系统科学工程3系统结构精简版.ppt

第三讲系统结构与内部网络 人们认识事物的顺序是由外部现象到内在原因 进而寻找变化发展的环境 外部动力与内部机制 据此形成方案 做出决策 最后实施 结构分析要解决的根本问题是 外部性态与内部构成的关系 也即结构与功能的关系 系统与网络是观察世界的两个不同视角 整体 内部网络 环境 系统边界 要素 其他元素 其他系统 关联 其他系统 外部网络连接 本章内容 引言 整体结构与内部网络的基本问题一 部件 元素 要素 子系统二 关联 秩序与层次三 内部网络 构型四 结构与功能的关系 引言 结构的含义与问题 狭义的结构 整体内部构成的方式 通常是指静态连接方式 结构是系统元素间相对稳定的关联所形成的整体构架 广义的结构 整体由什么构成和如何构成的问题 结构的概念与定义 结构是整体的构架 结构的实例 1 原子的结构 大家知道原子是由电子和原子核所组成的 组成原子的相互作用主要是电磁相互作用 2 生物体的结构 生物体有许多层次 根据米勒的 生命系统理论 广义生命系统可以分为细胞 组织 器官 个体 群体 国家 联合国等7个层次 每个层次的生命体都有自己独特的结构 3 社会的结构 研究一个社会或社会系统可以从政治 经济 文化 意识形态 三个方面来进行 每个方面都有它们特殊的结构问题 4 企业内部的结构 企业是一个复杂的社会经济系统 在它内部不仅包含多个部门 层次 还涉及多个方面 多种功能等 5 计算机的结构 6 语言文字的结构 7 科学的体系 理论的结构 结构的四个基本问题 1 整体与网络由哪些部件 元素 节点 构成的 2 如何结合成为一个整体 3 整体构型与内部网络 4 结构与功能的关系 性态的内在原因 怎样的结构式的整体属性优化 一 元素与要素 1 元素 1 组成部分是相对系统整体而言的 元素是系统中不可再分的 基元系统结构只涉及构成该系统的元素这 一个层次 而不涉及元素本身构造的 下一层次 2 元素的属性系统由若干元素所组成 同一事物也能作为不同系统的元素 系统赋予了元素的属性 事物在不同的整体中表现出不同的属性 元素存在的意义与价值与相对于整体属性 功能价值而言的 元素的内部功效 元素对系统之所以必要 是因为它承担了特定的内部功能 这些功能包括 驱动系统活动 变换位置 获取资源 排除废物处理转换外来物的形态 造成自身构架处理转换外来信息 用以调控自身和环境保持构架和内部稳定 免除危害 以利高效运转完成自复制功能 再造一个自我 元素人如何影响系统 1 元素的性质 取决于该元素在系统内部承担的功能或扮演的脚色2 元素的数量 3 元素的种类4 元素本身的构成 元素与子系统 2 要素要素是系统中 举足轻重 的元素是对整体性质和结构起主要和关键作用的元素 基本要素 基本要素 同类系统共同拥有系统存在全程相关承担着系统内部的基本职能 生命系统中的7种基本要素 1 核心要素对系统的整体结构与行为进行控制与调整的 首脑 或 领导核心 如人体中的大脑 企业中的领导班子 计算机中的中心控制器 CPU 2 动力要素为系统的运动提供动力和能源的 发动机 3 基础要素支撑系统的 骨架 和基础 作用是保持系统整体的相对稳定 如房子的栋梁和地基 人的骨骼 4 自复制要素自复制要素是系统个体的 复制器 即制造或产生出一个 与自己相似的个体 的机构 作用是在系统个体消亡或更新换代中保留系统的基本信息 遗传信息 5 边界要素处在系统边界的元素 作用有两个 一是把系统与外界隔开 二是作为系统与外界联系的纽带 充当系统开放的门户和通道 6 传输要素传递信息与输送物质 能量 由各种线路和管道所组成 许多系统的运行之所以不正常 经常是由于内部传输线路不畅通所引起的 7 转换要素转换要素担负着系统内部物质 能量 信息的转换 处理工作 如消化系统 关键要素 元素 关键是指能够起决定作用的元素 这样的元素有可以分为两类 处在关键位置的元素 如开门的钥匙 战略要地 关键部门 边界元素等等处在关键时刻的元素 如作物在不同阶段用不同的肥料 特殊元素 相对于一般元素与要素而言 在系统中常常出现一些 特殊 元素 它们通常并不起主要作用 但常常充当 另类 表现出 特立独行 的特征 如造反的头头 特殊利益集团 人体中的肿瘤 