2016年系统工程理论基础

2.3系统工程理论的发展趋势2.3.1自组织理论•1）普里高津（I·Prigoginer）白俄罗斯人，1917年生于莫斯科，2003年卒于布鲁塞尔•1941年毕业于比利时自由大学，获博士学位•1965年提出耗散结构概念•1977年获NOBEL化学奖•1978年出版《非平衡系统中的自组织》专著•主要论著有《从存在到演化》、《从混沌到有序》、《探索复杂性》、《确定性的终结》•形成布鲁塞尔学派一、代表人物2）哈肯（H·Haken）•1927年出生德国莱比锡，•1960年任斯图加特大学理论物理学教授•研究领域：群论、固态物理、激光物理、统计物理、非线性科学•1972年提出协同学理论•1984年获德国功勋科学家称号•编辑出版协同学丛书二世界的认识，•1）宇宙是静止的：牛顿周期运动，“天不变，道亦不变”。赶走了神学，日心说，加俐略等开始实证科学•上帝第一推动力，留了一个尾巴•宇宙是演化的：“一个人不能两次迈进同一个河中”，“子在川上曰：逝者如斯夫”，大爆炸理论。•时间箭头问题：四维时空，时间反演不对称。2）演化中的矛盾•无生命世界的退化：扩散、传导、辐射。走向简单、均匀、平衡。•生命世界的进化：发展（生命、社会、经济）、进步。走向复杂、结构、非平衡。•小农经济——资本主义经济，社会分工、马太效应3）科学家质疑（1）•有件事情牛顿是应该负责任的——或者更确切地说，负有责任的还不仅仅是牛顿一个人，而且一般来讲应该是整个现代科学——这件事情就是把我们的世界一分为二。我曾经说过，现代科学早已把分割天体和地球之间的壁垒推倒，并且由两者结合起来，统一成为一个整体宇宙。这是千真万确的。但是我还曾说过，现代科学对宇宙的研究表明，它是研究另外一个世界，即量的世界，一个奇妙的几何世界，在这个世界中一切事物都有其位置，但却没有人的位置，它用这个世界取代我们赖以生存、爱慕、传宗接代、充满感性认识的质的世界。从而，科学的世界——真实的世界——远离生活的世界，完全与之分离开来，科学对它也无力解释，即使是做出一种软弱无力的解释，也只能是“主观的”表面现象。质疑（2）•事实上，由于科学实践，这两个世界几乎是每天——而且是一天比一天更甚地——结合起来。但是作为理论，它们由于根本的分歧总还是彼此分离的。•两个世界，也可以说两个真理，或者说没有任何真理。A·果耶尔（Koyre）1968质疑（3）•近代科学中最重要的间隙是什么？显然是物理科学与精神科学的分离。实际上物理学家和心理学家之间毫无共同之处——或许，物理学家为心理学方面较肤浅的研究提供的某些工具可以除外，而心理学家警告物理学家要小心以免所隐藏的欲望影响他的思考和发现魏格纳（Wigner）19694）理论的核心成果•自然界（无生命界）存在进化现象，•进化、退化依环境条件的变化，而改变。•针对自然界进化现象建立理论•应用该理论研究社会问题三、自然界的进化现象•贝纳德花样•振荡化学反应•激光•岩石花样、云彩花样、雪花自组织的典型现象——远离平衡态的非线性系统中的现象自组织现象——某一系统中自发形成的时空有序结构或状态。1、贝纳德对流液体均匀加热T2T1T2T1在一水平容器中放一薄层液体，从底部徐徐均匀地加热，开始液体没有任何宏观的运动。当上下温差达到一定的程度，液体中突然出现规则的六边形对流图案。返回返回贝纳德对流1900年，法国科学家贝纳德(E.Benard)做了一个著名的对流实验。返回返回2、B—Z反应50年代初，俄国化学家别洛索夫用柠檬酸、溴酸钾、硫酸作配剂，用铈盐作催化剂进行实验，发现柠檬酸在稀释的硫酸中被溴氧化，铈离子在3价4价间振荡，溶液在无色透明至淡黄色间周期变化。这是一种时间周期性的化学反应。又称化学钟反应。1963年，从莫斯科大学生物化学系毕业的扎鲍廷斯基对别洛索夫的配方做了一些修改，主要是用铁盐代替了铈盐，使颜色更鲜艳地从蓝变红。（1）化学钟返回返回（2）化学波“BZ反应”除了溶液颜色周期性变化外，还表现为多种多样的波动,这又是一种空间周期性。