科学技术史（第2版） 第三篇 课件 第二十三章 系统科学的出现

第二十三章系统科学的出现综合性的新科学信息论控制论系统论目录CONTENTS综合性的新科学科学的初期是从整体上看待自然界的。比如，古希腊人首先思考了万物的本原和运动的原因。亚里士多德是一位百科全书式的学者，在他之后的欧几里得、阿基米德、喜帕克斯、埃拉托色尼等人就更像专业的科学家了，但他们的研究没有得到直接的继承和发扬。欧洲近现代科学的发展继承了古希腊研究自然的传统，其特点是每个学科都有明确的对象、确定的领域和特殊的问题。传统科学，包括数学、力学、天文学、物理学以及化学和生命科学等，都存在特有的片面性。这就是在格局上分门别类，各自研究和发展，缺乏综合性、横断性、边缘性的学科。欧几里得但细品科学的内容可以发现，传统科学在构建自身理论体系的过程中，逐步积累了许多具有普遍意义的概念，这些概念的内涵已经超出本学科的范围，形成了人类认识自然的新阶段，开创了理解万物的新层次。整体上看，系统科学超越了传统科学分门别类研究自然的格局，也摆脱了传统科学从分析角度认识自然的方法，而是从全新的综合视角，多层次地观察和研究世界，这实际上是人类的一种新的世界观。系统科学有三个支柱学科，这就是信息论、控制论和系统论。在一定意义上，系统科学不但为人类提供一种对世界的新认识，也为人们提供处理各种实际问题的思路和方法。欧几里得信息论光、声、电可以是信息的载体，语言、文字、旗帜、哨音、电报、电话、无线电通信、电视等都是人类创造的传递信息的工具。但在信息论产生前，人们主要是从语义或释义的角度对待信息的，而不注重用数学和定理来描述信息。信息论正是用数学方法来描述信息传递过程中的某些规律的一门新科学。电报、电话和无线电通信发明后，人们开始研究传递消息的可靠性和效率，这实际上就是信息论研究的基本问题。信息传递的效率是容易理解的。在1832年，莫尔斯在编制点划电报码（莫尔斯电码）时，便采用了最简单的符号来表示英文中出现概率最高的字母e，出现概率最低的字母z则采用了较复杂的表示符号。莫尔斯1922年，美国人卡松在他关于通信的边带理论中提出信号保护法则，考虑了信息传递中的可靠性问题。1924年，美国人尼奎斯特和德国人库普夫米勒几乎同时独立发现，要以一定速率传递电报信号，需要一定的频带宽度。这说明，确定的设备传递的消息是有限制的，不能任意增加。四年后，美国人哈特利证明：设备所传递的信息量和它的频带宽度与时间的积有关，如果有S个字母，信息量H可定义为S的对数；他还把传递中的消息仅仅视为代码、符号、序列，而不是其内容本身。1936年，阿姆斯特朗提出可用增大传输的频带宽度来抑制噪声和干扰。这些研究都从数学的角度接近了信息论的基本问题。欧几里得1948年，美国的应用数学家申农（1916—2001）与韦弗（1889—1970）合作所写的《通信的数学理论》一书出版，标志着信息论的产生。在法国人布里渊（1889—1969）看来，信息和负熵等价。他将信息论推广到物理学领域，并以信息和熵等价为前提，解释了热力学第二定律方面的麦克斯韦“妖”佯谬。20世纪60年代以来，为适应图像识别和视觉研究的需要，在模糊数学的基础上产生了与申农的概率信息论完全不同的模糊信息论。70年代以来，又有人提出了有效信息、语义信息、无概率信息（主观信息）、广义信息等新的信息概念。申农控制论控制论是用数学工具研究控制机构或控制系统运行的一般规律的科学。汉代的记里鼓车、三国机械制造家马钧发明的指南车、北宋苏颂等人制造的水运仪象台和钟等，以及瓦特发明的蒸汽机中，都有控制机构。1829年，法国人彭斯来特制造了按扰动原理工作的蒸汽机转速调节器。1874年，俄国工程师契柯列夫开始应用按调节量偏差进行调节的方法。1877年，英国人劳斯和德国人赫尔维茨提出了只根据系统特征方程系数，用代数方法判定自动调节系统是否稳定的方法。俄国人李雅普诺夫于1892年明确给出了机械系统稳定性的定义。李雅普诺夫20世纪初期，机器工业进入了流水线生产阶段，如福特工厂的汽车生产线，电气机械和电子技术有了进展，对机械和电力系统的结构、功能与稳定性的研究又有进步。20世纪30年代末，苏联人米哈依洛夫提出研究调节器稳定性的频率法；40年代，美国人伊文思又提出用系统特征方程根与系统中某一参数关系来判定系统稳定性的图解方法——根轨迹法。二战期间，美籍犹太人维纳（1894—1964）参加了防空火炮随动系统的研究。1943年，维纳与罗森布吕特、毕格罗（J

