系统理论

　　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，是具有逻辑和数学性质的一门新兴的科学技术体系。相对于各门具体科学，系统论具有横向科学性质，它提出的系统概念及其方法论，引领了二十世纪七十年代以来科学技术的发展。

一、系统科学历史

1、古代系统思想

系统概念来源于古代人类社会实践经验：

l 管子《地员篇》对农作与种子、地形、土壤、水分、肥料、季节、气候诸因素的关系的系统叙述。

l 齐国名医篇鹊主张按病人气色、声音、形貌综合分析，用刮痧、针灸、汤液、按摩、熨贴多种疗法治病。

l 周秦至西汉初年古代医学总集的《黄帝内经》，强调人体各器官的有机联系、生理现象和心理现象的联系、身体健康与自然环境的联系。（中医的系统思想）。

l 战国时期秦国李冰父子设计修造了伟大的都江堰，包括“鱼咀”岷江分水工程、“飞沙堰”分洪排沙工程、“宝瓶口”引水工程三大主体工程和一百二十个附属渠堰工程，工程之间的联系处理得恰到好处，形成一个协调运转的工程总体。

l 我国古天文学很早就提示了天体运行与季节变化的联系，编制出历法和指导农事活动的廿四节气。

这种在古代朴素唯物主义思想指导下的认识论，虽然强调对自然界整体性、统一性的认识，却缺乏对这一整体各个细节的认识能力，因而对整体性、统一性的认识是不完全的、不深刻的。是所谓“不见树木，只见森林”。

2、近代科学思想

十五世纪下半叶，近代科学开始兴起，力学、天文学、物理学、化学、生物学等逐渐从哲学中分离出来。近代自然科学发展了研究自然界的独特的分析方法，包括实验、解剖和观察，把自然界的细节从总的自然联系中抽出来，分门别类地加以研究。这种考察自然界的方法移植到哲学中，就成为形而上学的思维方式。形而上学的出现是有历史根据的，是时代的需要，对科学、技术、文化的蓬勃发展起了不可磨灭的重要作用。但是，形而上学撇开总体的联系来考察事物和过程，蕴含着极大的局限性。是所谓“只见树木，不见森林”。

3、现代系统思想

十九世纪上半叶，自然科学取得了一系列伟大成就。特别是能量转化、细胞和进化论的发现，使人类对自然过程的相互联系的认识有了很大提高。十九世纪的自然科学“本质上是整理材料的科学，关于过程、关于这些事物的发生和发展以及关于把这些自然过程结合为一个伟大整体的联系的科学”，这样的自然科学，为唯物主义自然观建立了更加坚实的基础，为马克思主义哲学提供了丰富的材料。马克思、恩格斯的辩证唯物主义认为，物质世界是无数相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的事物和过程所形成的统一整体。辩证唯物主义体现的物质世界普遍联系及其整体性的思想，也就是系统思想。是所谓“既见树木，又见森林”。

科学的定量的系统思想是在现代科学、技术、文化发展的基础上形成的。现代科学技术对于系统思想方法来说，第一个贡献在于使系统思想定量化，成为一套具有数学理论、能够定量处理系统各组成部分相互联系的科学方法；第二个贡献在于为定量化系统思想的实际应用提供了强有力的计算工具——电子计算机。这两大贡献都是在二十世纪中期实现的。

4、一般系统论

作为一门科学的系统论，人们公认是美籍奥地利人、理论生物学家L.V.贝塔朗菲（L.Von.Bertalanffy）创立的。他在1932年提出“开放系统理论”，提出了系统论的思想。1937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年才公开发表，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》(《GeneralSystemTheory;Foundations,Development, Applications》），总结了一般系统论的概念、方法和应用，被公认为是这门学科的代表作。贝塔朗菲临终前发表了《一般系统论的历史与现状》一文，探讨系统研究的未来发展。此外，它还与拉维奥莱特（A. Laviolette）合写了《人的系统观》一书。

