系统论控制论信息论

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1、一般系统论 亚里斯多德早就说过“整体大于部分之和”。因此对系统的研究可以说从古代就已经开始了。 作为现代系统论的基本思想最初产生于本世纪20年代初由奥地利生物学家贝朗塔菲提出的， 只不过它一开始被作为机体生物学，这是生物学中的有机论概念，强调生命现象是不能用 机械论观点来揭示其规律的，而只能把它看作一个整体或系统来加以考察。1968年，贝朗塔 菲发表了一般系统论的代表著作一般系统理论一一基础发展与应用现在系统思想形成 了一股重要的思潮，日益发挥重大而深远的影响。一、系统 1、系统的含义及其分类 系统论的内涵和外延理论界现在说法不一。人们现在把系统论作为介于哲学和具体科学之间 的横断科学来对待。

2、它被用作比具体学科更一般化的科学理论加以研究，但又不同于哲学。 现代系统论具有可否证性、抽象性、数理性特点。贝塔朗菲把一般系统概念定义为系统是 处于一定相互关系中的与环境发生关系的各组成成分的总体。或： 系统由两个或两个以上的要素组成的具有整体功能和综合行为的统一集合体 钱学森把极其复杂的研究对象称为系统。系统的属性：(1) 系统的整体性：即非加和性。系统不是各部分的简单组合，而有统一性，各组成部分或各 层次的充分协调和连接，提高系统的有序性和整体的运行效果。例如：钢筋混凝土结构的 强度就大于钢筋、水泥、沙石的强度之和。拿破仑说数量小时较多数法国人不敌少数马克 留木人，数量大时较少法国人可以战

3、胜较多数马克留木人没有凡高弟弟凡高就出不了成 果；没有赫歇尔妹妹则赫歇尔不能成为伟大的天文学家；没有阿贝尔的老师就没有阿贝尔； 没有孟母就没有孟子；没有伽罗华之母就没有伽罗华人们常说三个臭皮匠等于一个诸葛 亮反面例子如上网、吸毒、赌博等。三个和尚没水吃”，其原因是他们的能量消耗在 内耗上。系统的相关性：系统中相互关联的部分或部件形成部件集，集中各部分的特性和行为 相互制约和相互影响，这种相关性确定了系统的性质和形态。系统的功能性和目标性：大多数系统的活动或行为可以完成一定的功能，但不一定所有系 统都有目的，例如太阳系或某些生物系统。人造系统或复合系统都是根据系统的目的来设定 其功能的，这类系统

4、也是系统工程研究的主要对象。例如，经营管理系统要按最佳经济效益 来优化配置各种资源;军事系统为保全自己，消灭敌人，就要利用运筹学和现代科学技术组 织作战，研制武器。系统的层次性和相对性(有序性)：由于系统的结构、功能和层次的动态演变有某种方向 性，因而使系统具有有序性的特点。一般系统论的一个重要成果是把生物和生命现象的有序 性和目的性同系统的结构稳定性联系起来，也就是说，有序能使系统趋于稳定，有目的才能 使系统走向期望的稳定系统结构。行政系统分为科、处、局、部、委；军事系统分为排、 连、营、团、师、军运作，都是系统表现出的层次性。系统的复杂性和随机性：物质和运动是密不可分的，各种物质的特性、形

5、态、结构、功能 及其规律性，都是通过运动表现出来的，要认识物质首先要研究物质的运动，系统的动态性 使其具 有生命周期。开放系统与外界环境有物质、能量和信息的交换，系统内部结构也可 以随时 间变化。一般来讲，系统的发展是一个有方向性的动态过程。系统的适应性：一个系统和包围该系统的环境之间通常都有物质、能量和信息的交换，外 界环境的变化会引起系统特性的改变，相应地引起系统内各部分相互关系和功能的变化。为 了保特和恢复系统原有特性，系统必须具有对环境的适应能力，例如反馈系统、自适应系统 和自学习系统等。2、系统的分类（1）按系统的规模分：小型系统、中型系统、大型系统和巨型系统按组成要素的性质（按人类

6、干预的情况）分：自然系统、人造系统和复合系统。自然系统原始的系统都是自然系统，如天体、海洋、生态系统等。又如呼唤系统、消化 系统、循环系统、免疫系统等。人造系统如人造卫星、海运船只、机械设备等。又如：交通系统、商业系统、金融系统、 工业系统、农业系统、教育系统、经济系统、文艺系统、军事系统、社会系统等等。近年来，人造系统对自然系统的不良影响已成为人们关注的重要问题，如核军备、化学武器、 环境污染等。自然系统是一个高阶复杂的均衡系统，如季节周而复始地变化形成的气象系统、 食物链系统、水循环系统等。自然系统中的有机物、植物与自然环境保特了一个平衡态。在 自然界中，物质流的循环和演变是最重要的，自然

