华中科技大学系统科学概论第一章ppt课件.ppt

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1、第 1 章第第 1 1 章章 系统学概述教学重点重点掌握几个内容：重点掌握几个内容：系统学是关于整体涌现性系统学是关于整体涌现性的基础科学理论的基础科学理论整体涌现性的表述整体涌现性的表述涌现的产生机制涌现的产生机制涌现的刻画涌现的刻画涌现的实验涌现的实验 系统科学 与 系统工程概论第 1 章第1章 系统学概述1.1 系统学是整体涌现性的基础科学理系统学是整体涌现性的基础科学理论论系统学的界限系统学的界限n系统论属于哲学系统论属于哲学n系统学属于科学，界定概念、揭示规系统学属于科学，界定概念、揭示规律、阐述原理、制订方法时使用科学律、阐述原理、制订方法时使用科学语言，符合科学规范语言，符合科学

2、规范n系统学不直接指导工程技术，无须考系统学不直接指导工程技术，无须考虑应用问题虑应用问题第 1 章第1章 系统学概述1.1 系统学是整体涌现性的基础科学理论系统学是整体涌现性的基础科学理论系统学的定义系统学的定义n系统学是一门研究系统的整体涌现性的基础科系统学是一门研究系统的整体涌现性的基础科学，它是关于整体涌现性的基础理论，这样的学，它是关于整体涌现性的基础理论，这样的界定才能体现出系统学的根本特征。界定才能体现出系统学的根本特征。n在技术科学层次，研究系统现象无须强调涌现在技术科学层次，研究系统现象无须强调涌现概念，在该层次，功能是系统最重要的涌现特概念，在该层次，功能是系统最重要的涌现

3、特性，抓住了功能问题实际上就是把握了涌现问性，抓住了功能问题实际上就是把握了涌现问题。题。第 1 章第1章 系统学概述1.1 系统学是整体涌现性的基础科学理论系统学是整体涌现性的基础科学理论n系统学的根本任务是以涌现的观点研究系统学的根本任务是以涌现的观点研究系统现象和系统问题，揭示系统产生涌系统现象和系统问题，揭示系统产生涌现性的条件、机制、规律、原理，制定现性的条件、机制、规律、原理，制定刻画涌现的基本方法，建立关于涌现的刻画涌现的基本方法，建立关于涌现的一般理论体系，给技术科学层次的系统一般理论体系，给技术科学层次的系统理论提供指导。理论提供指导。第 1 章第1章 系统学概述1.2 整体

4、涌现性的表述整体涌现性的表述涌现现象和涌现性的实质：涌现现象和涌现性的实质：整体大于部分整体大于部分之和之和。（亚里士多德的命题）。（亚里士多德的命题）令令W记系统整体，由记系统整体，由n个部分组成，令个部分组成，令pi记记第第i个部分，个部分，i=1，2，n，以，以记求和运记求和运算，则亚氏命题可形式化表示为算，则亚氏命题可形式化表示为niipW第 1 章第1章 系统学概述1.2 整体涌现性的表述整体涌现性的表述n简洁表达为：简洁表达为：1+12n是一个量化命题，并非涌现原理的科学表是一个量化命题，并非涌现原理的科学表述，只算一种形象比喻述，只算一种形象比喻n涌现首先是个定性问题涌现首先是个

5、定性问题第 1 章第1章 系统学概述涌现原理涌现原理n整体具有部分及其总和所没有的新的属整体具有部分及其总和所没有的新的属性或行为模式，用部分的性质或模式不性或行为模式，用部分的性质或模式不可能全面解释整体的性质和模式。可能全面解释整体的性质和模式。n整体与部分表现出同质的功能，彼此具整体与部分表现出同质的功能，彼此具有可比性，涌现效应基本表现在量的方有可比性，涌现效应基本表现在量的方面，这样的整体涌现性就是非加和性。面，这样的整体涌现性就是非加和性。涌现原理的表述不应是涌现原理的表述不应是“整体大于部分整体大于部分之和之和”，应是，应是“整体不等于部分之和整体不等于部分之和” niipW第

6、1 章第1章 系统学概述n系统不等于部分之和又分两种情况：系统不等于部分之和又分两种情况：n正加和效应：正加和效应：整体大于部分之和整体大于部分之和n负加和效应：负加和效应：整体小于部分之和整体小于部分之和niipWniipW三个臭皮匠，胜过一个诸葛亮一个和尚挑水吃两个和尚抬水吃三个和尚没水吃第 1 章第1章 系统学概述n非系统集合体的基本特性是加和性原理，非系统集合体的基本特性是加和性原理，表述为表述为“整体等于部分之和整体等于部分之和”。n涌现的构成论表述：系统已经给定，不问涌现的构成论表述：系统已经给定，不问它如何产生和演化，只考察已产生或演化它如何产生和演化，只考察已产生或演化完毕后呈