材料中的裂痕 杂质 空洞等 一旦到了某些特殊场合 时间 地点 就可能 突然 成为 领袖 对系统的功能与演化发挥关键作用 正因为如此 它们的行踪值得引起 适度地 关注 特别是在非常规的情况下 他们的动向 趋势更值得严加 监视 中介元素 中介的界定 连接元素的元素中介的作用 1 连接功能2 阻隔功能3 控制功能4 催化功能 3 子系统与分系统系统元素本身也是系统 子系统强调系统的组成 分系统强调系统所包含的方面 子系统与分系统的划分包含了一定的人为因素 它们在所属的系统中具有较强的独立性 思考题 如何找出基本和关键要素 针对你所选择的案例 根据以上分析方法 找出 1 有哪些基本要素 它们各自承担了哪些基本功能 2 有哪些关键要素 它们在什么时间 地点其关键作用 3 这些要素之间有什么关系 当一个发生变动时对其它的有哪些影响 二 关联 整体构架就是由各种关联按特定的方式组成的 具体可以分为四个层次 元素之间一对一的特殊关系 关联 元素之间一对多的关联 秩序元素之间多对多的联系 构架 关联的界定 系统的元素之间可以有各种联系 但不是所有的联系都对系统整体性发生影响 其中两元素之间直接关系整体属性的关系称为 定义为 元素间的关联 1 关联的数量系统内部的关联总数原则上等于 种类数乘以种内个数 如果不考虑种类 关联数可以运用初等数学中的排列组合法则 设n为元素个数 最大关联数为 2 关联的性质与种类关联性的性质可以分为不同种类 相互作用的性质 如物理化学中的不同力的相互作用数学中的比例关系 如成分的比列与分布生物的亲缘关系 竞争关系社会中的不同社会关系 如工作 领导 朋友等群体中的各种关系 如企业中人与人之间的关系有不同的性质 协调 和谐 匹配 如何界定内部的协调 和谐 定性特征 1 整体结构稳定 高效 功能最大化 2 元素之间相互协同 定量特征 1 整体功能极值 优化2 个体之间 无冗余 3 关联的强度关联强度是指关联的紧密程度 稳定 强壮 抗损毁程度强度可以量化 如物体间相互作用的强度 系统科学中通常用元素间的物质 能量 信息的交流量来刻画关联的强度 如人与人 企业与企业 国与国之间的贸易额 人员交流数量 成分 资源 信息 物质交流的数量 流速与流量 三 秩序 1 序 关联的关联系统内部的次序或秩序是元素组织方式或形式的体现 秩序也有数量 一个秩序对应一个 规矩 1 数学中的序 最简单的秩序是区分前后 先后 的秩序偏序 全序 良序 序数 图形的序 对称元素的多少 2 物理学中的序 对称性破缺对称性 变换中的不变性 对称性破缺 就是对称元素的减少 对称与对称破缺是现代物理学中两个最基本的概念 系统中的秩序普里高津的耗散结构理论 耗散结构是一种依靠与外界交换物质 能量 信息来维持和发展自身有序性的特殊系统 输入输出 熵与负熵 热力学熵 系统的状态参量1872年玻尔茨曼关于熵的统计解释 无序的量度S KblogW其中S表示系统的熵 W表示可能状态数K为玻耳兹曼常数Kb 6 23X1023负熵 熵的减少 案例 管理中的秩序 企业中的内部制度企业文化 原则 规矩企业组织的结构 管部门间的关系 企业联盟间的关系 四 构型 1 整体的构型反映了不同秩序之间的关系 也就是 秩序的关系 2 构形是指所元素的整体关系 其中包括 比例 搭配 关联的方式 方位 图形 模式 系统的六种基本构型 1 对偶构形 对偶型是由两个元素组成的构形 它的特点是 它只有或只考虑两个元素的相互作用 即使是一个复杂系统也把它 一分为二 简化为两个元素构成的系统 它不考虑中间环节和相互作用中的延迟 否则就变成了多极作用 从控制论的角度来看 图2 3 对偶中的相互作用实际上就是反馈作用 在对偶构形或藕合系统中它就表现为一元素的输出等于它的对偶元素的输入 反之亦然 如果把这个图转90度 就成了两个元素相互藕合的对偶构形图 图2 4 2 星形 树状 构形 自然系统和社会系统中都有许多星形的结构形式 如集中领导 中央控制 家长制 城市中辐射状的交通路线 电台的广播等 星形构形有以下特征 元素中存在一个 中心 或 结 这个 结 可以是发出作用的 源 也可以是汇集作用的 汇 归宿 元素间有只向上和向下的关联 没有横向的关联 因此 它在本质上是串行的 复杂的星形构形往往具有层次结构 