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系统科学的研究背景及基本概念

2020-11-25  lindan9997

不惧过往,不畏将来!11-23 09:45

                                                                                                                                                            

系统科学的研究背景

如今,信息技术和网络技术的革命已经在很大程度上改变了我们的社会。众所周知,我们现在的幸福生活依赖于工业革命。第一次工业革命以改进蒸汽机为代表,让人们能利用矿石和热力作为能源;第二次工业革命以应用电力为代表,让人们使用电力。这两次工业革命改变了每个人的能力,让人们不再只依靠手和脚劳动,而是使用机器代替手工,大大提高了劳动效率。但是第三次工业革命,即以信息网络技术为突破的新一代工业革命,它改变的不再是我们每个人的能力,而是关系,它改变了人和人之间的关系、物和物之间的关系以及人和物之间的关系。

网络技术推动下的科技创新导致关系的改变,真正带来的是社会中系统性和复杂性的特征体现,这样的变化必将远远超过过去三四十年的变化。例如,三四十年以前,学生来北京上大学,生活费缺乏,找父母要钱写封信寄回去得一周,父母准备好钱再寄回来又得一周,这样导致学生这半个月的生活拮据。但是现在完全不同,缺钱花了,一个微信红包就可以解决。因此,关系的改变使人们的生活完全不同。

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图1 系统科学研究的领域是多样的

在这样的时代背景下,社会也遇到了方方面面的问题。比如,分析国际、国内的事件可以看成是简单的独立事件,但是,更深层次的结构方面的问题在系统角度是需要认真思考的。每个人观察这些事的角度和观点都不同,因此不同的人看到社交平台上推送的文章的深度也都不一样。

其实所有这些事都需要建立系统思维,也就是说,现在信息技术的变化,使地球真正的成为了一个地球村。方方面面的关联,使得任何人和事都不再独立,而是有了千丝万缕的联系。这样一个系统性的变化已经非常现实地呈现在社会中。全局性、系统性、复杂性已然成为了新世纪信息社会的基本特征。

系统科学的基本概念

1.协同学

协同学使用的基本概念主要有:竞争、协同、序参量和伺服。

竞争、合作或协同是协同学的基本概念。但是在协同学中, 哈肯主要强调了协同。实际上, 竞争是协同的基本前提和条件, 它也大量地反映在哈肯的著作中, 如大量气体分子的系统中, 分子之间的频繁碰撞;化学反应中不同反应物之间的反应过程存在大量的反应物分子之间的竞争;生态系统中各个物种之间的相互竞争——种内和种间竞争;社会的各个集团之间的斗争;甚至思想、概念形成过程中, 同样存在不同思想、方法和概念之间的相互交流、批评和其他形式的竞争 (如学派、观点之争、科学发现中的竞赛) 。竞争是系统演化的最活跃的动力。这是因为, 系统内部诸要素或系统之间的竞争是永存的, 它虽然依条件不同可大可小, 或强或弱,但由于运动的永恒, 系统内部各个子系统之间的差异就是永恒的, 因而它的存在和演化是永恒的。

协同概念在协同学中占据更重要的地位。哈肯多次强调协同学就是一门研究各个学科领域中关于合作、协作或协同的学说。所谓协同, 按照哈肯的观点, 就是系统中诸多子系统的相互协调、合作或同步的联合作用, 集体行为。自组织系统演化动力来自系统内部的两种相互作用:竞争和协同。子系统的竞争使系统趋于非平衡, 而这正是系统自组织的首要条件, 子系统之间的协同则在非平衡条件下使子系统中的某些运动趋势联合起来并加以放大, 从而使之占据优势地位, 支配系统整体的演化。

序参量概念和伺服概念是协同学的两个中心概念。序参量和系统内部大量子系统运动状态的相互作用过程就是伺服过程, 即大量子系统先产生序参量, 后伺服于序参量的过程。

哈肯在建立协同学的过程中, 逐渐建立了协同学研究的两类重要方法。一类方法与传统分析方法的基础类似, 即从分析微观组分和变元着手, 这被称为协同学微观方法, 其中当然也存在一些不同传统动力学分析的方法创新;另一类方法则借助热力学的唯象方法思想, 从信息角度研究系统演化过程走向有序过程中的信息增殖现象, 这被称为协同学的宏观方法。

协同学微观方法论中最成功、也是最核心的方法就是哈肯从物理学热力学借用过来的绝热方法。而哈肯借用的绝热方法, 则成为协同学简化问题的关键。而绝热方法的运用, 则使得哈肯得到了一个重要原理, 即伺服原理。两者的运用成为交相辉映的、相互促进的思想和方法。