7、现出来的系统特征，通过比较整完毕后呈现出来的系统特征，通过比较整体与部分的异同，揭示整体涌现性。体与部分的异同，揭示整体涌现性。 niipW第 1 章第1章 系统学概述1.3 涌现的产生机制涌现的产生机制 (1)非线性的相互作用非线性的相互作用 n系统整体涌现性的来源，归根于系统组分之间、系统整体涌现性的来源，归根于系统组分之间、层次之间、系统和环境之间的相互作用，涌现层次之间、系统和环境之间的相互作用，涌现性是组分之间、层次之间、系统和环境之间互性是组分之间、层次之间、系统和环境之间互动互应所激发出来的系统整体效应。动互应所激发出来的系统整体效应。n相互作用可以有线性和非线性之分，线性相互相

8、互作用可以有线性和非线性之分，线性相互作用产生平庸的涌现性，非线性的相互作用才作用产生平庸的涌现性，非线性的相互作用才能产生非平庸的涌现性。能产生非平庸的涌现性。 第 1 章第1章 系统学概述(2)差异的整合差异的整合 n涌现的前提是存在多样性和差异性，涌现的前提是存在多样性和差异性，特别是系统内部的种种差异，但是这特别是系统内部的种种差异，但是这两种特性不会直接的转变为涌现性，两种特性不会直接的转变为涌现性，须经过必要的整合或组织而形成一定须经过必要的整合或组织而形成一定的系统，才能产生涌现性。的系统，才能产生涌现性。n涌现性是系统的整合效应，即结构效涌现性是系统的整合效应，即结构效应和组织

9、效应。应和组织效应。 第 1 章第1章 系统学概述(3)等级层次结构等级层次结构n复杂系统从组分层次到整体层次的涌现不可复杂系统从组分层次到整体层次的涌现不可能经过一次整合就完成，须要经过多次逐级能经过一次整合就完成，须要经过多次逐级整合，逐级涌现，才能完全实现从元素质到整合，逐级涌现，才能完全实现从元素质到系统质的飞跃。系统质的飞跃。n在这种逐级整合的过程中，每一次整合形成在这种逐级整合的过程中，每一次整合形成一个新层次，每一次整合完成一次部分质变，一个新层次，每一次整合完成一次部分质变，这样就形成一个低层次支撑高层次，高层次这样就形成一个低层次支撑高层次，高层次管束低层次，每一层次都有自己

10、特有的涌现管束低层次，每一层次都有自己特有的涌现特性。特性。第 1 章第1章 系统学概述(4)信息运作信息运作n对于系统的生成、维护、运行和演化，对于系统的生成、维护、运行和演化，信息起整合力和组织力的作用。无论信息起整合力和组织力的作用。无论是组分之间和层次之间的整合，还是是组分之间和层次之间的整合，还是系统与环境之间的整合，都是通过一系统与环境之间的整合，都是通过一定的信息运作实现的。定的信息运作实现的。n复杂系统的整合过程，子系统的形成，复杂系统的整合过程，子系统的形成，层次的形成，都伴随着种种信息运作。层次的形成，都伴随着种种信息运作。 第 1 章第1章 系统学概述(5)环境选择环境选

11、择 n系统生成、发展、演化中的整合不限于组分系统生成、发展、演化中的整合不限于组分之间，还包含系统与环境的整合，使系统和之间，还包含系统与环境的整合，使系统和环境之间建立稳定有序的互动互应关系。环境之间建立稳定有序的互动互应关系。n环境具有对系统的生成、运行、演化的评价环境具有对系统的生成、运行、演化的评价和选择作用，迫使系统以适应环境为标准来和选择作用，迫使系统以适应环境为标准来整合组分，组织自己，改变自己。整合组分，组织自己，改变自己。n系统和环境是相互塑造的，在互相塑造中寻系统和环境是相互塑造的，在互相塑造中寻找平衡点，以求达成共生共荣找平衡点，以求达成共生共荣。 第 1 章第1章 系统

12、学概述1.4 涌现的刻画涌现的刻画系统学主要是研究系统动态性质的理论，其系统学主要是研究系统动态性质的理论，其研究对象为动力学系统（结构、属性、行为、研究对象为动力学系统（结构、属性、行为、状态随时间而改变）状态随时间而改变）就建模遵循的系统思想看，涌现的刻画分为就建模遵循的系统思想看，涌现的刻画分为构成论与生成论两种。构成论与生成论两种。第 1 章第1章 系统学概述构成论的系统刻画构成论的系统刻画 将系统看成既定的，即组分是给定将系统看成既定的，即组分是给定的，系统已经形成，通过考察组分之间的，系统已经形成，通过考察组分之间的关联方式（结构）以建立数学模型，的关联方式（结构）以建立数学模型，

