系統(tǒng)與復(fù)雜理論演示文稿

第九講

系統(tǒng)科學(xué)與困難理論老師科學(xué)素養(yǎng)教研室案例分析：一舉而三役濟(jì)北宋皇宮著火，燒成廢墟，皇帝吩咐大臣丁謂限期重建。

丁謂經(jīng)過(guò)實(shí)地考察，提出：在皇城前的大道上取土燒磚，形成河道后引進(jìn)汴水，然后用船把建筑材料運(yùn)入工地，皇宮修好后，用工程遺留下來(lái)的碎磚廢土填塞河道，修復(fù)原來(lái)的大道。一、系統(tǒng)科學(xué)概述（一）系統(tǒng)科學(xué)的性質(zhì)和特點(diǎn)1.什么是系統(tǒng)科學(xué)？系統(tǒng)科學(xué)是從系統(tǒng)的整體性、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的角度去探討客觀世界，探求客觀世界中系統(tǒng)、信息、限制之間的聯(lián)系及其性質(zhì)和規(guī)律性的科學(xué)。系統(tǒng)整體性結(jié)構(gòu)功能系統(tǒng)系統(tǒng)信息控制2.系統(tǒng)科學(xué)的性質(zhì)¤系統(tǒng)科學(xué)是探討系統(tǒng)的基礎(chǔ)學(xué)科?？茖W(xué)體系自然科學(xué)：研究客觀世界中物質(zhì)在時(shí)空中的運(yùn)動(dòng)。社會(huì)科學(xué)：研究客觀世界中人類社會(huì)的運(yùn)動(dòng)和發(fā)展。系統(tǒng)科學(xué)：從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的角度研究客觀世界。行為科學(xué)：研究個(gè)人和社會(huì)的相互作用。思維科學(xué)：從人認(rèn)識(shí)客觀世界的角度研究客觀世界。數(shù)學(xué)科學(xué)：研究客觀世界中數(shù)量與質(zhì)量的辯證統(tǒng)一。人體科學(xué)：研究人體在客觀世界的運(yùn)動(dòng)和發(fā)展。文藝?yán)碚摚貉芯咳伺c客觀世界相互作用后達(dá)到的美感。軍事科學(xué)：研究客觀世界中不同集團(tuán)之間的矛盾和斗爭(zhēng)。地理科學(xué)：研究人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。3.系統(tǒng)科學(xué)的特點(diǎn)①系統(tǒng)科學(xué)是橫斷科學(xué)；②系統(tǒng)科學(xué)的綜合性；③系統(tǒng)科學(xué)的抽象性；④系統(tǒng)科學(xué)的數(shù)理性。（二）系統(tǒng)科學(xué)的探討對(duì)象系統(tǒng)科學(xué)以系統(tǒng)現(xiàn)象、系統(tǒng)問(wèn)題為探討對(duì)象。困難簡(jiǎn)潔無(wú)組織有組織ⅠⅢⅡⅣ（三）系統(tǒng)科學(xué)的體系結(jié)構(gòu)哲學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)科學(xué)工程技術(shù)系統(tǒng)科學(xué)系統(tǒng)學(xué)運(yùn)籌學(xué)巨系統(tǒng)理論限制論信息論系統(tǒng)工程自動(dòng)化信息技術(shù)馬克思主義哲學(xué)思維科學(xué)自然科學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)社會(huì)科學(xué)（系統(tǒng)論）數(shù)學(xué)突變論基礎(chǔ)科學(xué)物理學(xué)生物學(xué)其他技術(shù)學(xué)科（四）系統(tǒng)科學(xué)的歷史和現(xiàn)狀1.系統(tǒng)的思想淵源赫拉克利特德謨克利特柏拉圖亞里士多德（火）（邏各斯）（理念）（四因說(shuō)）2.