一般系统论这一术语有广泛的内容，包括极广泛的研究领域，其中有三个主要的方面。①关于系统的科学：又称数学系统论。这是用精确的数学语言来描述系统，研究适用于一切系统的根本学说。②系统技术：又称系统工程。这是用系统思想和系统方法来研究工程系统、生命系统、经济系统和社会系统等复杂系统。③系统哲学:它研究一般系统论的科学方法论的性质,并把它上升到哲学方法论的地位。贝塔朗菲企图把一般系统论扩展到系统科学的范畴，几乎把系统科学的三个层次都包括进去了。但是现代一般系统论的主要研究内容尚局限于系统思想、系统同构、开放系统和系统哲学等方面。而系统工程专门研究复杂系统的组织管理的技术，成为一门独立的学科，并不包括在一般系统论的研究范围内。

二、系统定义

系统科学的中心概念是系统，所有其他概念都是用来刻画系统概念的。

1、系统

如果一个对象集合中至少有两个可以区分的对象，所有对象按照可以辨认的特有方式相互联系在一起，就称该集合为一个系统。集合中包含的对象称为系统的组分（组成部分），最小的即不需要再细分的组分称为系统的元素或要素。

定义中规定系统的第一个特点是多元性，系统是多样性的统一、差异性的统一。存在有差别的多一个事物，才可能在一定条件下出现整合成为一个系统的要求。组分的多样性和差异性是系统“生命力”的重要源泉。最简单的是二元素系统，一般为多元素系统，原则上存在无穷多元素的系统。定义中规定系统的第二个特点是相关性或相于性，系统中不存在与其他元素无关的孤立元素或组分，所有元素或组分都按照该系统特有的、足以与别的系统相区别的方式彼此关联在一起，相互依存．相互作用，相互激励，相互补充，相互制约。系统必须具有内在相关性或相干性，相关性也是系统“生命力”的重要源泉，差异而不相关的事物构不成系统。这两个特点又决定了系统的另一个更重要的特点：整体性，系统是由它的所有组分构成的统一整体，具有整体的结构、整体的特性、整体的状态、整体的行为、整体的功能等。系统是整合起来的多样性，兼具多样性和统一性两个特点。系统科学把这种整体才其有、孤立的部分及其总和不具有的特性，称为整体涌现性。例如，木桶由木片、铁条、油漆等要素构成，这些要素没有一个可以盛水，但由这些要素相互作用而形成的特定结构——木桶，却具有盛水的功能。

2、系统观

系统科学以这样一个基本命题为前提：系统是一切事物的存在方式之一，因而都可以用系统观点来考察，用系统方法来描述。一般地说，现实世界不存在没有任何内在相关性的事物群休，凡群体中的事物必定以某种方式相互联系，否则不成其为群体。不存在数学意义上的孤立元。

古代科学的方法论本质上是整体论，强调整体地把握对象。近400年来科学遵循的方法论是还原论，主张把整体分解为部分去研究。古代的整体论是朴素的、直观的，没有把对整体的把握建立在对部分的精细了解之上。随着以还原论作为方法论基础的现代科学兴起，整体论不可避免地被淘汰了。

近代科学的发展史建立在分析方法为基础的还原论基础上的，还原或还原作用是指事物和原因的可分解性。这一方法坚信我们可以(也只能)借助部分来把握整体，只有把部分搞清楚了才可能真正理解整体，认识了部分的特性就总可以得出整体的特性，其实质是以分析—重构方法把握整体。近代科学意义上还原论方法的鼻祖可追溯到笛卡尔与培根。

整体涌现性也就是非还原性或非加和性，即整体具有但还原为部分便不存在的特性，或把部分特性加和起来无法得到的特性。承认一切系统都有非加和性，并非否定系统不能在某些方面表示出加和性。从这个意义上说，系统整体性是对以还原论为基础的分析方法的一次修正性否定。