7、环境系统没有尽头，没有废止，只有循环 往复，并从一个层次发展到另一个层次。原始人类对自然系统的影响不大，但近几百年来， 科技发展很快，它既造福于人类，又带来危害，甚至灾难，引起了人们极大的关注。例如， 埃及阿斯旺水坝是一个典型的人造系统，水坝解决了埃及尼罗河洪水泛滥问题，但也带来一 些不良影响，如东部的食物链受到破坏，渔业减产，尼罗河流域土质盐碱化加快，发生周期 性干旱，影响了农业；由于河水污染使附近居民的健康受到影响等。但如能运用系统工程方 法来全面考虑，统筹安排，有可能得到一个既解决洪水问题又尽量减少损失的更好方案。 复合系统既包含人造系统又包含自然系统。系统工程所研究的对象大多复合系统。

8、是从 系统的观点讲，对系统的分析应自上而下地而不是自下而上地进行。例如，研究系统与所处 环境，环境是最上一级，先注意系统对环境的影响，然后再进行系统本身的研究，系统的最 下级是组成系统的各个部分或要素。自然系统常常是复合系统的最上一级。按系统与环境的关系分：开放系统、封闭系统和孤立系统。封闭系统是一个与外界无明显 联系的系统，环境仅仅为系统提供了一个边界，不管外 部环境有什么变化，封闭系统仍表 现为其内部稳定的均衡特性。封闭系统的一个实例就是 密闭罐中的化学反应，在一定初始 条件下，不同反应物在罐中经化学反应达到一个平衡态。开放系统是指在系统边界上与环境 有信息、物质和能量交互作用的系统。例如

9、商业系统、生产系统或生态系统，这些都是开放 系统。在环境发生变化时，开放系统通过系统中要 素与环境的交互作用以及系统本身的调 节作用，使系统达到某一稳定状态。因此，开放系统常是自调整或自适应的系统 此外还分： .实体系统和抽象（概念）系统；按学科领域就可分成自然系统、社会系统和思维系 统；按范围划妥则有宏观系统、微观系统；按状态划分就有静态系统和动态系统。还有平衡 系统、非平衡系统、近平衡系统、远平衡系统等等。二、系统论1、系统论概述 系统论是研究系统的一般模式，结构和规律的学问，它研究各种系统的共同特征，用数学方 法定量地描述其功能，寻求并确立适用于一切系统的原理、原则和数学模型，是具有逻辑

10、和 数学性质的一门新兴的科学。系统思想源远流长，但作为一门科学的系统论，人们公认是加 籍奥地利人、理论生物学家L.V.贝塔朗菲（L.VOn.Bertalanffy）创立的。他在1952年发表“抗 体系统论”，提出了系统论的思想。 1973年提出了一般系统论原理，奠定了这门科学的理论 基础。但是他的论文关于一般系统论，到1945年才分开发表，他的理论到1948年在美国 再次讲授“一般系统论”时，才得到学术界的重视。确立这门科学学术地位的是1968年贝塔朗 菲发表的专著：一般系统理论基础、发展和应用（General SystemTheory;Foundations,Development,Appl

11、ications），该书被公认为是这门学科的代表作。系统一 词，来源于古希腊语，是由部分级成整体的意思。今天人们从各种角度上研究系统，对系统 下的定义不下几十种。如说“系统是诸元素及其顺常行为的给定集合”，“系统是有组织的和 被组织化的全体”，“系统是有联系的物质和过程的集合”，“系统是许多要素保持有机的秩序， 向同一目的行动的东西”，等等。一般系统论则试图给一个能描示各种系统共同特征的一般 的系统定义，通常把系统定义为：由若干要素以一定结构形式联结构成的具有某种功能的有 机整体。在这个定义中包括了系统、要素、结构、功能四个概念，表明了要素与要素、要素 与系统、系统与环境三方面的关系。系统论认

