一个科学新领域 —— 开放的复杂巨系统及其方法论

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开放系统和动态系统 —— 系统分类的相对性

如果按系统与其环境是否有物质、能量和信息的交换,可将系统划分为开放系统和封闭系统;当然,真正的封闭系统在客观世界中是不存在的,只是为了研究上的方便,有时把一个实际具体系统*似地看成封闭系统。

如果按系统状态是否随着时间的变化而变化,可将系统划分为动态系统和静态系统;同样,真正的静态系统在客观世界也是不存在的,只是一种*似描述。

系统分类

根据

• 子系统种类，数量
• 子系之间关联关系复杂度

分为

• 简单系统：不管是小系统还是大系统,研究这类简单系统都可从子系统相互之间的作用出发,直接综合成全系统的运动功能。（可直接研究）
  • 小系统：子系统数量少，关联关系简单。 “某些非生命系统,如一台测量仪器,这就是小系统。”
  • 大系统：如果子系统数量相对较多(如几十、上百),如一个工厂,则可称作大系统。
• 巨系统：若子系统数量非常大(如成千上万、上百亿、万亿),则称作巨系统。
  • 简单巨系统：种类相对有限，关联关系简单。若巨系统中子系统种类不太多(几种、几十种),且它们之间关联关系又比较简单,就称作简单巨系统,如激光系统。
    研究处理这类系统当然不能用研究简单小系统和大系统的办法,就连用巨型计算机也不够了,将来也不会有足够大容量的计算机来满足这种研究方式。直接综合的方法不成,人们就想到本世纪初统计力学的巨大成就,把亿万个分子组成的巨系统的功能略去细节,用统计方法概括起来。这很成功,是1Prigogine 和 Haken 的贡献,它们各自称为耗散结构理论和协同学。
  • 复杂巨系统：种类很多并且有层次结构，且关联关系复杂。（相对更符合现实世界建模的）

根据组成系统的子系统以及子系统种类的多少和它们之间关联关系的复杂程度,可把系统分为简单系统和巨系统两大类。简单系统是指组成系统的子系统数量比较少,它们之间关系自然比较单纯。某些非生命系统,如一台测量仪器,这就是小系统。如果子系统数量相对较多(如几十、上百),如一个工厂,则可称作大系统。不管是小系统还是大系统,研究这类简单系统都可从子系统相互之间的作用出发,直接综合成全系统的运动功能。这可以说是直接的做法,没有什么曲折,顶多在处理大系统时,要借助于大型计算机或巨型计算机。
若子系统数量非常大(如成千上万、上百亿、万亿),则称作巨系统。若巨系统中子系统种类不太多(几种、几十种),且它们之间关联关系又比较简单,就称作简单巨系统,如激光系统。研究处理这类系统当然不能用研究简单小系统和大系统的办法,就连用巨型计算机也不够了,将来也不会有足够大容量的计算机来满足这种研究方式。直接综合的方法不成,人们就想到本世纪初统计力学的巨大成就,把亿万个分子组成的巨系统的功能略去细节,用统计方法概括起来。这很成功,是1Prigogine 和 Haken 的贡献,它们各自称为耗散结构理论和协同学。

如果子系统种类很多并有层次结构,它们之间关联关系又很复杂,这就是复杂巨系统。

如果这个系统又是开放的,就称作开放的复杂巨系统。

例如:生物体系统、人脑系统、人体系统、地理系统(包括生态系统)、社会系统、星系系统等。这些系统无论在结构功能、行为和演化方面,都很复杂,以至于到今天,还有大量的问题,我们并不清楚。如人脑系统,由于人脑的记忆、思维和推理功能以及意识作用,它的输入一输出反应特性极为复杂。人脑可以利用过去的信息(记忆)和未来的信息(推理)以及当时的输入信息和环境作用,作出各种复杂反应。从时间角度看,这种反应可以是实时反应、滞后反应甚至是超前反应;从反应类型看,可能是真反应,也可能是假反应,甚至没有反应。所以,人的行为绝不是什么简单的“条件反射”,它的输入一输出特性随时间而变化。实际上,人脑有 10个神经元,还有同样多的胶质细胞,它们之间的相互作用又远比一个电子开关要复杂得多,所以美国 IBM 公司研究所的 E.Clementi 曾说[],人脑像是由 10”台每秒运算 10 亿次的巨型计算机关联而成的大计算网络!
再上一个层次,就是以人为子系统主体而构成的系统,而这类系统的子系统还包括由人制造出来具有智能行为的各种机器。对于这类系统,“开放”与“复杂”具有新的、更广的含义。这里开放性指系统与外界有能量、信息或物质的交换。说得确切一些:① 系统与系统中的子系统分别与外界有各种信息交换;②系统中的各子系统通过学习获取知识由于人的意识作用,子系统之间关系不仅复杂而且随时间及情况变化有极大的易变性。一个人本身就是一个复杂巨系统,现在又以这种大量的复杂巨系统为子系统而组成一个巨系统--社会。

