系统工程的产生与发展 系统工程的含义 系统工程在系统科学结构体系中，属于工程技术类，它是一门新兴的学科，国内外有 一些学者对系统工程的含义有过不少阐述，但至今仍无统一的定义。 1978年我国著名学者钱学森指出:"系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制 造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的方法"。 1977年日本学者三浦武雄指出:"系统工程与其他工程学不同之点在于它是跨越许 多学科的科学，而且是填补这些学科边界空白的一种边缘学科。因为系统工程的目的是研 制一个系统，而系统不仅涉及到工程学的领域，还涉及社会、经济和政治等领域，所以为了 适当地解决这些领域的问题，除了需要某些纵向技术以外，还要有一种技术从横的方向把 它们组织起来，这种横向技术就是系统工程"。 1975年美国科学技术辞典的论述为:"系统工程是研究复杂系统设计的科学，该系统 由许多密切联系的元素所组成。设计该复杂系统时，应有明确的预定功能及目标，并协调 各个元素之间及元素和整体之间的有机联系，以使系统能从总体上达到最优目标。在设计 系统时，要同时考虑到参与系统活动的人的因素及其作用。" 从以上各种论点可以看出，系统工程是以大型复杂系统为研究对象，按一定目的进行 设计、开发、管理与控制，以期达到总体效果最优的理论与方法。 系统工程是一间工程技术，用以改造客观世界并取得实际成果，这与一般工程技术问 题有共同之处。但是，系统工程又是一类包括了许多类工程技术的一大工程技术门类，与一般工程比较，系统工程有三个特点: (1)研究的对象广泛，包括人类社会、生态环境、自然现象和组织管理等。 (2)系统工程是一门跨学科的边缘学科。不仅要用到数、理、化、生物等自然科学，还要用到社会学、心理学、经济学、医学等与人的思想、行为、能力等有关的学科，是自然科学 和社会科学的交叉。因此，系统工程形成了一套处理复杂问题的理论、方法和手段，使人们 在处理问题时，有系统的整体的观点。 (3)在处理复杂的大系统时，常采用定性分析和定量计算相结合的方法。因为系统工 程所研究的对象往往涉及到人，这就涉及到人的价值观、行为学、心理学、主观判断和理性 推理，因而系统工程所研究的大系统比一般工程系统复杂得多，处理系统工程问题不仅要 有科学性，而且要有艺术性和哲理性。

系统工程的发展历史 系统工程作为一间科学技术虽然形成于本世纪中叶，但系统工程的思想方法和实际 应用可追溯到远古时代。中华民族的祖先在了解和改造自然的辛勤实践和大量的社会活 动中，早有许多朴素的系统概念和应用实例。 在军事方面，早在公元前500年的春秋时期，就有著名的军事家孙武写出了"孙子兵 法"十三篇，指出战争中的战略和策略问题，如进攻与防御、速决和持久、分散和集中等之 间的相互依存和相互制约的关系，并依此筹划战争的对策，以取得战争的胜利。其著名论 点，"知已知彼，百战不殆"，"以我之长，攻敌之短"等，不仅在古代，而且在当代的战争中都 有指导意义，在当今激烈的国际市场竞争和社会经济各个领域的发展中，这些论断也有现 实意义。战国时期，著名军事家孙膑继承和发展了孙武的学说，著有"孙膑兵法"，在齐王与 田忌赛马中，孙膑提出的以下、上、中对上、中、下对策，便处于劣势的田忌战胜齐王，这是 从总体出发制定对抗策略的一个著名事例。 在水利建设方面，战国时期，秦国太守李冰父子主持修建了四川都江堰工程。这一伟 大水利工程巧妙地将分洪、51水和排沙结合起来，使各部分组成一个整体，实现了防洪、灌 溉、行舟、漂木等多种功能，至今，该工程仍在发挥着重大的经济效益，是我国古代水利建 设的一大杰出成就。 在建设施工方面，北宋真宗年间，皇城失火，宫殿烧毁，大臣丁谓主持了皇宫修复工 程。他采用了一套综合施工方案，先在需要重建的通衢大道上就近取土烧砖，在取土后的 通衢深沟中引入汴水，形成人工河，再由此水路运人建筑材料，从而加快了工程进度。皇宫 修复后，又将碎砖废土填入沟中，重修通衢大道。使烧砖、运输建筑材料和处理废墟三项繁 重工程任务协调起来，从而在总体上得到了最佳解决，一举三得，节省了大量劳力、费用和 时间。 在医学、农业等方面，我国古代也有许多著名学者用朴素的系统思想和方法取得了伟 大成就，这些都为我们今天研究和发展系统工程的理论体系，提供了宝贵的借鉴和重要的 启示。 近代科学技术的发展，特别是计算机的出现和广泛使用，使系统工程在世界范围内迅 速发展起来，许多国家有不少成功的重大研究成果。 第一次提出"系统工程"这一名词的是1940年在美国贝尔电话公司试验室工作的 E．C·莫利纳(E·C·Molina)和在丹麦哥本哈根电话公司工作的A·K，厄朗(A·K，Erlang)， 他们在研制电话自动交换机时，意识到不能只注意电话机和交换台设备技术的研究，还耍从通信网络的总体上进行研究。他们把研制工作分为规划、研究、开发、应用和通用工程等 五个阶段，以后又提出了排队论原理，并应用到电话通信网络系统中，推动了电话事业的 飞速发展。系统工程的萌芽时期可追溯到本世纪初的F·W·泰勒(F·W·Taylor)系统，为 了提高工效，泰勒研究了合理工序和工人活动的关系，探索了管理的规律，1911年他的 "科学管理的原理"一书问世后，工业界出现了"泰勒系统"。 在第二次世界大战时期，一些科学工作者以大规模军事行动为对象，提出了解决战争 问题的一些决策和对策的方法和工程手段，出现了运筹学。当时英国为防御德国的突然空 袭，研究了雷达报警系统和飞机降落排队系统，取得了很多战果。在这一时期中，英、美等 国在反潜、反空袭、商船护航、布置水雷等项军事行动中，应用了系统工程方法，取得了良 好的效果。1940年至1945年，美国制造原子弹的"曼哈顿"计划，由于应用了系统工程方 法进行协调，在较短的时间内取得了成功。1945年，美国建立了兰德公司(RANDCorp·)， 应用运筹学等理论方法研制出了多种应用系统，在美国国家发展战略、国防系统开发、宇 宙空间技术以及经济建设领域的重大决策中，发挥了重要作用，"兰德"又被誉为"思想库" 和"智囊团"。50年代后期和60年代中期，美国为改变空间技术落后于苏联的局面，先后 制定和执行了北极星导弹核潜艇计划和阿波罗登月计划，这些都是系统工程在国防科研 中取得成果的著名范例。阿波罗登月计划是一项巨大的工程，从1961年开始，持续了U 年。该工程有三百多万个部件，耗资244亿美元，参加者有两万多个企业和120个大学 与研究机构。整个工程在计划进度、质量检验、可靠性评价和管理过程等方面都采用了 系统工程方法，并创造了"计划评审技术(PERT)"和"随机网络技术"[又称"图解评审技 术(GERT)"]，实现了时间进度、质量技术与经费管理三者的统一。在实施该工程的过 程中及时向各层决策机构提供信息和方案，供各层决策者使用，保证了各个领域的相互 平衡，如期完成了总体目标。计算机的迅速发展，为该复杂大系统的分析提供了有力的 工具。 70年代以来。随着微型计算机的发展，出现了分级分布控制系统和分散信号处理系 统，扩展了系统工程理论方法的应用范围。近年来，社会、经济与环境综合性的大系统问题 日益增多，如环境污染、人口增长、交通事故、军备竞赛等。许多技术性问题也带有政治、经 济的因素，如北欧跨国电网的供电问题。这个电网有水、火、核等多种能源形式，规模庞大， 电网调度本身在技术上已相当复杂，而且还要受到各国经济利益冲突、地理条件限制、环 境保护政策制约和人口迁移状况的影响，因此，负荷调度的目标和最佳运行方式的评价标 准十分复杂，涉及多个国家社会经济因素。该电网的系统分析者要综合这些因素，对4500 万千瓦的电力做出合理的并能被接受的调度方案，提交各国讨论、协调和决策，这是个典 型的系统工程问题。 我国近代的系统工程研究可追溯到50年代。1956年，中国科学院在钱学森、许国志 教授的创导下，建立了第一个运筹学小组;60年代，著名数学家华罗庚大力推广了统筹 法、优选法;与此同时，在著名科学家钱学森领导下，在导弹等现代化武器的总体设计组织 方面，取得了丰富经验，国防尖端科研的《总体设计部"取得显著成效。1977年以来，系统 工程的推广和应用出现了新局面，1980年成立了中国系统工程学会，与国际系统工程界 进行了广泛的学术交流。近年来，系统工程在各个领域都取得了许多成果。

