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系统科学的概念是中国学者较早提出的，这对理解和解决现代科学，推动它的发展是十分重要的。中国是充分认识到系统科学巨大重要性的国家之一。系统科学和系统工程在当代中国科学中的地位至关重要，我在访问中国期间已觉察到这一点。在访问中，中国人思考和解决问题的方式一再给我留下深刻印象。我确信，这种思考方式将在全世界传播开来。——哈肯不管哪一门学科，都离不开对系统的研究。系统工程和系统科学在整个21世纪应用的价值及其意义可能会越来越大，而其本身，也将不断发展，如现在的系统科学已经上升到研究复杂系统，甚至是复杂巨系统了。像人的大脑、互联网等，就是复杂巨系统。这在国外也是一个热门，叫复杂性科学研究。——钱学森20世纪40年代以来，系统科学作为一门新兴学科的产生，和以往几次重大科学革命一样，标志着人与社会、人与自然之间又开展了一场新的对话。这场对话的主要内容之一，就是用系统思想、系统原理和系统方法去观察和研究事物，革新传统的科学认识和方法，建立人类思维的新模式。1.1系统科学的产生和发展当我们去追溯系统科学的研究进路，就能发现它是在现代科学技术高度综合的大趋势下产生和迅速发展起来的。它至少是受到三个方面科学研究影响和推动的结果。第一，物理学和数学的发展。特别是19世纪末统计力学和20世纪20年代量子力学的建立，把统计规律引入许多学科。与动力学规律不同，统计规律表现出明显的不确定性。统计规律一般涉及由大量元素组成的宏观物体。元素的数目之多，不可能直接求解它们的方程，而必须采用统计方法求大量元素数据的平均值。而在动力学规律中，甚至把一个天体看做一个质点，根据运动规律所建立的微分方程，只要给定初始条件，即可由微分方程的积分导出物体运动的轨迹，每一时刻的物体运动状态都是确定的。概率统计理论的发展与成熟，及其被引入各个学科特别是物理学中，打破了动力学规律独霸天下的局面，正如德国物理学家玻恩所说： “物理学中的一个新的转折就是原子论和统计学的引入。”统计规律的实质是概率性的，涉及自然界的随机现象。热力学第二定律中的熵直至信息概念的提出，就是这一研究的逐步深入。第二，生物学和生命科学的进展。科学研究告诉我们，生物界不是一个用牛顿理论所描绘的确定性机械世界。另一方面，生物个体行为也不能用统计力学和量子力学所用的统计定律来刻画。生命的活动中既有或然性，也有必然性。生命是怎样把必然与偶然统一起来的？20世纪三四十年代，生物学家提出了“内稳定”概念，意味着人类对这一问题的认识已推进到新的阶段，它直接为控制论的诞生奠定了基础。第三，计算机的迅速发展，为人类探索复杂性提供了必备的、强有力的技术工具。系统复杂性的特点就是其内涵极其丰富，所以不能过分简化，但又不能用有效处理高度随机性的办法来进行研究。因此，在计算机技术尚不发达之前，对于系统复杂性的研究无法有效开展。随着计算机技术水平的提高，推动了人类对思维规律的探讨，刺激了人工智能的新发展，也开拓了系统科学新方法论的可能性。一门新学科的产生必须是社会发展的需要。这一点从技术与人的关系这个角度来看很清楚。技术与人的协调问题是非常复杂的，由于以前各门学科各自发展，人类社会的复杂性，学科之间的互补性与知识的统一性都没有合乎逻辑地表达出来。作为沟通的媒介物和新的方法论，系统科学就应运而生了。它的发展大致经历了三个阶段，即20世纪40—60年代： 系统科学的形成； 70—80年代： 自组织理论的建立； 80年代中期以来： 复杂系统科学的兴起。1.1.1“老三论”系统科学的产生始于一般系统论、控制论和信息论。