人要认识客观世界,不仅靠实践,而且要用人类过去创造出来的精神财富,知识的掌握与利用是个十分突出的问题。什么知识都不用,那就回到一百多万年以前我们的祖先那里去了

社会系统的复杂性

这里不仅以系统中子系统的种类多少来表征系统的复杂性,而且知识起着极其重要的作用。

这类系统的复杂性可概括为:
① 系统的子系统间可以有各种方式的通讯:
② 子系统的种类多,各有其定性模型;
③ 各子系统中的知识表达不同,以各种方式获取知识;
④ 系统中子系统的结构随着系统的演变会有变化,所以系统的结构是不断改变的。我们把上述系统叫作开放的特殊复杂巨系统,即通常所说的社会系统。

社会系统的微观和宏观研究

从社会系统的最*研究中,也可以看出这一点。研究人这个复杂巨系统可以看作是社会系统的微观研究。

而在社会系统的宏观研究方面,根据马克思创立的社会形态概念,任何一个社会都有三种社会形态,即经济的社会形态、政治的社会形态、意识的社会形态,

可把社会系统划分为三个组成部分,即社会经济系统、社会政治系统、社会意识系统。

相应于三种社会形态应有三种文明建设,即物质文明建设(经济形态),政治文明建设(政治形态)和精神文明建设(意识形态)。

社会主义文明建设应是这三种文明建设的协调发展。

拒绝生搬硬套

有些人想得比较简单,硬要把第一节中讲到的处理简单系统或简单巨系统的方法用来处理开放的复杂巨系统，他们没有到这些理论方法的局限性和应用范围,生搬硬套,结果适得其反。例如;运筹学中的对策论,就其理论框架而言,是研究社会系统的很好工具。但对策论今天所达到的水*和取得的成就远不能处理社会系统的复杂问题。原因在于对策论中已把人的社会性、复杂性，人的心理和行为的不确定性过于简化了,以至于把复杂巨系统问题变成了简单巨系统或简单系统的问题了。同样,把系统动力学、自组织理论用到开放的复杂巨系统研究之中,也不能成功,其原因也在于此。系统动力学创始人J Forrester 自己就提出,对他的方法要慎重,要研究模型的可信度。但国内有些人对此却毫不担心,“大胆”使用。

似曾相识的哲学高度上升

另外,也有的人一下子把复杂巨系统的问题上升到哲学高度,空谈系统运动是由子系统决定的,微观决定宏观等等。一个很典型的例子就是“字宙全息统一论”。他们没有看到人对子系统也不能认为完全认识了。子系统内部还有更深、更细的子系统。以不全知去论不知,于事何补?

甚至错误地提出“部分包含着整体的全部信息”、“部分即整体,整体即部分,二者绝对同一”,这完全是违反客观事实的,也违反了马克思主义哲学。

从研究实践中提炼，概括，抽象

实践已经证明,现在能用的、唯一能有效处理开放的复杂巨系统(包括社会系统)的方法,就是定性定量相结合的综合集成方法,这个方法是在以下三个复杂巨系统研究实践的基础上,提炼、概括和抽象出来的,这就是

(1)在社会系统中,由几百个或上千个变量所描述的定性定量相结合的系统工程技术,对社会经济系统的研究和应用;
(2)在人体系统中,把生理学、心理学、西医学、中医和传统医学以及气功、人体特异功能等综合起来的研究;
(3)在地理系统中,用生态系统和环境保护以及区域规划等综合探讨地理科学的工作。

