科学技术史-5.8系统科学的诞生与发展(图文教程)

第八节 系统科学的诞生与发展

上文经常说到系统，控制论和信息论实际上都以系统为研究对象，控制论所着眼的是控制系统及其机制．而信息论所关心的则是系统的信息活动及其有关问题。过去常有人把控制论、信息论和系统论并列，统称为“三论”，其实这种说法并不准确，因为这三个理论并不是同处于一个层次之上的。正如钱学森所指出。控制论和信息论同属系统科学的技术科学层次。事实上只有从系统的观点来思考控制论和信息论的有关问题，我们才有可能把握和理解它们。究竟什么是系统?应当怎样来认识系统?系统论所要回答的就是这些问题。系统论已成为当代重要的基础学科之一。由系统论发展而来的系统工程技术也是当前相当兴旺的、在实际生活中很有效用的一种技术。

8.1系统论的创立

系统的思想其实古已有之。在亚里士多德的哲学里就包含了系统的思想。中国传统医学理论基础也是把人体作为一个有机系统来看待和处理的。不过把系统作为研究对象还是本世纪的事，系统论的建立还经历了一番周折。

系统论的创始人贝塔朗菲(Ludwig von Bcrtalanffy，1901～1971)原籍奥地利，他原先从事理论生物学的研究，早在本世纪20年代他就对生物学中的机械论和活力论展开批判，成为生物学机体论的主要代表人物之一。他指出：“因为活的东西的基本特征是组织，对各部分和各过程进行研究的传统方法不能完整地描述活的现象，它没有包括协调各部分、各过程的信息，因此，生物学的主要任务应当是发现在生物系统中(在组织的一切等级上)起作用的规律。可以相信，试图寻找理论生物学原理的本身表明，这将在根本上改变世界的面貌。”从这段话里我们就可以清楚地看到他创立系统论的基本思想。1937年贝塔朗菲首次提出系统论的概念，不过他的观点当时不为大多数学者所接受，到1945年春他的题为《关于一般系统论》的论文才得以在德国一个刊物上发表，但那时第二次世界大战正酣，这篇重要论文几乎不为人知。战后贝塔朗菲到美国讲学并加入加拿大国籍，1949年在美国重新发表了《关于一般系统论》一文的摘要，这才引起学术界的注意。1968年贝塔朗菲的题为《一般系统理论：基础、发展与应用》一书出版，成为一般系统论最主要的代表作。直到70年代以后，系统论研究才真正受到学术界的普遍重视。

8.2系统概念与系统分类

从贝塔朗菲起，许多学者从不同角度给系统下过多种定义。现在一般的说法是：系统是由两个以上可以相互区别的要素所构成，各要素之间存在着一定联系和相互作用，形成特定的整体结构并具有确定功能的有机整体。

也许我们还可以从这几个方面来理解系统：(1)不论自然现象、社会现象还是思维现象，一切客观事物无一不以系统形式而存在。系统是客观事物最普遍的本质联系。(2)客观事物的发展都普遍以系统的形式发展，即表现为要素、层次、结构、环境等各因素的相互关系综合的变化。(3)系统的存在必有其内部结构和表现出某种功能。系统内部各要素相互联系与相互作用的方式就是这个系统的结构，系统与外部环境的相互联系与相互作用的秩序和能力，就是这个系统的功能。系统结构与系统功能是不可分的，它们既有绝对依赖的一面，也有相对独立的一面。

世界上的系统千差万别，为了对它们进行研究就得对它们加以分类，从不同的角度出发也可以有不同的分类方法。

如按系统的实际内容来划分，可以把系统分为：(a)天然系统和人造系统。天然系统指自然界中本来就存在的，与人类的活动无关的系统，如太阳系、地球、自然生态系统等。人造系统指人类活动所造成的系统，如城市、道路、工厂、田园、电子计算机、人造卫星等。(b)自然系统、社会系统和思维系统。自然界中的无生命和有生命系统通称自然系统。经济、政治、军事、法律、教育等都是社会系统。语言、文字、逻辑、思维方式与方法等即属于思维系统。(c)物质系统与概念系统。由各种物质要素构成的系统如大气、海洋、生物、机器等都是物质系统。以各种概念要素构成的系统，如哲学体系、科学体系、法律体系等都是概念系统。

