系统科学

1. 还原论与整体论相结合
古代科学的方法本质上是整体论,即强调整体地把握对象. 近400年来科学遵循的方法是还原论:客观世界存在一个由所谓 “宇宙之砖”构成的基本层次,只要把研究对象还原到这个层次,搞清 楚最小组分即“宇宙之砖”的性质,一切高层次的问题就可以迎刃而解. 由此强调,要认识整体必须认识部分.还原论的所谓分析-重构方法,虽然 也声明要用部分去说明整体,但起主导作用的是分析﹑分解﹑还原. 系统科学早期在很大程度上仍然用还原论的方法,不同的是为了把 握整体而还原和分析,在整体观点的指导下进行还原和分析,通过整合 有关部分的认识获得对整体的认识. 钱学森: ―系统论是还原论和整体论的辨证统一”.
1.4 系统的状态
1.
﹑演化﹑过程
系统状态 系统状态是系统的可以观察和识别的状况﹑态势﹑特征等等,通 常不加定义而直接引用. 系统状态可以定量描述,也可以定性描述.前者称为系统的状态 量,例如系统的温度﹑压强﹑体积等.状态量不随时间变化的系统是 静态系统,反之为动态系统. 由于系统科学一般研究系统的动态特征,比尔从这一角度给予系 统另一定义: 系统是具有动力学联系的诸元素的内聚统一体. 系统的动力学特性虽然首先来自系统内部元素的相互作用,但环境 对其也有影响,上述定义没有考虑到这一点. 问题: 回顾算法分析与设计中使用的状态空间树.
系统科学
系统科学的内容和结构最详尽的框架，是我国 著名科学家钱学森提出来的。他认为系统科学与 自然科学和社会科学处于同等地位。他把系统科 学的体系结构分为四个层次：第一层次是系统工 程、自动化技术、通信技术等，这是直接改造自 然界的工程技术层次；第二层有运筹学、系统理 论、控制论、信息论等，是系统工程的直接理论， 属技术科学层次；第三层次是系统学，它是系统 科学的基本理论；最高一层将是系统观，这是系 统的哲学和方法论的观点，是系统科学通向马克 思主义哲学的桥梁和中介。
﹑符号系统.
有的系统边界不明确, 例如经济系统
按系统与的环境的关系,可将系统分为开放系统和封闭系统两类,前者
与环境有物质
﹑能量﹑信息(至少其一)交换,后者则没有.
2. 系统的行为
系统相对于其环境表现出来的任何变化,称为系统的行为。行为属于系统 自身的变化,但又同系统的环境有关. 系统有各种行为:维生﹑学习﹑适应﹑演化﹑自组织﹑平衡与非平
2. 定性与定量相结合
任何系统都有定性特性和定量特性两个方面,定性特性决定定量特性, 定量特性表现定性特性. 中国传统的哲学思想重定性而轻定量,所以不能产生近现代科学.西方 在还原论思想的指导下,从伽利略﹑牛顿开始,定量分析取得了许多重要的 成果,但当研究深入时,单纯的定量分析又带来其局限性. 成功的应用,应该是两者的结合.首先对系统的定性特性要有基本的认 识,然后才能确定怎样用定量描述使定性描述深刻化﹑精确化. 案例: 云南城市评价.
系统科学
系统科学是以系统为研究对象的基础理 论和应用开发的学科组成的学科群。它着 重考察各类系统的关系和属性，揭示其活 动规律，探讨有关系统的各种理论和方法。 系统科学的理论和方法正在从自然科学和 工程技术向社会科学广泛转移。人们将系 统科学与哲学相互作用，探讨系统科学的 哲学问题，形成了系统哲学。
衡﹑局部﹑整体﹑稳定与不稳定﹑临界与非临界﹑动态行为等 等.
3. 系统的功能
功能是刻划系统行为特别是系统与环境关系的重要概念. 凡是系统都有功能. 据此可以重新定义系统: ―所有系统,是由相互制约的各个部分组成的具有 一定功能的整体”. 应该区分系统的功能与性能. 性能是系统内部相干和外部联系中表现出来的特征与能力,功能一般不是 性能,而是一种特殊的性能,是性能的外化,只能在系统行为过程中表现 出来,在系统作用于对象的过程中观测和评价,而性能可以在系统与对 象分离的条件下观测与评价. 例如,可以流动是水的性能,但用其搞运输,水就有运输功能;用其发电,水就 有发电的功能;用其灌溉,水又有对作物维生的功能,等等. 系统功能由系统结构与系统环境共同决定.过去只说结构决定功能,并认为 这是系统的基本属性之一,这是不对的。例如,水分子结构不变,但环境 (温度)不同时,它所具有的功能也就不同. 作业:分析计算机软件的功能与性能.
