对系统学的初步认识

对系统学的初步认识系统学是当代的新兴科学。从19世纪末开始，科学就进入了现代发展阶段。20世纪以来，现代科学最主要的趋向是整体化，包括高度综合与高度分化；而由分化所产生的各种边沿性交叉学科又成为整体的一种重要形式。所以这时候就迫切需要有一套统一的科学理论，以便横向贯穿各门学科，建立各门学科之间的准确联系。此外，既然传统的科学研究方法只适合简单系统，不适合复杂系统；而对复杂系统的研究又成为当代人类面临的迫切问题。因此，在科学和应用需要的双重推动下，系统科学应运而生。系统科学中包含许多理论，如系统论、控制论、信息论、耗散结构理论和协同学、一般生命系统理论和超循环理论、熵经济学理论和定量社会学等等。什么是系统？系统在我们的日常生活中经常出现，比如说由原子核和各层电子所构成的原子是一个系统；由太阳和八大行星构成的太阳系也是一个系统；一台机器、一个工厂、一个观测站、一个国家等等。总的来说，系统就是由相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的事物或过程组织成的具有整体功能和综合行为的统一体。一个系统包括若干个子系统，但它本身又是另一个更高层次系统的子系统。系统无处不在，研究系统的一般理论和方法，称为系统论。钱学森从工程控制论的角度把系统定义为：“我们把极其复杂的研究对象称为‘系统’，即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，而这个‘系统’本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。”而在美国，系统被定义为：有组织的或者被组织化的整体；结合着的整体所形成的各种概念和原理的综合；由有规则的相互作用、相互依存的形式组成的诸多要素的集合。在日本的JJS工业标准中，系统被定义为：许多组成要素保持有机的秩序，向同一目的行动的东西。系统都有一定的结构，都离不开环境，都具有一定的功能。系统包括两个以上，以致许多个相互联系的部分。系统内部的这些部件之间有着自己特有的相互结合方式或构成形式，这种系统内部各部件的组织形式称为系统的结构。尽管部件相同，但结构不同，各系统之间也会呈现出质的差别。例如，各种化学元素的原子都由质子、中子和电子构成，但其结构不同，各元素的性质就千差万别。在系统内部各部分之间存在着错综复杂的相互影响，存在着信息流、能量流和物质流的交换，这种关系不仅是多元的而且往往是多层次的交叉和反馈。例如人体的内部内部神经系统、血液系统、呼吸系统、消化系统等各子系统之间就存在着极其复杂的相互作用。系统的结构和内部联系是一种客观存在，毫无联系的部分不能构成系统。任何系统都存在于一定的环境中，系统和周围环境之间同样存在着信息流、能量流和物质流的交换。环境作用于系统的因子称为系统的输入，又可称为原因变量或者激励因子。系统作用于环境因子称为系统的输出，又可称为结果变量或系统对激励的响应。输入和输出可以同时发生，也可以之后相当一定时间再发生，但不可以超前发生。输入和输出可以是变量，也可以是向量。一定结构的系统在特定的环境下所发挥的作用和能力，称为该系统的功能。具体体现在为系统对输入的响应能力（输出）。在条件近似的情况下，一个研究所比另一个研究所能多出高质量的成果，多出优秀的人才，显然前者比后者的效率高，也就说功能好。可见，有什么样的内在结构就会产生什么样的功能。但功能也会反作用于结构。当外界条件迅速发生变化时，系统不能有效的适应环境，功能不能正常发挥或者处于低效率时，就会刺激并逼迫结构的改革。这种例子在生物进化和社会进步中是屡见不鲜的。对系统的结构、环境和功能的综合研究，将导致对系统行为的预测，即根据过去和现在的输入，来预测系统现在和未来的输出；如果这种输出不能令人满意的话，还可以研究一套如何改变输入甚至改变系统结构，来使得系统的输出达到优化。可见，系统论、控制论和信息论的方法和知识。无论是对自然科学还是对社会性科学，都具有重大的实际意义。系统可以根据不同的研究目的分为很多类。比如自然与人造系统、实体与概念系统、静态与动态系统、封闭与开放系统、白箱与黑箱系统、小型与大型系统和专业对象系统。下面将介绍集中分类系统：自然系统是由自然物质所组成的系统，它是在大自然的发展过程中自然形成的，如气象系统、海洋系统等。而人造系统是由人工造成的各要素构成的系统，如各种工程技术系统等。人类活动离不开自然环境，实际上大多数系统都是自然和人造系统的复合系统。因此，在设计和构建人造系统（大型水电工程、核电站、大工厂等）时，必须把人造系统和周围的自然环境作为一个有机联系的动态大系统，统一地进行综合研究和未来预测，以便最优化地处理好两者之间的关系。实体系统是以物质实体为构成要素所组成的系统。概念系统的构成要素是概念，是思想、理论、定理、原理、方法、依据等。一个系统要有高效率，应该特别注意实体与概念相结合，硬件与软件相结合。输出变量仅依赖于同时刻输入变量的值，而不依赖于后者过去的值，这种系统称之为静态系统，又称为无记忆系统。例如，对于线性的固定电阻值来说，任何时刻t的电流数值仅依赖于同一时刻的电压值。而动态系统是指输出变量的值不仅依赖于同时刻的，而且还依赖于过去输入变量的值。