再谈关于财政补贴的经济体制的科学调整 —— 系统科学的综合应用

1979年

通过财政补贴，对农副产品的收购提价和超购加价，提高农民收入。

随着农业年年丰收，造成了沉重的财政负担和财政赤字。

有关部门，通过价格和工资的调整逐渐减少补贴以至取消。

系统关联组成，制约关系

• 财政补贴
• 价格 ： 零售商品价格升高对人民生活水*的影响
• 工资： 工资调整对财政的影响，市场*衡等等
• 直接间接相关的经济组成部分等

系统工程的典型命题 —— 使系统具有我们希望的功能

从具体问题到一个抽象的系统模型：调整价格和工资从而取消财政补贴 ——> 实质上就是改变和调节这个系统的关联、制约关系。

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实践步骤

• 将系统思想和观点纳入系统框架
• 界定系统边界
• 明确
  • 状态变量
  • 环境变量
  • 控制变量（政策）
  • 输出变量（观测）

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下面,我们以社会经济系统工程中“财政补贴、价格、工资综合研究”为例,来说明这个方法及其应用。这个案例是成功的。

1979年以来,由于实行农副产品收购提价和超购加价政策,提高了农民收人,这部分钱是由国家财政补贴的。但是,当时对销售价格没有做相应调整,结果是随着农业连年丰收,超购加价部分迅速增大,给国家财政带来了沉重的负担,是财政赤字的主要根源。这样,造成了极不正常的经济状态:农业越丰收,财政补贴越多,致使国家财政收人增长速度明显低于国民收入增长速度,财政收入占国民收入的比例逐年下降。

财政补贴产生的这些问题,引起国家的极大重视,有关部门提出,如何利用价格、工资这两个经济杠杆,逐步减少以至取消财政补贴。然而,调整零售商品价格必将影响人民生活水*;如果伴以工资调整,又涉及财政负担能力、市场*衡、货币发行和储蓄等。这些问题涉及经济系统中生产、消费、流通、分配这四个领域。

财政补贴、价格、工资以及直接和间接有关的各个经济组成部分,是一个互相关联、互相制约的具有一定功能的系统。

调整价格和工资从而取消财政补贴,实质上就是改变和调节这个系统的关联、制约关系,以使系统具有我们希望的功能,这是系统工程的典型命题。

为了解决这个问题,首先由经济学家、管理专家、系统工程专家等依据他们掌握的科学理论、经验知识和对实际问题的了解,共同对上述系统经济机制(运行机制和管理机制)进行讨论和研究,明确问题的症结所在,对解决问题的途径和方法作出定性判断(经验性假设),并从系统思想和观点把上述问题纳入系统框架,界定系统边界,明确哪些是状态变量、环境变量、控制变量(政策变量)和输出变量(观测变量)。这一步对确定系统建模思想、模型要求和功能具有重要意义。

系统建模是指将一个实际系统的结构、功能、输入一输出关系用数字模型、逻辑模型等描述出来,用对模型的研究来反映对实际系统的研究。

建模过程既需要理论方法又需要经验知识,还要有真实的统计数据和有关资料。

有了系统模型,再借助计算机就可以模拟系统和功能,这就是系统仿真。

它相当于在实验室内对系统作实验,即系统的实验研究。

通过系统仿真可以研究系统在不同输入下的反应、系统的动态特性以及未来行为的预测等等,这就是系统分析。

在分析的基础上!进行系统优化,优化的目的是要找出为使系统具有我们所希望的功能的最优、次优或满意的政策和策略。

经过以上步骤获得的定量结果,由经济学家、管理专家、系统工程专家共同再分析、讨论和判断,这里包括了理性的、感性的,科学的和经验的知识的相互补充。其结果可能是可信的,也可能是不可信的。在后一种情况下,还要修正模型和调整参数,重复上述工作。

