第1章 系统与系统理论 我们在日常生活中、新闻报道中常常会听到“系统工程”一词,例如,“神舟九号”任务飞行乘组的航天员刘旺在接受采访时说道: “我能保证100%,不仅是相信自己的实力,更相信我们团队的实力,相信我们全系统工程人员。他们细致的工作,以及产品的质量,都给我信心。”又如,领导讲话中会提到“深入推进廉洁乡村(社区)工程、权力运行‘阳光工程’、廉政风险防控工程、科技防腐工程、改革创新驱动工程等五大系统工程”。那么究竟什么是系统工程呢?在详细介绍概念之前,让我们先认识一个系统工程的例子,即中国水利工程中的明珠——都江堰工程。 1.1体会系统工程 在著名的《隆中对》中被诸葛亮描述成“益州险塞,沃野千里,天府之土,高祖因之以成帝业”的四川在秦时期的司马错笔下却曾是另一个模样: “夫蜀,西僻之国也,而戎翟之长也,有桀纣之乱。”四川是如何在短短几百年之间摇身一变成为“水旱从人,不知饥馑,时无荒年,谓之天府”的天府之国的?这归功于2200多年前的一个大型水利工程。 公元前256年秦昭襄王时期,在枯水干旱季节,广袤的川西平原得不到灌溉,在洪水季节当地的劳动人民又饱受洪涝灾害之苦。于是,蜀郡太守李冰父子组织建造了都江堰,治理了水患,造福了此后世代百姓。都江堰水利工程空中俯视图如图11所示。 图11都江堰水利工程空中俯视图 这座全世界迄今为止年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程,灌溉面积已达40余县,超过1000万亩的水利工程,当时面临的主要问题有溢洪、排沙、水量的自动调节等。都江堰水利工程由鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道、宝瓶引水口等设施组成,如图12所示。这些设施从时间上、空间上和功能上相互关联、相互依存,以达到从整体上解决各个问题,达成了总体目标最优化、选址最优化、地形的合理利用以及建造成本最小化。 图12都江堰水利工程示意图 1. 总体目标最优化 都江堰水利工程在总结前人治水经验的基础上,位于江心的“鱼嘴”将岷江水流按4∶6的比例分为内江和外江。其中内江用于灌溉川西平原,枯水季节,使用竹笼装满卵石封锁外江,堰前的鱼嘴恰到好处地将江水导入东侧人工修筑的内江; 外江用作泄洪排沙,汛期来临或江水暴涨时,挖开竹笼,排出多余的江水,避免洪水的危害。 2. 选址最优化 水利工程选址的一个重要原则就是要实现自动分级排沙。都江堰水利工程选址在岷江出水口和川西平原的结合部——灌县境内弯道河流区域。根据弯道环流原理和流体动力学原理,上中层水流含泥沙较少,被推向河道的外侧,形成外高内低的水面。而中下层水流含泥沙较多,被推向河道的内侧。这样水从正面走,沙从侧面走,水流主体和泥沙主体逐渐得到分离。当水流到达鱼嘴分水堤时,由于鱼嘴的作用,将80%的泥沙分离到外江河道,内江河道只含余下的20%泥沙,从而实现第一级排沙。内江水流进入鱼嘴分水堤后仍然是弯道水域,再将10%的泥沙通过高于河床2.5米的飞沙堰排入外江河道,实现第二级排沙。余下的10%的泥沙沉积在从鱼嘴到宝瓶口1千米左右长的河道里。到了每年冬季枯水期再通过人工将这部分泥沙挖出来作为建筑材料,实现第三级人工排沙。 3. 地形的合理利用 合理地利用地形,以达到能够自动调节水量的目的。都江堰的三个组成部分——鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道、宝瓶引水口被有机地融合成一个整体。春耕季节岷江的水量较小,江水主要沿弯道河岸外侧流动,并按鱼嘴分水堤中心距两岸的宽度分水,使按外江和内江的水量按4∶6的比例分配。到了洪水季节,上游滩头被洪水淹没,河床坡度和弯道趋于消失,水量按主流方向分配,因主流方向正对外江河口,使留入外江和内江的水量按4∶6的比例分配。特大洪水时还可利用宝瓶口阻水和飞沙堰泄洪。