型等手段来表达。利用这种模拟方法比文字叙述更为精练、简洁和准确，并可借助于计算机进行仿真试验。下图就是一个医学模型的建立过程：动物疾病模型、建立专家、系统人造器官运用已知生理、病理知识问题的提出对研究对象资料和数据的收集资料和数据的分析处理模型的建立模型的评价仿真实验修正资料数据方法的改进模型的改进NoYes达到预期目标总之，整体性原则是基础，动态原则是过程，最优化原则是目的，模型化原则是手段。第二节信息方法信息论是由美国科学家申农于20世纪40年代创立的，其代表作是1948年写的《通讯中的数学理论》。（一）信息及其本质和特征1.信息的含义。①通俗地讲，信息就是能带来新知识、新内容的消息；②维纳从控制论的角度出发，把信息看作是控制系统进行调节活动时相互作用、相互交换的内容。③申农则从通讯角度，把信息看作是通讯者“消除不确定性”的东西，是系统的“不确定性”的消除。由此我们可知：①从认识论的角度来说：信息就是主体接受到的，可消除对事物认识的不确定性的新消息、新内容、新知识，是对系统的确定程度的量度；②从传递即信源、信道和信宿的关系来看，信息又是控制系统能够实现其有目的性运动的信号；③从本体论角度看，信息又是被认识客体发出的声音、颜色、结构关系、运动变化规律等表现出来的普遍存在方式。2.信息的本质目前国内外对于信息的本质问题有以下几种看法：①认为信息是独立的物质实体，它以“信息场”的形式存在；②认为信息是非物质的精神的东西，是纯粹的精神活动；③认为信息不仅是物质的，而且有时也是观念的。④认为信息既非物质，也不是精神，而是“某种第三者”；⑤认为信息是物质的普通属性或存在方式。3.信息的重要特征：①信息存在于尚未确定的事物之中；②信息具有知识性。③信息是可以识别的。④信息是可以转换的。⑤信息在时间上是滞后的。二、信息方法及其基本特点1.信息方法是运用信息的观点，把系统看作是借助于信息的获取、贮存、转换、传递、加工、处理而实现其有目的性运动的一种研究方法。2.信息方法的基本特点：以信息的运动作为分析和处理问题的基础。它完全撇开对象的具体运动形态，把系统的有目的性运动抽象为信息的变换过程，仅从信息可能出现的概率变化来研究事物的运动、变化、发展及其内在规律。这样，就可以从信息的发射、接取、传递、加工等过程来研究对象的特征，研究系统的内部状态及与外界环境之间的信息输入和输出的关系。三、信息方法的作用1.信息方法为实现科学技术、生产实践、经营管理和社会管理现代化提供了思想武器。2.信息方法可把研究对象看作是接收、传递、加工、处理和输出信息的调节控制系统。3.信息方法在医学研究中起着极为重要的作用。4.应用模糊信息方法能使诊断的准确性有所提高。5.信息方法揭示了机器、有机体和社会不同物质运动形态之间的信息联系。这种联系主要体现在虽然它们不属于同一系统，但其具有共同的特征：即它们的信息流动过程是相同的。如下图所示：信息→输入→贮存→处理→输出反馈这一系统始终是在信息的作用下，控制着系统朝着自身的目标值而运动。四、获取信息的基本原则及要求：1.等概率性原则这是保证获取最大信息量的一条基本原则。所谓概率，通俗讲就是事件可能发生的程度。①某一事件绝对不会发生、称为不可能事件，其概率为零；②某一事件绝对会发生，称为必然事件，其概率为一；③两个事件不能同时发生，称为独立事件。④一个事件的出现会引起另一事件的发生，称为相关事件；⑤在一条件下，可能出现也可能不出现的事件，称为随机事件，其概率在零和一之间。在日常工作和生活中人们总想获取最大的信息量，这一问题与事件发生的概率密切相关。①当一事件发生的概率等于一时，即属于必然事件，它的发生不会给人们提供任何信息，因为这已是人们预知的；②当某一事件发生的概率等于零时，即属于不可能事件，它的发生将给人们提供无限多的信息量，因为它的发生是人们根本没有预料到的；③一般说来，每一事件发生的概率总是介于零和一之间即属于随机事件，发生概率是零和一的事件是比较少见的。那么在发生概率介于零到一之间的事件中，到底选择多大概率事件才能获取较大的信息量呢？要选择哪些等概率事件呢？信息论告诉我们：“当一个信息源包含有若干个可能消息时，只有在每个消息出现的概率彼此相等时，信息源的平均信息量才最大。这是信息论揭示的概率与信息源平均信息量的关系的一条规律。什么是信息源的平均信息量？信息论认为，信息源一般是以符号的形式发出信息的，这种符号不只是一个而是一系列的符号。信息源可能发出的全部符号所包含的信息量之和，就是信息源所具有的总信息量。