﹑
1.5 系统方法论
凡将对象当作系统来认识和处理的方法,不管是理论还是经验,数 学还是非数学,准确还是近视,都成为系统方法. 系统论和系统方法的创始人或研究者,都十分重视哲学思考,尽管 他们的学科背景不同,但都努力从哲学上论证本学科的方法论. 系统理论 创始人 一般系统论 贝塔朗菲 (von Bertalanffy) 控制论 维纳 (N.W.iener) 信息论 香农 (C.E.Shannon) 运筹学 瓦格纳 (H.M.Wagner) 耗散结构论 普里高津 (I.Prigogine) 协同论 哈肯 (H.Haken) 突变论 托姆 (R.Thom) 超循环论 艾根 (M.Eigen)
目前尚无完备的结构分类方法,可以从以下两方面考虑: (1) 框架结构或运行结构(静态结构﹑动态结构) (2) 空间结构或时间结构(兼而有之为时空结构)
3. 层次与分类
(1) 按规模分类
小系统﹑大系统﹑巨系统 (2) 按结构分类
简单系统﹑复杂系统 钱学森关于系统的分类 小系统 简单系统 大系统 简单巨系统 巨系统
系统科学
狭义的系统科学一般是指贝塔朗菲著作《一般系统 论：基础、发展和应用》中所提出的将“系统” 的科学、数学系统论、系统技术、系统哲学三个 方面归纳而成的学科体系。 广义的系统科学包括系统论、信息论、控制论、耗 散结构论、协同学、突变论、运筹学、模糊数学、 物元分析、泛系方法论、系统动力学、灰色系统 论、系统工程学、计算机科学、人工智能学、知 识工程学、传播学等一大批学科在内，是20世纪 中叶以来发展最快的一大门综合性科学。
W≠Wi
整体涌现性也就是非还原性或非加和性.整体具有还原为部分就没有的特征或把 部分特征加起来无法得到的特征.但这并不意味系统所有特征都不具有加和性, 系统性应是加和性与非加和性的统一.
1.3 系统的环境、行为、功能
1. 系统的环境与边界
一个系统之外的一切与它关联的事物构成的集合,称为系统的环境. 若以E表示系统环境, S 表示系统, x表示元素,则 E=﹛x︳x不∈S而且与S具有不可忽略的联系﹜ 任何系统都在一定环境中产生,又在一定环境中运行﹑延续﹑演化,
不存在没有环境的系统,系统的结构状态属性行为等或多或少都与环境有 关,这叫做系统对环境的依赖性.
.
边界将系统与环境分开,凡系统都有边界. 从空间上看:边界是点的集合(曲线﹑曲面或超曲面); 从逻辑上看:边界是系统形成的关系起作用到不起作用的界限.
有的系统边界明确,例如机械系统
家
﹑物理系统﹑生命个体﹑国 ﹑教育系统.
进化 退化
3. 系统与过程
系统的演化是一个过程. 过程是在时间维产生的.可以说时间是一种算子,一切系统都是其 运算对象. 时间的方向性: 在经典力学中,时间是没有方向的量,例如牛顿定律 F=ma=m ds2/dt2 将 t 换成 –t,方程式不变,这说明时间是可逆的.但另外一种过程,如
扩散过程﹑热传导过程, 描述这类过程的方程式不具有时间反演的 对称性.此时,时间不光是参数量,而且还具有决定过程方向的意义. 在自组织理论中,时间也有方向性: 过去与未来不对称.
过程的分类 按时间变量的连续与否区分: 连续过程与离散过程 按时间变量的幂次区分: 线性过程与非线性过程 按时间是否具有方向性区分: 可逆过程与不可逆过程 过程结构
每一过程必有其结构(过程结构).每个过程都由若干子过程(阶段
﹑
步骤 程序等)组成;子过程还可以再进一步细分,不能再分的过程元 素称为动作.
系统科学
参考书目
理论与方法
[1] 许国志 主编, 系统科学,上海科技教育出版社,2000年9月. [2] 孙东川,林福永 编著,系统工程引论,清华大学出版社,2004年10月. [3] 姜璐,时龙 主编,自组织理论,北京师范大学出版社,1995年6月.