合作问题是协同学研究的一个重要问题, 协同学已经证明通过子系统的竞争相互作用可以产生协同。在社会领域, 人们已经发现了一些有关合作如何产生的重要特性, 一个关键的问题是:在一个没有核心权威的利己主义世界中如何产生合作?这方面的著名研究即所谓的“囚徒困境”研究和R·阿克塞尔罗德对此问题组织的计算机模拟研究。

2.耗散结构理论

一个非常著名的实验,是普利高津研究耗散结构论指出的一个现象。考虑拿一个薄容器,比如一个托盘、一个实验品,往上面倒一层薄液体,使它平铺开,然后用火在托盘的底部加热,一个重要的条件是,尽可能的保证受热均匀,不能产生不均匀现象。此时水分子就会往上流。开始时,底部和上部的温差不太大。热的传递有三种方式:辐射、对流、传导。开始时,要释放掉热,只能通过传导的方式释放,相当于底部的水分子,受热以后,便互相乱撞、乱跑,因为水分子有热、有能量,于是水分子通过碰撞,把能量传递给另一个水分子。另一个水分子受热以后,又撞、又传,用这种方式把热从底部传到上部,即热传导。但这种传递方式实际上是比较没有效率、比较慢的,因为震动导致能量不集中。

但当加热到一定程度之后,温差达到一定阈值,便会发生相变,即在此时水分子获得热量之后,不会再把热传导给另一个水分子,而是自己运动起来。水分子受热以后,就到另一个地方,通过水分子运动的方式把热释放出去。于是大量底部的水分子受热就往上运动,而上部的水分子冷却就往下运动,在液体的竖直剖面上,这一上一下那些水分子便形成蛋卷一样的模式,每个蛋卷从上往下看时,就看见六角格的模式。

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图2 水分子六角格模式

六角格被认为是一种宏观有序状态。因为六角格本身类似晶体,这种晶体具有对称性结构,对称性就是一种秩序。另外六角格又是一个周期排列,这个周期性可以理解为一个空间的平移对称性,它又是一种序。所以说它是一个自发的产生有序的状态。

由此可以看到,一旦系统开放起来,它就有这种自发产生秩序的可能性。从这样一个图景而言,更完整的热力学第二定律,或者广义的,适用于开放系统的热力学第二定律,表述为:任何一个物理演化,过程都会产生熵。

假如把人当成一种热力学系统,其实人身体里的每个细胞的每个化学反应、每个运动,都在产生一种熵,一种废料。但另一方面,这个系统又通过开放,跟外界能量物质的交换,可以不断地把熵释放出去,比如出汗、进食,当然进食是往里流,但流进来的是一种秩序,一种信息,反过来讲,它实际上是耗散,将熵往外流。所以一方面是体内不断地产生废料,另一方面通过体表,通过这些器官的新陈代谢,把熵释放出去。一边产生一边释放,两者之间就会有一个流速差,此时对比哪一个流速更大。如果产生熵的流速更大,整个系统由热力学第二定律的作用就会不断产生无序,不断衰败下去;反过来,如果往外释放的熵快于内部产生的熵,这时就会产生有序,如上述提到的温差阈值,往外释放的快,这时就会产生有序。

人体恰恰是这样。在青壮年之前,熵产生的速度小于有序增加的速度,所以人变得越来越有序,越来越壮年,发展越来越好。但到后半程,这时人就开始走下坡路,实际是熵产生的太多,释放不过来。所以两者的竞争导致了万千世界的复杂现象。这就涉及到一个非常重要的概念——耗散结构。

系统产生有序的必要条件是开放。系统如何开放?开放意味着有能量、物质、信息的交换,即系统和外界有一种流通、流动。但要保证跟外界有流通和流动,再看系统内部时,由于内部又能不断切分成一个个子系统,便会发现这些子系统也必然会与它的内部的环境有物质流通,即流动。于是整个系统就必然是一个不断流动的系统,这种系统就称为耗散结构。例如:去小河边度假,蹲在小溪旁边,会发现只要水流的流速是常速度,水波纹实际上是个固定形状,几乎不变。所以这时盯着水波纹看,就能体会什么是耗散结构。每一滴水都是瞬息万变,但它形成的驻波,却是一个非常稳定的结构。只要水不断,驻波就始终在那。这就是所谓的耗散结构。城市、社会生态圈,所有的一切都是一种耗散结构。