总信息量除以符号总数则是信息源的平均信息量。信息源的平均信息量反映了信息源的不确定程度。只有在等概率情况下，信息源的平均信息量才最大。这样，我们在获取信息时就有一个可遵循的基本原则：选择那些具有独立等概率可能符号的信息源，选择那些出现概率彼此相等的可能消息。2.简单性原则它要求我们应尽量减少信息传输过程中的中间环节，以确保信息的保真度。第三节控制论方法控制论是20世纪40年代产生的最重要的科学成就之一，其创始人是美国数学家、科学家维纳。一、控制论及其基本概念1.什么是控制论？按照维纳的观点，控制论就是关于动物和机器的控制和通讯的科学。维纳等人在研究和类比了生物系统和技术系统（机器系统）的某些可以调控的机制后，从中找到了它们之间的相似性和统一性，即，都含有控制和通讯的过程。从而打破了不同学科之间的界限，撇开了各种物质系统的具体形态和内容，发现了把各门学科和不同领域的物质系统（机器、生物、社会等）统一起来的新途径，为人们研究任何物质系统的控制和调节的一般规律提供了重要的理论和方法。2.控制论的思想渊源和技术条件在古代，古希腊语对于控制来说就是指驾船的舵手。到了近代，尤其是19世纪后半期到20纪世初随着生物学、神经生理学的发展，从而提出了许多与控制相关的生物学和神经生理学概念。如著名生物学家谢灵顿在19世纪末提出的“反射概念”，他在对生物体的中枢神经系统的低部位——脊髓的神经活动机制：兴奋和抑制的关系进行研究后，从而提出了生物体的反射概念及其反射活动过程，并认为在这一过程中，是受兴奋性突触和抑制性突触而控制的。1862年俄国的生理学家谢切诺夫和1913生物学家巴甫洛夫分别对于物体的脑神经控制系统（高部位的神经系统）进行了研究，提出了无条件反射是生物的先天本能和条件反射是生物后天造就的思想，并提出了反射弧是由感受器、输入神经元、中间神经元、输出神经元和效应器五个环节构成。1879年，法国生理学家伯尔纳和美国生理学家坎农，分别提出了与控制论有关的另一个经典神经生理学的基本概念——稳态。他们认为，如果动物受环境条件的影响，动物机体内部必然存在着一种能够调节自身状态的机制，以便使自己恢复正常，以维持其与环境的平衡。这种机制就是稳态，从而建立了稳态学。同时，数理逻辑也为控制论奠定了一定的理论基础。控制论产生的技术条件就是20世纪初以来的无线电通讯技术、电子计算机技术、微电子技术和火炮技术。因此，控制论实质上是自动控制、电子技术、无线电通讯技术、计算机技术和神经生理学、数理逻辑、统计学等多种科学和技术相互济透、相互综合的产物，是研究各种不同的系统共同的控制规律的科学。结合以上理论和技术研究成果，1943年维纳等人发表了《行为、目的和目的论》的文章，第一次把只属于生物的有目的性的行为赋予机遇，阐明了控制论的基本思想。1948年维纳又发表了《控制论》或称为《关于在动物和机器中控制和通讯的科学》专著，为这门科学奠定了理论基础。总之，控制论的产生和发展大致可分为三个阶段：1942年以前为控制论的酝酿阶段；1943~1948年为其形成阶段；1948年以后为其发展阶段。3.控制及其控制系统的概念和控制系统的结构和机制（1）控制是控制论中的一个基本概念。主要指施控装置对受控装置的一种能动作用。（2）控制系统是指具有不确定因素和控制作用的矛盾的系统。控制论并不研究任何系统，它主要研究具有不确定因素和控制作用的矛盾的系统。（3）控制系统的结构控制系统的简单模型如下：施控装置受控装置控制系统又可根据有无反馈回路，区别为：开环控制系统和闭环控制系统两个类型。如下图所示：施控装置受控装置较入控制信号输出开环控制系统施控装置较入控制信号受控装置输出反馈装置闭环控制系统（4）控制系统的机制——信息一切控制系统都离不开信息，所以，我们可以说实施控制的过程和信息传递的过程则是统一的过程。正如前苏联学者索波列夫所讲：“控制论原理的实质在于，巨大质量的运动和行动，巨大能量的传递（发电系统）和转变，可通过带有信息的不大的质量和不大能量来指挥和控制，这个控制论的原理是任何控制系统的组织和工作的基础”。因此，用信息的观点来研究自动化机器和设备、研究人体的机理和社会管理的调节过程则是控制论方法的一个重要特点。同时，我们应该知道，信息的大小并不与其质量和能量的大小有一定的比例关系。4.对控制对象进行控制时，还须注意以下几个问题：（1）必须了解系统运动发展的趋势；（2）必须明确预期控制的目标；（3）必须善于选择控制条件；二、控制论方法主要包括：功能模拟法、黑箱方法