若按系统的数学模型来区分，又可以把系统分为：(a)封闭系统和开放系统。封闭系统是指与环境没有输入、输出关系的系统。反之即为开放系统。(b)静态系统和动态系统。静态系统亦称无记忆系统，是指那些在任一时刻的输出只与该时刻的输入有关，而与此前或此后的输入无关的系统。反之即为动态系统，动态系统亦称有记忆系统。(c)线性系统和非线性系统。若一个系统的输入与输出大体上成正比关系的称为线性系统，反之即为非线性系统。(d)连续系统和离散系统。从系统的动态过程与时间的关系上来考察，若系统的输入、输出和状态变化是时间的连续函数的，称为连续系统；若不是连续函数，而是各离散时刻的值的，则称为离散系统。(e)确定系统和不确定系统。确定系统是指实时输入和实时状态能明确地、唯一地规定下一个状态和实时输出的系统，反之就是不确定系统。

系统还有许多分类方法。不管何种分类方法，无非都是要从某些方面来确认系统的基本特征以便于研究罢了。在研究系统时，都可以根据实际需要作适当的分类。

8.3贝塔朗菲的一般系统论

贝塔朗菲认为，不同领域、不同系统都具有某些“相似性或同构性”，因此有可能找到不同系统、不同学科之间的共同语言和术浯，这就是一般系统论的任务。一般系统论就是关于研究一般系统的理论和方法。

贝塔朗菲一般系统论的要点如下：

(1)系统的整体性 系统是若干事物的集合，系统反映了客观事物的整体性，但又不简单地等同于整体。因为系统除了反映客观事物的整体之外，它还反映整体与部分、整体与层次、整体与结构、整体与环境的关系。这就是说，系统是从整体与其要素、层次、结构、环境的关系上来揭示其整体性特征的。要素的无组织的综合也可以成为整体，但是无组织状态不能成为系统。系统所具有的整体性是在一定组织结构基础上的整体性，要素以一定方式相互联系、相互作用而形成一定的结构，才具备系统的整体性。整体性概念是一般系统论的核心。

(2)系统的有机关联性 系统的性质不是要素性质的总和，系统的性质为要素所无；系统所遵循的规律既不同于要素所遵循的规律，也不是要素所遵循的规律的总和。不过系统与它的要素又是统一的，系统的性质以要素的性质为基础，系统的规律也必定要通过要素之间的关系(系统的结构)体现出来。存在于整体中的要素，都必定具有构成整体的相互关联的内在根据，所以要素只有在整体中才能体现其要素的意义，一旦失去构成整体的根据它就不成其为这个系统的要素。归结为—句话就是：系统是要素的有机的集合。

(3)系统的动态性 系统的有机关联不是静态的而是动态的。系统的动态性包含两方面的意思，其一是系统内部的结构状况是随时间而变化的；其二是系统必定与外部环境存在着物质、能量和信息的交换。比如生物体保持体内平衡的重要基础就是新陈代谢，如果新陈代谢停止就意味着生物体的死亡，这个作为生物体的系统就不复存在。贝塔朗菲认为，实际存在的系统都是开放系统，动态是开放系统的必然表现。

(4)系统的有序性 系统的结构、层次及其动态的方向性都表明系统具有有序性的特征。系统的存在必然表现为某种有序状态，系统越是趋向有序，它的组织程度越高，稳定性也越好。系统从有序走向无序，它的稳定性便随之降低。完全无序的状态就是系统的解体。

(5)系统的目的性 为了避免误解（主要是避免与古人的“目的论”混同)，也有人把它称为“预决性”。贝塔朗菲认为，系统的有序性是有一定方向的，即一个系统的发展方向不仅取决于偶然的实际状态，还取决于它自身所具有的、必然的方向性，这就是系统的目的性。他强调系统的这种性质的普遍性，认为无论在机械系统或其他任何类型系统中它都普遍存在。