12、为，整体性、关联性，等级结构性、动态平衡 性、时序性等是所有系统的共同的基本特征。这些，既是系统所具有的基本思想观点，而且 它也是系统方法的基本原则，表现了系统论不仅是反映客观规律的科学理论，具有科学方法 论的含义，这正是系统论这门科学的特点。贝塔朗菲对此曾作过说明，英语System Approach 直译为系统方法，也可译成系统论，因为它既可代表概念、观点、模型，又可表示数学方法。 他说，我们故意用Approach这样一个不太严格的词，正好表明这门学科的性质特点。系统 论的核心思想是系统的整体观念。贝塔朗菲强调，任何系统都是一个有机的整体，它不是各 个部分的机械组合或简单相加，系统的整体功能

13、是各要素在孤立状态下所没有的新质。他用 亚里斯多德的“整体大于部分之和”的名言来说明系统的整体性，反对那种认为要素性能好， 整体性能一定好，整体性能一定好，以局部说明整体的机械论的观点。同时认为，系统中各 要素不是孤立地存在着，每个要素在系统中都处于一定的位置上，起着特定的作用。要素之 间相互关联，构成了一个不可分割的整体。要素是整体中的要素，如果将要素从系统整体中 割离出来，它将失去要素的作用。正象人手在人体中它是劳动的器官，一旦将手从人体中砍 下来，那时它将不再是劳动的器官了一样。系统论的基本思想方法，就是把所研究和处理的 对象，当作一个系统，分析系统的结构和功能，研究系统、要素、环境三者

14、的相互关系和变 动的规律性，并优化系统观点看问题，世界上任何事物都可以看成是一个系统，系统是普遍 存在的。大至渺茫的宇宙，小至微观的原子，一粒种子、一群蜜蜂、一台机器、一个工厂、 一个学会团体、都是系统，整个世界就是系统的集合。系统是多种多样的，可以根据不 同的原则和情况来划分系统的类型。系统论的任务，不仅在于认识系统的特点和规律，更重 要地还在于利用这些特点和规律去控制、管理、改造或创造一系统，使它的存在与发展合乎 人的目的需要。也就是说，研究系统的目的在于调整系统结构，直辖各要素关系，使系统达 到优化目标。系统论的出现，使人类的思维方式发生了深刻地变化。以往研究问题，商业局 是把事物分解成

15、若干部分，抽象出最简单的因素来，然后再以部分的性质去说明复杂事物。 这是笛卡尔奠定理论基础的分析方法。这种方法的着眼点在局部或要素，遵循的是单项因果 决定论，虽然这是几百年来在特定范围内行之有效、人们最熟悉的思维方法。得是它不能如 实地说明事的的整体性，不能反映事物之间的联系和相互作用，它只适应认识较为简单的事 物，而不胜任于对复杂问题的研究。在现代科学的整体化和商度综合化发展的趋势下，在人 类面临许多规模巨大、关系复杂、参数众多的复杂问题面前，就显得无能为力了。正当传统 分析方法束手无策的时候，系统分析方法却能站在时代前列，高屋建瓴，综观全局，别开生 面地为现代复杂问题提供了有效的思维方式。

16、所以系统论，连同控制论、信息论等其他横断 科学一起所提供的新思路和新方法，为人类的思维开拓新路，它们作为现代科学的新潮流， 促进着各门科学的发展。系统论反映了现代科学了展的趋势，反映了现代社会化大生产的特 点，反映了现代社会生活的复杂性，所以它的理论和方法能够得到广泛地应用。系统论不仅 为现代科学的发展提供了理论和方法，而且也为解决现代社会中的政治、经济、军事、科学、 文化等等方面的各种复杂问题提供了方法论的基础，系统观念正渗透到每个领域。当前系统 论发展的趋势和方向是朝着统一各种各样的系统理论，建立统一的系统科学体系的目标前进 着。有的学者认不， “随着系统运动而产生的各种各样的系统（理）论

17、，而这些系统（理）论 的统一业已成为重大的科学问题和哲学问题。”系统理论目前已经显现出几个值得注意的趋 势和特点。第一，系统论与控制论、信息论，运筹学、系统工程、电子计算机和现代通讯技 术等新兴学科相互渗透、紧密结合的趋势；第二，系统论、控制论、信息论，正朝着“三归 一”的方向发展，现已明确系统论是其它两论的基础；第三，耗散结构论、协同学、突变论、 模糊系统理论等等新的科学理论，从各方面丰富发展了系统论的内容，有必要概括出一门系 统学作为系统科学的基础科学理论；第四，系统科学的哲学和方法论问题日益引起人们 的重视。在系统科学的这些发展形势下，国内外许多学者致力于综合各种系统理论的研究， 探索建

