第四讲系统科学方法

第四讲 系统科学方法l一、系统科学的概况及其与哲学、自然科学和社会科学的关系l二、系统科学的主要概念l三、系统科学的方法论原则l四、系统科学与辩证法的关系一、系统科学的发展概况及其与哲学、自然科学和社会实践的关系l 1、系统科学的发展概况l 1）一般系统论：贝塔朗菲 (美）创立。主要解决系统的结构、功能及其演化的规律。l 2） 信息论：申农（美）创立。研究系统与系统之间、系统内部各元素之间、以及系统与元素之间的信息传递规律率l 3）控制论：维纳（美）创立。研究对系统的行为控制。l （以上又称 “老三论 ”）l 4）耗散结构理论：普里高津（比）创立。研究系统的自组织行为。l 5）协同学：哈肯（德）创立。研究系统的自组织的形成及其解体的规律。l 6）突变论：托姆（法）创立。研究系统的演化方式。l （以上又称 “新三论 ”）2、系统科学的特点l1）系统科学在一定的程度上具有哲学的普遍性特点。l系统科学所揭示的系统的结构、功能、信息的传递规律、控制规律和演化规律是自然、社会、人类思维的一般规律。l2）系统科学又保持了自然科学的精确性特点。l系统科学以数学、实验为基础，并尽可能采用数学的表达方式。3、系统科学与哲学、自然科学、以及社会实践的关系l 1）系统科学与哲学的关系：l 哲学探讨的一个问题：世界是否是统一的？l 系统科学继承了西方哲学的上述传统，确认了世界统一性这个哲学问题的基本内容。l 哲学探讨的另一个问题：世界的运动发展是否有规律？l 系统科学用 “有序 ”对规律作了精确的描述l2）系统科学与自然科学的关系：l微观领域： 20世纪初原子模型的提出，说明原子本身就是一个系统。l宏观领域：爱因斯坦把时间、空间与运动的物质联系起来，为人们在宏观领域确立系统概念提供了依据。l热力学和统计物理学的发展为系统科学的创立提供了一系列的概念。l3）系统科学与社会实践的关系：l马克思说：在一些新的机器、方法和制度的产生上，往往是战争先于和平。l战争期间，整体与全局具有至高无上的意义。l战争迫使人们不得不从整体上考虑问题。l战争赋予政府一定的权利，使其能调动系统中的各种元素，为一个总目标服务。l二战时期的 “曼哈顿计划 ”。二、系统科学的主要概念和理论描述l 1、一般系统论l 1）系统：彼此通过相互作用而形成一定关系的诸元素的集合。l 系统论中不存在单集系统和空集系统。l 系统中的各元素通过相互作用而发生相互影响。l 任何系统都具有不同于它的组成元素的属性、功能和规律。2）环境与系统的等级秩序l 环境：从广义上讲，指系统以外的一切事物。l 狭义的环境，指那些存在于系统之外，并且对系统产生影响的诸元素的总称。l 环境与系统总是处在相互作用、相互影响的过程之中。l 等级秩序：环境与系统的关系，就是一个更大系统中元素与元素的关系。l 环境对系统的作用：选择作用；调节作用。3）系统的结构与功能l 系统的结构：指系统中诸元素的秩序。诸元素排列的秩序不同，系统的性质就不同。l 系统的结构是保持系统稳定性的基本因素。l 要改变一个系统，重要的不在于更换某些元素，而在于调整和改变它的结构。l 功能：系统中诸元素通过一定的结构彼此相互作用的结果。l 有什么样的结构，就有什么样的功能。4）系统方法l 用系统的思想来研究对象。即从系统和要素、要素和要素、系统和环境之间的相互联系和相互作用的关系中综合地考察对象，以达到最佳处理问题的方法。l 系统方法体现的是一种整体性原则。l 整体性原则通常表述为 “整体大于部分之和 ”。l 系统方法要求系统达到最优化：即从系统的多种可能性中，选择最佳的系统方案，使系统处于最佳状态。l 优化原则是系统方法的基本目的，也是系统发展的一种趋势。l 始：淘米 3 烧饭 20l 洗菜、切菜 8 炒菜 12 终l 始：洗菜、切菜 8 淘米 3 烧饭 20 终l 炒菜 12 l 系统分析方法步骤：l 1、定义一个系统：l 即指出你所研究的范围，确定研究对象的界限l 2、提出组成系统的各种要素l 3、建构系统的结构，指明该系统的功能：l 系统的结构是指组成系统的各要素的排列秩序；l 系统的功能是指排列秩序的结果，按照一边系统论的要求，必须达到整体大于部分之和。l 4、确定系统应该具备的最佳环境：l 系统的环境是指对系统产生影响的外部条件 l 以上各点是系统的理想状况l5、现实系统的构成要素及其特点l6、现实系统的结构和功能的特点l7、现实系统的环境的特点l8、如何通过变更系统的结构，达到整体大于部分之和的功能l9、如何改造环境，使系统成长。5）三维结构法：设计和实施重大工程项目的组织方法l 时间维。逻辑维。知识维。