它们分别是美籍奥地利生物学家贝塔朗菲（L.V.Bertalanffy）、美国数学家维纳（N.Wiener）和申农（C.E.Shannon）创立的，这是第二次世界大战后横向科学蓬勃兴起的标志性成果。在我国把一般系统论、控制论和信息论统称为“老三论”，其影响极其广泛，具有很高的知名度。“老三论”为系统科学创立了三个核心概念： 系统、信息与控制。1. 系统任何事物，不管是石头还是生物，是人类社会还是别的什么，我们都可以把这个整体看做是一个系统。所谓一般系统乃是对系统的共性做出了一定的概括，如系统的整体性、层次性、关联性、动态性、有序性、目的性，等等。而一般系统论就是适用于一切系统而不是某类特殊系统的理论。简言之，一般系统论研究的对象不是具体系统（如机械系统、生物系统）而是抽象的一般系统。这就告诉我们，系统科学的研究内容也主要是揭示一般系统的“同构性”问题。所谓系统的同构性，是指各个不同性质的系统之间所表现出来的存在方式和运动方式上的一致性，即所有系统共同遵守的规律。系统论用系统概念来把握研究对象，始终把对象作为一个整体来看待，并强调系统结构与功能的研究，以及系统、要素、环境三者的相互关系和变动的规律性研究。在思维方式上把分析和综合辩证地结合起来，使系统方法形成了如下模式： 首先，从整体出发进行系统综合，得到各种可能的系统方案； 其次，系统地分析各个要素及其关系，建立数学模型； 最后，对数学模型进行优化选择并重新综合成整体。系统论以其思维方式的变革改变了传统的机械分析的思维方式，开启并形成了系统综合的思维方式，为人类理性认识客观世界提供了一种新的科学视角。2. 信息什么是信息？通俗地讲，信息是人们直接或间接感知的一切有意义的东西。在申农创立信息论之前，人们认为信息是无法定量描述的，比如一篇文章，一幅绘画或者一段音乐，谁也不敢告诉我们它们包含的信息量是多少。申农确立信息量的大小，引用了一个非常重要的概念——概率。概率是用来表示各种可能性实现的机会大小的一个量，人们把必然发生的事件的概率规定为1，把绝对不可能发生的事件的概率规定为0。我们可以通过概率来精确地计算信息量的大小。申农严格证明，如果某事物具有n种独立的可能状态： x1，x2，…，xn，每一状态出现的概率分别是p(x1)，p(x2)，…，p(xn)，且有关系∑ni=1p(xi)=1（即归一化），则该事物具有的信息量为H(X)=-∑ni=1p(xi)lgp(xi)式中X={xi}（i=1，2，…，n）。当对数的底取2（二进制），且n=2，p(x1)=p(x2)=12时，则H(X)=1，并以此为信息单位——比特（bit）。1比特就是含有两个独立的，等概率可能状态的事件所具有的不确定度被消除时所需要的信息量。要使一个系统从杂乱走向有序就要有信息，而信息的丧失则意味着杂乱程度的增加。可见，信息对于揭示事物的组织结构程度、研究物质和能量的时空分布不均匀程度以及系统的演化方向等问题，有着重要的意义。信息概念丰富了科学认识的范畴，为科学家认识客观事物的本质联系提供了新的重要思维工具，并使科学向着新的方向和更高的水平发展。例如，用信息概念来考察人的视觉，可知视觉是通过光信号进行的通信及接受过程。从信息传输来看，光信号包含振幅和频率两种信息，可是通常的照相只接收和处理其中的振幅信息，因此照出的像是平面的。当发现这种“失真”乃是信息不全所引起时，便产生了“完全信息”的思想，导致全息照相术的诞生。用信息方法揭示各种复杂系统的共同属性，使得生物系统中的生命现象； 神经系统中的记忆与指挥； 技术系统中的通信、控制、导航、计算机； 人类社会系统中的生产过程、经济管理、交通调度等，其物质构成和运动形态都极不相同，运用传统方法很难发现它们之间的联系。