耗散结构有一个哲学上非常著名的难题、悖论:既然知道人体就是这种不断的流变系统,一个粗糙的说法是,人身体的细胞平均每隔四年,就会由于新陈代谢完全替换一次,那么凭什么说三岁时候的你,和现在的你是同一个人呢?如果人们都遵从一个唯物的观点来看,人是由物质构成决定人体本身,可是这个物质构成早就已经替换掉了,又如何说是同一个人呢?哲学上看起来它是一个悖论。所有的耗散系统的本质不是单元构成,而是构型,即水波纹不是个实体,类似于一个霓虹灯、一个图案,它是一个软件。所以人们的自我,我之所以为我,并不是原子分子,而是我的构型。所以从哲学的角度而言,越来越务虚。其实你要理解我们现在这个社会,社会之所以说是复杂系统,是因为传统的牛顿方法不适用?是因为它的最基本单元、研究对象,本身是虚的,无法用实在的牛顿的方法去分析。这就是所谓的耗散系统。

早在两千多年前,亚里士多德有四因说,其中有两个与复杂系统有关系:一个是质料因,另一个是形式因。以前人们过多强调质料因,即物质构成决定系统的性质,而实际上特别是复杂系统,它的形式因,即组成的形式,起到更重要的决定性作用。所以只要系统复杂到一定程度之后,特别是与活系统有关的,它的形式因就一定起到主要作用。

3.自组织理论

“自组织”是现代非线性科学和非平衡态热力学中最令人惊异的发现之一。一些新兴学科从不同的角度对“自组织”的概念给予了解释。从系统论的观点来看:“自组织”是指一个系统在内在机制的驱动下,自行从简单向复杂、从粗糙向细致方向发展,不断地提高自身的复杂度和精细度的过程。从热力学的观点来看:“自组织”是指一个系统通过与外界交换物质、能量和信息,而不断地降低自身的熵含量,提高其有序度的过程。从进化论的观点来看:“自组织”是指一个系统在遗传、变异和优胜劣汰机制的作用下,其组织结构和运行模式不断地自我完善,从而不断地提高其对于环境的适应能力的过程。“自组织”系统(如生命系统、生态系统等)与“他组织”系统(如管理系统、制造系统等)相比较,其行为模式具有以下突出的特征:1)信息共享。系统中每一个单元都掌握全套的“游戏规则”和行为准则,这一部分信息相当于生物DNA 中的遗传信息,为所有的细胞所共享。2)单元自律。自组织系统中的组成单元具有独立的决策能力,在“游戏规则”的约束下,每一个单元有权决定它自己的对策与下一步的行动。3)微观决策。每个单元所作出的决策只涉及它自己的行为,而与系统中其他单元的行为无关,所有单元各自的行为的总和,决定整个系统的宏观行为。4)并行操作。系统中各单元的决策与行动是并行的,并不需要按什么标准来排队,以决定其决策与行动顺序。5)整体协调。在诸单元并行决策与行动的情况下,系统结构与“游戏规则”保证了整个系统的协调一致性和稳定性。6)迭代趋优。自组织系统的宏观调整和演化并非一蹴而就,而是在反复迭代中不断趋于优化。事实上,这类系统一般无法达到平衡状态,而往往处在远离平衡的区域进行永无休止的调整和演化。一旦静止下来,就表示这类系统的“死亡”。

4.混沌

人们一提混沌,必须讲到美国气象学家洛伦茨以及他提出来的蝴蝶效应与奇异吸引子。1963年,气象学家洛伦茨在实验室研究气象预报模型时,稍微修改输入的值,得到了变化非常大的输出结果。按常理,确定性方程的结果应该是渐变的,稍微修改输入、输出变化应该不大才对,这样人们才能预测系统后续的行为。他输入的数据只差了0.000127,而这么微小差异却造成了结果的天壤之别,不服输的洛伦茨把大量的实验结果画在了纸上,便形成了后世经典的奇异吸引子。从这张图中可以看出混沌与分形之间的联系,分形是混沌的几何表达。通过研究,洛伦茨终于明白了,长期的天气预报是不可能准确的,于是他写了一篇论文《一只蝴蝶拍一下翅膀会不会在Taxas州引起龙卷风?》,这就是“蝴蝶效应”的由来。

洛伦茨发现了混沌现象,但为这种现象取名的却另有其人,1972年中国数学家李天岩与其导师约克教授发表了题为《周期3意味着混沌(Chaos)》的论文,从而让“Chaos”成为混沌现象的名字。这里的周期3正好与《老子》中的三生万物不谋而合,所以不得不佩服我国先贤的智慧。