美国科学教育标准
自然界和人工界是复杂的,它们过于庞大,过于复杂,不可能一下子认 识和领会.为了便于调查研究,科学家和学生要学会定义一些小的部分进 行研究.研究的单位称为“系统”.系统是相关的物体或构成物体的各个 部分的有组织集合.例如生命体﹑机器﹑基本粒子﹑星系﹑概念﹑数﹑运 输和教育等都可以构成系统. 系统具有边界﹑构件﹑资源流(输入和输出) 及反馈. …… 事件是宇宙中的物质﹑物体﹑生命体或事件单元的行为,他可以通过 统计学的方法进行描述……在科学中,物体﹑生命体系统或事件会受到很 多因素的影响﹑随着有关这些影响因素的知识的增长﹑随着更多更好的 观察结果的出现﹑随着更好的解释模型的开发,可以减少不确定性的发生. 组织的类型和水平提供了对世界进行思维的有用途径…...,系统在不 同的组织水平上可以表现出不同的性质和功能.
源自文库
第一章 系统的基本概念
第一章 系统的基本概念
1.1 系统 ﹑结构﹑ 层次
1. 系统的定义 贝塔朗菲(Bertalanffy,L.von---德国理论物理学家): 相互作用的多元素的复合体. 内涵: 如果一个对象集合中至少包含两个可以区分的对象,所有对象以 可辨认的特有方式相互联系在一起,就称该集合为一个系统.
另一种描述: 系统是由相互联系﹑相互作用的许多要素组成的具有特 定功能的统一体.
系统定义有两层含义:一是系统至少含有两个元素;二是元素的相关性, 即系统中不存在与其他元素无关的孤立元素或组分(组成成分).
系统的定义 ―相关性”是系统的最重要的内涵,差异而不相关的事物不能构成系统, 由此确定了系统的又一重要特点: 整体的结构﹑整体的状态﹑整体的行 为﹑整体的功能. 用集合表示系统S S=﹛A,R﹜ 其中A是元素的集合, R是关系的集合.
2. 系统演化
系统的结构状态特征行为功能等随时间的推移而发生的变化,称为 系统的演化(evolution). 赫悉黎氏在其《天演论》中描述了人类社会弱肉强食的演化规律, 而达尔文的生物进化理论揭示了生物世界的演化过程. 软件系统现在也多言“演化”,系统维护与升级是软件的演化, 再工 程也是软件系统的演化.但是软件系统的演化要由人来完成,因此软件 是他组织而非自组织系统. 演化可能沿不同方向: 低级 高级 高级 低级 简单 复杂 复杂 简单
复杂巨系统
一般复杂巨系统
特殊复杂巨系统
另外的分类
(1) (2) (3) (4) (5) (6) 自然系统与人工系统 物理系统与概念系统 动态系统与静态系统 开放系统与封闭系统 (有无交换) 开环系统与闭环系统 (有无反馈) 作业系统与管理系统
1.2 系统学的基本规律
整体涌现性
系统整体才具有﹑其组分不具有的特性称为系统的整体涌现性. 例1. 物质的单个分子无温度﹑压强可言,大量分子按一定结构组织成物体,就有 了温度﹑压强. 例2. 单个细胞不具有任何生物特征,而大量细胞的不同组合导致了千姿百态的物 种. 整体涌现性是由规模效应和结构效应共同产生的,而起决定作用的是结构效应. 通俗表达是贝塔朗菲用亚里士多德的说法: 整体大于部分之和. 更为科学的表述是: 当整体与部分具有同质可量化特征时,整体功能W不等于部分 功能Wi 的和,即
由于系统的组成部分又可以是系统(子系统), 我们用“组分”这一名称 时 既可表示元素,又可表示子系统.
在软件系统中,我们经常用到系统的概念,如管理信息系统﹑财务子系 统﹑生产子系统等等.
2. 系统结构
组分与组分之间的关联方式(模式 )的总和,称为系统的结构, R就是 对系统结构的描述. ―组织”与结构是两个不同的概念,组织仅指有序结构.
3. 局部描述与整体描述相结合
(信息系统设计方面的论文模式)
4.
确定性描述与不确定性描述相结合
(以牛顿力学为代表的确定性描述 率论描述) 以统计力学为代表的概
5. 系统分析与系统综合相结合
(分析 重构, 重构就是综合)
1.6 系统模型
简化并以适当形式或规则表现系统的主要特征称系统模型,模型表 现的对象实体称为原型. 构造模型是为了研究原型.模型有两大类: 实物(物理)模型 符号模型 系统科学主要考虑符号模型,包括 概念模型 逻辑模型 数学模型 问题: 符号模型是否都能转化为计算机模型(用计算机程序定义的 模型)?