知识工程，系统科学和人工智能

如上所述,综合集成方法取得了很好的效果。在解决问题的过程中,专家群体和专家的经验知识起着重要的作用。在以前,如在前一节所举的实例中,这一综合的过程还没有使用机器,建立模型也是靠人动脑子思考。现在看,我们还可以进一步,在一个系统中加人知识这一极其重要的因素。这就牵涉到知识的表达和知识的处理,实际上就是知识工程的问题了。知识工程是人工智能的一个重要分支,解决问题的办法着眼于合理地组织与使用知识,从而构成知识型的系统。专家系统就是一种典型的知识型系统。专家的-部分作用可以通过专家系统来实现,所以专家系统也自然是系统中的子系统。再进一步分析,在前面关于系统分类的讨论中,开放的特殊复杂巨系统居于最高层次,人作为这种系统中的子系统。人不能脱离社会而存在,随着社会的发展,人类创造各种机器来代替体力劳动与部分脑力劳动,结果具有智能行为的机器必然也是子系统。由人、专家系统及智能机器作为子系统所构成的系统必然是人·机交互系统。各子系统互相协调配合,关键之处由人指导、决策,重复、繁重的工作由机器进行。人与机器以各种方便的通讯方式,例如自然语言、文字、图形等,进行人·机通讯,形成一个和谐的系统。

在工业生产中,产品设计与产品制造是两个重要方面,各包括若干个环节,这些环节以现代化技术通过人机交互在进行工作。

以往设计与制造是分开各自进行的。现在考虑把两者用人工智能技术有机地联系起来,及时把制造过程中有关产品质量的信息向设计过程反馈,使整个生产灵活有效,又能保证产品的高质量。这种把设计、制造,甚至管理销售统一筹划设计的思想恰恰是开放的复杂巨系统的综合集成思想的体现。

在我们阐明了开放的特殊复杂巨系统属于系统分类中的最高层次之后,实际上就把系统科学与人工智能两大领域明显地加以沟通。这样一来各种以知识为特征的智能型系统,如互相合作的人工智能系统、分布式人工智能系统以及实时智能控制系统等都属于一个统一的、明确的范畴。这就有利于去建立开放的复杂巨系统的理论基础,这是当代科学发展的必然结果。

定性定量相结合的综合集成方法 —— 定性到定量，科学理论和经验知识结合，跨学科，宏观微观研究统一

(1)根据开放的复杂巨系统的复杂机制和变量众多的特点,把定性研究和定量研究有机地结合起来,从多方面的定性认识上升到定量认识。

(2)由于系统的复杂性,要把科学理论和经验知识结合起来,把人对客观事物的星星点点知识综合集中起来,解决问题。

(3)根据系统思想,把多种学科结合起来进行研究。

(4)根据复杂巨系统的层次结构,把宏观研究和微观研究统一起来。

从热力学第二定律的熵增到耗散结构和协同学的自组织理论

大家知道,长期以来不同领域的科学家们早已注意到,在生命系统和非生命系统之间表现出似乎截然不同的规律。

非生命系统通常服从热力学第二定律,系统总是自发地趋于*衡态和无序,系统的熵达到极大。系统自发地从有序变到无序,而无序却决不会自发地转变到有序,这就是系统的不可逆性和*衡态的稳定性。

但是,生命系统却相反,生物进化、社会发展总是由简单到复杂、由低级到高级,越来越有序。这类系统能够自发地形成有序的稳定结构。

两类系统之间的这种矛盾现象,长时间内得不到理论解释,致使有些科学家认为,两类系统各有各自的规律,相互毫不相干。但也有些科学家提出:这种矛盾现象有没有什么内在联系呢?

直到本世纪 60~70年代,耗散结构理论和协同学的出现,为解决这个问题提供了一个科学的理论框架。

这些理论认为,热力学第二定律所揭示的是孤立系统(与环境没有物质和能量的交换)在*衡态和**衡态(线性非*衡态)条件下的规律。但生命系统通常都是开放系统,并且远离*衡态(非线性非*衡态)。在这种情况下,系统通过与环境进行物质和能量的交换过程成为减熵过程,即出现负熵流,尽管系统内部产生正熵.但总的嫡在减少,在达到一定条件时,系统就有可能从原来的无序状态自发地转变为在时间、空间和功能上的有序状态,产生一种新的稳定的有序结构,Prigogine 称其为耗散结构。这样,在不违背热力学第二定律的条件下,耗散结构理论沟通了两类系统的内在联系,说明两类系统之间并没有真正严格的界限,表观上的鸿沟,是由相同的系统规律所支配的。