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图3 洛伦茨的奇异吸引子

如果说量子力学打破了微观世界的确定性,那么混沌则打破了人们对宏观世界确定性的认识,随着人们对混沌现象的不断深入研究,更进一步证实了,混沌才是我们所处世界的本质。例如:在研究人的心率曲线时发现,健康成年人的心率曲线是不规则的形状,呈现某种自相似性,貌似混沌;而癫痫患者的心率曲线反而是呈现更多的规则性与周期性。混沌是人的生命之源,代表了生机。钱学森也有过“某一个层次上的混沌可以是高一个层次上的有序的推动力量”的论断。

混沌现象是非线性确定系统的本质属性,说明了世界是随机的,但随机中又孕育着有序。而系统的吸引子又将分形与混沌联系起来,分形是混沌的几何表达。因为混沌的不可预测性,从而产生了万千的复杂系统。

5.自适应

“自适应”一般是指系统按照环境的变化,调整其自身使得其行为在新的或者已经改变了的环境下达到最好的或者至少是容许的特性和功能,这种对环境变化具有自适应能力的系统称为自适应系统。

在反馈控制和最优控制中,都假定被控对象或过程的数学模型是已知的,并且具有线性定常的特性。实际上在许多工程中,被控对象或过程的数学模型事先是难以确定的,即使在某一条件下被确定了的数学模型,在工况和条件改变以后,其动态参数乃至于模型的结构仍然经常发生变化。在产生这些问题时,常规控制器不可能得到很好的控制品质。为此,需要设计一种特殊的控制系统,它能够自动地补偿在模型阶次、参数和输入信号方面非预知的变化,这就是自适应控制。

自适应控制是一门研究具有不确定性系统控制问题的学科。它是“工程控制论”基本学科中的一个分支学科。自适应控制可以看作是一个能根据环境变化智能调节自身特性的反馈控制系统,以使系统能按照一些设定的标准工作在最优状态。自适应控制在航空、导弹和空间飞行器的控制中很成功。

自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样,也是一种基于数学模型的控制方法,所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少,需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息,使模型逐步完善。具体地说,可以依据对象的输入输出数据,不断地辨识模型参数,这个过程称为系统的在线辩识。随着生产过程的不断进行,通过在线辩识,模型会变得越来越准确,越来越接近于实际。既然模型在不断地改进,显然,基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断的改进。在这个意义下,控制系统具有一定的适应能力。比如说,当系统在设计阶段,由于对象特性的初始信息比较缺乏,系统在刚开始投入运行时可能性能不理想,但是只要经过一段时间的运行,通过在线辩识和控制以后,控制系统逐渐适应,最终将自身调整到一个满意的工作状态。再比如某些控制对象,其特性可能在运行过程中要发生较大的变化,但通过在线辩识和改变控制器参数,系统也能逐渐适应。

6.涌现

系统科学把整体才具有、孤立部分及其总合不具有的性质称为整体涌现性(whole Emergence)。涌现性就是组成成分按照系统结构方式相互作用、相互补充、相互制约而激发出来,是一种组分之间的相干效应,即结构效应。不同的结构方式,不同的相互激发产生不同的整体涌现性。整体涌现性的产生不是单一的,是规模效应和结构效应共同的结果。比如分子作用力、氢键以及疏水作用力相对于原子来说就是整体涌现。只有原子形成了分子才可能具有这些特性,原子不形成分子或者大分子,简单的混合是不会具有这种层次的特性。 

涌现性又可理解为非还原性或非加和性,但任何整体都具有加和性,比如质量。系统性是加和性与非加和性的统一,都是整体属性;但整体性、系统性并不一定是涌现性。涌现性是系统非加和的属性,“整体大于部分之和”与“整体小于部分之和”这样的整体与部分差值就是涌现。系统科学就是关于整体涌现性的科学理论,探索整体涌现发生的条件、机制、规律以及如何利用。

系统的整体涌现性究竟来自何方?概言之,来自系统的组分、结构和环境三方面,构材效应、规模效应、结构效应、环境效应四者共同造就系统的整体涌现性。

构材效应。既然系统是由元素或组分构成的,系统的整体涌现性归根结底来自它的元素或组分。这是涌现论的唯物主义根基。人们常以化学中的同分异构现象来论证整体涌现性与系统的组分无关,却忘记了在组分给定的情况下,单靠改变结构来产生新的化学性质的可能性极其有限。用氢原子和氧原子可以合成水分子,不能合成盐分子;用氯原子和钠原子可以合成盐分子,不能合成水分子,此乃常识。整体涌现特性必定受到组分特性的规定或制约,并非任意选取的组分都可以造就具有特定整体涌现性的系统,这叫做构材效应。