系统科学（System Science)作为一门科学有它产生、发展、形成的过程；而且由于天天科学是一门横断科学，它涉及自然科学中包括数学、物理学、化学等多个学科领域，还涉及到工程技术的多个部门，甚至与社会科学的不少学科也有联系，因此系统科学发展的历史与整个人类发展历史紧密相连。它的产生可以追溯到原始社会。古代人类认识自然界首先就是从对自然的整体认识开始的，也可以说系统科学思想是指导人们认识的第一个理论；而系统科学体系的完整建立又要说道当代科学技术的最新成就，现代科学的每一个理论几乎都被系统科学吸收，并改造成为其自身理论体系中的一个部分。从总体上看来，系统科学的发展大体上经历了三个阶段，即系统思想产生和形成；定量的系统科学方法的建立；综合的系统科学体系构建三个阶段。 一、系统思想产生和形成-----系统科学的初级阶段。 古代人类的生产水平低下;对自然灾害的抵御能力很差，对自然界的认识往往停留在"系统思 想"的水平上，他们从整体上来认识世界，把人的生老病死与自然界的现象联系在一起形成了“天人合一”的世界观，这种世界观中包含有系统的思想，中国老庄哲学就反映了这种思想《易经》、"老 子"中论述事物的统一、转化等，指出:"天下万物生于有，有生于无”“无，名天地之始，有，名万物之 母"，"道生一、一生二，二生三、三生万物"。后来王安石将世界演化的顺序又解释为"天年生水"，，地 二生火"，"天三生木"，"地四生金”，“天五生土"，《五行，天所以命万物者也。。认为世界上的事物先 由天地生出五行----水'、火、木、金、土，然后再形成万物。这样他们用阴阳、五行、八卦的观点来统「 自然界的各种现象，统一人类与自然，我们可以把它们看成是整体视点、运动变化观点、综合观点等 系统思想的具体体现。古希措哲学家德漠克利特把宇宙看成一个统一的整体，从整体上进行研究， 并把宇宙看成是由原子组成的，原子的运动和相互作用构成了整个宇宙的运动变化;并发表了“宇 宙大系统”的专著，可以认为这是，最早采用"系统"这个词的著作;无论是中国古代的思想家，还是外 国古代的思想家都是从整体上研究世界，他们往往是在几个领域土都有较高的造诣，是多个学科的 专门家，例如古希腊的亚里士多德、阿基米德，中国的老子、墨子等。这时期科学发展的特点在于不 同学科的研究紧密联系在一起;科学写哲学的研究联系在一起。科学的综合发展是生产水平较低时 期的产物，对科学本身则体现为系统思想大发展的时期，系统思想中的整体观点、运动变化观点、相 互联系与相互作用的观点足指导当时科学研究的主要观点。特别需要指出的是这时的系统思想是 人们"被迫"树立起来的，人们无法了解到自然界复杂现象的原因，因此只能从总体土，从宏观上采 用思辩的方法来研究事物。系统思想的建立与发展，与生产水平较低下，与科学技术还不十分进步 是紧密联系在一起的。， 虽然整体上运用系统科学观点研究自然界是在初级阶段人类"被迫"选择的观点相方法，但是系统科学方法已经使人类在科学技术和生产发展方面取得了辉煌的成就。在工程上，中国古代李冰 父子修建的四川都江堰水利枢纽工程不仅是当时世界水利建设史上的杰出成果，也是系统科学观 点的一次伟大的实践。整个工程由三个大的主体工程构成:“鱼哩”---岷江分水工程，"飞沙 堰" -----分洪排沙工程，"宝瓶口”----引水工程。从而将排洪、排沙、引水等多项功能集中在一个大工程项目中，与之配套的还有120多个附属工程，形成一个统一的整体，发挥了排沙。泄洪·灌溉多 方面的作用。可以认为没有"鱼咀"分水工程，大量的沙石就不可能排入外江;而没有"宝瓶口"引水 工程，水形不成回旋流，泥沙无法越过"飞沙堰。排泄出去;而没有"飞沙堰"工程将泥沙排走，“宝瓶□”将被泥沙堆集无法发挥引水作用，水也不能进入成都平原。都江堰水利工程从总体上进行设计 和建造，使它在各个方面都能发挥较好的作用，并且由于是在总体上进行设计，因此能在较多方面 长期发挥作用，一直到现在都江堰还在为四川平原的农业生产发挥着效益。在医学方面，我国中医 理论也充分体现了系统科学的思想。古代中医理论“黄帝内经”，强调了人体各器官联系、生理现象与 心理现象联系、身体状况与自然环境联系"把人的身体结构看作足自然界的一个组成部分，认为人 体的各个器官是一个有机的整体。用阴阳五行学说来说明五脏之间的相互依存、相互制约的关系; 将自然现象、生理现象、精神活动三者结合起来分析疾病根源，在治疗上将人的养生规律与自然界 的规律联系在一起，提出了"天人相应"的治疗原则。这实际上是强调了系统内各子系统之间的关系 作用，系统与环境之间的关系作用。中医在诊断病症时采用切脉方式，将人看成一个整体。利用人体 发生病变时，影响到血液循环情况，则从手腕处脉搏动的速度快慢，力量大小等特点来判断出现 病变的部位及程度。中医在治疗疾病时所用针灸方法，也是将人看成一个各器官相互之同紧密联系 的整体，对很多不同器官的疾病都通过在耳部相应部位针灸达到治愈的目的;从上述论述中，我们 可以看到无论是诊断还是治疗，中医都是把人作为一个整体，认为多体各部分之间存在着紧密的联 系，而且这种联系的物质依托不仅有在人体解剖学上观察到的神经、血管等实际各器官的联系通 道，还有被称左经络的通道。按中医理论经络将人体联成一个统一的整体，是人体各部分之间联系 的重要通道;而只有在人成为一个整体(进行新陈代谢的活人)时经络才存在，否则经络不能存在， 我们知道一旦对人进行解剖，观察身体的各部分组织时，经络也就不存在了。以系统科学整体现点、 系统观点为基础的中医理论一直到现在仍然在我国以及世界医学上占有重要的地位。 随着生产的不断发展，人类对自然界的认识越来越深刻，此时却产生了忽略系统整体特性研究 的倾向。以对人体的认识为例，通过解剖学，人们不仅对人体各部分的构造有了深刻的了解，分清了 人体各个器官，而且对它们之间的联系也找到血液循环、神经网络、淋巴组织等三种联系渠道。对每 一部分了解的深入，对每一种具体联系渠道的讨论，使人们忽略了对整体的分析，忽视了各个局部 在系统整体中的作用。解剖学对肌肉组织了解的非常仔细，对肌肉进行了各种物理、化学的实验，以 使人们可以了解到肌肉细胞的各种特点，但却忽视了作为人体一部分的肌肉在整个机体存在情况 下反映出来的特性，甚至到了不相信人整体所表现出来而在局部肌肉实验中不能看到的超常功能。 某些专业研究工作者;硅看到一些气功师表演赤膊躺在尖钉板上，并往身上压重物，表演者并不会 被尖钉扎破时，由于他们在研究中无论理论计算还是实验观测，小块的肌肉都不可能承受过大的压 强:他们就不相信气功师的表演，想方设法去否定看到的现象，实际上从系统科学的拈度来分析，局 部肌肉的实验，不可能反映系统整体的特点，人整体表现出来与局部肌肉反映出来的特性不同是完 全正常的。