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1、其次章其次章 系统工程理论基础系统工程理论基础2.1 系统科学的学科体系系统科学的学科体系钱学森提出现代科学技术的体系结构钱学森提出现代科学技术的体系结构 首先是工程技术这一层次，其次是干首先是工程技术这一层次，其次是干脆为工程技术供应理论基础的技术科脆为工程技术供应理论基础的技术科学这一层次，然后是基础科学这一层学这一层次，然后是基础科学这一层次，最终通过进一步综合、提炼达到次，最终通过进一步综合、提炼达到最高概括的马克思主义哲学，如图最高概括的马克思主义哲学，如图21所示。钱学森又提出系统科学的体系所示。钱学森又提出系统科学的体系结构结构,如图如图22所示。所示。4/14/202314/1
2、4/20232 4/14/20233 图图2222系统科学的体系系统科学的体系系统学（系统理论）主要探讨系统的普遍属性和运系统学（系统理论）主要探讨系统的普遍属性和运动规律。即探讨系统演化、转化、协同和限制的动规律。即探讨系统演化、转化、协同和限制的一般规律；探讨系统间困难关系的形成规律，结一般规律；探讨系统间困难关系的形成规律，结构和功能的关系，有序、无序状态的形成规律等。构和功能的关系，有序、无序状态的形成规律等。系统工程把自然科学和社会科学的某些思想、理论、系统工程把自然科学和社会科学的某些思想、理论、方法、策略和手段等，依据总体协调的须要，有方法、策略和手段等，依据总体协调的须要，有机
3、地联系起来；应用定性和定量分析相结合的方机地联系起来；应用定性和定量分析相结合的方法和计算机等技术工具，对系统的构成要素、组法和计算机等技术工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈限制等功能进行分析和织结构、信息交换和反馈限制等功能进行分析和设计，以实现系统的综合最优化。设计，以实现系统的综合最优化。4/14/202342.2 2.2 系统工程的理论基础系统工程的理论基础 系统工程宽广的理论基础及工具框架如图系统工程宽广的理论基础及工具框架如图2 2一一3 3所示。所示。图图2 2一一3 3系统工程理论基础及工具系统工程理论基础及工具4/14/20235n限制论限制论n “限制论是以探
4、讨各种系统共同存在的限限制论是以探讨各种系统共同存在的限制规律为对象的一门科学。制规律为对象的一门科学。”n限制论的产生与发展限制论的产生与发展n维纳（维纳（Norbert Wiener）于）于1948年出版了年出版了限制论一书，他对限制论限制论一书，他对限制论（Cybernetics）的定义是：）的定义是：n“关于动物和机器中限制和通信的科学。关于动物和机器中限制和通信的科学。”维纳的限制论阐述了两个根本观念：维纳的限制论阐述了两个根本观念：n 4/14/20236一切有生命、无生命系统都是信息系统。无论是一切有生命、无生命系统都是信息系统。无论是机器还是生物，都存在着对信息进行接收、存取机
5、器还是生物，都存在着对信息进行接收、存取和加工的过程。和加工的过程。一切有生命、无生命系统都是限制系统。一个系一切有生命、无生命系统都是限制系统。一个系统确定有它的特定输出功能，必需有相应的一套统确定有它的特定输出功能，必需有相应的一套限制机制。限制机制。限制论的发展经验了三个时期限制论的发展经验了三个时期.从从2020世纪世纪4040年头末年头末到到5050年头是第一个时期，即经典限制理论时期。年头是第一个时期，即经典限制理论时期。限制论发展的其次个时期为限制论发展的其次个时期为2020世纪世纪6060年头，即现年头，即现代限制理论时期。代限制理论时期。2020世纪世纪7070年头以后是第三