Bigelow）三人合写了《行为、目的和目的论》一文，从反馈角度找出了神经系统和自动调节机器之间的一致性。维纳20世纪50年代控制论出现了两个较活跃的分支：生物控制论和工程控制论。在生物控制论方面，美国神经生理学家艾什比（W

R

Ashby）写了《大脑设计》和《控制论导论》两本书，从反馈与信息的角度进一步研究了生理调节系统和神经系统的控制机理。1954年出版的中国科学家钱学森的《工程控制论》一书，以及1956年苏联人庞特里亚金发表的《极大值原理》等文献，都是工程控制论方面的经典之作。20世纪60年代以来，大量的工程实践，特别是空间技术的发展，提出了全新的控制问题。钱学森系统论系统是自然界客观存在的东西。从太阳系、地球生物圈、动物的机体，再到人类社会本身，都是一种系统。人类的知识产品也是一个系统，如欧几里得的几何学体系以及现代自然科学的各个学科等，都构成一个知识的系统。亚里士多德的著作中关于整体大于部分之和的思想，便反映了古人对系统结构和功能的直观理解。近代以来，解剖学的研究使人们对人体和动物机体中的组织、器官、系统有了相当完整的认识。具体来看，现代系统论的发展有两个主要线索：一个是从研究生物有机体的角度产生的一般系统论，另一个是从研究技术工程及劳动管理的角度产生的系统工程学。亚里士多德一般系统论的知识基础是近代生物学。20世纪20年代，有许多欧美学者开始从有机体的角度接近系统论思想。1924—1947年，奥地利出生、后来获得美国国籍的贝塔朗菲（1901—1972）在一系列论文和著作中提出了有机体系统与一般系统论的思想。1948年，贝塔朗菲出版了《生命问题——现代生物学思想评价》一书。1954年，贝塔朗菲和几个人在美国创办了“一般系统论研究会”以宣传他的理论，并强调系统论与当时已经影响很大的信息论和控制论是一同产生的。贝塔朗菲系统工程学本质上是一种以运筹学为工具和方法的工程管理学。古埃及人修建金字塔、中国古代传说中的大禹治水作为史实，大禹治水的传说很难考证，但其内容中确实包含系统思想，即用疏导的办法代替堵的办法。1911年，美国工程师泰罗（1856—1915）通过对机械加工工序和工人劳动动作的分析，提出提高工作效率的企业管理方法——泰罗制。这体现了一种系统管理思想。贝尔电话公司在建立电话网时应用了排队论原理，采用自动拨号1961—1972年美国阿波罗登月计划的成功，可被看成系统工程方法应用的杰出范例。阿波罗计划小

结

古代希腊人是从整体上看待自然的，但也对自然界进行了分门别类的研究。近现代欧洲科学的发展将这种研究推到了极致，也为新科学的产生奠定了理论基础。

近代以来，机器大工业的产生，以及电在生活和工业中的应用，更为系统科学的产生创造了条件。系统科学的支柱学科是信息论、控制论和系统论。系统科学不但提供对世界的一种新的认识，也提供处理许多实际问题的思路和方法。

电报、电话和无线电通信发明后，卡松考虑了信息传递中的可靠性问题；尼奎斯特和库普夫米勒提出“频带宽度”概念；

工业革命以来，机器的调节问题受到重视，赫尔维茨提出用代数方法判定自动调节系统是否稳定的方法。思

考

题1系统科学与传统科学有何区别？2论述系统科学产生的意义。3信息论研究的基本问题是什么？4申农对信息论有什么重要贡献？5申农信息论有什么局限性？6什么是控制论？简述控制论发展的历史。7维纳对控制论有何特殊贡献？8经典控制论有什么局限性？9与经典控制论相比，现代控制论有什么特点？10一般系统论是怎样建立起来的？它的发展状况如何？11什么是系统工程学？它的主要数学工具是什么？它与一般系统论有什么区别？延伸阅读1苗东升：《系统科学精要（第3版）》，中国人民大学出版社，2010。2［美］M

A阿尔贝勃：《大脑、机器和数学》，朱熹豪、金观涛译，吴允曾校，商务印书馆，19