系統(tǒng)科學(xué)的形成系統(tǒng)工程系統(tǒng)理論系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展線索貝塔朗菲一般系統(tǒng)論維納控制論申農(nóng)信息論米勒一般生命系統(tǒng)論普利高津耗散結(jié)構(gòu)理論哈肯協(xié)同學(xué)生物工程社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)工程、仿生學(xué)、人工智能等（五）學(xué)習(xí)系統(tǒng)科學(xué)的現(xiàn)實(shí)意義1.豐富人類學(xué)問(wèn)寶庫(kù)；2.幫助確立辯證唯物主義哲學(xué)觀；3.促進(jìn)科學(xué)思維方式的轉(zhuǎn)變；4.推動(dòng)工作方式的變革；5.促進(jìn)決策的科學(xué)化；6.加強(qiáng)科學(xué)管理。二、走進(jìn)系統(tǒng)圖景（一）放寬系統(tǒng)的視野1.東西輝映，異曲同工2.沖突重重，疑竇叢生3.走出系統(tǒng)，溶與系統(tǒng)西方：推理印度：直覺(jué)中國(guó)：統(tǒng)覺(jué)先拆開(kāi)，再拼回。整體的統(tǒng)一性。和合。思維的淵藪王國(guó)維：古今之成大業(yè)、高校問(wèn)者，必經(jīng)過(guò)三種之境界：“昨夜西風(fēng)調(diào)碧樹。獨(dú)上高樓，望盡天際路”，此第一境也；“衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴”，此其次境也；“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處”，此第三境也。(看山是山，看山不是山，看山還是山）還原論；形而上學(xué)；系統(tǒng)論?？茖W(xué)的呼喊科學(xué)：沖突重重科學(xué)：須要反思世界是簡(jiǎn)潔的，還是困難的？世界是從有序走向無(wú)序，還是無(wú)序走向有序？物理學(xué)生物學(xué)力學(xué)拉普拉斯決定論隨機(jī)性偶然性科學(xué)的來(lái)源是什么？她的歸宿又在哪里？學(xué)科與學(xué)科之間的聯(lián)系何在？系統(tǒng)觀將來(lái)遠(yuǎn)古15世紀(jì)18世紀(jì)20世紀(jì)40年頭20世紀(jì)60年頭宇宙論機(jī)械論系統(tǒng)論限制論信息論耗散結(jié)構(gòu)論突變論協(xié)同論一粒沙中見(jiàn)世界全息論部分是整體信息的濃縮；整體是部分放大。1980年，《潛科學(xué)》雜志發(fā)表了我國(guó)學(xué)者張穎清的《生物全息律》，首次提誕生物全息律。1.進(jìn)一步消退了整體和部分之間的隔閡；2.豐富和深化了整體和部分之間的相關(guān)性；3.供應(yīng)了一種新的相識(shí)方法；4.為預(yù)料分析和泛化分析供應(yīng)了依據(jù)。非系統(tǒng)理論及其思索志向的非系統(tǒng)狀態(tài)，在空間分布上具有各向同性、勻整性、二點(diǎn)之間距離不等性三個(gè)特點(diǎn)。在這一范圍中，信息量等于零，而熵?zé)o限大，它沒(méi)有任何系統(tǒng)，到處是單一的重復(fù)，確定的混亂。①相對(duì)性原則；②主體性原則；③不完全原則；④否定原則。（二）系統(tǒng)論1.系統(tǒng)的概念系統(tǒng)是存在于確定環(huán)境之中的，由若干相互聯(lián)系、相互作用的要素所構(gòu)成的，具有特定功能的整體。物質(zhì)能量信息系統(tǒng)的普遍性系統(tǒng)的組成部分——要素萬(wàn)事萬(wàn)物自成系統(tǒng)，又互成系統(tǒng)。要素是系統(tǒng)存在的基礎(chǔ)，系統(tǒng)是按確定結(jié)構(gòu)相互聯(lián)系、相互作用的要素組成的。要素的性質(zhì)不同，構(gòu)成不同的系統(tǒng)；系統(tǒng)性質(zhì)、不同數(shù)量的要素構(gòu)成不同的系統(tǒng)；要素在系統(tǒng)中的作用不同。2.系統(tǒng)的一般特性①有機(jī)整體性②層次性③穩(wěn)定性（非加和性）（相對(duì)性）④有序性（時(shí)間序、空間序、時(shí)空序）⑤動(dòng)態(tài)性⑥開(kāi)放性（動(dòng)態(tài)平衡）3.