6、个时年头以后是第三个时期，即大系统限制理论时期。期，即大系统限制理论时期。4/14/20237l限制论的基本概念和分类限制论的基本概念和分类l限制系统的构成限制系统的构成:由施控器、受控器和限制由施控器、受控器和限制作用的传递者三个部分所组成。图作用的传递者三个部分所组成。图2一一4 闭闭环限制系统框图环限制系统框图4/14/20238限制系统的分为开环限制系统和闭环限制系统限制系统的分为开环限制系统和闭环限制系统 1.1.开环限制系统：由系统的输入干脆限制着它开环限制系统：由系统的输入干脆限制着它的输出的，没有反馈回路，对环境的适应实力差，的输出的，没有反馈回路，对环境的适应实力差，只有当外
7、界干扰较小或干扰恒定时，这种限制系只有当外界干扰较小或干扰恒定时，这种限制系统才能正常发挥作用。统才能正常发挥作用。2.2.闭环限制系统：具有反馈回路的限制系统。闭环限制系统：具有反馈回路的限制系统。输出由输入和输出的回输共同限制，对环境有较输出由输入和输出的回输共同限制，对环境有较大的适应性。与开环系统相比，它不仅多了一条大的适应性。与开环系统相比，它不仅多了一条把输出回输到原来的限制器的反馈回路及反馈装把输出回输到原来的限制器的反馈回路及反馈装置，还多了一个比较器，如图置，还多了一个比较器，如图2-42-4所示。所示。4/14/20239限制论重点探讨带有反馈回路的闭环限制系统。限制论重点
8、探讨带有反馈回路的闭环限制系统。限制论首要的观点是反馈。正反馈与负反馈：假如输出反馈回来放大了输入变更导致的偏差，这就是正反馈；假如输出反馈回来弱化了输入变更导致的偏差，这就是负反馈。限制论首要的观点是反馈。正反馈与负反馈：假如输出反馈回来放大了输入变更导致的偏差，这就是正反馈；假如输出反馈回来弱化了输入变更导致的偏差，这就是负反馈。正反馈的作用是用来放大某种作用或效应；负反馈的作用是保持系统行为的稳定，使系统的行为方向趋向一个目标。正反馈的作用是用来放大某种作用或效应；负反馈的作用是保持系统行为的稳定，使系统的行为方向趋向一个目标。机器和生物一般都通过负反馈来达到限制目的。负反馈是系统稳定的
9、基本机制。机器和生物一般都通过负反馈来达到限制目的。负反馈是系统稳定的基本机制。4/14/202310限制论的另一个重要观点是信息。限制系限制论的另一个重要观点是信息。限制系统是通过信息的传输、变换和反馈来实现统是通过信息的传输、变换和反馈来实现限制的。限制的。限制论对系统工程方法论的启示限制论对系统工程方法论的启示 黑箱一灰箱一白箱法黑箱一灰箱一白箱法全部的科学问题都是作为全部的科学问题都是作为“闭盒闭盒”（黑箱）（黑箱）问题起先的，探讨途径是利用闭盒的输入问题起先的，探讨途径是利用闭盒的输入和输出。和输出。4/14/202311黑箱指人们一时无需或无法干脆观测其内部结黑箱指人们一时无需或无
10、法干脆观测其内部结构构,只能从外部的输入和输出去相识的系统。白只能从外部的输入和输出去相识的系统。白箱指系统内部的构成特别清晰的系统。灰箱指箱指系统内部的构成特别清晰的系统。灰箱指介于两者之间的系统称。介于两者之间的系统称。黑箱方法：就是接受不打开系统黑箱方法：就是接受不打开系统“活体活体”，通，通过系统的输入和输出关系的探讨，去相识和把过系统的输入和输出关系的探讨，去相识和把握系统的功能特性，探究其结构和机理的探讨握系统的功能特性，探究其结构和机理的探讨方法。任何时候，人们总得接受不打开黑箱的方法。任何时候，人们总得接受不打开黑箱的方法探讨事物，解决问题。方法探讨事物，解决问题。4/14/2
11、02312灰箱方法则指对系统有部分的相识，但不够完全。利灰箱方法则指对系统有部分的相识，但不够完全。利用灰箱方法可以比黑箱方法更简洁解决问题，这方面用灰箱方法可以比黑箱方法更简洁解决问题，这方面的学问可以参考灰色系统理论的有关书籍。的学问可以参考灰色系统理论的有关书籍。功能模拟法功能模拟法以功能和行为的相像性为基础，用模型仿照原型的功以功能和行为的相像性为基础，用模型仿照原型的功能和行为的一种方法。能和行为的一种方法。如早期的计算机就是从模拟人的计算功能起先的，是如早期的计算机就是从模拟人的计算功能起先的，是一个成功的例子。又如对苍蝇复眼功能的模拟，造出一个成功的例子。又如对苍蝇复眼功能的模拟