忽略系统整体与局部在性质上的区别是具体科学研究深入对系统科学发展带来的负影 响。 由于对自然界认识的深入，学科分类越来越细，各学科的研究人员也不再能对所有学科都有所了解，只能成为其学科的专业人才。在中世纪意大利的科学家达·芬奇既是力学家、物理学家，又是建筑学家、面家。而在这以后，象达·芬奇那样可以精通天文学、力学、物理学等多个领域的专家已 不可能存在。就是在物理学领域内，电磁学专家也不再懂得多少原子物理，而且理论专家不善于作 实验，搞实验的专家其理论分析的功底也不强。宏观上这是由于知识越来越深入，内容越来越多，一 个人即使一辈子都进行学习，也不可能掌握很多门的学问，同时学科门类分得过细，也使科学研究 工作者没有必要再去学习过于宽泛的知识，而只需掌握比较窄的专门知识就够了。知识面过窄的研 究人员是使系统科学发展缓慢的原因之一。 从经济发展上来看不论是长期的奴隶制、封建制社会，还是资本主义发展初期，一般生产规模 都较小，生产设备都比较简单，较容易形成生产的协调发展，只要加大劳动强度就可以提高生产，自 然资源充足，有取之不尽，用之不竭的感觉；由于生产造成的环境污染，可以通过自然净化作用得到、 恢复。因此在这个时期人们只重视个别机器的改进，忽视整体的效益，只重视加大生产强度，不考虑 综合利用，不考虑资源配置。这就从容观需求上放松了以研究系统整体为对象的系统科学的研究。 实际上系统科学经过斗段早期的辉煌发展时期以后，虽然在一些局部的、工程上的、具体的方面有 一些成就以外，从整体上讲处于停滞阶段，作为一种思维方式定逐渐被形而上学所代替。五如思格 斯所指出的那样:"在希腊人那里----正因为他们还没有进步到对自然界的解剖、分析----自然界 还被当作一个整体面从总的方面来考察。自然现象的总联系还没有在细节方面得到证明，这种联系 对希腊人来说是直观的结果。这里就存左着希腊哲学的缺陷，由于这些缺陷，它在以后必须屈服于 另一种观点"。 ------<;<;简单巨系统演

二、定量的系统科学在应用学科层次上的建立 像任何科学的发展都是由生产的发展来促进、都是从对实际应用的研究开始一样，系统科学的 发展也是由于生产的发展，出于客观的需要而使之发展;并且首先进行实际应用的研究。第二次世 界大战前后是系统科学应用层次迅速发展时期，并在二次大战以后逐渐形成了系统科学在应用学 科层次上的理论---控制论(CYBERNETICS)、运筹学(Operational research);信息论(Information)。 二次世界大战似前人们对系统科学应用的研究已经开始，并取得了一定的成就，但那时的研究 是孤立的、分散的，局部的。最突出的例子有两个;一个是A.K.Erlarg提出的电话平街模型理论。 在20世纪的年代电话事业日有很大发展，人们在架设电话线路时需要考虑电话的使用效率:线路 太少，出现多部电话集中在一条线路上拥挤，无法通话，线路太多又会出现线路长时间闲置，造成浪 费。Erlarg利用对比方法建立模型巧妙地解决了这一问题。他将一个电话通讯系统与一个水的汽 液平衡系统相对照，一部电话被拿起使用对应于一个水分子从汽态跑到液态，一部电话停止通话对 应于一个分子从液态又回到汽态。已知单位时间一部正在通话的电话用毕的概率为λ(即通话时间 为1/λ)，单位时间电话被使用的概率为μ利用汽液平衡时，单位时间从液态跑向汽态的分子数与从 汽态跑回液态的分子数相同的关系可列出: 其中Pi，表示在系统中有i个分子处在液态的概率。 将这一细致平衡的普遍关系式反复使用可有 由于概率分布满足归一化条件，故 利用统计方法计算出的Erlarg公式表明在电话机平均使用率μ和平均通话时间 1/λ 已知的前题 下，给定拿起话机线路畅通的概率(如P=O.9)时，对于N条电话线的线路可装i部电话机。通常μ>;λ 户中当我们增加线路n时对固定的电话机系统其全部使用的通话概率则大，当增加电话机、其它 参数不变时则通话概率降低;这个例子不仅是一个系统工程应用的范例，而且有着重要的实际意 义。这里给出的由Erlarg公式到现在仍然是电话部门设计通讯线路的基求依据，后来对此类问题研 究发展成为排队论的主要内容，而且在解决问题的方法上;建立模型的过程上也为一般系统工程建 立模型提供了参考。 另一个例子是美国科学家W.Leontief提出的投入产出模型。国民经济中各个部门的关系非常 复杂:它们相互作为原材料、能源等，一种产品:的多少影响着多种产品的生产，同对又受着多种产品 的制约;但是对于大部分产品来讲，在短时期内单位产出的投入量，即生产单位产品对各种生产要 素的消耗量，具有相对的稳定性，这是由于各种原料、辅助材料、动力等的消耗量是由生产技术水 平、管理水平、自然条件等因素决定的，短期内不会发生根本性的变化;即使有部分产品其消耗系数 变化较大，但其变动具有了定规律性，也容易确定。leontief的投入产出模型是用数学方法和电子计 算机来研究各种经济活动的投入产出之间的数量关系。特别是研究和分析国民经济各个部门(各类 产品)在产品的生产与消耗之间的数量依存关系"它对于科学的安排、预测和分析经济活动在很大 作用。这种方法以Leontief 1936年发表的《美国经济系统中的投入与产出的数虽关系》论文为代 表;以后他又出版了《美国经济结构1919一1929》(1941年出版)和《美国经济结构研究M1953年出 版刀这些论文和著作不仅系统地提出了投入产出方法，并且根据美国公布的;经济统计资料编制了 美国经济的1919、1929、1939年的投入产出表。投入产出方法在经济分析中起了重要的作用， Leontief 因此获得了1973年的诺贝尔经济科学奖，他所提出的方法也在世界各国普遍得到采用。 二次世纪大战中八交战备方要求合理使用局部，四起到全局效果最佳，提出了各式备样的实际 问题需要解决，大大促进了对实际问题的研究，各种运筹方法、控制方法，博奕方法都得到了很大的 发展。由于战争的需要提出了各种实际问题，如何布置炮火防御系统以便更好消灭敌方飞机的空 袭，如何搜索目标以便发现潜艇，如何计算火炮发射提前量以便对付高速飞行的飞机等等;这些问 题既是实践性非常强的具体问题，又具有很强的理论价值。另一方面大批科学家转到了为国防、军 事服务的方向上来;使得一些军事上的科学研究问题得以很快的解决，并从中提出一些新的概念方 法。 、 二战结束以后，科学工作者回到和平环境，他们将战时研究的实际问题进行理论上的提高和升 华，建立起了运筹学(Operational research 简称OR")、管理科学(Management Science)、控制论 (Cybernetics)及信息论(Information Theory)等系统科学在应用基础层次上的学科群体。具体地反 映为，第二次世界大战期间从事雷达和防空火力控制系统研究的N·维纳(N·wiener)在1948年出 版了名著《控制论，或关于在动物和机器中控制与通信的科学》建立了控制论;美国数学家中C.E.申农(C·E·Shannon 1948年发表了论文《通信的数学理论》，1949年发表了论文《噪声中的通信》 ，此两篇著名论文奠定了信息论的基础;50年代出版了各种运筹学方法的著作和论文，其中美国的 H.H，古德和R.E.麦克霍尔出版了第一本以系统工程命名的专著。以后迅速发展，现已成为适应 性非常强，有完整数学理论的一些技术性学科，这些学科的建立使系统科学从思辩的方法论的层次 己经发展成为定量的拟数学科学为基础的学科。 一门学科的发展必须要有经济技术作为动力。