整體和部分①有機(jī)統(tǒng)一；②整體具有不同于部分的新質(zhì)；③正效應(yīng)和負(fù)效應(yīng)。天凈沙?秋思枯藤老樹昏衙，小橋流水人家，古道西風(fēng)瘦馬，夕陽(yáng)西下，斷腸人在天涯。4.結(jié)構(gòu)和功能表現(xiàn)①結(jié)構(gòu)②功能③結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系穩(wěn)定性層次性相對(duì)性可變性基礎(chǔ)同構(gòu)同功異構(gòu)異功同構(gòu)異功異構(gòu)同功5.系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)環(huán)境6.系統(tǒng)的演化產(chǎn)生存在變更和發(fā)展消亡7.系統(tǒng)的分類①按性質(zhì)分②按存在和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分③系統(tǒng)行為的困難程度分④按子系統(tǒng)的數(shù)量及其相互聯(lián)系分⑤按與環(huán)境的關(guān)系分⑥按系統(tǒng)的等級(jí)分⑦按系統(tǒng)內(nèi)不同變量間關(guān)系分⑧按確定性分⑨錢學(xué)森的分類8.系統(tǒng)方法系統(tǒng)分析方法目標(biāo)分析結(jié)構(gòu)分析功能分析環(huán)境分析動(dòng)態(tài)分析分解協(xié)調(diào)方法系統(tǒng)分解系統(tǒng)協(xié)調(diào)（結(jié)構(gòu)分解、功能分解、內(nèi)外關(guān)聯(lián)分解、目標(biāo)分解、過(guò)程分解等）實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化（三）限制論1.限制的概念限制是帶目的性的因果聯(lián)系，即產(chǎn)生原因系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)生結(jié)果系統(tǒng)有目的的影響干預(yù)。施控系統(tǒng)受控系統(tǒng)限制主體限制對(duì)象限制兩人打架可能打重了，打死了對(duì)方可能打輕了，被對(duì)方打可能打的不輕不重，兩敗俱傷在一個(gè)系統(tǒng)中，被限制對(duì)象存在多種可能性。限制就是要在這些可能性中進(jìn)行有方向的選擇，以期達(dá)到預(yù)期目的，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。（限制的作用）首先對(duì)系統(tǒng)的信息進(jìn)行分析、比較、推斷其次依據(jù)內(nèi)部、外部變化隨時(shí)調(diào)整再次通過(guò)系統(tǒng)聯(lián)系和信息處理多次來(lái)回2．限制論的發(fā)展第一個(gè)時(shí)期為本世紀(jì)50年頭，是經(jīng)典限制論時(shí)期。其次個(gè)時(shí)期是60年頭的現(xiàn)代限制論時(shí)期。第三時(shí)期是70年頭后的大系統(tǒng)理論時(shí)期。3．限制方式限制方式是指在限制系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)限制的目的和完成限制任務(wù)所實(shí)行的限制方法。反饋限制定值限制程序限制隨動(dòng)限制隨機(jī)限制模糊限制量?jī)?yōu)限制4．限制系統(tǒng)施控系統(tǒng)受控系統(tǒng)限制作用反饋?zhàn)饔铆h(huán)境（介質(zhì)）控制系統(tǒng)總經(jīng)理副總經(jīng)理總會(huì)計(jì)師總經(jīng)濟(jì)師市場(chǎng)總監(jiān)人力資源總監(jiān)生產(chǎn)部財(cái)務(wù)部發(fā)展規(guī)劃部市場(chǎng)部人力資源部公共關(guān)系部董事會(huì)敏感環(huán)節(jié)決策環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)開(kāi)環(huán)限制系統(tǒng)閉環(huán)限制系統(tǒng)施控裝置受控裝置輸入指令輸出施控裝置受控裝置輸入指令輸出反饋裝置目標(biāo)值5．