12、，造出蝇眼式照相机。它们的构造物质迥然不同，但达到了蝇眼式照相机。它们的构造物质迥然不同，但达到了功能上的模拟。这种方法事实上是把探讨对象作为一功能上的模拟。这种方法事实上是把探讨对象作为一种黑箱。种黑箱。4/14/202313 信息论信息论信息论的产生与发展信息论的产生与发展于于20世纪世纪40年头末产生，其主要创立者是美年头末产生，其主要创立者是美国的数学家申农和维纳。国的数学家申农和维纳。狭义信息论：即申农信息论。主要探讨消息狭义信息论：即申农信息论。主要探讨消息的信息量、信道（传输消息的通道）容量的信息量、信道（传输消息的通道）容量以及消息的编码问题。以及消息的编码问题。一般信息论：主
13、要探讨通信问题，但还包括一般信息论：主要探讨通信问题，但还包括噪声理论、信号滤波与预料、调制、信息噪声理论、信号滤波与预料、调制、信息处理等问题。处理等问题。广义信息论：包括前两项的探讨内容，还包广义信息论：包括前两项的探讨内容，还包括全部与信息有关的领域。括全部与信息有关的领域。4/14/202314l信息论的基本概念信息论的基本概念l信息的定义信息的定义l申农将信息定义为申农将信息定义为“两次不定性之差两次不定性之差”，即，即“不不定性削减的量定性削减的量”。l信息信息(量量)=通信前的不确定性通信前的不确定性通信后尚存的不确通信后尚存的不确定性定性 l （2-1）l从通信角度看，信息是数
14、据、信号等构成的消息从通信角度看，信息是数据、信号等构成的消息所载有的内容。消息是信息的所载有的内容。消息是信息的“外壳外壳”，信息是，信息是消息的消息的“内核内核”。l从好用角度看，信息是指能为人们所相识和利用从好用角度看，信息是指能为人们所相识和利用的，但事先又不知道的消息、状况等。的，但事先又不知道的消息、状况等。l维纳则认为：信息不是物质也不是能量，在信息维纳则认为：信息不是物质也不是能量，在信息与物质、能量之间划了一条界限；信息是系统的与物质、能量之间划了一条界限；信息是系统的组织性的量度。组织性的量度。4/14/202315信息概念的特点信息概念的特点信息源于运动，事物都具有信息表
15、征。信息源于运动，事物都具有信息表征。信息可以被感知、处理和利用。信息可以被感知、处理和利用。信息能消退人们对事物运动状态相识上的不确定信息能消退人们对事物运动状态相识上的不确定性。性。信息共享不同于实物的沟通。信息共享不同于实物的沟通。信息可以脱离产生者而被传递。信息可以脱离产生者而被传递。信息的运用价值具有相对性。信息的运用价值具有相对性。信息具有时效性。信息具有时效性。信息不遵守能量守恒定律。信息不遵守能量守恒定律。4/14/202316信息、物质、能量的比较信息、物质、能量的比较 表表2一一1物质、能量、信息三者的比较物质、能量、信息三者的比较4/14/202317通信问题的模型通信问
16、题的模型通信过程构成：信源（发信者）发出信息，通过信息通信过程构成：信源（发信者）发出信息，通过信息通道来传送信息，最终由信宿（收信者）获得信息。通道来传送信息，最终由信宿（收信者）获得信息。申农通信系统结构模型，如图申农通信系统结构模型，如图2-5所示。所示。图图2一一5申农通信系统结构模型申农通信系统结构模型4/14/202318信息量信息量度量信息大小的量。信源产生的通信信息，正是概率度量信息大小的量。信源产生的通信信息，正是概率论中所探讨的随机现象。信息的定量描述就可用概率论中所探讨的随机现象。信息的定量描述就可用概率的方法来实现。的方法来实现。反常的事务比正常的事务所含信息量大，稀有