信息由中心向外传播，空间对称性发生破缺。对称破缺——生命的基本特征，自组织特征。返回返回3、激光激光——同频率、同相位、同偏振方向自然光——频率、位相、偏振方向不同粒子数反转受激辐射具有自组织特征返回返回雪花返回返回四，1）自然界的进化现象分析•分类：空间结构、时间结构、时空结构•与晶体比较：活结构；存在一定尺度；微观、宏观运动不同。•维持条件：物质、能量、信息供给（开放）；非线性相互作用；远离平衡态；存在涨落。1（续）现象分析——自组织而非控制•经过对称破缺达到有序结构，非任意目的控制•对称的条件得到非对称结果；“控制力度”渐变，结果突变——非常规“控制”•存在触发条件——“控制”具有随意性（出现时间、地点）•内部相互作用，“自发”、“自我”控制耗散结构理论（DissipativeStructure）物理学的困惑：牛顿力学电磁理论相对论量子力学22dtdrmF22222222tEzEyExEdtdddddvmvtmtvmF)(222402222Ψ2tΨcmxΨc具有时间反演不变性返回返回不可逆性分子物理热力学过程的不可逆性：系统的演化具有时间箭头——熵增的方向。oxtoxt0x力学系统热力学系统返回返回进化论与退化论平衡态热力学的热寂说热力学系统总是由非均匀、对称性少的状态向熵极大的、均匀的、对称性多的平衡态演化。——退化生物系统总是从简单、单一和均匀向复杂、多样和不均匀演化。——进化达尔文的进化论：返回返回普利高津普利高津被“时间悖论”惊呆了。经过刻苦研究，他认为，要把热力学和动力学，热力学与生物学统一起来，就必须研究非平衡态的结构，必须研究更为普遍的热力学理论。1969年，在一次“理论物理与生物学”国际会议上，比利时布鲁塞尔学派的领导人普利高津教授（1977年获诺贝尔化学奖）针对非平衡热力学和统计物理学的发展提出了一种新理论———耗散结构理论。返回返回1945年，普利高津在原有理论基础上得出最小熵产生原理。这一原理和昂萨格“倒易关系”一起为近平衡态线性区热力学奠定了理论基础。但发现近平衡态线性区不能产生进化的系统，所以促使他试图将这一原理延拓到远离平衡的非线性区。经过20多年的努力，他终于与布鲁塞尔学派的同事们创立了耗散结构理论。耗散结构——消耗能量，吸收物质信息产生有序结构的稳定系统。返回返回•耗散结构理论可概括为：一个①远离平衡态的②非线性的③开放的系统(不光是热力学系统，还包括物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)•通过④不断地⑤与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的⑥阈值时，通过⑦涨落，系统可能发生⑧突变（即非平衡相变），由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。•远离平衡态是相对于平衡态和近平衡态而言的。•平衡态是指系统各处可测的宏观物理性质均匀(即可逆过程)的状态。•远离平衡态是指系统内可测的物理性质极不均匀的状态。•耗散结构理论所给出的系统是一个高熵产的、宏观上有序的状态。远离平衡态非线性•系统产生耗散结构的内部动力学机制，正是子系统间的非线性相互作用。•在临界点处，非线性机制将微涨落放大为巨涨落，使热力学分支失稳，在控制参数越过临界点时，使系统稳定到新的耗散结构分支上。耦合•耦合是指在开放条件下，很多复杂因素共同加强或削弱某一因素的行为。耦合不是单纯的线性叠加，而是多种因素作用的结果。耦合现在在进化系统中非常普遍。人们常说的“墙倒众人推”就是一种耦合现象。•复杂系统的结构更迭就是因为开放系统具有“耦合”功能，它可以共同加强微小涨落，最后使之成长为“巨涨落”，从而形成新的结构。开放系统•热力学第二定律告诉我们，一个孤立系统的熵一定会随时间而增大，熵达到极大值，系统达到最无序的平衡态，所以孤立系统绝不会出现耗散结构。•那么开放系统为什么会出现本质上不同于孤立系统的行为呢？