限制理論和限制技術(shù)工程限制論生物限制論社會(huì)和經(jīng)濟(jì)限制論智能限制論自動(dòng)調(diào)整和單機(jī)自動(dòng)化最優(yōu)限制和局部自動(dòng)化系統(tǒng)限制和管理自動(dòng)化人工智能和智能自動(dòng)化限制理論限制技術(shù)6．限制論方法①黑箱方法②灰箱方法③白箱方法④功能模擬法黑箱輸入輸出輸入輸出灰箱白箱輸入輸出（四）信息論1．信息的概念信息是對(duì)事物存在方式、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、相互聯(lián)系的特征的一種表達(dá)和陳述。表現(xiàn)為文字、圖象、圖形、語(yǔ)言、聲音等形式。物質(zhì)世界的三大支柱：物質(zhì)、能量、信息信息的特征①普遍存在；②可識(shí)別和共享；③可轉(zhuǎn)換和傳輸；④可存儲(chǔ)和壓縮；⑤可擴(kuò)散和擴(kuò)充；⑥可再生和替代。使用者信息源使用者使用者語(yǔ)言、圖象等信息的功能①信息是重要的資源；②信息是現(xiàn)代化的工具；③信息是系統(tǒng)的聯(lián)系中介；④信息是社會(huì)進(jìn)步的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2．信息論申農(nóng)的通信系統(tǒng)模式信源編碼消息信道信號(hào)譯碼信宿噪聲噪聲+信號(hào)消息信息論的發(fā)展狹義信息論一般信息論廣義信息論3．信息科學(xué)信息論電子學(xué)控制論計(jì)算機(jī)科學(xué)自動(dòng)化技術(shù)人工智能數(shù)學(xué)物理4．信息方法信息方法就是運(yùn)用信息的觀點(diǎn)，把系統(tǒng)看作是借助于信息的獲得、傳遞、加工、處理而實(shí)現(xiàn)其目的的一種探討方法。（一）自組織和他組織系統(tǒng)1．組織(Organization)宇觀層次：星云、星系、銀河系、太陽(yáng)系等；宏觀層次：地球，山川、海洋、建筑物等；微觀層次：晶體結(jié)構(gòu)、原子結(jié)構(gòu)等三、系統(tǒng)理論及困難理論2．自組織(Self-Organization)組織力和組織指令來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部的，是自組織。定義：分類：按結(jié)構(gòu)分：平衡結(jié)構(gòu)和耗散結(jié)構(gòu)；按運(yùn)動(dòng)方式分：按形式分：自組織形式：自創(chuàng)生、自生長(zhǎng)、自適應(yīng)、自復(fù)制自組織的推斷依據(jù)：自由能判據(jù)；熵的變更；信息量變更；序參量。自組織原理：突現(xiàn)原理；開(kāi)放性原理；非線性原理；反饋原理；不穩(wěn)定原理；支配原理；協(xié)同原理；環(huán)境選擇原理。3．他組織(Heter-Organization)定義：類型：組織力和組織指令來(lái)自系統(tǒng)外部，系統(tǒng)是在外界特定的干預(yù)下獲得空間、時(shí)間上的功能和結(jié)構(gòu)的，是他組織。指定式、誘導(dǎo)式、限定邊界條件式。仿自組織的他組織系統(tǒng)非仿自組織的人工創(chuàng)建物自組織與他組織的辨證統(tǒng)一（二）耗散結(jié)構(gòu)1．基本概念耗散結(jié)構(gòu)是一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開(kāi)放系統(tǒng)，通過(guò)不斷地與外界交換物質(zhì)和能量，在外界條件的變更到達(dá)確定閾值時(shí)，可能從原有的混沌無(wú)序的混亂狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時(shí)間上、空間上或功能上的有序狀態(tài)。