一次大战以后"生产和科学的进一步发展从两个 角度把系统种学重新摆到人们面前，一方面生产规模的扩大，单纯依靠增加劳动强度巴不可能再提 高生离龙由产自动比要求组织现代化，某项生产任务的完成要求多个部门配合，美国阿波罗号字 宙飞船均设计制作势年五上百万人、二百多所大学。一百多家公司共同研制、耗资240亿美元;在这 个项目中;依靠科学家个人创造性劳动的成果逐渐变少，大多是有目标，多学科。大批专家的联合攻 关研究，其中关键在于组织、协调，在于各个生产工序的衔接，在于如何使整体达到最优，也就是利 用系统科学的思想，利用系统科学的方法进行研究。生产。另一方面、由于自然资源有限廓场有限。 经济发展相生产提高不仅是经济。生产本身的问题，还要研究整体优化、资源配置、社会持续发展等 问题;要从生产和消费、资金和劳动力、资源利用与环境污染年多个方面来分析问题"，要从自然科 学、社会科学多个角度来研究分析问题;就是在经济发展本身，资本主义初期的自由竞争已逐渐发 展成现代国家宏观调控手段加强，对生产财富进行二次分配，特别是国际贸易使世界各国的经济发 展也成为二个整体。这种种情况表明系统科学所提倡讨论的整体与局部的关系、整体优化等理论己 经成为生产科学发展由强大理论支柱。 这一阶段系统科学发展的特点在于1.数学工具大量应用，系统科学已经从方法论的科学变成 了一门实际应用的科学，一门精确的科学，2.技术基础的研究、应用技术的研究发展很快，针对各式 各样的问题，人们提出了各式各样的方法，这些方法在解决实际问题对其有很大的优越性，但是综 合的方法:普遍适用的理论还未形成;还未建立起一个理论体系，3.在主导思想上已从原来整体考 虑、总体分析。认识事物发展到控制系统使之达到总体的优化，从认识到应用、从整体大于部分之和 到部分较劣可达到整体优化。 ------<;<;简单巨系统演化理论〉〉 姜璐

三.现代系统科学体系建立 物理学中耗散结构理论，协同学提出了解决复杂自然系统的理论、方法、为统一自然系统和社 会系统建立系统科学准备了材料。 物理学以前讨论的系统是可逆的、退化的，牛顿第二定律;热力学第二定律判定了系统的演化 万向和特点。这类自然系统的演化方向与生物界、社会科学中普遍存在的发展;进化等演化现象相 矛盾，人们无法用统一的方法来研究自然界系统与社会系统。A.Kyre在《牛顿学说的综合观念和 影响》一文中写到："我曾经说过，现代科学早已把分割天体和地球之间的壁垒推倒，并且由两者结 合起来，统一成为一个整体字宙。这是千真万确的。但是我还曾经说过，现代科学对宇宙进行的研 究表明;它研究另外一个世界，即量的世界，一个奇妙的几何世界，在这个世界中一切事物都有其位 置，但是却没有人的位置，它用这个世界取代我们赖以生存、爱慕。传宗接代、充满感性认识的质的 世界:。"两个世界，也可以说两个真理;或者说没有任何真理。"另一位科学家E.P.Wigner也表示 了类似的看法:"近代科学中最重要的间隙是什么?显然是物理科学同精神科学的分离，实际上物 理学家和心理学家之间毫无共司之处，-----或许，物理学家为心理学方面较肤浅的讲究提供的某些 工具可以除外，而心理学家警告物理学家要小心以免所隐藏的欲望影响他的思考和发现。" I.Prigogine提出耗散结构理论;开放系统在远离平衡态时，由于同外界进行物质、能量、信息的交换，可以形成某种有序结构。在自然界的物理、化学系统中可以发现存在着与生物学一样的进 化现象，并可以利用耗散结构来统一进行讨论。H.Haken提出协同学，认为复杂系统的相变是弗 于子系统之间的关联、协调作用的结果，协同学中的序参量概念和役使原则理论是解决系统向有产 方向演化的有效方法。在讨论自然系统向有序方向演化的问题时，人们还运用数学上的突变论、微 分方程的稳定性理论，生物学中的超循环理论等，在研究非线性系统演化时，人们又提出混沌、分岔 分形等新概念并发展了相应的理论。所有这些自然科学的新概念、新方法、新理论它们有一个共同 特点:就是讨论复杂的自然系统当其内部各子系统之间相互作用为非线性互作用时呈现出来的演 化的新现象，通过分析可以看到，它们既适用于讨论自然现象(它们本身是从对自然现象的研究申 发现并总结的);又适合讨论某些社会现象，它们可以作为讨论自然与社会两类完全不同的客观现 象的统一理论。虽然这些内容并不是系统科学本身的理论，但是它们可以作为构建系统科学基本理 论的主要内容之一。我们认为只有在自然科学研究比较深入，提出上面所列举的一些理论之后，系 统科学的理论才能建立-，并且在这样一些新的理论提出以后，人们也希望将它们进一步深化，使之 成为解决普遍的一般复杂系统的系统理论。下面不少章节我们就是将上述自然科学新内容充实、修 正，使之成为系统理论的一部分，当然这些工作还仅仅是一个开始，人们还需要在今后的研究中真 正完成建立系统理论的任务。 另外，复杂的生产任务的提出，大系统、巨系统、分布参数系统等研究提出的新问题，加快了系 统科学应用层次上的发展。传统的以传递函数方法研究单机自动化的古典控制论，发展成甩状态空 间概念、动态规划、卡尔曼滤波、极大值原理等组成的现代控制理论，用以解决多机自动化，整个工 厂自动化的问题。非线性规划、整数规划以及博奕论、随机过程分析等大量新的非线性的运筹学方 法，以及现代信息理论和信息技术都使控制论、运筹学、信息论，这些系统科学在技术基础层次上的 学科发展得更成熟更完善，这也为系统科学体系的建立准备了大且丰富的材料。 "在具体应用方面人们更多地注重研究社会系统、经济系统，针对对这类有人参与的系统的分 析，专家们提出将理论分析与计算机结合采用定性定量相结合的综合集成研究方法，最近文提出人 机结合，从定性到定量的科学研讨厅体系，使我们有可能解决社会大系统的演化问题。 综上所述我们看到在系统科学的基础理论、技术基础、应用技术三个层次近年来都有了巨大的 发展。并且我国著名学者钱学森教授在80年代提出了系统科学体系的框架，分析了在不同层次上 的学科内容，提出了它们之间的联系，使系统科学走上了全面发展的新阶段。 系统科学理论体系现在正处在一个飞速发展的阶段，这个阶段的特点表现为1.各种与系统科 学有联系的理论在相应的学科中有着很大发展，混沌、分形等非线性科学已经成为当前科学发展的 前沿之一。随机控制，多层次、多目标复杂系统的递阶控制也已是自动化领域中的研究热点。2.综合 不同学科中的先进理论，构建系统科学理论框架工作已经展开，分析不同学科领域中理论之间的差 异寻找其共同的特点，并按照复杂系统演化的观点将不同领域中的理论、方法归纳、总结成统一的 理论，在这中间还必须提出一些新的概念，新的方法;3.由于生产发展的需要，对各类实际复杂系统 的研究工作在系统科学观点的指导下进一步深入，人工智能系统、经济运行系统、人脑系统等各类 复杂系统有其官身的特点，也需要按照新的观点来进行分析，我们从系统科学的角度来讨论问题， 这就可以站得更高，对问题分析得更深入;对这些复杂系统的分析不仅是对系统理论的应用，同时 在研究中所采用的新的方法，所得到的新的结论也会丰富系统理论本身的内容，使系统理论真正成 为解决复杂系统演化的理论。

对“模式”这一 概念最早进行较为系统、科学考察的当属美国学者 比尔和哈德格雷夫，他们认为“模式是再现现实的 一种理论性的简化的形式”，类比性、假设性、简约性是其突出特征。这一认识表明：（1）模式是对现 实的再现，但此种再现不是对表象的简单复现，而是 经思维的抽象加工，从整体和本质上把握事物的存在形式和运作机制的认识样式，是对客观原型的抽 象化，是人们借以深化认识的手段。（2）模式是理论性的表现形态，是对理论的假设性表达方式，是以观 念形态储存在人的意识之中的，而非纯操作性的方法、方案或实施步骤。（3）模式是理论的简约的表达 方式，舍弃了非本质的因素、属性，是用最为经济明 了的方式简洁地表达出来的。