层次间的作用具有某种 单向 性 如上级对下级的某种控制 统帅 作用 而下级处于被控制和服从的地位 多级的星形 每个局部都构成星形 图2 5 3 环形构形 环形构形是由两个以上元素构成的首尾相连的环形 如因果环 生态链 催化循环 超循环等 从形态来讲可以把环形构形看作是在对偶构形中增加了某些中间环节 因此 对偶构形中许多特征在环形构形中仍然存在 除此之外 环形构形还有以下特征 环形构形中的元素不少于3个 这已经具有了复杂系统的基本条件 因此它具有许多简单系统所没有的特性 如自催化 混沌等 它都具有 环形构形中既然首尾相连 就在整体上无首尾之分 只要从环中任何一点发出的作用 最终又回到它自己 因此 环形从本质上讲是并行的 环形构形最典型的例子有两个 一个是艾根的 超循环 理论 图2 6 一个是福雷斯特的 动力系统理论 福雷斯特的 动力系统理论 系统中可以划分出若干个循环 其中必有一个起主导作用 即由它来决定和控制其他循环 全力找出主循环 就可以抓住问题的关键 如学校中教与学之间的信息流动 生命体中的血液循环系统和神经网络 企业中的人流 物流 信息流等 这是弗雷斯特的系统动力学或动态系统理论的基本观点 系统思路中的内部反馈环路 正的影响环路负的影响环路主环路关键环路 4 嵌套构形 嵌套构形是具有 自相似性 的包容结构 两个基本特点 层层嵌套 如空间上的大套小 小套更小 一层层套下去 嵌套可以理解为一种特殊的层次结构 也可理解为 包容 如概念 理论上的包容 嵌套的每个层次间具有一定的相似性 嵌套结构可以用两个要素来生成 第一要素是 基原形态 第二个要素是 生长方式 康托尔三分集 科赫 Koch 曲线 5 网状构形 网状构形是另一种重要的复合构形 自然界和人类社会中的许多连接方式都是网络型的 随着现代信息技术的高速发展 人类社会正在进入全新的网络社会 这就激起了人们对网络构形极大的兴趣 从局部看 网络是串联与并联的结合 是星形与环形的复合 使它具有了它们所不具有的特性 如星形的本质是串行 环形的本质是并行 这两种连接方式各有特点 如并行计算的容错性大大高于串行计算等 从全局看 网络包含了所有的连接方式和所有的构形 它具有其他构形所不具有的新的整体特征 五 层次 物质层次与能量层次 系统中的层次 层间关系的特殊性 系统进化与层次划分 边界层与中间层 1 时空与数量层次物质世界是按时空划分层次的 前面讲的宏观 微观 中观 以及渺观 涨观 宇观指的就是不同的时空范围 物质层次与生命层次 根据钱学森的观点 物质世界可以分为渺观 微观 宏观 宇观 涨观等5个层次 根据生命系统理论 米勒把生命界分为细胞层次 组织层次 器官层次 个体层次 群体层次 国家 社会 层次 超国家层次等7个层次 宏观 中观与微观 宏观层次 环境对系统的影响 外部作用 动力 阻力 扰动 机遇中观层次 内部关系 动力机制 分配与选择 激励与阻碍微观层次 元素的构成 子系统分系统 边界层 系统与外部环境之间往往存在一个边界层 如物质界面 生命体的皮肤 国家的边防 外交等边界层对外起着 交联 纽带作用 传递作用 控制作用 阻隔作用 选择作用 催化作用 因此边界对系统的生存发展至关重要 中间层 系统内部的分层是系统演化到一定阶段之后出现的必然现象 中间层的出现对系统功能和效率具有重大意义 两个钟表匠的故事 H A西蒙 人工科学 P174 霍拉 Hora 坦普斯 Tempus 是两位受人尊敬的钟表匠 他们的工场里电话总是响个不停 有老客户也有新顾客 不久之后霍拉发起来了 而坦普斯却越来越穷 原因是两人工作风格不相同 比如一次要组装有1000个零件的钟表 坦普斯喜欢一气呵成 但每次受电话打扰就需要重头做起 霍拉则很有心计 他每次只装10个零件 形成一组 装好十组再合成一大组 直到全部装好 对他来说每次电话打扰只需重装一组 10个 下面我们来计算一下他们工作的效率 不同的工作效率 很显然 如果没有外界的干扰 坦普斯一次就能装好 而霍拉则要111次 但如果有干扰 这往往是不可避免的 时情况就大不相同了 设装一个零件时被打断的概率为p 坦普斯装一个钟表不被打断的概率为 1 p 的1000次方 而霍拉的仅仅为10次方 若p 0 01 计算表明要装成一支钟表 