宝瓶口为宽20米、高40米、长80米的狭长山谷带,是岷江水进入川西平原的关口,有走春水、阻洪水的作用。飞沙堰位于宝瓶口上游约170米处,长300米,高于河床2.5米。当内江水量超过正常水位时,多余的水便溢入外江。洪水季节80%~90%的供水由飞沙堰泻入外江,以保证进入川西平原的水量很少超过正常需要的量。 4. 建造成本最小化 都江堰水利工程在建造过程中,因地制宜,其中,宝瓶口是开凿在玉垒山与岷江江脊连接处的一个口子,因形似瓶口同时具有调节内江进水的重要作用,故名宝瓶口。在尚没有火药,甚至没有铁器的时代,睿智的蜀中先民在李冰的带领下,在岩壁上架起篝火,灼烧岩石,再浇上岷山冰雪融化而成的水,让岩石遇冷崩塌,历时八年,在玉垒山上开凿出了令人叹为观止的宝瓶口。就地取材的做法收效大、可靠性高,大大降低了工程造价,并且维修起来也很方便。 都江堰水利工程除了建造了功能强大的设施体系之外,还制定了一整套相应的维护和管理制度,使得该水利系统经历了2000多年的历史沧桑,至今仍然发挥着重要的工程效益。 通过都江堰的例子,我们可以认识到系统工程是规模较大的、历史持久的、要素众多的、功能强大的、造福百姓的,而用这些形容词来形容系统工程还是有些不足的地方,如今各界给出的系统工程定义已达数十种,随着时代的前进、科学技术的发展,它的定义仍在不断被完善。如果仅使用一个形容词来形容它,且绝不会有偏颇,那是什么呢?没错,那就是——“系统”。若要充分认识系统工程,必须弄清“系统”为何物。下面我们就来系统地解释一下“系统”的概念。 1.2认识“系统” 系统是无处不在的,大到宇宙,小到细胞,都是系统,我们身在系统中,是系统的一部分,同时又是由多个系统组成的。下面我们从系统的来源视角来介绍系统。 1.2.1系统的来源及定义 “system”源于拉丁语“systēma”,它来自希腊语的“συ'στημα”(systema),表示结合的意思,而“συ'στημα”又是由同是希腊语的“συ'νισταναι”(synistanai)衍生出来的,是由意为“共同”的“συ'ν”(syn)和意为“制定、建立”的“στημι”(histemi)组合而成的动词。古希腊哲学家德谟克利特所著的《宇宙大系统》是最早使用“系统”一词的书。现代对于“系统”的深入研究始于军事系统和工程系统,随后扩展到生物系统、经济系统和社会系统等其他许多领域。许多人曾给“系统”下过各种各样的定义: (1) 在美国的《韦氏大辞典》(Webster)中,系统被定义为“有组织的或被组织化的整体; 结合着的整体所形成的各种概念和原理的结合; 又由规则的相互作用、相互依赖的形式组成的诸要素集合”。 (2) 在日本工业标准(JIS)中,系统的定义为“许多组成要素保持有机的秩序相统一目的行动的集合体”。 (3) 苏联百科全书对系统的定义是“一些在相互关联与联系下的要素组成的集合,形成一定的整体性、统一性”。 (4) 我国《中国大百科全书·自动控制与系统工程》中,对系统给出的定义是“由相互制约、相互作用的一些部分组成的具有某种特定功能的有机整体”。 (5) 在《辞海》中,“系统”指“①自成体系的组织; 相同或相类拟的事物按一定的秩序和内部联系组合而成的整体。如组织系统、灌溉系统。②始终一贯的条理; 顺序。如系统化、系统学习”。 可以看出各个定义中有其共同之处。国内一般使用《中国大百科全书·自动控制与系统工程》中的解释,此定义包含三层意思: (1) 系统必须由两个或者两个以上的要素组成,单个要素不能成为系统。而要素是构成系统的最基本的单元,是系统存在的基础。 (2) 系统中要素与要素之间存在有机的相互联系和相互作用的机制,从而形成系统一定的结构或秩序。 (3) 凡系统都具有一定的功能或特性,而这些功能或特性是系统中任何一个部分都不具备的,它是由系统内部各个要素以及要素与要素之间的有机联系或结构所决定的。 在自然界和人类社会中,许多事物都与其他事物存在着相互联系和相互作用的关系,因而几乎所有的事物都可以定义为系统。