13、借助研究模型来了解系统整体的状态、借助研究模型来了解系统整体的状态、特性、行为、功能及其演化。特性、行为、功能及其演化。第 1 章第1章 系统学概述构成论的系统刻画构成论的系统刻画n从直接刻画系统的结构入手从直接刻画系统的结构入手 如果元素或组分之间的关联方式能够用数如果元素或组分之间的关联方式能够用数学的关系概念表示，则系统的结构原则上可以学的关系概念表示，则系统的结构原则上可以用集合论来描述。用集合论来描述。 系统是全部组分相互联系或互动互应所形系统是全部组分相互联系或互动互应所形成的整体。网络是一类系统结构的几何表达，成的整体。网络是一类系统结构的几何表达，称为网络结构，具有网络结构的系

14、统称为网络称为网络结构，具有网络结构的系统称为网络系统。从几何的角度，系统的特性可以区分为系统。从几何的角度，系统的特性可以区分为拓扑特性和非拓扑特性。凡网络都呈现某种拓拓扑特性和非拓扑特性。凡网络都呈现某种拓扑特性。扑特性。第 1 章第1章 系统学概述构成论的系统刻画构成论的系统刻画n从刻画系统的定量特征入手从刻画系统的定量特征入手 系统的结构和某些深层次的系统特性原系统的结构和某些深层次的系统特性原则上难以作定量刻画，而行为和状态一般易则上难以作定量刻画，而行为和状态一般易于作量化处理。把对象看成以若干特征量为于作量化处理。把对象看成以若干特征量为要素构成的系统，用数学模型描述特征量要素构

15、成的系统，用数学模型描述特征量（输入量、输出量、状态量）之间的关系，（输入量、输出量、状态量）之间的关系，可以对系统作定量刻画。可以对系统作定量刻画。n输入输入输出法输出法n状态空间法状态空间法第 1 章第1章 系统学概述生成论的刻画生成论的刻画通俗表述：通俗表述：“多来自少多来自少” “复杂来自简单复杂来自简单”基本理念：基本理念：“有生于微有生于微” 科学地刻画系统生成，第一步是确定作为科学地刻画系统生成，第一步是确定作为生成起点的那个微的具体表现形式，第二步是生成起点的那个微的具体表现形式，第二步是考察从微到系统整体的生成过程，揭示将涌现考察从微到系统整体的生成过程，揭示将涌现出那些整体

16、特性，以及这些特性是如何涌现出出那些整体特性，以及这些特性是如何涌现出来的。来的。第 1 章第1章 系统学概述生成论的刻画生成论的刻画这一方面的成果尚少这一方面的成果尚少成功事例：成功事例：元胞自动机元胞自动机人工生命人工生命分形几何分形几何第 1 章第1章 系统学概述构成论与生成论相结合的刻画构成论与生成论相结合的刻画 构成论和生成论各有所长，功能互补，构成论和生成论各有所长，功能互补，对于刻画系统都不可缺少，如能结合使用，对于刻画系统都不可缺少，如能结合使用，效果更佳。构成论描述的系统有生成问题，效果更佳。构成论描述的系统有生成问题，生成论讨论的系统也有构成问题。生成论讨论的系统也有构成问

17、题。 以网络为例，规则网络对系统的刻画完以网络为例，规则网络对系统的刻画完全是构成论的；随机网络描述系统生成的能全是构成论的；随机网络描述系统生成的能力十分有限，本质上仍属于构成论的描述；力十分有限，本质上仍属于构成论的描述；无标度网络提供的已远不止构成论的描述，无标度网络提供的已远不止构成论的描述，它在相当程度上是生成论的描述。它在相当程度上是生成论的描述。第 1 章第1章 系统学概述1.5 涌现的实验研究涌现的实验研究 例如：例如：n化合实验发现化合物的涌现特性化合实验发现化合物的涌现特性n物种杂交实验获得新的生物涌现特性物种杂交实验获得新的生物涌现特性n总结生产活动的实际资料数据发现经总

18、结生产活动的实际资料数据发现经济系统的涌现特性济系统的涌现特性第 1 章第1章 系统学概述1.5 涌现的实验研究涌现的实验研究 计算机数值实验日益显示出具有社会实践计算机数值实验日益显示出具有社会实践的基本品格，逐渐成为一种新的实验方式，的基本品格，逐渐成为一种新的实验方式，为复杂系统涌现现象提供了普遍可用的实为复杂系统涌现现象提供了普遍可用的实验研究手段。计算机仿真正在演变成为社验研究手段。计算机仿真正在演变成为社会实践的一种基本形式。会实践的一种基本形式。走向计算主义走向计算主义第 1 章第1章 系统学概述阅读材料阅读材料突现突现(emergence)系统研究的新观念系统研究的新观念. 控制与决策，控制与决策，1999(2)从计算的观点看从计算的观点看. 哲学研究，哲学研究，2004(3)