17、事务比反常的事务比正常的事务所含信息量大，稀有事务比正常事务所含信息量大等。概率小的事务发生时所含正常事务所含信息量大等。概率小的事务发生时所含的信息量大，如的信息量大，如P（i)1/10所含的信息量很低，所含的信息量很低，p（i）1/10000所含的信息量很高。假如事先知道所含的信息量很高。假如事先知道某事情确定会发生，出现概率为某事情确定会发生，出现概率为1，有消息告知我们，有消息告知我们这件事的确发生了，并没有消退任何不确定性，所得这件事的确发生了，并没有消退任何不确定性，所得信息量为信息量为0。接受对数作为信息的度量接受对数作为信息的度量,若某事务出现概率为若某事务出现概率为p，则，则
18、这一事务所具有的信息量为这一事务所具有的信息量为:4/14/202319 （2-2）单位为比特单位为比特(bit)，信息量常用单位。，信息量常用单位。如上抛一硬币，只有两种可能性状态：正面朝上或反面朝上，如上抛一硬币，只有两种可能性状态：正面朝上或反面朝上，每种状态出现的概率为每种状态出现的概率为0.5，每种状态所具有的信息量为，每种状态所具有的信息量为:1 bit是含有两个独立等概率可能状态的事务，择其中之一时是含有两个独立等概率可能状态的事务，择其中之一时所具有的信息量。所具有的信息量。信息源可能发出的全部符号所包含的信息量之和，就是信源信息源可能发出的全部符号所包含的信息量之和，就是信源
19、所具有的总信息量。计算出信源发出的每一个符号所包含所具有的总信息量。计算出信源发出的每一个符号所包含的平均信息量，这个平均值就是信源平均信息量，即信息的平均信息量，这个平均值就是信源平均信息量，即信息熵。熵。计算信源信息量的一般方法计算信源信息量的一般方法申农信息熵公式。整个信源的申农信息熵公式。整个信源的各状态所具有的平均不定性数量的数学期望，即平均信息各状态所具有的平均不定性数量的数学期望，即平均信息量：量：（2-3）4/14/202320信息熵与物理学中熵在计算公式上仅差一个负号。熵是系信息熵与物理学中熵在计算公式上仅差一个负号。熵是系统紊乱程度的表征，而信息是表示系统不定性的削减。统紊
20、乱程度的表征，而信息是表示系统不定性的削减。一个系统所获信息量越大，系统就越有序，熵就越小。反一个系统所获信息量越大，系统就越有序，熵就越小。反之，所获信息量越小，系统就越无序，熵就越大。之，所获信息量越小，系统就越无序，熵就越大。“信息量是一个可以看作几率量的对数之负数，它实质上信息量是一个可以看作几率量的对数之负数，它实质上就是负熵。就是负熵。”“熵的获得恒久意味着信息的丢失，而不是别的。熵的获得恒久意味着信息的丢失，而不是别的。”信息论及方法论的启示信息论及方法论的启示信息方法，不对事物的整体结构进行剖析，而是从其信息信息方法，不对事物的整体结构进行剖析，而是从其信息流程加以综合考察，获
21、得关于整体的性能和学问。信息方流程加以综合考察，获得关于整体的性能和学问。信息方法把系统有目的的运动抽象为一个信息变换过程法把系统有目的的运动抽象为一个信息变换过程,看作是看作是借助于信息的获得、传送、加工、处理而实现其有目的性借助于信息的获得、传送、加工、处理而实现其有目的性的运动的一种探讨方法。的运动的一种探讨方法。4/14/202321信息方法的意义就在于它指示了机器、生物系统的信息过信息方法的意义就在于它指示了机器、生物系统的信息过程，揭示了不同系统的共同信息联系；有利于管理、决策程，揭示了不同系统的共同信息联系；有利于管理、决策科学化；指明白信息沟通的重要性。科学化；指明白信息沟通的
22、重要性。一般系统论一般系统论一般系统论的产生过程一般系统论的产生过程试验科学时代的还原论试验科学时代的还原论 自然科学初期（试验科学时代），主要任务是分析自然科学初期（试验科学时代），主要任务是分析事物内部细微环节，收集、整理资料，分门别类地进行探事物内部细微环节，收集、整理资料，分门别类地进行探讨，科学的主要趋势是分化，与之相适应的是分析解剖法讨，科学的主要趋势是分化，与之相适应的是分析解剖法,还原论占统治地位，曾取得了很大成功，从而对其他科学还原论占统治地位，曾取得了很大成功，从而对其他科学探讨产生了巨大影响。但局限性也日渐显现。探讨产生了巨大影响。但局限性也日渐显现。4/14/20232