而信息方法则把它们统统看成通信和控制系统，通过研究它们共同存在的信息接收、存贮、加工和传输的变换过程，就能揭示其信息联系和共同属性。信息概念引入基因理论，把传输和反馈特性同控制论的思想相结合，使基因理论朝着揭示生物遗传奥秘的方向迈进了一大步。这引起分子遗传学乃至整个现代生物学发生了深刻的变革。今天，人类正进入信息时代，全球信息化是历史的必然。信息科学的迅速发展，将使人类的社会经济开始迈入一个崭新的时期。现在“信息”这个名词，几乎家喻户晓，信息就是数据、密码、情报。或者较准确地说信息是经过处理的数据，是知识的总称。在市场经济中，信息就是市场信息，其中最主要的是市场供求关系和市场价格情况。商品的更新要根据社会需求来安排生产。经济要发展，预测市场形势是十分重要的，而信息是预测的依据，也是决策的前提。在现代管理中信息管理具有极为重要的作用。管理过程就是系统的主客体以信息为中介，进行相互作用和相互联系的过程，也是主体对客体进行调控与协调的过程。信息及时有效的反馈和沟通，对于实现人、财、物等要素的良性循环，达到管理目标和优化管理效果，协调主体与客体、内部与外部的关系都具有特别重要的意义。信息是现代管理的中介，对个人来说“信息是机会，信息是财富”。信息意识的强弱，利用信息能力的高低，已成为衡量一个人或一个企业是否具备竞争力的重要标志之一。3. 控制维纳创立的控制论是从行为和功能的角度将生物和机器进行类比，把生物的目的性赋予机器； 用机器的负反馈概念去理解生物系统。一个控制系统，就是通过信息变换过程和反馈原理实现的。“控制”这个词，现在已经成为人们使用频率很高的常用口语了。一个系统的控制为什么能够实现呢？这是基于系统中的被控对象存在着可能性空间。什么是可能性空间呢？世界上许多事物并不是从一开始就注定要发展成现在这个样子的，在事物发展的初期，它们往往有多种发展的可能性，只是由于条件或者机遇的关系，最终才沿着某一特定的方向发展下去。一个系统中的被控对象也必定存在着多种发展的可能性，如果它的未来只有一种可能性，就无所谓控制了。比如，光在真空中的传播速度是恒定的，因此我们不可能控制光在真空中的传播速度。我们将事物的发展变化中的各种可能性集合称为这个事物的可能性空间。任何事物，都有它一定的可能性空间，但这仅仅是可能性而已，至于事物具体发展成为可能性空间中的哪一种状态，还要看条件而定。由此可见，控制的概念与事物的可能性空间密切相关，它是控制论中最基本的概念。所谓控制，就是人们根据自己的目的，改变条件，使事物的可能性空间缩小，沿着某种确定的方向发展，从而形成控制。因此，一切控制过程，实际都是由三个基本环节构成的： （1） 了解事物面临的可能性空间是什么； （2） 在可能性空间中选择某一些状态为目标； （3） 控制条件，使事物向既定的目标转化。控制论在系统科学中具有特别重要的地位，它是一门带有普遍性的横断科学。一般系统具有物质、能量和信息三个要素。但控制论只把物质和能量看做系统工作的必要条件（硬件），并不探究系统是用什么物质构造的，能量是如何转换的，而是着眼于信息方面。在控制论中，对系统的控制和调节不是通过物质和能量的反馈来实现的，而是通过信息的反馈来实现的。正如人类的认识过程，就是一个信息反馈控制和调节过程。控制论横跨生物、技术、社会和思维等领域，运用统一的科学语言、概念和方法处理这些领域中的问题。它不仅在自然科学和工程技术中都获得了广泛应用，而且也促进了社会科学的发展，具有重要的哲学意义。