18、立统一的系统科学体系的途径。一般系统论创始人贝塔朗菲，就把他的系统论两部分。 他的狭义系统论与广义系统论两部分。他的狭义系统论着重对系统本身进行分析研究；而他 的广义系统论则是对一类相关的系统科学来理行分析研究。其中包括三个方面的内容： 1. 系统的科学、数学系统论；2.系统技术，涉及到控制论、信息论、运筹学和系统工程等领域；3. 系统哲学，包括系统的本体论、认识论、价值论等方面的内容。有人提出试用信息、能量、 物质和时间作为体基本概念建立新的统一理论。瑞典勘探德哥尔摩大学萨缪尔教授1976年一 般系统论年会上发表了将系统论。控制论、信息论综合成一门新学科的设想。在这种情况下， 美国的系统工程

19、杂志也改称为系统科学杂志。我国有的学者认为系统科学应包括“系 统概念、一般系统理论、系统理论分论、系统方法论（系统工程和系统分析包括在内）和系 统方法的应用”等五个部分。我国著名科学家钱学森教授。多年致力于系统工程的研究，十 分重视建立统一的系统科学体系的问题自1979年以来，多次发表文章表达他形成是与自然科 学、社会科学等相并列的一大门类科学，系统科学象自然科学一样也区分为系统的工程技术 （包括系统工程、自动化技术和通讯技术）；系统的技术科学（包括支筹学、控制论、巨系 统理论、信息论）；系统的基础科学，（即系统学）；系统观（即系统的哲学和方法论部分， 是系统科学与马克思主义的哲学连接的桥梁四

20、个层次）。这些研究表明，不久的将来系统论 将以崭新的整面貌矗立于科学之林。2、系统论的原则系统论的原则主要是整体性原则、结构功能原则、目的性原则、最优化原则a） 整体性原则：系统论的核心思想是系统的整体观念。贝塔朗菲反对那种认为要素性能好， 整体性能一定好，以局部说明整体的机械论的观点。体现在三个方面：整体的性质不是要素具备的。如H2O的性质与H或O都不同。要素的性质影响整体。如一台机器中，一个部件出错，机器就会不正常。要素性质之间相互影响。如班级上一个同学对科学感兴趣可能会带动其它同学也感兴趣， 反之一个同学无故旷课，会影响其它同学向他学。系统中各要素不是孤立地存在着，每个要 素在系统中都处

21、于一定的位置上，起着特定的作用。要素之间相互关联，构成了一个不可分 割的整体。要素是整体中的要素，如果将要素从系统整体中割离出来，它将失去要素的作用。 正象人手在人体中它是劳动的器官，一旦将手从人体中砍下来，那时它将不再是劳动的器官 了一样。b）结构功能原则：要素不变时，结构决定功能。如种类无数的有机物几乎都主要是碳、氢、氧、氮组成。常 常是组成结构不同。又如电子元件不同的组合可以形成各种家电。（当然反过来，结构相同， 要素不同，功能不同）结构、要素都不同则可以有相同的功能。如人脑系统和计算机系统在部分功能上相似。利 用这一原则，可以设计各种仿真系统。同一结构可能有多种功能。如一付中药可能有多

22、种疗效。c）目的性原则：确定或把握系统目标并采取相应的手段去实现。这是控制论的研究内容。 见控制论。d）最优化原则：为最好的实现目标而通过改变要素和结构使系统功能最佳。如田忌赛马的 故事；战争时的布阵；材料的人工设计等。决策论，分配论讨论优化问题。三、系统工程及其方法1、 什么是系统工程 定义有很多种。钱学森说它是一种科学方法，美国学者说是一门科学，还有说它是一门特殊 工程学。但大多数科学家认为是一种管理技术。 系统工程是从整体出发合理开发、设计、实施和运用系统科学的工程技术。 它根据总体协 调的需要，综合应用自然科学和社会科学中有关的思想、理论和方法，利用电子计算机作为 工具，对系统的结构、

23、要素、信息和反馈等进行分析，以达到最优规划、最优设计、最优管 理和最优控制的目的。特点：研究对象是工程系统。研究目标是让系统达到最优。系统工程学是工业工程学的发展，应用广泛。后者只适用于中小规模。是横跨许多技术的交叉科学。数学要求高，离不开和计算机。2、系统工程的步骤影响最大的是霍尔三维结构，它是美国通信工程师和系统工程专家AD霍尔于1969年提出 的。它以时间维、逻辑维、知识维组成的立体空间结构来概括地表示出系统工程的各阶段、 各步骤以及所涉及的知识范围。也就是说，它将系统工程活动分为前后紧密相连的七个阶段 和七个步骤，并同时考虑到为完成各阶段、各步骤所需的各种专业知识，为解决复杂的系统 问