坦普斯要的时间是霍拉的4000倍 这是因为 坦普斯功夫损失多20倍 坦普斯干10万次 装成44次 霍拉干10次 成9次 坦普斯比霍拉多付出20000倍努力 管理中的层次 层次不同要求的素质和能力也不同 高层决策能力 中层策划能力 基层执行能力 信息处理与智能活动 管理组织条例 处理事务上传下达 理解 表达 忠实 规范 纪律 层次不同对管理者的要求不同 高层 有远见 敢拍板 会用人 中层 有头脑 能办事 会说话 基层 守纪律 听指挥 卖力气 层次越高对系统思想的理解越深运用系统方法的能力越强 六 内部网络 节点之间的连接构成了网络系统之间的连接构成了整体的外部网络部件 元素 之间的关联构成了整体的内部网络 网络的基本概念 网络是顶点 结点 与边 关联 的集合 图 顶点 vertex vertics 网络的基本单元 也称为site 物理学 结点node 计算机科学 或演员actor 社会学 边 edge 连接两个顶点的线 也称为bond 物理学 link 计算机科学 tie 社会学 这里不考虑边的长短与路线的形状 以及与否交叉 凡有边相连的顶点都成为相邻顶点 有向边 无向边 directed undirected 如果边上仅有一个方向可通行称为有向边 两个方向均可通行则称为无向边 如果图中所有的边均为有向边 则称为有向图 无向图也可视为有向 只是图中相关联的边等同于有向图中的两条有向边 图 一个包含8个顶点和十条边的小网络 网络的统计性质 度与度分布路径与直径介数聚集性中心社区 典型网络 规则网随机网小世界网无标度网 内部网络 整体的内部网络是指元素构成的网络 1 部件对整体的贡献 意义与价值2 网络结构及其变动对整体性的影响3 元素的网上行为4 内部网络自身的演化 七 结构与功能的关系 互为因果 结构与功能谁决定谁 结构是功能的 内在原因 功能是结构的 外部表现 结构 部分 决定功能功能规范 要求 结构 序参量 序参量的概念源自物理学 外磁场强度序参量是一个反映微观有序程度的宏观参量序参量对应了某一方面的整体性序参量方程反映了整体的宏观量随时间和内部微观量变化的规律 序参量方程 序参量是系统整体性涌现的结果 在整体形成之前 序参量为零 整体一旦形成序参量就中零变到某个有限数 由于整体性可以表现在各个不同方面 所以通常序参量是一个多元函数 它随控制参量的变化用序参量方程来描述 例如温度 外磁场强度随时间的变化 序参量可以推广到生命和社会科学领域 可以用序参量方程来表达整体性的变化情况 结构与功能关系的一些例子 企业的结构调整 出口结构调整结构性通货膨胀 比例结构失调中药的有效成分 文汇报08311 从分子水平阐明中药治白血病机理 10日美国科学院院报 中国2500年前提出中药复方包括君 臣 佐 使4种成分 中国研究小组对复方黄黛片中的雄黄 青黛 丹参 太子参中的有效成分四硫化四砷 君 綻玉红 佐 丹参酮IIA 臣 使 和谐的科学含义 和谐一词常见于社会人文领域 用以描述一种相互适应 融洽 匹配 协同的关系 当内部元素之间的关系和谐常常对应了外部整体性的提升 例如军队的战斗力 企业的绩效 组织的功能等都与内部元素关键是否和谐有关 从控制论的角度来看 两元系统的和谐 协同表现为个元素输出输入的对等 多元系统中则表现为合理分工协作 如社会中的成员 各尽所能 各得其所 生活幸福美满 整个社会稳定 安康 欣欣向荣 组合与协调 组合问题 分配 安排 搭配 同步 系统的统一性 协同 分工与合作 协调 协调度 元素的组合 满足特殊要求的元素匹配 系统结构研究中一个特殊而又重要的问题是对元素的 安排 即存在若干个元素 如何按一定的规则或需要来对这些元素进行 安排 中国历史上的纵横图 组合的存在与计算问题 1 组合的存在性问题 即符合要求的安排是否存在 将它翻译成系统科学的问题就是 能否找到一种恰当的组合方式 使已有的元素满足某种整体属性或功能的要求 2 组合的计算问题 即符合要求的安排如何计算 用系统科学的话来说 就是能够满足某种整体性要求的组合方式究竟有多少种 这类问题在研究人为事物的构造和进行决策 预测时碰到得最多 组合的构造与优化问题 3 组合的构造问题 符合要求的安排怎样构造 在解决许多实际问题时 往往