三、系统特性

1、整体涌现性

整体涌现性主要是由它的组成成分按照系统的结构方式相互作用、相互补充、相互制约而激发出来的，是一种组分之间的相于效应，即结构效应、组织效应。不同的结构方式，即组分之间不同的相互激发、相互制约方式，产生不同的整体涌现性。现实生活中既有“三个和尚没水吃”的负向效应，也有“三个臭皮匠顶个诸葛亮”的正向效应。整体涌现性的通俗表述，就是“整体大于部分之和”，从整体中必定可以发现某些在部分中看不到的属性和特征。每个系统都表现出特有的、能与别的系统区分开来的整体涌现性。研究系统，就是要了解系统特有的整体性质。整体观点是系统思想最核心的观点，系统科学是关于整体性的科学。

整体涌现性是由规模效应和结构效应共同产生的，一般来说起决定作用的是结构效应。不论自然界自行组织而成的系统，还是人工组建、制造的系统，涌现与系统整体总是相伴而生，一旦形成系统立即涌现出特有的整体特性，系统解体立即丧失其整体特性。整体性与涌现性是同一事物的两面，前者是以既成论观点看问题的结果，贝塔朗菲采用亚里士多德 “整体大于部分之和”的说法表示；后者是从生成论观点看问题的结果，采用霍兰 “多来自少”的说法表示。老子《 道德经》 关于“道生一，一生二，二生三，三生万物”的说法，是生成论的最早表述。

2、相关性

系统研究最关心的是把所有元素关联起来形成统一整体的特有方式（包括关联力）。组分及组分之间关联方式（系统把其元素整合为统一整体的模式）的总和，称为系统的结构。在组分不变的情况下，往往把组分的关联方式就称为结构。

当系统的元素很少、彼此差异不大时，系统可以按照单一的模式对元素进行整合。当系统的元素数量很多、彼此差异不可忽略时，不再能够按照单一模式对元素进行整合，需要划分为不同的部分，分别按照各自的模式组织整合起来，形成若干子系统，再把这些子系统组织整合为整系统。应当区分元素和子系统。元素也是系统的组成部分，但本质特征是具有基元性，相对于给定的系统它是不能也无需再细分的最小组成部分，元素不具有系统性，不讨论其结构问题。子系统具有可分性、系统性，需要且能够讨论结构问题。有些子系统可以只有一个元素，子系统对母系统具有相对的独立性。元素和子系统都是系统的组成部分，简称组分。

结构分析的重要内容是划分了系统，分析各个子系统的结构（元素及其关联方式和关联力），阐明不同子系统之间的关联方式。一般来说，同一系统可以按照不同标准划分子系统，以便从不同侧面了解系统结构。按照同一标准划分出来的子系统有可比性，按照不同标准划分出来的子系统没有可比性。把按照不同标准划分得到的子系统并列起来，是概念混淆的重要原因。

系统的结构方式无穷无尽，目前尚无完备的结构分类方法。一般情况下，应注意从静态和动态两个方面进行分析。组分在空间的排列或配置方式，称为系统的空间结构。组分在时间流程中的关联方式，称为系统的时间结构。有些系统主要呈现空间结构，有些系统主要呈现时间结构，有些系统兼而有之。

3、等级层次性

涌现性的另一种解释是高层次具有低层次没有的特性。新层次根源于出现了新的涌现性，有不同层次必有不同水平的涌现性。最简单的系统由元素层次和系统整体层次组成，元素之间的相互作用直接涌现出整体特性，无需经过中间层次的整合。复杂系统不可能一次完成从元索性质到系统整体性质的涌现，需要通过一系列中间等级的整合而逐步涌现出来，每个涌现等级代表一个层次，每经过一次涌现形成一个新的层次，从元素层次开始，由低层次到高层次逐步整合、发展，最终形成系统的整体层次。层次是系统由元素整合为整体过程中的涌现等级，不同性质的涌现形成不同的层次，不同层次表现不同质的涌现性。