24、题提供了一个统一的思想方法。（1）逻辑维（解决问题的逻辑过程）。运用系统工程方法解决某一大型工程项目时，一般 可分为七个步骤：明确问题。通过系统调查，尽量全面地搜集有关的资料和数据，把问题 讲清楚。系统指标设计。选择具体的评价系统功能的指标，以利于衡量所供选择的系统方 案。系统方案综合。主要是按照问题的性质和总的功能要求，形成一组可供选择的系统方 案，方案是按照问题的性质和总的功能要求，形成一组可供选择的系统方案，方案中要明确 待选系统的结构和相应参数。系统分析。分析系统方案的性能、特点、对预定任务能实现 的程度以及在评价目标体系上的优劣次序。系统选择。在一定的约束条件下，从各入选方 案中择出

25、最佳方案。决策。在分析、评价和优化的基础上作出裁决并选定行动方案。实 施计划。这是根据最后选定的方案，将系统付诸实施。以上七个步骤只是一个大致过程，其 先后并无严格要求，而且往往可能要反复多次，才能得到满意的结果。（2）时间维（工作进程）。对于一个具体的工作项目，从制定规划起一直到更新为止，全部 过程可分为七个阶段：规划阶段。即调研、程序设计阶段，目的在于谋求活动的规划与战 略；拟定方案。提出具体的计划方案。研制阶段。作出研制方案及生产计划。生产阶 段。生产出系统的零部件及整个系统，并提出安装计划。安装阶段。将系统安装完毕，并 完成系统的运行计划。运行阶段。系统按照预期的用途开展服务。更新阶段

26、。即为了提 高系统功能，取消旧系统而代之以新系统，或改进原有系统，使之更加有效地工作。（3）知识维（专业科学知识）。系统工程除了要求为完成上述各步骤、各阶段所需的某些共 性知识外，还需要其他学科的知识和各种专业技术，霍尔把这些知识分为工程、医药、建筑、 商业、法律、管理、社会科学和艺术等。各类系统工程，如军事系统工程、经济系统工程、 信息系统工程等。都需要使用其它相应的专业基础知识。四、系统工程的应用中国古代的都江堰是运用系统工程的成功的范例。它主要由三项主体工程：“鱼嘴”岷江分水 工程、“飞沙堰”分洪排沙工程、“宝瓶口”工程以及120个附属工程巧妙合成。其中每一部分 都是不可缺的。系统工程以

27、复杂的大系统为研究对象，是在20世纪40年代美国贝尔电话公司首先提出和应用 的。 50年代在美国的一些大型工程项目和军事装备系统的开发中，又充分显示了它在解决复 杂大型工程问题上的效用。随后在美国的导弹研制、阿波罗登月计划中得到了迅速发展。 60年代我国在进行导弹研制的过程中也开始应用系统工程技术。到了70、80年代系统工程技 术开始渗透到社会、经济、自然等各个领域，逐步分解为工程系统工程、企业系统工程、经 济系统工程、区域规划系统工程、环境生态系统工程、能源系统工程、水资源系统工程、农 业系统工程、人口系统工程等，成为研究复杂系统的一种行之有效的技术手段。系统工程的应用十分广泛，主要有（1）

28、工程系统：研究大型工程项目的规划、设计、制造 和运行。（2）社会系统：研究整个国家和社会系统的运行、管理问题。（3）经济系统：研究 宏观经济发展战略、经济目标体系、宏观经济政策，进入投入产出分析等。（4）农业系统： 研究农业发展战略、农业结构、农业综合规划等。（5）企业系统：研究工业结构、市场预测、 新产品开发、生产管理系统、全面质量管理系统等。（6）科学技术管理系统：研究科学技术 发展战略、预测、规划和评价等。（7）军事系统：研究国防总体战略、作战模拟、情报通讯 指挥系统、参谋指挥系统和后勤保障系统等。（8）环境生态系统：研究环境系统和生态系统 的规划、建设、治理等。（9）人才开发系统：研究人才需求预测、人才结构分布、教育规划、 智力投资等。（10）运输系统：研究铁路、公路、航运、空运等的运输规划、调度系统、运 输效益分析、城市交通网络优化模型等。（11）能源系统：研究能源合理利用结构、能源需 求预测、能源发展战略等。（12）区域规划系统：研究区域人口、经济协调发展规划、区域 资源最优利用、区域经济结构等。