23、2一般系统论的产生一般系统论的产生20世纪世纪20年头美籍奥地利生物学家冯年头美籍奥地利生物学家冯贝贝塔朗菲在对生物学的探讨中发觉：把生物塔朗菲在对生物学的探讨中发觉：把生物分解的越多，反而会失去全貌，对生命的分解的越多，反而会失去全貌，对生命的理解和相识反而越来越少。理解和相识反而越来越少。因此冯因此冯贝塔朗菲起先了理论生物学的探贝塔朗菲起先了理论生物学的探讨讨,创立了一般系统论创立了一般系统论.1945年关于一般系统论的发表，成为年关于一般系统论的发表，成为系统论形成的标记。系统论形成的标记。4/14/202323l一般系统论的基本观点一般系统论的基本观点l系统的整体性系统的整体性l 要素
24、和系统不行分割。凡系统的组成要素都要素和系统不行分割。凡系统的组成要素都不是杂乱无章的偶然积累，而是依据确定的秩序和结不是杂乱无章的偶然积累，而是依据确定的秩序和结构形成的有机整体。构形成的有机整体。l 系统整体的功能不等于各组成部分的功能之系统整体的功能不等于各组成部分的功能之和。在系统论中，和。在系统论中，1加加1不等于不等于2，这是贝塔朗菲著名，这是贝塔朗菲著名的的“非加和定律非加和定律”。l 系统整体具有不同于各组成部分的新性质或系统整体具有不同于各组成部分的新性质或功能。功能。l系统的开放性系统的开放性 l系统的动态相关性系统的动态相关性l系统的层次性系统的层次性4/14/20232
25、4系统的有序性系统的有序性系统方法论的启示系统方法论的启示系统方法论主见以系统的观点去看整个世界，不能片面、系统方法论主见以系统的观点去看整个世界，不能片面、孤立地看问题。孤立地看问题。系统方法论主见以整体论代替还原论。对事物的层层剖析，系统方法论主见以整体论代替还原论。对事物的层层剖析，弱化事物各部分间的联系，认为整体是部分的简洁加和，弱化事物各部分间的联系，认为整体是部分的简洁加和，这种思想不利于从总体把握事物，对事物的整体功效相识这种思想不利于从总体把握事物，对事物的整体功效相识不清。不清。系统方法论主见以目的论代替因果论。系统方法论主见以目的论代替因果论。系统方法系统方法从系统的观点动
26、身，在系统与要素、要素与要素、系统与从系统的观点动身，在系统与要素、要素与要素、系统与外部环境的相互关系中揭示对象系统的系统运动规律。外部环境的相互关系中揭示对象系统的系统运动规律。4/14/202325系统方法要求遵循整体性、动态性和最优化原则。系统方法要求遵循整体性、动态性和最优化原则。耗散结构理论耗散结构理论 耗散结构理论、协同学、突变论是对系统论的发展。耗散结构理论、协同学、突变论是对系统论的发展。起源起源牛忽然间和梅格森时间牛忽然间和梅格森时间在牛顿力学体系中时间无方向性（可逆的），具有对称性在牛顿力学体系中时间无方向性（可逆的），具有对称性但在进化论中时间却是不行逆的但在进化论中时
27、间却是不行逆的,梅格森强调指出：梅格森强调指出：“物物理学时间和进化论及生物学时间不同，前者是可逆的，其理学时间和进化论及生物学时间不同，前者是可逆的，其中没有新生事物出现；后者是不行逆的，不断出现新生事中没有新生事物出现；后者是不行逆的，不断出现新生事物。物。”退化与进化两种趋势退化与进化两种趋势4/14/202326退化，即从有序向无序的转变。如冷热物体相接触，冷变退化，即从有序向无序的转变。如冷热物体相接触，冷变热、热变冷趋于相同温度；一滴墨水滴入水中而淡化；非热、热变冷趋于相同温度；一滴墨水滴入水中而淡化；非生命系统从高级向低级的变迁。生命系统从高级向低级的变迁。进化则是向更高有序状态