哲学研究的是一切物质动态系统的普遍发展规律，控制论研究的则是这些系统的控制和通讯的规律； 哲学研究的是一切物质动态系统在物质、能量和信息方面的普遍联系，控制论研究的则是这些系统在信息方面的联系，并应用数学模型对这种联系进行精确的定量描述。今天，人们并没有把控制论的研究成果停留在一般原理，而是进一步把控制论的思想和原理运用到社会经济、生命生态等领域里去，得出一些很有启发性的观点和结论，这就增强了控制论的时代性和现实性。1.1.2“新三论”20世纪70年代兴起的耗散结构论、协同学和突变论是系统科学的发展，它们是一批关于非平衡系统的自组织理论，在我国有所谓“新三论”之说。虽然这样的说法并不全面，未能涵盖混沌学、分形理论等，但也是一种约定俗成的称谓。耗散结构论的创始人是比利时著名科学家普利高津（I.Prigogine），他认为： “非平衡是有序之源”，并且是“通过涨落的有序”。涨落又称起伏，是指物质系统处于平衡状态时的各种宏观物理量（如温度、压力、浓度、密度等）在平均值附近的起伏摆动。这种涨落普遍存在于自然界的各种系统结构之中。在一般情况下，小的涨落会自生自灭，并不影响系统结构的稳定性。但是，涨落如果发生在系统远离平衡的非线性区，涨落就会放大形成巨涨落，它使系统离开原来的状态或轨道，从而破坏原有系统结构的稳定性，为系统形成新的有序结构创造条件。协同学的创始人德国著名科学家哈肯（Hermann Haken）也十分强调涨落的作用。他指出，系统处于相变点，涨落有两个作用： 其一，推动粒子离开稳定态； 其二，形成对称性破缺。协同学还进一步揭示，系统从无序形成有序结构的机理，不在于热力学平衡或热力学不平衡，也不在于离平衡有多远，而在于事物系统本身所固有的一种调节能力和协同作用，或者说自组织能力，它是系统自身存在和发展的动力。自组织能力促使各子系统之间耦合，产生相干效应，这种相干效应是一种整体效应，它使各游离状态的子系统按一定方式在大范围内相互连接、相互促进，从而产生新的质，形成新的结构。突变论是法国数学家托姆（R.Thom）提出来的，他告诉我们，在自然界和人类社会活动中，除了存在连续的、渐变的、平滑的运动过程之外，还存在着大量的突然变化和跃迁现象。突变现象表现出来的一个特点是外界条件的微变导致系统宏观状态的剧变，这只有在非线性系统中才能出现。突变论提供了一种研究所有跃迁、不连续性和突然质变的更普遍的数学方法，是耗散结构论和协同学的数学基础和工具。“新三论”使人类对客观世界的认识水平从平衡态到非平衡态，从确定性到非确定性，从线性到非线性，从连续性到非连续性，从他组织到自组织，从简单性到复杂性推进。它几乎涉及自然科学和社会科学的各个领域，并正在改变人们对客观世界的传统看法，深刻地影响着人们的思维方式和方法。1.1.3复杂系统论从20世纪80年中期开始，在国际上兴起了复杂性的研究热潮。复杂系统理论就是研究复杂系统中各组成部分之间相互作用所涌现出复杂行为、特性与规律的科学，尽管目前它仍处于萌芽和发展阶段，但已受到国内外科学界的广泛重视。什么是复杂性和复杂系统？现在尚无完整而准确的描述。不同的研究者可以从不同角度加以认识，从而形成了许多学派。我们认为，在今天，不同层面和角度的复杂系统理论研究都具有独特的价值和意义。但当今在国际上影响较大的大致有如下三种学派。1. 非线性自组织理论耗散结构论和协同学等自组织理论，其研究对象都是复杂系统，研究目标都是探索大自然的复杂性，只是从不同角度揭示了复杂现象的规律。自组织理论研究的基点是： 系统的组成元素是无机物，是“死的”，也就是我们所说的简单巨系统。自组织理论学派的基本路线是把物理、化学的系统概念和体系拓宽到生物系统、经济系统和社会系统，努力使这些理论普适化，试图构建自然科学与人文科学的桥梁。