人们在认识和改造客观世界的过程中,如果采用了综合分析的思维方式看待周围的事物,根据事物内在的、本质的、必然的联系,从整体的角度去分析问题和解决问题,那么这类事物就可以被视为一个系统。 系统按其功能或层次可划分成一些相互关联、相互制约、相互作用的组成部分,如果这些组成本身也能符合系统的定义,则成为原系统的子系统,而原系统可能是更大的系统的组成部分。同样,子系统也可以进一步划分成若干二级子系统、三级子系统等。这就是系统的相对性或层次性。 对于所考虑的具体系统,系统以外部分称为系统环境,系统与环境的分界称为系统边界(见图13)。系统对其环境的作用称为系统输出,环境对系统的作用称为系统输入。系统中各个组成要素之间的相对稳定的联系方式、组织和秩序称为系统结构。系统在与外部环境之间的相互联系、相互作用中表现出来的性质、能力和功效称为系统功能。系统结构和系统功能 图13系统环境、系统边界 之间既相对独立又相互联系。对于非受控系统,系统的结构和环境决定了系统的功能; 对于受控系统,系统的功能则通过系统的输入输出关系表现出来,它取决于系统的结构、环境和控制。系统与环境之间的联系是通过物质、能量或信息的传递来实现。系统在每个时刻所处的情况称为系统状态。系统状态随时间的变化称为系统行为。系统的产生、发展和消亡的全过程就是系统的生命周期。系统演化总是在一定的时间和一定的空间中进行。 1.2.2系统思想的形成 系统概念和系统思想是劳动人民在长期社会实践中形成和发展起来的。从西方发展来看,在我们有了如今对“系统”的认识之前,经历了很长一段的发展历史,可以追溯到柏拉图(Philebus)、亚里士多德(《政治学》)和欧几里得(《几何原本》)。而从中国发展来看,系统思想从夏朝开始到现在,也走过了一条漫漫长路。人类社会和科学技术发展的历史长河中,系统思想经历了三个主要历史阶段: 从远古时期到15世纪左右是以朴素的辩证逻辑为特点的总体思辨阶段; 从16世纪到19世纪是以形式逻辑为特点的机械分解——还原思维阶段; 19世纪末20世纪初以后是以辩证逻辑为特点的系统思维阶段。 1. 朴素的总体思辨阶段 自古以来人们在长期的实践活动中就已经萌发了关于“系统”的概念和系统的思想。无论是在东方还是在西方都是如此。在宇宙的本源、地球的形成、事物层次的划分等许多方面都提出过各种各样的观点和假说。例如在宇宙构造方面,在中国古代有盘古开天,女娲补天的传说。还有天圆地方的“盖天说”,鸡卵构型的“混天说”和宇宙无限的“宣天说”。在西方也有“地心说”以及其他一些宗教和神学方面的假说。这些传说或假说都是人们经过长期的观察和联想创造出来的,它们满足了当时人们对客观世界的构造和起源进行解释的需要和渴求。但是由于当时受到历史条件和科学技术条件的限制,学科门类还没有被细分出来,还不具备必要的实验手段,这些传说和假说只能是直观的和朴素的。随着人类的进步和科学技术的发展,人们的实践范围越来越大,这些假说或传说一个一个无情地被现实打破。尽管如此,从本质上来看这些传说或假说中所蕴藏的一些思想还是令人寻味的。比如他们认为: 第一,天和地的构造是一个相互作用、相互联系的整体; 第二,天和地之间存在着许多层次; 第三,宇宙的形成是一个由简单到复杂的发展过程; 第四,宇宙发展的总趋势是由对称、无差别逐渐走向对称破缺、复杂化和多样化。这些思想即使用现代的科学观点来看原则上也是正确的。类似的典型例子还有许多,回顾中国历史,会发现许多闪烁着系统思想光芒的著作或故事,如大禹治水的“疏顺导滞”思想; 《易经》中的阴阳五行说与“八卦”说; 《黄帝内经》中提出的“天人相应”医疗原则; 老子《道德经》的“道生一,一生二,二生三,三生万物,万物负阴而抱阳”的宇宙演化思想; 《孙子兵法》的各种战略战术; 《封神榜》中的“无中生有”; 《梦溪笔谈·权智》里丁谓建皇宫的美谈等。