•其实，在开放的条件下，系统的熵增量dS是由两部分组成的：系统与外界的熵交换deS和系统内的熵产生diS，即：dS=deS+diS•热力学第二定律只要求系统内的熵产生非负，即diS≥0，然而外界给系统注入的熵deS可为正、零或负，这要根据系统与其外界的相互作用而定。•孤立体系的最后必然要达到最大值，使系统达到平衡态，即，“死亡”状态；这种状态字热力学系统中到处可见。•如果把它推广到人类历史发展领域，也可以得出一个结论：对于一个封闭的社会，最后也必然会进入平衡、停滞的状态。中国封建社会停滞两千多年，其根本原因就是社会封闭。涨落•一个由大量子系统组成的系统，其可测的宏观量，是众多子系统的统计平均效应的反映。•但系统在每一时刻的实际测度并不都精确地处于这些平均值上，而是或多或少有些偏差，这些与平均值的偏差就叫涨落，涨落是偶然的、杂乱无章的、随机的。•在正常情况下，由于热力学系统相对于其子系统来说非常大，这时涨落相对于平均值是很小的，这些涨落可以被忽略掉。•然而，在临界点附近，情况就大不相同了，这时涨落可能不自生自灭，而是被不稳定的系统放大，最后促使系统达到新的宏观态。突变•在临界值处，原热力学分支失衡，产生新的稳定的耗散结构分支，在这一过程中系统从热力学混沌状态转变为有序的耗散结构状态，其间微小的涨落起到了关键的作用。•这种在临界点附近控制参数的微小改变导致系统状态明显的大幅度变化的现象，叫做突变。耗散结构的出现都是以突变方式实现的。奇怪吸引子•当复杂系统处于突变过程的时候，一些运动体达到了相当大的规模，这些运动体即是奇怪吸引子。•而系统内部在最后阶段的宏观运动总是围绕这些奇怪因素运动的。它们的行为非常古怪，无法琢磨。•奇怪吸引子很常见，每一次朝代更迭，或大的社会变革都会出现。•历史变革的进程都有一个共同的特征，即，1开始出现社会不稳定，2出现较大的力量团体，即奇怪吸引子。3这些奇怪吸引子就出现矛盾冲突。4在冲突过程中大量的吸引子被消灭，5最后在两个巨大的吸引子之间展开斗争，6有一个又被消灭，形成了新的系统结构，即，完成了一次突变过程，使进化运动又向新的一个高度前进了一步。举例•1、人的生命在于运动，利用非线性相互作用。•2、保持开放。•3、有赏有罚带来涨落。•4、企业引入竞争机制，维持非平衡态。•5、持续上述过程，然后等待突变，引起升华。耗散结构的特征耗散结构——系统通过不断与外界进行能量与物质交换所形成的时空有序结构。平衡结构——不受外界影响，宏观结构不变，如晶体。1、时空有序结构2、对称破缺——对称性降低Benard对流：空间平移对称性破缺B—Z反应：空间平移和时间平移对称性破缺激光：时空对称性破缺返回返回3、非线性相互作用——流与力的关系为非线性4、状态突变——分岔Benard对流：T较小时流力线性关系T较大，达到或超过临界值时，流与力的线性关系被破坏。非线性关系导致对流结果。c控制参量T反应物浓度泵浦功率无序有序返回返回分岔与耗散结构热力学平衡态较高的对称性耗散结构对称性降低（破缺）耗散结构的对称性破缺是由分岔引起的。xo)1()4()3()2()0()5()6(热力学平衡态失稳分岔非平衡定态失稳分岔远离平衡态返回返回耗散结构产生的条件1、开放开放系统的熵变为ssseidddsidsed——系统内各种过程的熵变——系统与外界进行物质与能量交换引起的熵变（熵流）sid0dse当ssiedd且因——系统无序有序返回返回条件2、远离平衡态普里高津：“非平衡是有序之源。”3、非线性相互作用非线性是产生系统新的性质和功能的前提。例：洛仑兹大气对流方程bzxytzxzyrxtyyxtxdddd)(dd非线性项非线性项4、涨落许多系统动力学方程为非线性的。返回返回非线性的特点①线性关系是互不相干的独立贡献，而非线性则是相互作用。如ｘ代表某种昆虫的数目，每个昆虫产α个卵，其下一代总数为：ｙ＝αｘ然而，ｘ个昆虫由于争夺食物而咬斗，则咬斗事件数目为：ｙ＝ｘ(x-1)/2②线性作用没有新东西产生，而非线性作用会有新东西产