所以,Prigogine 在其著作中指出,“复杂性不再仅仅属于生物学了,它正在进入物理学领域,似乎已经植根于自然法则之中”。

Haken 更进一步指出,一个系统从无序转化为有序的关键并不在于系统是*衡和非*衡,也不在于离*衡态有多远,而是由组成系统的各子系统,在一定条件下,通过它们之间的非线性作用,互相协同和合作自发产生稳定的有序结构,这就是自组织结构。

站起来！—— 耗散结构理论的局限性

现代科学 20年来的这一成就是十分重要的,它阐明了长期以来困惑着人们的一个谜。但耗散结构理论、协同学的成功,也使得不少人过分乐观,以为这种基于*代科学还原论的定量方法论也可以用到开放的复杂巨系统,这就必然碰壁!

精密科学与描述科学 似乎与对应查理说的硬科学和软科学

在科学发展的历史上,一切以定量研究为主要方法的科学,曾被称为“精密科学”,而以思辨方法和定性描述为主的科学则被称为“描述科学”。

自然科学属于“精密科学”,而社会科学则属于“描述科学”。

社会科学是以社会现象为研究对象的科学,社会现象的复杂性使它的定量描述很困难,这可能是它不能成为“精密科学”的主要原因。
尽管科学家们为使社会科学由“描述科学”向“精密科学”过渡作出了巨大努力,并已取得了成效,例如,在经济科学方面,但整个社会科学体系距“精密科学”还相差甚远。

普朗克：科学是内在的整体

德国著名的物理学家普朗克认为:“科学是内在的整体,它被分解为单独的整体不是取决于事物的本身,而是取决于人类认识能力的局限性。实际上存在着从物理学到化学,通过生物学和人类学到社会学的连续的链条,这是任何一处都不能被打断的链条。”

从社会主义到共产主义 —— 人民群众才是历史的创造者！

在结束这番讨论的时候,我们还要指出:这里提出的定性与定量相结合的综合集成现实可行的途径与方法。方法,不但是研究处理开放的复杂巨系统的当前唯一可行的方法,而且还可以用来整理千千万万零散的群众意见,人民代表的建议、议案,政协委员的意见、提案和专家的见解,以至个别领导的判断,真正做到“集腋成裘”。特别当我们引用它把零金碎玉变成大器--社会主义建设的方针、政策和发展战略,以至具体计划和计划执行过程的必要调节调整时(这在本文第四节讲的实例中已见一个小小的开端),就把多年来我们党提出的民主集中原则,科学地、完美地实现了。其意义远远超出科学技术的发展与进步,这是关系到社会主义建设以至实现共产主义理想的大事了。人民群众才是历史的创造者!

注释
[1]钱学森等:《论系统工程》(增订本),系统科学与系统工程丛书,湖南科学技术出版社,1988。
[2]钱学森:《哲学研究》,10(1989)3。
3]New Scienist,2l Jan(1988)68.
[4]钱学森,孙凯飞,于景元:《政治学研究》,5(1989)
[5 ] Forrester, J. W.: Theory and Application of System Dyncmics, New Times Press (1987).[6]王存臻,严春友:《宇宙全息统一论》,山东人民出版社,1988。7] Larry V, Hedges, Inqram Olk: Statistical Methods for Meta-Analysis, Academic Press (1985)Frederic M, Wolf, Meta-Analysis: Qualitative Methods for Research Synthesis, Sage (1986);Robert Rosenthal, Meta-Analytic:Procedures for Social Research, Sage(1984);Richard J, Light, David B, Pillemer, Summing up: The Science of Reviewing Research, HarvardUniversity Press (1984).
[8]王珏,崔祺:《中国计算机用户》,8(1989)22.
[9]戴汝为:《中国计算机用户》,8(1989)14。
[10]吴义生编:《社会主义现代化建设的科学和系统工程》,中共中央党校出版社,1987。
[11]尼科里斯,普利高津:《探索复杂性》,四川教育出版社,1986。
[12]《马克思恩格斯全集》第 42 卷,人民出版社,1979,第 128 页。