28、的转变，如生物由简洁到困难，进化则是向更高有序状态的转变，如生物由简洁到困难，由低级到高级的转变。由低级到高级的转变。在在1919世纪热力学其次定律认为孤立体系总是朝着熵取最大世纪热力学其次定律认为孤立体系总是朝着熵取最大值的状态即最无序的状态演化。熵增原理让人们得出了值的状态即最无序的状态演化。熵增原理让人们得出了“宇宙热寂说宇宙热寂说”的悲观结论，认为世界在退化。的悲观结论，认为世界在退化。而达尔文的生物进化论认为，生物界的从简洁到困难，由而达尔文的生物进化论认为，生物界的从简洁到困难，由低级到高级，序是不断增进的，向人们描述的是世界在由低级到高级，序是不断增进的，向人们描述的是世界在由低
29、级向高级转变的进化场景。低级向高级转变的进化场景。生物进化论这两种截然相反的结论造成了科学界、哲学界生物进化论这两种截然相反的结论造成了科学界、哲学界的长期争论。的长期争论。4/14/202327l热力学其次定律和熵热力学其次定律和熵l热力学其次定律的克劳休斯热力学其次定律的克劳休斯(Clolisius)(Clolisius)表述为：不表述为：不行能把热从低温物体传到高温物体，而不产生其他影行能把热从低温物体传到高温物体，而不产生其他影响（热传导的不行逆性）。开尔文（响（热传导的不行逆性）。开尔文（Kelvin)Kelvin)表述为：表述为：不行能从单一热源中取热使之完全变为有用功而不产不行能
30、从单一热源中取热使之完全变为有用功而不产生其他影响（能量的耗散性）。生其他影响（能量的耗散性）。l为描述自发过程耗散能量和增加无序程度的特性，德为描述自发过程耗散能量和增加无序程度的特性，德国物理学家国物理学家R R克劳修斯引入了熵的概念。熵是一种克劳修斯引入了熵的概念。熵是一种状态函数，通常用状态函数，通常用S S表示。对孤立系统，熵永不削减，表示。对孤立系统，熵永不削减，恒有恒有:l dS0 dS0 （2-62-6）l 这是热力学其次定律在孤立系统中的一种数学表这是热力学其次定律在孤立系统中的一种数学表示形式。示形式。4/14/202328熵的统计热力学表示：熵的统计热力学表示：(2-7)
31、(2-7)式中式中k k为玻尔兹曼常数；为玻尔兹曼常数；p p是热力学几率。是热力学几率。热力学其次定律表明一切不行逆过程都倾向于使体系的最热力学其次定律表明一切不行逆过程都倾向于使体系的最小几率状态趋于一种几率最大状态（熵趋最大），即熵增小几率状态趋于一种几率最大状态（熵趋最大），即熵增dS0dS0。熵是混乱度（无序度）的度量。熵是混乱度（无序度）的度量。开放系统的热力学其次定律开放系统的热力学其次定律系统的熵变更系统的熵变更dSdS可由两部分组成：可由两部分组成：4/14/202329 dS=diS dS=diSdeS (2-8)deS (2-8)diS diS是系统内部混乱性自发产生的熵
32、，因自发过程是是系统内部混乱性自发产生的熵，因自发过程是 不行逆的，依据热力学原理产生熵增，因而不行逆的，依据热力学原理产生熵增，因而 diS0 diS0；deS deS是系统与外界交换物质、能量和信息而引起的熵是系统与外界交换物质、能量和信息而引起的熵 流（熵交换），但流（熵交换），但deSdeS可正可负，有四种可能情形：可正可负，有四种可能情形：(1)(1)若若deS=0deS=0，系统是封闭的，与外界没有交换，内部的熵产生使系，系统是封闭的，与外界没有交换，内部的熵产生使系统混乱程度不断增加，不行能出现系统自组织，只可能有组织的退化；统混乱程度不断增加，不行能出现系统自组织，只可能有组织
33、的退化；若若deS0deS0，则表示系统平衡态受到扰动，但保持近于平衡。，则表示系统平衡态受到扰动，但保持近于平衡。(2)(2)若若deS0deS0，与外界交换得到的是正熵，增加了系统的总熵，总熵，与外界交换得到的是正熵，增加了系统的总熵，总熵变变dS0dS0，加速了系统趋向平衡态的运动，系统以比封闭状态下，加速了系统趋向平衡态的运动，系统以比封闭状态下4/14/202330 以更快的速度增加混乱程度，不会发生自组织。以更快的速度增加混乱程度，不会发生自组织。(3)(3)若若deS 0deS 0，但，但deSdeS diS diS，通过对外开，通过对外开放从环境中取得负熵，但还不足以克服内部的