在国外也有德谟克利特的《宇宙大系统》; 亚里士多德的著名论断“总体大于它的各个部分之和”的论述等。总之,无论是在东方还是在西方,古代的思想家们基于他们宽广的知识和丰富的想象能力比较注意全局,从根本上去把握事物,形成了以朴素辩证逻辑为特点的总体思维方式,他们中有许多关于系统思想的论述影响之深远,很值得现代的人们去研究和开发。 2. 机械的分解——还原思维阶段 15世纪下半叶,力学、天文学、物理学等自然科学从古代哲学中慢慢分离开来。到了16世纪,一场科学革命在西方悄然兴起。1543年波兰天文学家哥白尼发表的《天体运行论》和比利时科学家维萨留斯发表的《人体结构》标志着西方近代科学的迅速发展。这场科学革命最显著的一个特点就是学科门类的精细分化。科学技术中先后分化出了物理学、化学、生物学、天文学、地质学、医学,还有政治学、经济学、社会学、心理学、美学等。形成了以形式逻辑为特点的机械分解——还原的思维方式。学科门类的细分为人类“精确地”认识客观世界提供了舞台。近代的科学革命也促进了技术革命。基于对热学和力学的研究,创造出了蒸汽机、内燃机和其他各种机器; 基于对电学的研究,创造出了发电机和电动机。其他还有航海、天文观测、火车、汽车、飞机、电报、电话、纺织、采矿、冶炼、印刷等一系列新技术的发明和创造,为人类提供了巨大的财富,极大地改变了人类的物质生活和文化生活,促进了人类社会的文明和繁荣。 但是近代科学在一步步走向辉煌的同时,以形式逻辑为特点的机械分解还原思维方式严重地背离了系统思想,过多地注意了学科的细节而忽略了学科之间的联系和学科的整体发展。只注意一砖一瓦的构造,而不知道大厦建立起来后的模样、用处、结构,所以从长远的观点来看是没有生命力的。19世纪上半叶,自然科学发展取得了伟大的成就,特别是能量的守恒与转化、细胞学说和进化论的发现,揭示了客观世界的普遍联系性,使人类对自然现象和过程的相互联系的认识有了很大的提高。恩格斯指出: “由于这三大发现和自然科学的其他巨大进步,我们现在不仅能够指出自然界中各个领域内过程之间的联系,而且总地说来也能够指出各个领域之间的联系了。这样我们就能够依靠经验和自然科学本身所提供的事实,以近乎系统的形式描绘出一幅自然界联系的清晰图画。”马克思主义的辩证唯物主义认为,物质世界是由无数相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的事物和过程形成的统一整体。辩证唯物主义体现的物质世界的普遍联系及其整体思想就是对系统思想的哲学概括。因此人们呼唤着一个新的时代——现代科学时代的到来。 3. 系统思维阶段 时代的车轮驶入了20世纪,相对论和量子力学的出现使人们认识到学科门类的过细划分妨碍了科学技术的进一步发展。相对论证明了牛顿建立的绝对时空只具有相对的真理性; 而量子力学则指出,在微观尺度下经典力学已不再起作用。这样就彻底地动摇了近代科学的根基。首先科学发展的本身要求整体化; 其次当代人们所要处理的问题变得越来越复杂,仅用单一学科的专门知识已经难以胜任,客观上要求多学科的相互合作,社会的迫切需要推动着科学的整体化; 再次,原先人们难以顾及的交叉学科和边缘学科的兴起填补了各学科之间的空隙。这样,以辩证逻辑为特点的唯物辩证法与系统思维方法呼之欲出,形成了不可阻挡的历史潮流。第二次世界大战是定量化系统思想发展的一个里程碑,战争中决策关系到一个国家的存亡,要求更精确地定量化研究,计算机的发展给予了定量化系统计算方法很大的支持,系统思想从辩证唯物主义中获得了思维的表达形式,从运筹学等现代科学中取得了定量的表达方式,并在系统工程实践中不断完善和发展,系统思想方法由朴素的“总体思辨”逐步形成一种科学的思想方法。 1.2.3系统的属性 掌握系统的属性,可以帮助认识、研究系统,概括起来系统主要有以下几个方面特性。 1. 集合性 系统的集合性是指系统是由两个或两个以上可以相互区别的要素组成的集合体。单个要素不能构成系统。