系統思想的發展與內容 資料整理 2002, 6, 21　吳文成 -------------------------------------------------------------------------------- 　　系統性、非線性與複雜性是自然科學與社會科學都關注的熱門話題，也是最激動人心的認識觀點，同時被認為是二十一世紀主要的發展領域，它不僅涉及到物理學、化學、氣象學、生物學、醫學、認知科學、計算機科學、工程學、社會學與經濟學的研究進路，也對哲學與後現代文化思潮產生了影響，我們可以說，它引入了一種跨學科的認識論與方法論，讓人們以新的視角來看待自己、社會與自然界，與彼此之間的關係。 　　二十世紀初期，科學研究向專業發展，科學分化有越來越細的傾向，不同學科的科學家在各自的領域探索，但是到了三Ｏ年代以後，不同領域的科學家與思想家們發現，現代科學有許多帶有普遍意義的思想與方法，越是到了二十世紀中葉，各科學學科的綜合與交會是越來越明顯，科學家們聚在一起交流與合作，現代系統思想便是在這樣的土壤上發芽。在一九四八年前後，首先是由奧地利生物學家 Bertalanffy（ Ludeig von Bertalanffy， 1901-1972 ）提出了一般系統論，同一時期由於技術應用與問題解決的需求，運籌學、控制論、信息論就相繼創立了，系統思想就這樣由生物學擴大到軍事、工程與社會各方面，逐步形成廣義的系統科學；在理論科學的部分，突變論、耗散結構理論、協同學、超循環理論……等的提出更加深刻地解釋了系統創生與演化的原理，讓得系統思想成為理論科學中的顯學，七Ｏ、八Ｏ年代發展起來的非線性科學（廣義的說法是複雜性科學）又使系統理論的自然圖象更加精細、深刻，也更能解釋真實的世界。近年來，甚至是許多政治家也開始廣泛地引用系統科學的概念、理論方法與語言去處理政治問題，出現了所謂的政治系統論。 　　我們可以說，系統科學是以系統思想為中心的一類新興的科學群，是關於「 整體」的一般科學，也是二十世紀中葉以來發展最快的一大類綜合性科學，它是分別在不同的學科領域中誕生與發展起來的，這些原本獨立形成的科學理論，互相滲透，緊密聯繫，最後形成一個統一而嚴密的科學體系。本篇文章主要在從不同的角度來把握系統思想的內涵，並且討論系統思想的概念、特徵、理論發展、應用與相關的研究內容。而關於非線性與複雜性科學的部分，筆者將會在另一篇文章中加以討論。 系統概念與特徵 　　什麼是系統？系統就是「由相互作用與相互依賴的若干組成部分，結合成的具有特定功能的有機整體，而且這個系統本身又是它所從屬的一個更大系統的組成部分」。小到分子、原子、基本粒子……大到地球、太陽系、銀河系等等，人們觀察所及的尺度，都是系統，有自然系統、人工系統，還有自然系統與人工系統相結合的複雜系統。系統的定義強調了事物的整體性，以及構成系統的部分之間，系統與環境的相互作用。用這樣的觀點去看事物就是系統思想，或者叫做系統觀。一個完整的系統，都具有以下的特徵： １．系統是由多個部分所組成的。也就是說，一個系統至少包含兩個或兩個以上 　　的要素，反之，單一的、孤立的事物不能稱之為系統。系統本身也是其它更 　　大系統的子系統，這種系統與部分的相對性就決定了系統具有層次性。 ２．系統是一個有機的整體，所有構成系統的部分都處於特定而動態的相互作用 　　與相互依賴之中。由於這些相互關係包含了非加和性或非線性，也包含了控 　　制與反饋的效應，所以系統的整體與整體特性不能通過元素的簡單加和來得 　　到，也不能把系統分解成孤立的單個元素。 ３．系統整體在時間上與空間上都是有限的，在時間上的有限性表現為有始有終 　　，有一個演化的過程；在空間上的有限性表現為有內有外，有一個確定的系 　　統邊界，這個邊界劃分出了系統與環境的差異。系統對於環境具有開放性， 　　環境與系統之間相互交流，環境是制約系統性質的重要因素，系統狀態的變 　　化也會導致環境的變化。 ４．系統的整體具有不同於組成部分的特定屬性、功能與價值，它們是在與其它 　　系統的聯繫之中體現出來的。其中，系統對實現某種目標的作用與有用性稱 　　為系統的功能，系統的功能是由系統的結構以及系統與外部環境的相互作用 　　所決定的，系統功能的實現具有秩序性、協調性與目的性。而它對於人們的 　　效用就是它的價值。 系統思想的發展 　　系統思想作為自然觀的一部份，其起源可以追溯到古希臘時期，早在公元前六世紀，西方辯證法的奠基人赫拉克利特（ Herakleitos ）就提出「世界是包含一切的整體」；公元前五世紀原子論的創始人德謨克利特（ Demokritos ）寫了一本題為《宇宙大系統》的書，以系統的角度來研究宇宙；柏拉圖的學生亞里斯多德後來進一步地提出了「整體不同於它各部分的總和」的著名命題，以致於整體何以不同於其部分的總和成為了系統科學史上的重要問題；在古代東方，系統觀點則是十分普遍的，例如《易經》闡述了中國古代的系統模式的動態架構，墨家則論及了系統思想的方法論，最後最具有代表性的是道家對於系統生成的看法，其中包括老子強調了自然界的統一性。我們可以說，用自發的系統概念來考察自然現象，是希臘哲學與古代中國思想的一個共同特徵。 　　古代樸素的系統思想雖然強調對自然界整體性與統一性的認識，但是缺乏對其各部分的各個細節的認識，因此後來就不得不屈服於另一個觀點，就是隨著近代自然科學的興起，在對自然界分門別類的研究中，所發展起來的以分析為主的研究方法。這種方法雖然對科學的發展有過巨大的功績，但是久而久之，卻逐漸形成了不同於古代的觀點——非系統觀點，即把整體分割成一塊塊互不聯繫、孤立、靜止的組成部分的觀點。這就是與系統思想相對立的形上學自然觀。 　　在當代，隨著自然科學的進一步發展，在深入分析與研究自然界的一個個局部之後，這一個個局部之間的聯繫，局部與整體的聯繫，使得自然界的系統特性在新的層次上又頑強地反映到人們的頭腦中來。現代系統科學的發展同時使得現代系統思想的內容更加充實，與古代樸素的系統思想相比，現代系統思想具有以下的幾個特點： １．現代系統思想去掉了古代樸素觀點中模糊與猜測的成分，加進了精確與實際 　　的內容。例如現代系統思想特別強調系統內部結構的有序性，還給秩序性質 　　提供了有效的測度與計算方法。除了對於量的精確性要求，還有對於質的重 　　視，例如我們常說的「整體大於其部分的總和」不僅僅理解在量的差異，也 　　強調在質的差異，現代系統思想強調整體與部分具有不同的質，是不能只用 　　量的差異來刻劃的。 ２．現代系統科學特別注重對於複雜系統的研究，也就是要求將系統與非線性問 　　題聯繫起來，認為只有三個或三個以上元素發生非線性相干時才能組成複雜 　　系統，並且對複雜系統的性質、複雜性的測量與描述提供了有效的方法。這 　　使得系統思想不僅對於大量自然與社會現象提出了有解釋，而且對系統為什 　　麼具有這些特殊性質作了合理的回答。 ３．現代系統思想指出了系統創生與演化的機制，這是以往的系統思想所有沒明 　　確的內容。現代系統思想認為系統的創生是源於與環境交流過程中，總熵遞 　　減或信息量累積而將系統組織自發地拖向相空間的某些穩定態的結果，其後 　　續的演化是具有不可逆性的動力型態，在系統的演化過程中會表現出控制與 　　反饋、自組織與自適應的特徵，這些機制反過來使得系統更加結構化與秩序 　　化，這是複雜系統的特殊屬性。 ４．現代系統思想特別強調了系統的價值。嚴格意義上，價值是指系統對於實現 　　人們某個特定目的所起的效用，這些效用是需要用一定的代價或成本來換取 　　的，所以價值與一般的屬性與功能不同。這就把系統與系統最優化、性能價 　　格化以及人的目的等等較深層次的問題給聯繫了起來。 ５．作為上一點的進一步說明，現代系統思想還突出了其應面層面與方法論性質 　　，現代系統思想與方法是幫助人們做科學決策與問題解決的最佳利器。任何 　　決策都是為了達到某一既定目標，在給定條件下，挑選出達到最佳目標的方 　　案，然後付諸實施，以期作到對於問題的解決。現代系統思想的嚴密化、邏 　　輯化、精確化與程序化更加幫助人們從系統觀點去發現問題，制定方案，對 　　於方案進行系統分析，作出分析評價，對於方案的試驗與實施能夠藉著系統 　　的反饋機制得以調整方案與追蹤決策的成效。這突顯了現代系統思想的價值 　　，使得人們在近半個世紀的工程技術與應用有了最大的成果。