耗散結(jié)構(gòu)是一種“活”的結(jié)構(gòu)，它是靠不斷“耗散”環(huán)境供應(yīng)的物質(zhì)和能量來(lái)維持它的生命活力。時(shí)間上的微觀運(yùn)動(dòng)可逆與宏觀運(yùn)動(dòng)不行逆。進(jìn)化與退化。孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)與開(kāi)放系統(tǒng)。系統(tǒng)狀態(tài)：平衡態(tài)、非平衡態(tài)。熵和熵增大原理。2．耗散結(jié)構(gòu)的形成條件——開(kāi)放系統(tǒng)；——遠(yuǎn)離平衡態(tài)；——非線性相互作用；——漲落導(dǎo)致有序；——正反饋機(jī)制。3．耗散結(jié)構(gòu)的哲學(xué)問(wèn)題時(shí)間：

可逆性與不行逆性、對(duì)稱性和對(duì)稱性；結(jié)構(gòu)：

平衡和平衡、有序和無(wú)序、穩(wěn)定和不穩(wěn)定；世界：

簡(jiǎn)潔性和困難性、局部性和整體性；規(guī)律：

確定論和非確定論。4．耗散結(jié)構(gòu)的理論的實(shí)際實(shí)際應(yīng)用應(yīng)用的條件和方法：系統(tǒng)必需是開(kāi)放系統(tǒng)；系統(tǒng)必需遠(yuǎn)離平衡態(tài)；有序是來(lái)自漲落的有序；程序和步驟：確定問(wèn)題；確定熵；建立模型；確定有序程度，做相應(yīng)推斷；實(shí)施。（三）線性和非線性1．線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)指的是因變量和自變量之間呈比例關(guān)系變更，在變更過(guò)程中，二者之間的比值不變。線性相互作用：獨(dú)立性、時(shí)空上的勻整性、對(duì)稱性。線性系統(tǒng)：在線性系統(tǒng)中，整體等于部分之和。（疊加原理）推斷疊加原理的基本依據(jù)。線性特征在本質(zhì)上只有一種，不同線性系統(tǒng)函數(shù)（直線）只是比例系數(shù)的差別，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)變換（平移或旋轉(zhuǎn)），可以完全重合。2．非線性系統(tǒng)通常是疊加原理不成立，非線性方程通常沒(méi)有解析表達(dá)形式的解。非線性相互作用：非獨(dú)立的相干性；在時(shí)空中的非勻整性；其多體間的非對(duì)稱性。（四）隨機(jī)系統(tǒng)在非確定性系統(tǒng)中，凡是含有內(nèi)部隨機(jī)參數(shù)、外部隨機(jī)干擾和觀測(cè)噪聲等隨機(jī)變量的系統(tǒng)，假如依據(jù)系統(tǒng)某一時(shí)刻的狀態(tài)和輸入，能夠確定下一時(shí)刻的狀態(tài)或輸出的概率分布，就稱為隨機(jī)系統(tǒng)。必定性：假如條件實(shí)現(xiàn)，事務(wù)確定發(fā)生；或然性：在條件實(shí)現(xiàn)下，事務(wù)可能發(fā)生、可能不發(fā)生。事務(wù)出現(xiàn)頻率具有穩(wěn)定的或然性，就稱之為隨機(jī)性。（五）混沌系統(tǒng)混沌是指非確定性系統(tǒng)內(nèi)部的非線性性質(zhì)所引起的非周期狀態(tài)?；煦缯f(shuō)明白將來(lái)并不完全包含在過(guò)去之中?；煦绮皇菬o(wú)序，更不是紊亂。簡(jiǎn)潔緣由可能導(dǎo)致困難結(jié)果。（六）灰色系統(tǒng)灰色系統(tǒng)理論由我國(guó)學(xué)者于1982年首先提出。灰黑白灰化白化灰色系統(tǒng)黑色系統(tǒng)白色系統(tǒng)（七）系統(tǒng)工程1．系統(tǒng)工程的特征：探討方法整體化；應(yīng)用技術(shù)綜合化；尋求目標(biāo)的最優(yōu)化；涉及多個(gè)領(lǐng)域和學(xué)科。2．系統(tǒng)工程的程序和步驟預(yù)備研究