例如,一块黑板构不成一个系统。只有当黑板与其他可以区分的不同质的要素如粉笔、教室、教师和学生等集合在一起才有可能构成一个教学系统。 2. 相关性 系统的相关性是指系统内部各要素之间的某种相互作用、相互依赖的特定关系。例如,在商品市场系统中,价格与商品供给与商品需求紧密地联系在一起。在有些情况下,从表面上看要素与要素之间似乎没有什么关系,但是它们可以通过某些中间要素间接地联系起来。例如中国有句成语叫作“城门失火,殃及池鱼”,鱼和火本来不会有什么交集,但是它们却通过中间要素“水”联系在一起。 3. 目的性 系统的目的性是指系统具有的明确的目标。比如人口控制系统可以控制人口变量将其向着预先设定的目标方向调整。又如导弹系统能够自动寻找并跟踪其要攻击的目标。 4. 层次性 系统的层次性是指系统各要素之间在地位与作用、结构与功能上表现出来的等级秩序性。我们知道,系统是由众多要素组成的。一方面一个系统仅仅是它上一级系统的一个子系统,而这上一级系统又是更大系统的子系统; 另一方面,一个系统可以由低一层次的子系统组成,而这一层次的子系统又可以由更低层次的子系统组成。例如在社会系统中,个体、家庭、群体、单位、社区,直到省市、国家构成一个层次序列。又如人的感觉、感知、悟性、理性构成认知系统的不同层次。 5. 整体性 系统的整体性是指由若干要素组成的系统所具有的整体的性质和功能,这种性质和功能不是系统中各组成要素性质和功能的简单叠加,而是呈现出各组成要素所没有的新的质的规定性。古希腊哲学家亚里士多德有个著名的论述叫“整体大于它的各个部分的总和”,充分体现了整体性的思想。 系统的整体性具体可以从以下几个方面来理解。 (1) 系统整体联系的统一性。在系统中各个要素对整体的影响不是独立的,而是依赖于其他若干要素的协同作用。也就是说,系统要素的性质和行为并非独立地影响整个系统的功能或特性,而是相互影响、相互协调地来适应系统整体的要求,实现系统的功能。因此,任何一个要素都不能脱离整体,要素与要素之间的相互联系和相互作用也离不开整体的协调,例如,汽车没有轮子就不能行驶。 (2) 系统功能的非加和性,即系统的整体功能不等于组成系统的各要素功能之和。系统作为诸要素的集合体总是具有一定的功能和特性,而这些功能和特性是系统中任何一个要素都不具备的。系统是一个不可分割的整体,一旦把系统分割开来,则系统将失去其原有的性质。例如,“画龙点睛”和“画蛇添足”分别形象地说明了“一加一大于二”和“一加一小于二”的情况。 (3) 构成系统的要素不一定都很完善,但却有可能构成性能良好的整体。反过来,即使每一个要素的性能都是良好的,但由这些要素所组成的整体却不一定具有良好的整体功能,因而也就不能形成完善的系统。 系统之所以产生整体性或新质,是因为组成系统整体的各个部分或要素之间的相互联系和相互作用后所形成的协同作用力。只有通过系统内部的协同作用,系统的整体功能才能显现出来。 6. 环境适应性 系统的环境适应性是指系统适应外界环境变化的能力。所谓环境指的是系统的外部条件,也就是系统外部对该系统有影响、有作用的诸因素的集合,包括物质、能量、信息。在一个大系统中,对于某一个特定的子系统来说,其他子系统就是它的环境。环境是一种更高级、更复杂的系统。 系统与环境是密切联系的,通常系统与外部环境之间存在着物质的、能量的和信息的交换。一方面,外部环境的变化可以引起系统内部要素的变化,有俗语说“一方水土养一方人”,“近朱者赤,近墨者黑”,说的就是环境对系统的塑造。因此,系统要存在和维持下去就必须适应环境的变化,不能适应外部环境变化的系统是短寿命的。另一方面,系统的运动变化也可以塑造外部环境。如系统向环境不断地排泄废物,一旦这些废物的排泄速度超过环境对废物的吸收、消化能力,则废物就会逐渐地积累起来,到了一定程度就会造成环境污染,导致环境品质变坏,反过来威胁系统自身的生存和发展。 1.2.4系统的分类 系统不仅普遍存在而且其形态也是多种多样的。