一般来说，低层次隶属和支撑高层次，高层次包含或支配低层次。高层次必有低层次没有的涌现性，一旦还原为低层次，这种涌现性就不复存在。多层次是复杂系统必须具有的一种组织方式，层次结构是系统复杂性的基本来源之一。简单系统无需划分层次就可以把它的各部分有效地组织起来，复杂系统则不行，必须按层次方式由低级到高级逐步进行整合，首先对元素整合，形成许多子系统，再对这些子系统进行整合，形成较高一级的子系统，……经过多级子系统，一直到形成系统整体。在按照多个层次组织起来的系统中，不同层次的子系统有高低不同的涌现性，较大的子系统一般也分层次。在这种系统中，层次提供了一个参照系，讨论问题首先要明确是在哪个层次上，混淆层次（如把不同层次的子系统相提并论）必将导致概念混乱。例如，不同级别政府行政机构的层次关系：省、市、县、乡、村。

另外要注意分系统与子系统概念之间的区别。所谓分系统，以系统中的某一种关系为线索，联接相应的子系统而形成的系统。每一个分系统研究的是系统的一个方面，将所有的分系统叠加就是系统。如：农业厅、交通厅、……

4、环境适应性

一个系统之外的一切与它相关联的事物构成的集合，称为该系统的环境。按照等级层次性的观点，高层系统就是低层系统的环境，因此，系统的环境只能在相对的意义上确定。在不同的研究目的下，或对于不同的研究者，同一系统的环境划分也有不同。

任何系统都是在一定的环境中产生出来，又在一定的环境中运行、延续、演化，不存在没有环境的系统。系统的结构、状态、属性、行为等或多或少都与环境有关，这叫做系统对环境的依赖性。环境与系统之间的相互关系是系统的外部规定性。同样的元素在不同环境中须按照不同方式整合，形成不同的结构，甚至元素的性质也随着环境的变化而有所变化。一般来说，环境也是决定系统整体涌现性的重要因素，在一定的环境条件下，系统只有涌现出特定的整体性，才能与环境相适应，形成稳定的环境依存关系。随着环境的改变，系统必须产生新的整体涌现性，以达成新的环境依存关系。环境复杂性是造成系统复杂性的重要根源。因此，研究系统必须研究它的环境以及它同环境的相互作用。环境意识是系统思想的另一个基本点。

与系统相比，环境组分之间相互联系一般较弱，不够规则，系统性较差，这为系统趋利避害、保护和发展自己提供了可能性。但同一系统的环境中的不同事物之间总有这样或那样的联系，并且通过与该系统的联系而形成某种更大的系统。应当用系统观点认识环境，要看到有些系统的环境有很强的系统性。把环境当作系统来分析，是系统观点的必要组成部分。

5、系统的功能目的性

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，这类系统也是系统工程研究的主要对象。

系统的结构、状态、特性、行为、功能等随着时间的推移而发生的变化，称为系统的演化。只要观察的时间尺度足够大，就可以看到任何系统都是作为过程而展开的。系统的生存延续，系统的运行，系统功能的发挥，都是作为过程而进行的。因此，要实现系统的功能，就必须使得系统的结构处在特定的状态下，为达到这个系统的目标，就必须获得并使用信息，以这种信息为基础而选出的、于该对象上的作用，就叫做控制。（关于信息与控制更详细的论述参见下小节的信息论与控制论）

总之，客观事物是以系统的方式存在的，它们以子系统、系统、母系统的相对等级层次，构成复杂的系统体系结构。每个系统是由一定结构的组分要素构成的整体，其首要的特征是其涌现的新功能，这个新功能既由系统内部各个要素（子系统）的相关性决定，又受外部环境的制约，分别是矛盾的主要方面和次要方面。其功能目的的实现是通过以信息为基础的控制来达成的。

——摘自许国志《系统科学》

系统理论（补一）