严格来说，一切系统都是动态系统。已建好的桥梁，从宏观上看是不变的，但从微观上看仍然是变化的。为了简化研究程序，有时候根据研究的目的，可将某些动态系统作为静态系统处理。系统不仅分类多样，它还具有多个特点。如：（1）综合性系统由两个以上的多个部件组成，是部件群体的综合。系统又和环境有着密切的联系，存在着多输入、多输出的关系。系统在运动变化着，它的未来不仅取决于当前，也取决于过去。可见，系统不仅是多部件、多因子的综合，也是空间联系和时间联系的综合，也是各种能量流、物质流和信息流的综合。只有把一个系统放置在一定环境中，在运动和发展过程进行考察，从结构、环境、功能多方面综合的研究，才有可能揭示这个系统的特性。（2）整体性系统不是各部分元素杂乱无序的偶然堆积，而是由各部分组成的有机整体。整体的性质和规律存在于各部分的相互联系、相互作用中，系统的整体性并不等于它的各个组成部分功能的总和，它具有各个组成部分所没有的新功能。因此，系统可能通过最优化途径从整体上获得增益。（3）层次结构系统具有层次结构，系统越复杂，层次就越多。同级结构之间有一定的独立性又有联系性，相当于并联；不同等级结构之间相当于串联。一个系统既有属于自己的子系统，而它本身又从属于另一个更大的系统。（4）信息联系维纳说过，任何系统都是信息系统。依靠信息，使系统的各部分之间、各层次之间联为一个整体，并和环境再连接成为一个更大的整体。有信息联系，系统才能产生反馈、调节、控制、最优化、组织性、适应性等一系列性能。（5）目的性所谓目的，就是在给定环境中，系统只有在目的点或者目的环上才能稳定下来，离开了就不稳定了。系统要把自己拖到目的点或者目的环才能罢休。这个点或者环就是系统的目的。（6）学习性系统可以在运行实践中，通过观察和类比进行学习，从而完善自己的功能。（7）适应性改变一个系统的性质（结构及其行为方式），使它能够在变化着的环境中达到最好的，至少是能允许的功能，这就称之为系统的适应性。（8）组织性系统内部各部分之间的有秩序的状态，称为系统的组织性。按照热力学第二定律，在一个孤立的系统中，任何自发变化只能导致它的熵的增加，即混乱程度增加，有序性和组织性减少。因此，系统为了保持甚至增加它的有序度，就必须从环境中吸收负熵。接下来，我们将分析一下层次结构与功能。自然界的物质形态变化万千，但不同的物质形态都不是孤立存在的，总是处于一定的层次系统中。它和本层次的其他系统或者更高层次及更低层次的另一些系统进行着信息流、能量流和物质流的交换。这种即有区别，又有联系，纵横相连的不同系统层次，构成了自然界发展演化与普遍联系的整体图像，体现了多群性和整体性的统一。要对物质形态进行更加深刻的研究和探讨，就必须要探讨该物质形态所处的系统层次和其内含的系统层次。地球及其周围环境的层次性很明显，比如可以分为：银河系—太阳系—电离层—平流层—对流层—地壳层—地幔层—地核等相互包容的层次。在各层次之间存在着能量流交换（例如热能、光能、电磁能等），物质流交换（水、气、射线、粒子等），并表现出各种力的交错控制、调至耦合（例如引力、摩擦力、电磁力、光压力等会）。显然对任何一个层次都不应该也不可能分割孤立研究，而应该和有关的层次结合，用动态大系统的整体观点进行研究。地球表层是和人类最直接有关系的那部分地球环境，上至温度层，下至岩石层，这是一个开放的系统。社会经济系统也普遍具有层次结构。以一个工厂为例，它可能具有总厂—分厂—部门—车间—班组的系统层次。由于人的参与，使这种系统比起纯机器系统或者纯自然系统，具有大得多的不定性与随即扰动。其功能模型是一个维数很高的动力学模型，具有随机变化着的结构与参数。怎么样控制这种系统呢？一种是集中控制，另一种是层次控制，理论和实践均证明后者优于前者。集中控制的缺点在于：1）由于调节权利不属于系统的各部分，而仅属于唯一的控制中心。致使整个系统表现出高度的“刚性”调节，效率低，功能差。甚至可能由于系统的不变结构和进化演变矛盾的急剧扩大，而造成系统解体。2）由于全部信息均由控制中心处理，致使中心处理信息的负担过重，容易造成决策失误。3）控制中心出现的任何错误均会强烈的影响整个系统。但是层次结构可以避免上述缺陷。它把系统分为若干个子系统，逐级实施反馈控制。在层次控制中，低层次只能解决一些局部的较为简单和具体的控制问题。较高层次对下属较低层次中的各个子系统进行协调，在更大范围内进行概括程度更高的控制。来自被控制系统状态的信息，以越来越概括的形式，从低层次传输到高层次。而控制指令，则由高层次在掌握整个系统概况的基础上以最一般化的形式产生。随着指令向低层次传送，它们就逐次变得越具体。由于每一层次都是一个分担总体目标，并在一定范围内又相对独立的信息反馈系统，因而能够及时地对各种随机性的变化做出恰当的反应，使整个系统具有强韧性和弹性。此外由于每一控制层次都只有几个下属系统和几个相邻系统，只要处理好它们之间的信息联系就达到目的。无论系统怎样庞大和复杂，直接关联的系统总能保持较低数目。因此每个层次所处理的信息量不会过于庞大和杂乱，从而提高了决策的及时性和正确性。层次控制结构的一般原理，无论对国民经济系统，还是行政系统都是适用的。这种结构和信息传送反馈方式，有助于系统的稳定、改善功能和增强应变与适应能力。