系統理論的發展 　　系統思想從一種哲學思想發展成為一種具有定性與定量形式的自然科學理論 ，則是在二十世紀。系統理論是二十世紀四Ｏ年代末所興起的一門綜合性科學，它包含了一組相關的學科群：一般系統論、控制論、信息論、突變論、耗散結構理論、協同論、超循環理論等等。它為人們提供了一套嶄新的科學思維模式，優化工作方法與定性、定量的數學工具，從而極大地增強了人類認識自然與改造自然的能力，使人們對複雜系統的研究，控制變為可能。它也推進了科學技術進步和生產力的發展，促進了資訊時代的來臨以及自然與社會科學兩大領域的交流。它具有強烈的方法論性質與橫向科學的色彩，在研究複雜系統與促進多學科相互結合上有其公認的特殊地位，因而它被稱為改變了當代世界科學圖像與當代科學思維方式的新興科學。 一般系統論 　　長期以來，生物學中就存在著機械論與活力論之爭。機械論在生物學表現為一種還原論與決定論，科學家們用分析方法把生物學還原為物理化學問題，企圖用物理與化學的原因來說明一切生物的生理現象與心理過程，並且認為一種原因只能產生一種結果。但是機械論無法解釋生物的目的性行為與異因同果的現象。活力論則認為生物體內部存在著一種特殊的「活力」，它支配著整個生命過程，活力論者斷言，有機界與無機界之間隔著一道不可逾越的鴻溝。二十世紀新活力論者德國生物學家 Drisch 從半個或一個完整的或兩個完整的海膽胚胎的結合過程 ，都產生了一個正常的海膽個體，他由此認為這個實驗表現的異因同果律是與機械論相矛盾的，只能用活力論解釋。 　　同時生物學中還有一個難題，就是按照熱力學第二定律，一個封閉系統的自發過程只能朝著熵增加的方向發展，即變得越來越無序。而生物的進化卻相反，是向著有序性或組織程度越來越高的方向發展，這能是自然界自發的過程嗎？為了解決這些難題，美籍奧地利生物學家 Bertalanffy（1901-1972）於一九三七年提出了一般系統論原理，他主張從生物的整體出發，把生物整體與環境作為一個大系統來研究，強調系統的開放性，即系統要同週遭環境有能量與物質的交換，有機體是一個處於動態平衡的開放系統。他應用數學方法與模型，並於四Ｏ、五Ｏ年代集中闡述了他的觀點，創立了一般系統論（General System Theory）。 　　一般系統論認為，傳統科學原則流行的「分析程序」所主張的「一個被研究的整體可以被分解為各個部分，因而也就能由這些部分來構成與再構成」這一觀點，只有在各個部分之間的相互作用可以忽略不計，並且各個部分的行為關係是線性的時候，各個部分才能實際上被分別出來，然後再被組合，各個部分的過程才可以被相加而得到總體的過程。一般系統論的一個重要成果，是把生物與生命現象等複雜系統的整體性、結構性、有序性、目的性與環境的適應性給聯繫了起來，並且從整體與局部、局部與局部、整體與外部環境的相互關係來考察系統，以獲得正確的認識以及處理問題的最佳方案。他用數學模型導出了異因同果的結果，從而用系統的觀點對生物學的難題作出了初步的回答。 控制論與信息論 　　在此同時，控制論與信息論（或稱為資訊論）也被相繼提出。一九四八年美國數學家 Wiener（1894-1964）發表了「控制論」（Cybernetics），他指出，控制論就是研究生物系統與機械系統中的自動控制與通訊規律的科學，它試圖突破生物與機械之間的界限，並且找出它們的共同點。控制論是研究對系統實行控制的理論，控制是通過訊息反饋進行的，通過訊息反饋實現系統的有目的行為，由於一個系統在運動中，總要受外界環境的干擾而偏離預定目標，因此必須通過訊息反饋加以校正。就在同一年，美國數學家 Shannon（1916-）發表《通訊的數學理論》，奠定了「信息論」（Information Theory）的基礎。所謂的信息，就是由消息、資訊、符號、聲音等等這些概念中抽象出來的一個概念，是事物之間建立聯繫的一種形式。信息論是研究控制和通訊系統中信息傳遞、交換、儲存、計量的新興學科。信息論的特點是：從系統出發，把整個系統的運動過程，抽象為一個信息轉換過程，這個轉換過程是通過信息輸入、信息加工、信息儲存、信息輸出及信息反饋來實現，並且根據信息傳輸的特性來把握系統。 　　一般系統論、控制論與信息論有許多基本概念與方法都類似，在當時的歷史條件下，雖然他們各自從不同的角度提出了解決問題的原則，可是實際上他們是從不同的側面研究了同一個問題。一般系統論把對象作為一個整體來加以考察，提出了適用於一切複合系統或子系統的模式、原則與規律；控制論進一步地考察它們的性質，提供了更為廣泛與有效的概括形式與處理問題的方法，並且為我們提供強有力的模型化工具；信息論則研究了信息如何在系統中如何有效傳遞的理論。目前有許多學者已經越來越清楚地認識到這三門學科的內在聯繫，這三門技術學科具有濃厚的方法論性質，它們藉助於電子計算機與現代數學工具為解決複雜系統的問題提供了有效的科學方法。 突變論 　　另一個重要的數學理論，為一九六八年法國數學家 Thom（1923-）從拓樸學中提出的一種幾何模型，能夠描繪多維不連續的現象，他的理論稱為「突變論」（Catastrophe Theory，或稱劇變論）。突變論是利用突變作為數學模型來處理不連續現象，並掌握其規律性，這套工具之所以如此吸引人，就是因為自然界中到處都有不連續的現象與系統等待處理，例如生物學中許多處於飛躍的、臨界狀態的不連續現象，物理世界中液態氣態變化的紊流系統，甚至是政策重大變更、股票證券市場的風雲詭變，都能找到相應的突變類型給予定性的解釋。突變論提供了豐富的定性語言，彌補了連續數學方法的不足之處，同時帶動許多數學新理論的發展，並且也已成功地應用於生理學、生態學、心理學與複雜系統的狀態躍遷相關的研究之中。 　　以前的物理學家與數學家們常常喜歡嘲笑定性的語言 ， Rutherford 曾經說過一句名言，他以為「定性只不過是拙劣的計量」。但是當突變論提出之後，他們對於定性語言的輕視就大大地改觀了，突變論帶來了一種新語言，它使得定性的語言真正擁有了數學的內涵，而變成一種足令人信服的有效數學工具，突變論中提供了一些像摺點、劇變、尖點劇變、蝴蝶點劇變、發散、正則因子、分裂因子 、貫截性、普遍拆展、雙曲臍點、橢圓或拋物臍點、劇變曲體等等許多新名詞。 突變論是個最適合於描述以前被認為「不精確」的社會人文科學的工具，也可以用來配合或取代部份生物化學家們過份著重寶驗數據的傾向，而發展出一套綜合性的數學模型。 在過去二、三十年中，儘管有不少數學新理論的產生，但是從來沒有一個能更像突變論那樣引起如此廣泛而又深入的影響。 耗散結構理論 　　複雜系統中的結構穩定性代表著有序性，但是這種穩定性到底是怎麼產生的呢？