贝塔朗菲一般系统论的这些基本观点对于我们分析研究任何一个系统都有积极的意义。贝塔朗菲的许多观点是从生物系统推广到一般系统的，他认为生物系统的许多性质实为一般系统所共有。把握住这一点，他的一般系统论的基本思想也就不难理解了。

8.4系统论的发展

贝塔朗菲之后，许多学者也从不同思路来研究系统，产生了其他派别的一般系统论，这些派别并非是相互排斥的，可以认为是相互补充的。现在新的学派仍然在不断地出现。目前影响较大的有耗散结构理论、协同学和超循环理论等。

一、耗散结构理论

比利时科学家普里戈金于1969年提出了耗散结构理论，立即引起了学术界的广泛注意。

经典热力学和统计物理学理论都是以平衡态(或准平衡态)和可逆过程为基础的。所谓平衡态，是指一个系统在不与外界发生物质和能量交换的情况下，经过一段时间后将达到其宏观性质不随时间而变化的状态，这是一种理想化了的，孤立和封闭的状态。热力学第二定律的熵增加原理告诉我们，一个系统随着时间的推移必定从有序走向无序，走向无组织化，即系统总是处于退化过程之中。但是客观存在的许多系统却是从无序走向有序，趋向组织化，亦即是总在进步之中的，例如生物系统、社会系统等等都是。这就出现了经典热力学所指出的事物退化的趋向与一些系统的事实上的进化的趋向的矛盾。“进化与退化矛盾”曾经使科学家们十分困惑，它表明经典热力学的理论显然不适用于这些领域。普里戈金的耗散结构理论发展了经典热力学理论，把热力学理论从平衡态和准平衡态推向远离平衡态，从而使进化系统从无序转向有序的途径得到理论上的说明。

耗散结构指的是远离平衡状态下的新的有序结构，这是需要耗散物质和能量才能维持的结构。为什么一个远离平衡态的开放系统有可能从无序转变为新的有序状态呢?普里戈金认为，一个系统的熵的变化dS都由两部分组成。其中一部分是系统内部熵的变化dSi，另一部分是系统与外界交换物质和能量所引起的熵的变化dSe，即

dS＝dSi十dSe

根据热力学第二定律，系统内部的熵总是向着增加的方向变化，即dSi>0。对于孤立的和封闭的系统，它与外界没有物质和能量的交换，因此dSe＝0，所以dS必定为正值(dS>0)，即系统总是走向无序。开放系统的情况则不同，它在与外界交换物质和能量时，dSe可能是正值也可能为负值。如果dSe<0，dS也就有可能出现负值(dS<0)，也就是说这个系统的熵值将要变小，表明系统走向有序。

普里戈金还研究了形成耗散结构的条件以及耗散结构的稳定性等问题。不过，耗散结构理论也还有许多问题尚待解决，它仍处于不断完善的发展过程之中。

二、协同学

协同学是德国科学家H．哈肯(Hermann Paul Joseph Haken，1927～ )于1976年提出来的。H.哈肯原是在激光理论研究上卓有成就的理论物理学家。他在研究激光系统时注意到它是一种远离子衡态而由无序转化为有序的系统。当光泵的能量较低时激光器并不出现激光，即系统呈无序状态，而当光泵能量达到某定值时，激光便产生，即成为有序状态。他经过考察，注意到其他领域也有类似的情况。H．哈肯认为，一个系统从无序向有序转化，不完全取决于该系统处于平衡态或非平衡态，也不完全取决于它接近平衡态或远离平衡态。一个由大量子系统构成的系统在一定条件下，它的子系统有可能通过协同的作用使得这个系统在宏观上产生时间结构、空间结构以及一定的功能，即该系统具有自组织的性质，从无序自行转化为有序。H．哈肯还为此建立了相应的数学方法。协同学的理论能够很好地说明一些物理领域中的自组织现象，但在说明生物界和社会活动中的自组织现象时，还有许多尚待解决的难题。