为了更好地研究系统,揭示不同系统之间的联系,可以按各种不同的原则和标准对系统进行划分和分类。常见的几种系统分类可归纳如下。 1. 自然系统和人造系统——按自然属性分类 自然系统是指由自然物构成的系统,如矿物、植物、动物、海洋等,其特点是自然形成的,没有人的参与或干预。人工系统是指为了达到人类的某种目的,由人类设计和制造的系统。工程技术系统、经营管理系统和科学技术系统是三种典型的人工系统。工程技术系统是由人们对自然物等进行加工处理,用人工方法制造出来的工具和机械装置等所构成的工程技术集合体。经营管理系统是人们通过规定的组织、制度、程序、手段等建立的经营与管理的统一体。科学技术系统是人们通过对自然现象和社会现象的科学认识,概括和总结出来的科学与技术的综合体。系统工程研究与处理的对象主要是人工系统和经人们加工了的自然系统,即复合系统。在这类系统中往往包含人的因素,是有人参与的复杂系统。 2. 实体系统和概念系统——按物质属性分类 实体系统是指由矿物、生物、能源、机械等实体组成的系统。概念系统是指由概念、原理、原则、方法、制度、程序等非实体物质所组成的系统,如布尔代数、法律系统、黑格尔哲学体系等。实体系统与概念系统有时是交织在一起的,是不可分割的。如修建一座大桥,大桥本身是一个实物系统,而修建大桥的规划、方案程序等则属于概念系统。因此,实体系统是概念系统的基础和服务对象,而概念系统则是为实体系统提供指导、方案和服务的,两者是不可分的。 3. 物理系统和非物理系统——按系统组成结构分类 物理系统是指由物理对象及其过程所组成的系统,如一条生产流水线、一辆拖拉机等。非物理系统是指由非物理对象及其过程所组成的系统,如社会系统、经济系统等。物理系统和非物理系统在一定的条件下可以交织在一起,你中有我,我中有你,共同构建出一个内涵更丰富的大系统。 4. 开放系统、封闭系统和孤立系统——按系统与环境间的关系分类 开放系统是指系统与其外部环境之间存在着相互联系,有物质、能量或信息交换的系统。系统从环境中获取必要的物质、能量或信息,经过加工后转化成新的物质、能量或信息的输出。环境对系统的作用,一方面是给系统提供必要的物质、能量或信息; 另一方面对系统也会产生干扰和限制作用。因此,围绕系统在外部环境影响下的行为方式和活动来认识、识别系统,是研究系统特性的有效途径。封闭系统指的是与外部环境没有任何联系的系统,即系统与环境之间不存在任何物质、能量或信息的交换。严格地说,封闭系统的概念是相对的,现实生活中任何系统都与外部环境有着或多或少的各种各样的联系,不存在绝对的封闭系统。有时为了研究方便起见,对某些与外部环境联系很少或联系很弱的系统,忽略掉其外部影响,近似地视为封闭系统来处理,如自给自足的小农经济、闭关锁国的封建国家等。孤立系统是按需要提出的理想模型,自然界中并不存在,它指的是与外界完全没有交流,即和周围完全不发生物质、能量或信息交换的系统。 5. 动态系统和静态系统——按运动属性分类 动态系统是指系统的状态随时间变化的系统。它有输入、输出及其转换过程,其状态变量为时间的函数。如社会系统、经济系统、企业生产系统和信息管理系统等。静态系统是指系统的状态和功能在一定的时间内不随时间改变的系统。它没有输入和输出,在系统运动规律的表征模型中不包含时间因素。如城市的规划布局、公交车的站点设置等。同样,静态系统的概念也是相对的。几乎所有的系统都或快或慢地处在运动、变化的过程中。当这种运动、变化相对很慢时,为了研究方便常常可将系统视为与时间进程无关来处理。 6. 确定性系统和不确定性系统——按系统的演化特点分类 确定性系统是指不包含不确定因素的系统。在确定性系统中,实时输入和实时状态能够明确地、唯一地确定系统下一个时刻的状态和实时输出,如牛顿方程等。不确定性系统是指系统中含有不确定因素的系统。在不确定性系统中,实时输入和实时状态不能明确地、唯一地确定系统下一时刻的状态和实时输出,被决定的只是一些可能状态的集合或一些可能输出的集合,如天气预报等。