他们的工作激发了人类用自然科学的精确方式来解读社会与人的精神世界。在关于复杂性产生的问题上，普利高津等人认为涨落、分岔、相变等在系统进化中起着决定性作用。涨落可以来自系统内部，也可以来自系统外部，涨落不可避免，而且是随机的，没有涨落就没有进化。他们的观点可以归结为： 涨落造就复杂性。非线性自组织理论的创立改变了人们对客观世界的传统看法，是人们对系统运动和演化规律认识的一个飞跃。但是，非线性自组织理论遇到了求解非线性微分方程的困难，还有待进一步研究。2. 复杂适应系统理论复杂适应系统理论主要指美国圣塔菲研究所的工作，其宗旨是开展跨学科、跨领域的复杂性研究。他们致力于冲破牛顿以来一直统治着科学领域的线性的、决定论的思维方法，试图在经济、生态、免疫、胚胎、神经网络等不同的复杂系统之间找出其共性——复杂性。复杂适应系统的基本思想可概括为： 将系统的组成元素统称为主体，并强调主体是具有主动性，适应性的“活”的实体。所谓主体具有适应性，就是指它能够与环境以及其他主体进行持续不断的交互作用，从中不断地“学习”或“积累经验”，并且能够利用学到的知识经验改变自身的结构和行为方式，以适应环境的变化以及与其他主体协调一致，并能促进整个系统的发展、演化或进化。复杂适应系统理论认为系统的复杂性来源于适应性，由于其思想独到，该理论受到了人们的广泛关注。3. 开放的复杂巨系统理论1990年，中国著名科学家钱学森等人首次向世人公布了“开放的复杂巨系统”这一新的科学概念，认为“复杂性实际上是开放的复杂巨系统的动力学特性”。即构成系统的元素不仅数量巨大，而且种类极多，彼此之间的联系与作用很强，它们按照等级层次方式整合起来，不同层次之间界限模糊，甚至包含几个层次也不清楚，这种系统的动力学特性就是复杂性。钱学森等人认为，简单大系统可用控制论的方法，简单巨系统可用统计力学的方法，这些方法还属于还原论的范畴，但开放的复杂巨系统，不能用还原论的方法，而应该运用人机结合、以人为主的“从定性到定量的综合集成法”来解决复杂性问题。综合集成方法是一种研究方法，也是一种技术，还可以作为一项综合集成工程。这里包括了理性的、感性的、经验的、科学的、定性和定量知识的综合集成。综上所述，复杂系统理论更强调系统的开放性、动态性、长程相干或非线性、内随机性、要素的自主性等基本特征。从而把还原论和整体论、决定论和非决定论等辩证地统一起来，形成一种综合性的研究纲领，被称为支持科学决策和可持续发展的重要学科，是科学发展观的理论基础之一。1.2系统科学的研究对象系统科学的研究对象无疑是系统，然而世界上的具体系统为数众多而又千差万别。如太阳系是一个系统，人体是一个系统，一个国家是一个系统，一个企业是一个系统，一个家庭也是一个系统，整个世界就是系统的集合。系统科学究竟以什么系统作为研究对象呢？这涉及系统的分类问题。系统是多种多样的，可以根据不同的原则和情况来划分系统的类型。但是，目前尚没有公认的、统一的系统分类方法，这里仅根据实际应用的发展，着重讨论以下几类系统。1.2.1简单系统简单系统是指组成系统的子系统数量较少，它们之间的关系比较简单，如一台测量仪器，这就是简单小系统。如果子系统数量相对多，如一个工厂，则可称简单大系统。简单系统一个共同特点是在系统中的元素往往是同质的，同一类的元素很多，它们的结构、功能都是一样的。比如，在早期的生态系统中，几乎都是同样的单细胞生物； 原始社会中，几乎所有的人、所有的家庭从事的生产活动都是相同的。对于简单系统通常采用传统的把整体分成局部，从而约简到研究个体，再综合成整体的还原论方法来处理。这可以说是直接的做法，没有什么曲折，顶多处理简单大系统时，要借助于大型计算机。