l 三维结构法的应用，是将一项重大工程分为若干阶段l 每一阶段又包括若干相互关联的步骤l 每一步骤又有具体的技术措施l 每一措施的实施又必须有具备一定知识和技术水平的工程技术人员、工人、设备等等l 经过周密的分解和统筹协调，使人力、物力、财力有效地发挥作用2、信息论的基本概念和方法l 1）狭义信息论：用统计学的方法研究通讯系统中存在的信息传递和信息处理的规律的科学。l 2）广义信息论：用数学和其他有关科学的方法研究一切现实系统中存在着的信息传递和处理、识别和利用的共同规律的科学。l 3）信息论研究的对象：l 语法信息：事物运动的状态是什么l 语义信息：这种运动状态的含义是什么l 语用信息：具有这样运动状态的含义对观察者有什么价值或效用4）信息是什么？l 申农：信息就是用以消除随机的、不定性的东西l 维纳：信息是人与环境相互交换的内容的名称，也可以叫负熵。l 信息不是物质，也不是意识，是物质联系的形式。l 信息量：l h = log P5）信息方法l 通过对信息的获取、传递、储存、加工过程的分析，达到对某个复杂系统运动过程的规律性认识。l 信息方法的特点：其一，完全撇开对象的具体运动形态，把系统的运动过程抽象为信息过程，在不考虑系统内具体的物质形态、不打开机器、活体的条件下，研究系统与外界环境之间输出或输入的关系。l 其二，不是为了说明客观对象，而是为了客观对象的过程。l 各种系统的运动过程都可以抽象为：l 信息 输入 储存 处理 输出 l 信息l 反馈6）信息方法的步骤：l用什么元件来接受外来信号？l存在什么样的编码器，把外来信号变成系统内部信道上的传输信号？l这种内部传输信号是什么？l信道有什么特性？l经过什么样的元件进行解码？l信息怎样反馈和流通？3、控制论的基本概念和方法l 1）控制：指一种特定的作用l 凡是一种作用，总有作用者和被作用者 l 受控对象一定存在多种发展的可能性l 施控对象在多种可能性中进行选择l 2）耦合：在控制论中主要讲机器的耦合，即一台机器的输出，改变另一台机器的输入，也即一台机器对另一台机器产生影响。l 3）反馈：控制过程中的一个基本环节。它指系统把输出的部分信息，重新馈入系统的输入端，经过分析比较，确定它与预定值的误差，然后再输入系统以影响输出的过程。l 负反馈：系统的输入对输出的影响减少，使输出愈来愈趋近于一个预定值，系统愈来愈稳定。l 正反馈：系统的输入对输出的影响增大，使系统的输出与预定值的偏差越来越大。正反馈的结果，往往导致系统稳定性的破坏。4）控制论的基本方法 黑箱方法l 黑箱方法：通过研究一个系统的输入信息变化所引起的输出信息变化，来推断系统行为规律的方法。l 黑箱方法的条件：l 要有一定的可观察变量和可控制变量l 理论必须清晰l 反馈调节速度必须大于客体变化速度4、耗散结构理论的主要概念和方法论意义l1）达尔文的进化论：低级 高级，简单 复杂l2）热力学第二定律：热寂说l3）耗散结构：系统由无序的混乱状态达到有序状态必须不断地消耗能量才能保持稳定。这种新的稳定的有序结构，就是耗散结构。4）耗散结构形成的条件l开放系统是耗散结构形成的首要条件l非平衡是有序之源l非线性相互作用是产生耗散结构产生的必要条件l随机涨落对耗散结构的产生具有决定性作用5）耗散结构理论的方法论意义l第一次从科学上证明了 “自然界不是存在着，而是自己生成着并消失着 ”。l“万物皆流 ”、 “演化 ”是普里高津自然观的核心。l演化是物质本身固有的l偶然性不可忽视5、协同学的主要概念和方法论意义l 1）协同学：关于协作的科学；系统各部分的协同工作。l 2）协同学的主要成就：应用支配原理，建立序参量方程，使得系统的几乎无法求解的数学模型可以用简单得多的序参量方程来代替。l 3）支配原理：数学上证明，慢驰豫变量可以支配快驰豫变量l 4）序参量：描述系统的一个或几个变量，其变化导致系统结构和功能的有序，决定系统从一种结构向另一种结构的转化。6、突变论的主要概念和方法论意义l1）突变论：运用拓扑学、奇点理论和结构稳定性理论来研究自然界与社会中各种形态、结构等的突发性变化的数学理论。l2）突变论的原意：灾难性的变化，强调变化过程的非连续性l3）方法论意义：当控制变量不多于4时，系统有 7种突变方式，它们是：折叠型、尖顶型、燕尾型、蝴蝶型、双曲型、椭圆型、抛物型。l当控制变量的个数超过 5个时，突变方式是无穷的。l4）突变论的贡献：为事物的多种质态变化建立起了数学模型。l事物的质是由该事物的结构规定的，事物质的稳定性就是系统结构的稳定性；质变就是系统结构的变化。三、系统科学的方法论原则l 1、整体性原则：整体大于部分之和。l 2、相关性原则：系统的整体性是由系统内部诸要素之间以及系统与环境之间的有机联系来保证的。l 3、结构性原则：系统的结构是保持系统整体性