规模效应。整体涌现性还与系统的规模有关,规模大小不同是造成不同整体涌现性的原因之一,称为规模效应。钱学森把系统划分为小系统、大系统、巨系统、复杂巨系统几类,逻辑前提是对规模影响整体涌现性这一命题的确认。特别是从大系统到巨系统的变化,规模不同对整体涌现性的影响十分鲜明。例如,小系统和一般大系统都不会呈现自组织行为,而“巨系统统计理论说明巨系统中会出现简单系统中没有的现象,如自组织现象”。所有复杂性研究家都承认足够的系统规模是产生复杂性的必要条件,组分不够多就无法由简单性涌现出复杂性。

结构效应。组分的基质、材料、特性是产生整体涌现性的实在基础,但也仅仅提供了产生涌现的客观可能性,只有使不同组分相互作用、相互激发、相互制约、相互补充,才能够把可能性变为现实性。在组分一定的情况下,组分之间不同方式的相互作用、相互激发、相互制约、相互补充,将产生不同的整体涌现性,这叫做结构效应。“涌现特性更多的是属于系统结构方面而不是系统材料方面的性质。”

环境效应。整体涌现性还与系统的环境有关,所谓环境塑造系统,指的就是塑造系统的整体涌现性,而非塑造那些加和整体性。系统在跟环境的相互作用中获取资源,开拓生存空间,形成边界,建立同环境交换物质、能量、信息的渠道和方式,适应环境的约束,提高抗干扰能力,等等,这些运作的结果都归结为形成系统特有的整体涌现性。由于这个缘故,系统的整体涌现性总是带有环境的深刻烙印。

7.综合集成法

1990年初,钱学森等首次把处理开放的复杂巨系统的方法定名为从定性到定量的综合集成法。综合集成是从整体上考虑并解决问题的方法论。钱学森指出,这个方法不同于近代科学一直沿用的培根式的还原论方法,是现代科学条件下认识方法论上的一次飞跃。

处理开放的复杂巨系统的方法论是从定性到定量的综合集成:作为一门技术又称为综合集成技术;作为一门工程,亦可称综合集成工程。它是思维科学的应用技术,既要用到思维科学成果,又会促进思维科学的发展。它向计算机、网络和通信技术、人工智能技术、知识工程等提出了高新技术问题。这项技术还可用来整理千千万万零散的群众意见、提案和专家见解以至个别领导的判断,真正做到“集腋成裘”。钱学森认为对简单系统可从系统相互之间的作用出发,直接综合成全系统的运动功能,还可以借助于大型或巨型计算机。对简单巨系统不能用直接综合方法、统计方法,把亿万个分子组成的巨系统功能略去细节,用统计方法概括起来,这就是普里高津和哈肯的贡献,即自组织理论。

综合集成法作为一门工程可称为综合集成工程,它是在对社会系统、人体系统、地理系统和军事系统这四个开放的复杂巨系统研究实践基础上提炼、概括和抽象出来的。在这些研究中通常是科学理论、经验知识和专家判断相结合,形成和提出经验性假设(判断或猜想),但这些经验性假设不能用严谨的科学方式加以证明,需借助现代计算机技术,基于各种统计数据和信息资料,建立起包括大量参数的模型,而这些模型应建立在经验和对系统的理解上并经过真实性检验。这里包括了感情的、理性的、经验的、科学的、定性的和定量的知识综合集成,通过人—机交互,反复对比逐次逼近,最后形成结论。其实质是将专家群体(与主题有关的专家)、统计数据和信息资料(亦与主题有关的)三者有机结合起来,构成一个高度智能化的人机交互系统,它具有综合集成的各种知识,从感情上升到理性,实现从定性到定量的功能。

它的主要特点:1)定性研究与定量研究有机结合,贯穿全过程;2)科学理论与经验知识结合,把人们对客观事物的点点知识综合集成解决问题;3)应用系统思想把多种学科结合起来进行综合研究;4)根据复杂巨系统的层次结构,把宏观研究与微观研究统一起来;5)必须有大型计算机系统支持,不仅有管理信息系统、决策支持系统等功能,而且还要有综合集成的功能。

应用综合集成法对开放的复杂巨系统进行探索研究,成为系统科学发展的里程碑,开辟了系统科学新的发展方向和研究领域。

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