諾貝爾化學獎得主的比利時化學家 Prigogine（1917-）從遠離平衡態的熱力學研究中發現了所謂的「耗散結構」（Dissipative Structure）是一種穩定結構，並且認為那就是一般系統論中所要找的具有有序性的系統穩定結構，並於一九六九年明確地提出「耗散結構理論」。耗散結構有三個特點：存在於開放系統之中，而並非是封閉系統或孤立系統；保持遠離平衡態的條件，即必須處於非平衡態；系統內各個要素之間存在著非線性的相互作用，包括漲落現象的產生。一個開放系統的總熵的變化 ds 可以分為兩個部分 ： 一部分是系統本身由於不可逆過程所引起的熵增加，叫做熵產生 dis ； 另一部分是系統與外界交換物質與能量所引起的熵流 des。它們之間的關係為： ds＝dis＋des 　　根據熱力學第二定律，dis 永遠大於零，des 則可以大於或小於零。如果當熵流 des 為負的 ， 而且其絕對值大於熵產生 dis 時，系統的熵的總變化便可以小於零，也就是說隨著時間的推移，系統的熵可以逐漸減小，系統便可以由無序狀態逐步轉為有序狀態。這就在不違反熱力學第二定律的條件下解決了熱力學與進化論之間的矛盾。系統自己在與環境交換物質與能量的過程中走向了有序結構，可以稱為系統自組織，所以這個理論也可以稱為系統的自組織理論。 　　耗散結構的研究不但揭示了重要的自然現象，也對複雜系統的研究提出了新的方向。在數學上描述複雜系統的方程通常是非線性的，一般包括分岔現象，耗散結構實質上對應於系統方程在遠離平衡區的一個分岔解，因此耗散結構的研究必然促進分岔理論的發展。耗散結構也是一種突變現象，研究這類現象有助於豐富突變論的內容。在物理學方面，耗散結構的概念擴大與加深了物理學中的有序概念，對不同物理體系中各種耗散結構的研究，豐富了熱力學與統計物理學中關於相變的研究內容，也為物理學研究這些非平衡與非線性問題提供了新概念與新方法，這種影響自然也擴散到化學與生物學的諸多層面。在系統科學方面，耗散結構理論利用數學與物理學的概念與方法研究複雜系統的自組織問題，成為系統理論的一個重要組成部分。 協同學 　　但是，我們仍然需要一個由微觀過渡到宏觀的理論，這個任務是德國理論物理學家 Haken（1927-）於七Ｏ年代初所完成，他從六十年代研究激光發射機制開始，吸收了機率論、信息論與控制論的有關部分，並從一些超導現象與鐵磁現象的理論發現，系統中合作機制的背後隱藏著某種更為深刻的普遍規律。他的系統理論叫做「協同學」（Synergetics，或稱協同論 ）， 協同學是研究「協同系統」在外參量的驅動與子系統之間的相互作用下，從無序到有序的演化規律的新興綜合性學科；所謂的「協同系統」是指由許多子系統組成的，並且能以自組織的方式形成宏觀而具有序結構的開放系統。他用統計力學的方法與現代數學理論如集合論與突變論，研究了相空間系統的穩定性，證明了所謂的目的，就是在給定的環境中，系統只有在相空間中某些「目的點」與「目的環」上才是穩定的，離開了它們就不穩定，系統自己要拖到點或環上才能罷休，這也就是系統的自組織。 　　協同學與一般系統論、耗散結構理論之間有著許多相通之處，以致它們彼此將對方當作自己的一部分，實際上，它們既有聯繫又有區別。一般系統論提出了有序性、目的性和系統穩定性的關係，但是並沒有回答形成這種穩定性的具體機制。耗散結構理論則從另一個側面解決了這個問題，指出非平衡態可以成為有序之源。協同學雖然也來源於非平衡態系統有序結構的研究，但是它擺脫了經典熱力學的限制，而發現即使是封閉系統、熱平衡的狀態有時候也有可能出現有序狀態，更進一步地明確了系統穩定性與目的性的具體機制，可見協同學比耗散結構理論前進了一步。 超循環理論 　　此外同一時期，德國生物物理學家 Eigen（1927-）把生命起源與生物進化的達爾文學說，在分子生物學的層次上，通過巨系統高階環理論給數學化了，提出了一個言之成理的自組織系統模型， 即「超循環理論」（Hypercycle Theory）。他觀察到生命現象都包含了許多由酵素的催化作用所推動的各種循環，而低層次的循環又組成更高一層次的環，即超循環，也可以出現再更高層次的超循環，他還從這個模型推出生物的一些生殖、遺傳、變異、進化的性狀。 　　如果組成系統的元素數量大而且種類也很多，它們之間的關係又很複雜，並且有多種層次結構，這類系統稱為複雜巨系統，例如人體系統、生態系統與社會系統。對於簡單系統與簡單巨系統，上述的幾個理論都可以很好地描述與研究，並且取得很大的成功，但是對於複雜巨系統，超循環理論就是很適合的解釋理論了。連同上述的這幾個理論，就使得 Bertalanffy 四十多年前提出的問題有了明確的解決途徑。 --------------------------------------------------------------------------------

系統工程的發展 　　系統思想與系統理論真正引起人們的重視，還是在它被應用於大規模複雜的工程系統，也就是作為一種工程技術的系統工程實踐取得巨大成功之後。社會實踐活動的大型化與複雜化，要求系統思想方法不僅能夠定性，而且能夠定量，這是進行巨大工程項目的需要，例如美國在發展微波通信網路、研製原子彈與北極星潛艇發射導彈等巨大工程中，深感採用原有的傳統技術遠不能滿足需要，於是逐步摸索發展了一套系統工程的方法，取得了良好的結果。另一方面是二次世界大戰軍事需要的推動，使運籌學、系統工程方法，首先由英國應用於制定作戰計劃，例如解決護航艦隊的編制、防空雷達的配置與運用、提高反潛艇的作戰效果等等，其中廣泛採用了數理規劃（作業研究）、排隊論、博弈論等方法，把運籌學推進到了新的層次。此外還有現代企業管理、質量管理，也迫切要求定量化的系統管理技術盡快發展。 　　戰後，系統思想在實踐方面向著更廣的領域發展，系統工程被廣泛應用於處理軍事、經濟、社會、政治領域的大型複雜的系統問題，例如阿波羅登月計劃、城市規劃、交通管理、河流控制、能源決策、生態保護、農業改革、人口政策等 ； 在理論方面除了上面談到的 Thom、Prigogine、Haken、Eigen 等的工作外，也正逐步建立系統科學體系的方向闊步前進，包括有哲學上的系統觀、作為基礎科學的系統學、作為技術科學的運籌學、控制論、信息論與作為工程技術的各門系統工程與自動化技術、通信技術等等。其結果第一是使系統思想方法定性化與定量化，成為一套具有數學理論、能夠定性與定量處理系統各組成部分聯繫關係的科學方法；第二是為定量化系統方法的實際運用提供了強有力的計算工具——電子計算機。這兩大貢獻都是在二十世紀中期實現的。一旦取得了數學表述形式與計算工具，系統思想與方法就從一種哲學思維發展成為專門的科學與工程技術。 系統思想的內容 　　前面提到了系統理論在物理學、化學、理論生物學、數學等領域有了新的發展與突破，在五Ｏ年代以後，系統工程的大量實踐與運籌學、控制論、信息論的迅速發展，它們不僅為系統科學的建立提供了豐富的材料，也在不同的方面揭示了系統的深刻性質與規律，使得人們對系統有了更加深入的認識。例如，系統的發展在時間上具有不可逆性，系統的過去與將來之間存在著對稱破缺；系統具有自組織性，在漲落作用下，能自發形成穩定的有序結構，有序是系統自組織與子系統協同的結果；系統包含有複雜的反饋機制，反饋是有序之本；系統在一定條件之下，可以從有序變成混沌，也可以從混沌變成有序，還可以從一種有序變為另一種有序而導致狀態突變；混沌是系統對初始條件與邊界條件異常敏感產生的貌似無序的運動。 　　系統理論的任務從根本上來說是兩個方面：一個是對於系統規律的認識，這個方面是關於系統結構、子系統協同，以及系統功能在系統環境作用下的演化規律。