三、超循环理论

超循环理论是德国生物物理学家艾根(Manfred Eigen，1927～ )于1971年创立的。生命的发展过程可以分为化学进化和生物进化两个阶段，在这两个阶段之间有一个生物大分子的自组织阶段，这种分子自组织的形式就是超循环。循环是常见现象，生物化学里有一类循环称为反应循环，如催化剂酶A先与物质B结合形成AB，在反应中AB转化为AC，最后AC分解为生成物C和酶A，这就是一个循环。在反应循环中包含有催化剂的称为催化循环。艾根所说的超循环是由自催化循环联系起来的循环。在这样的循环系列中，每个单元既能自我复制，又能对下一个单元起催化作用。艾根认为，生物遗传密码的复制就是由这样的超循环来保证的。核酸序列的每一段都可以自我复制，同时又通过它所编的密码影响下一段的复制。在复制过程中有时会出现错误，这就是突变，突变为生物进化所必需。超循环的组织形式一旦出现就会稳定地保持下去。艾根的理论和他所建立的方程组，使得人们有可能运用数学工具来研究生物进化的过程。超循环理论不仅为生物大分子的形成和进化提供了一种模型，而且使人们想到这种理论有可能推广到其他复杂系统的研究，尤其是系统的演化规律、系统的自组织方式等方面的研究。

除了上述这些理论之外，还有托姆的突变论、福雷斯特(Jay Wright Forrester，1918～ )的系统动力学等多种理论，这里不准备多述。

8.5系统方法

古人研究客观事物主要依靠直观和猜测，他们大多比较注重事物的整体性。近代科学兴起所依靠的主要是分析的和实验的方法，着眼于探求事物的各个因素及其细节，使人们对事物的认识达到新的境界。近代科学的成功令人产生一种错觉，以为只有分析方法才是认识事物的唯一正确方法，这也是形形色色的机械论之所以出现的重要原因之一。系统论所强调的是事物的整体性，看起来似乎是向古人的回归，但绝非简单地回到古人认识事物的轨道上去，而是否定之否定，是人类认识史上的一个螺旋性的飞跃。现代的整体观念不同于古人的笼统的整体观念，它是建立在对整体中各要素及其相互联系的认识基础之上的整体观念。立足于系统思想基础上的系统方法并不排斥分析方法，系统方法与分析方法相结合，互为补充，我们才能真切地把握事物。

系统方法就是以系统思想为出发点，着重从整体与部分之间、整体与外界环境之间的相互联系、相互作用中综合地考察对象，并建立适当的模型和定量地处理它们之间的关系，从而准确地把握对象的研究方法。我们知道系统具有普遍性，这是说任何事物都可以看作是一个系统，因此我们都可以运用系统方法来加以研究，对于比较复杂的事物，系统方法当然更具价值。在系统方法的基础之上，现在已经形成了系统工程这样专门的工程技术，在各个方面发挥了重要的作用。

系统方法原则上可以运用于各种系统。目前最有成效和最普遍的是用在人造系统的研究上。人造系统是为了达到某一既定目标而人为地设计的，系统方法的主要作用就在于它能够帮助我们实现系统的最优化。一般说来，研究人造系统应当遵循整体性原则、层次和结构性原则、动态性原则和综合优化原则。整体性原则是系统方法的出发点，层次和结构性原则以及动态性原则是系统方法的核心，综合优化原则是系统方法的目标。假定我们的研究对象是一个大型水利枢纽工程，作为…个系统，它包括大坝、水库、电站、河道、库区地质、库区生态环境以及该地区的经济文化状况等等诸多相互关联和相互影响的要素，它们构成了一个整体；在这个整体里又有河流的主干、支流等等不同的层次，有拦洪、灌溉、发电、航运等子系统；由于气候和经济活动等各种因素的变化，这个系统及其内部关系又总是在不断地变化；经过通盘的考虑和细致的研究，寻找出这个水利枢纽的设计、建设和管理的综合最优方案，这就是系统方法的目标。