不确定性系统又可进一步划分成随机系统和模糊系统。随机系统又称为概率系统。在随机系统中,根据实时输入和实时状态能够确定系统下一时刻状态或实时输出的概率分布。而在模糊系统中,系统的状态变量、输入和输出都是模糊子集。系统在模糊输入的作用下,由一个模糊状态转移到另一个模糊状态,并产生模糊输出。 7. 简单系统、简单巨系统和复杂巨系统——按复杂程度分类 系统按复杂程度可分成简单系统、简单巨系统和复杂巨系统。简单系统是指组成系统的子系统或要素的数量比较小,而且子系统或要素之间的关系也比较简单的系统,如一台设备、一个商店等。 简单巨系统是指组成系统的子系统或要素的数量非常之大、种类也很多(如几十种,甚至上百种),但它们之间的关系较为简单的系统,如激光系统等。由于这类系统的组成部分数量众多,所以在处理过程中一般的直接综合法已不再适用,取而代之的是采用统计方法。耗散结构理论和协同理论在这一方面都取得了成功。 复杂巨系统是指组成系统的子系统或要素不仅数量巨大、种类繁多,而且它们之间的关系极其复杂,具有多种层次结构的系统。如生物系统、人体系统、社会系统、经济系统等。在复杂巨系统中,有意识活动的人通常作为系统的组成要素的一部分,而这些系统又都是开放的,所以又称为开放的复杂巨系统。目前,研究处理复杂巨系统的方法尚在探讨过程中。我国学者钱学森提出了“从定性到定量的综合集成方法”以及“研讨厅体系”的思想,为从整体上研究和解决这类问题提供了新的方法论。 1.2.5系统理论 人们在长期的生产劳动和社会实践中,逐步总结和形成了一套以系统思想为基础、以整体性和相关性等系统特性为出发点的系统理论,这些系统理论反过来又为研究新的系统问题提供了科学指导。 1. 一般系统论 1925年,美籍奥地利理论生物学家贝塔朗菲(L.V.Bertalanffy)首次提出了系统论的思想,1937年提出了一般系统论原理,创立了一般系统论(general system theory),旨在阐述对于一切系统都普遍有效的原理。第一次从具体科学的层次上对文艺复兴以来形成的机械论和还原论的观点以及分析方法提出了全面的质疑和系统的批判,旗帜鲜明地指出了它们的局限性,强调仅靠分析是不够的,还必须要用系统的观点来处理问题。一般系统论为复杂系统问题研究提供了重要的概念准备,许多重要的概念后来被一些系统理论所沿用,如1945年贝塔朗菲提出的“机体系统论”中提到的开放性、整体性、相关性、动态性、能动性、等级性等。一般系统理论还提出了一些重要的颇具影响的原理,如“开放系统原理”已成为现代系统理论各分支的共同内容; “自组织要以开放系统为必要条件”也已成为各种自组织理论一致认可的基本观点。 2. 信息论 最早提出的信息问题是,1924年奈奎斯特(Nyquist)等人提出的信息传输速率与信道频带宽度的比例关系问题。1928年,哈特莱(Hartley)首次提出了信息量的概念。而后1948年,香农将物理学中的熵理论引入信息论(information theory)研究,把通信过程中信息源信号的不确定性定义为信息熵。这样在信息论中就可以定量刻画信息概念,从而将熵概念由物理熵扩展到信息熵。香农的信息熵所表示的信息量是平均意义的,但是它从信息的侧面定量地刻画系统状态的有序性。 3. 控制论 到了20世纪40年代,与香农的信息理论几乎同一个时期,美国数学家诺伯特·维纳(N.Wiener)把生物学、生理学行为科学等关于生命机体和社会系统中的控制问题的研究成果与阐述机器控制原理的伺服系统理论综合起来,创立了控制论(cybernetics)。在最一般的意义下概括和总结出了许多有关概念、原理和方法,并提出了一般性的模型以及它们的处理方法。20世纪60年代开始,信息论被应用到经济领域,此后随着应用领域的扩展,控制理论逐步形成了工程控制论、生物控制论、经济控制论和社会控制论四大分支,分