另一個是在認識系統規律的基礎上如何控制系統，這個方面則是把控制的思想與理論引入到系統科學，如同認識客觀世界是為了更好的改造客觀世界一樣，人們認識系統也是為了更好的控制系統。接下來，我們要從幾個方面來討論以上所涉及到的系統思想的主要內容： 整體與部分 　　自然界的任何物質客體都是作為一個整體而存在的，同時任何一個整體又是由若干部分組成的。相對於它的各個組成部分它是整體，然而相對於它所從屬的更大的系統，它又是要素，這就是系統的層次性，系統的層次性是不可窮盡的。由於系統整體與部分以及部分與部分之間存在著相互作用，這就導致系統整體呈現出不同於部分特性的整體特性，例如化合物分子的化學特性是組成它的原子在孤立狀態中所沒有的。整體與部分之間存在著加和性（線性）與非加和性（非線性）的雙重特徵：加和性的特徵即整體的性質可以由部分的性質決定，如分子量等於組成它的諸原子的原子量之和，故加和性又稱可還原性；非加和性特徵，就是整體的特性不能歸結為它的要素的特性，也不是它的要素的簡單拼合，而是呈現出整體的新特質、新特徵，故非加和性又稱非還原性。當系統中的要素具有非加和性的時候，系統的性質與運動的規律只能從整體上才顯示出來。 　　了解整體與部分的關係對於認識高層次系統與低層次系統的關係也有幫助，兩者既有聯繫又有區別。因為兩者有聯繫，所以我們通過對低層次系統的研究，可有助於把握高層次系統的某些運動規律；因為有區別，因此低層次系統絕不能把高層次系統的本質包括無遺，高層次系統也絕不能歸結為低層次系統，因為當低層次系統組成了高層次系統之後，高層次系統已經產生了新的相互作用與結構 ，出現了新的整體與新的規律。恩格斯指出：「終有一天我們可以用實驗的方式把思維歸結為腦子中的分子的與化學的運動；但是難道這樣一來就把思維的本質包括無遺了嗎？」 　　總地來說，系統思想對於有機性與整體性方面的強調包括了：（一）原則上反對分析或還原的研究方法；（二）整體大於部分之總合；（三）整體決定其部分；（四）部分只能在整體中被界定；（五）部分之間有動態的相互聯繫。 結構與功能 　　任何系統都有一定的結構與功能。系統的結構是指系統內部諸要素之間相互聯繫、相互作用的形式與方式，是系統各「部分的秩序」；結構是系統保持整體性以及使系統具有一定整體功能的內部根據。系統的功能是指系統整體與外部環境相互作用的關係，它是系統整體的「過程的秩序」。系統的結構與功能的關係可概述如下： １．結構決定功能。物質系統有什麼樣的結構，就必然表現出相應的功能。結構 　　規定與制約著系統功能的性質、層次、範圍與大小。組成系統的要素是系統 　　整體結構的基礎，要素與結構的不同都有可能影響系統的功能，但是系統的 　　功能對於結構卻也有相對的獨立性，表現在：有時組成系統的要素與結構都 　　不同，但卻具有相似甚至相同的功能；有時組成系統的要素與結構都相似或 　　相同，而卻具有不同的功能。 ２．系統的功能對結構也有反作用力。表現在系統的功能又是保持系統結構穩定 　　性的必要條件，如果一個系統不能發揮它所特有的功能，就不能與外界環境 　　進行正常的物質、能量與信息的交換，從而這個系統就將無法保持自身結構 　　上的穩定性。另外，由於功能比結構具有更大的可變性，不但功能發揮的強 　　弱會導致相應的結構的增強或削弱，而且功能的變化也可能帶來結構的變化 　　，例如生物某些器官的退化或進化。 無序與有序 　　無序與有序是系統組織程度的表示。無序即無秩序、無組織、雜亂無章，如分子的熱運動；有序就是有秩序、有組織，例如晶體中原子、分子的排列。有序與無序是相比較而言的，人們通常用熱力學的熵來表示系統的無序程度，而用信息量（數值上恰相當於負熵）來表示系統的有序程度，熵值越大，無序度越高，熵值越小（例如吸收的信息越多，負熵的絕對值越大，熵值越小）有序性越高。 　　按照熱力學第二定律，孤立系統中的自發過程總是朝著熵增加的方向發展，也就是朝著機率最大的狀態變化，直到達到熵的最大值，即平衡狀態的熵值。但是，在我們觀察所及的宇宙中，我們見到的各種物質系統的發展方向卻不是這樣單調的。綜觀自然發展史可以看到，自然界的演化中，存在著有序到無序與無序到有序的兩條線索，為什麼還能從無序到有序呢？因為實質上一切存在的物質系統都不是孤立系統，而是與環境有物質、能量、信息交換的開放系統，在這種交換中，只要輸入系統內的負熵流大於系統內自發產生的熵增加，就能使系統的總熵減少，使系統能維持或提高其有序性。從理論上揭示了這一過程的規律性，證明系統可以通過自組織向更加有序的方向演化，這就是 Prigogine、Haken 等人的重大貢獻。 　　由於任何系統總是處在一定環境中，總要與其他系統相互作用，因此一個系統的任何狀態變化必然引起與它相互作用的另一個系統狀態的相應變化，從而後一個物質系統的這種變化就攜帶了前一系統的某種信息，具有某種信息的過程。有序系統在什麼條件下會變成無序呢 ？ 美國的 Feigenbaum（1944-）綜合了生態學、流體力學中的研究成果，找出了從有序轉向紊亂情況時的一個關鍵常數，使得對這個問題的認識更加豐富，這就提出了一個系統設計思想中很關鍵的問題。 控制與反饋 　　在系統與系統、系統與要素、要素與要素之間的相互作用中，有一類相互作用是特別值得注意的，即這種相互作用的結果造成某種目的性行為，這種相互作用就是控制與反饋。過去人們以為，只有生物才具有目的性行為，由於對它的機制不清楚，便給這種目的性行為加上了「神創論」與「活力論」神秘色彩。隨著自動化技術與系統科學的發展，人們逐漸認識到，目的性行為不過是控制系統的一種特性。在一個控制系統中存在著兩個相互依存，相互作用的子系統：一個是主動系統，即施控系統；另一個是被動系統，即受控系統。控制與反饋指的就是這兩個子系統之間的相互作用。所謂控制，指的是主動系統對被動系統的作用，這種作用具有某種目的性行為，作用的結果使系統朝著一定的方向運動。所謂反饋，指的是被動系統對主動系統的反作用，而且這種反作用必然使主動系統發生調節，產生新的目的性行為。 　　關於原因與結果，機械唯物主義只看到直線式的因果序列，一定的原因必定產生一定的結果，原因決定結果，它們的作用是單向的，不能互換。然而我們卻可能看到，在不同的原因下，卻得到相同的結果，這似乎以某種方式打破了因果律。為什麼出現這種情況呢？因為在控制系統中結果不但被原因控制，而且又可以反過來控制原因，成為「原因的原因」，它們互為因果。輸出不但受輸入影響 ，而且反過來影響輸入，這就是反饋的影響，在自然界中的系統幾乎都內含有反饋的機制，只有在十分特殊的情況下，才會有反饋趨於零，即近似於直線式的因果序列。反饋有正負之分，如果反饋使系統的輸入對輸出的影響增加，這種反饋就叫做正反饋；如果使這種影響減少，就叫做負反饋。正反饋使系統的輸出偏離控制目標值不斷增大，有助於說明系統的失穩、破壞或躍遷。負反饋則相反，它使目標差不斷減小，使系統趨近或保持在控制目標附近，有助於說明系統的穩定性、抗干擾性與目的性行為。生物界或無機界中能夠抵抗環境的各種干擾以保持其性狀的特徵，表明宇宙中的這一切系統都是反饋系統，並且負反饋起著重要的作用。 　　為什麼不同的外在因素作用於同一個系統，結果卻不隨著原因而改變，或者即使整個改變了，也會很快回到自己的標準值？造成這種情況的根本原因，就是來自於事物的內部，即其內部結構所決定的反饋特性，這個系統的組織程度越高 ，便越多地擺脫了外在因素的支配。生命從其最基本的型態到人類的這一個演化過程，是組織程度進化的過程，隨著內部組織的進步，外在因素日益被置於這種調節線路的支配之下；有機體的系統性演化得越高，它的獨立性便越大。

好！