随着系统方法应用的发展，更产生了专门研究和筹划人造系统的崭新的工程技术——系统工程技术。

系统工程的形成与发展 系统工程技术与以往的工程技术不同，它不以制造某种物质产品为目标而表现为一种方法，是一种软件工程技术。迄今迄今为止还没有系统工程的公认的严格定义。我们可以说：系统工程是把对象作为系统来处理的一种工程技术，是组织管理各类人造系统的规划、研究、设计、制造、试验和运用的具有普遍意义的科学方法。我们还可以这样来描述系统工程的特点：(a)系统工程的研究对象是复杂系统；(b)系统工程是一种综合组织管理技术；（c)系统工程的内容是组织、协调系统内部各要素的活动，使各要素为实现整体目标发挥适当的作用；(d)系统工程的目标是使系统整体目标最优化。

系统工程在本世纪初即已萌发。我们在上文提到的排队论可以说就是系统工程的一种数学方法。排队论在电活通信工程中的成功运用，对于系统工程的形成有重要的促进作用，美国管理工程师泰勒(Frederick Winslow Taylor，1856～1915)通过实验发现，减轻劳动者的劳动强度能使产量大幅度提高，计件工资和超产奖励能更好地调动劳动者的积极性，他据此确立了制定劳动定额和合理安排工序的方法，于1911年发表厂《科学管理》一书，这就是早期的系统工程学著作。“系统工程学”这个名称最早是美国贝尔电话公司的工程师于1940年提出来的。1957年美国学者古德(Harry Herbert Goode，)和麦克霍尔(Robcrt EnRel Machol，19l7～)合著的《系统工程》一书出版，1965年麦克霍尔又发表《系统工程手册》，表明系统工程学已正式形成。

50年代末以后系统工程便逐渐成为许多管理部门用于决策的重要手段。1958年美国在研制北极星导弹时应用于系统工程的计划评审技术(performance evaluation review technique，简称PERT)，使整个研制周期缩短了两年。美国于1961年开始实施的极其复杂的“阿波罗工程”也采用了PERT技术和关键线路法(critical path method，简称CPM)等技术。此期间日本人由美国大量引进系统工程技术也取得了良好效果。系统工程从此引起各国的广泛注意。60年代以后系统工程被引进到金融管理事业，出现了电子银行，自动出纳终端机开始取代银行职员的手工劳动，70年代又实现了各银行间转帐和支付业务以及票据交换的自动化，到80年代欧美已全部实行银行业务的自动化，这一系列变化的效果极为显著。与这种形势相适应的是系统工程的理论和方法发展至为迅速，逐渐成为内涵丰富的学科体系。

8.6系统科学的形成

一般系统论的创立还不过半个世纪，系统论及其方法已经发挥了巨大的效用，一方面这是人类社会活动的广度和深度都在急剧地扩展的反映；另一方面是相应的数学工具以及电子计算机激素后手段的出现产生了很大的推动力。我们在阐述本世纪以来数学的进展时曾提到过突变论、运筹学这些数学分支，其实也可以把它们看作是关于系统的理论与方法，而大型以至巨型电子计算机的发展则在相当程度上正是为了复杂的大系统的研究与管理需要。

现在，系统的研究和系统发的运用已经发展成为内涵丰富而复杂的知识体系。贝塔朗菲在他的晚年提出了系统科学的概念，表明这个知识体系正在形成。钱学森把系统科学放到很高的地位，认为系统科学是与自然科学、社会科学相并行的一个学科门类或学科群。他认为系统科学包含着三个层次：（1）工程技术层次，即系统工程。按系统类型的不同又有各类系统工程，如工程系统工程、经济系统工程、社会系统工程等；（2）技术科学层次，即直接论等。（3）基础科学层次，即以揭示系统的性质和一般规律为任务的学科——系统学。除此之外，还有许多学者提出了不同的看法。不管各种说法有多少不同，系统科学作为一个相当规模的学科群已成现实，不过就其整体而言现在还很不成熟，尚待进一步发展和完善。