34、熵放从环境中取得负熵，但还不足以克服内部的熵增加，总熵变增加，总熵变dS=diS+deS0dS=diS+deS0，系统也不会发生自，系统也不会发生自组织；组织；(4)(4)若若deS 0deS diS diS，从环境中，从环境中得到的负熵大于内部的熵增加，总熵变得到的负熵大于内部的熵增加，总熵变dS0dS0，系，系统出现减熵过程，使整个系统的有序性的增加大统出现减熵过程，使整个系统的有序性的增加大于无序性的增加，新的结构和新的组织就能自发于无序性的增加，新的结构和新的组织就能自发地形成，即自组织过程。地形成，即自组织过程。只有正确而又充分地对外开放，才能保证系统出现只有正确而又充分地对外开放，
35、才能保证系统出现自组织。自组织。开放系统的热力学其次定律沟通了生命系统与非开放系统的热力学其次定律沟通了生命系统与非生命系统之间的联系、开放系统与孤立（封闭）生命系统之间的联系、开放系统与孤立（封闭）系统的联系。系统的联系。4/14/202331l耗散结构理论简介耗散结构理论简介l耗散结构概念是相对于平衡结构概念提出来的。耗散结构概念是相对于平衡结构概念提出来的。l1969年比利时物理学家普利高津（年比利时物理学家普利高津（I.Prigogine)提出了耗散结构学说：提出了耗散结构学说：l 一个远离平衡态（平衡态时熵最大）的开放一个远离平衡态（平衡态时熵最大）的开放系统（不管是力学、物理的、化
36、学的，还是生物系统（不管是力学、物理的、化学的，还是生物的和社会的），在外界条件发生变更达到确定阈的和社会的），在外界条件发生变更达到确定阈值值(临界值临界值)时，量变可以发生质变（由无序到有时，量变可以发生质变（由无序到有序的突变）。通过与外界交换物质、能量和信息序的突变）。通过与外界交换物质、能量和信息等，使系统从原来的无序状态转变为一种时间、等，使系统从原来的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态，这种远离平衡态的、稳空间或功能的有序状态，这种远离平衡态的、稳定的、有序结构被称为定的、有序结构被称为“耗散结构耗散结构”（Dissipative Structure）l如贝纳德流就是一
37、种耗散结构如贝纳德流就是一种耗散结构4/14/202332平衡结构虽稳定有序，但是一种平衡结构虽稳定有序，但是一种“死死”结构，它不须要靠结构，它不须要靠外界供应物质、能量来维持。耗散结构是一种外界供应物质、能量来维持。耗散结构是一种“活活”结构，结构，它要不断同外界交换物质、能量来维持其有序状态。它要不断同外界交换物质、能量来维持其有序状态。普利高津着重阐述的几个基本观点：普利高津着重阐述的几个基本观点：1)开放系统是产生耗散结构的必要前提、维持和存在的基开放系统是产生耗散结构的必要前提、维持和存在的基础。础。2)非平衡态是有序之源。非平衡态是有序之源。3)涨落导致有序。涨落导致有序。4)非
38、线性动力学机制。非线性动力学机制。非线性机制所产生的非加和作用是系统产生并保持耗散结非线性机制所产生的非加和作用是系统产生并保持耗散结构的根本缘由。构的根本缘由。4/14/202333耗散结构演化过程多级分支图耗散结构演化过程多级分支图 多级分支图多级分支图4/14/202334 图中，图中，x为系统的某一特征量，例如是化学反应系为系统的某一特征量，例如是化学反应系统中某一成分的浓度。入为某一物理量，例如限制化统中某一成分的浓度。入为某一物理量，例如限制化学反应的一个参数。当系统离开平衡状态不远时（近学反应的一个参数。当系统离开平衡状态不远时（近平衡区），即影响系统的参数入数量不大时，可以得平
39、衡区），即影响系统的参数入数量不大时，可以得出单一热力学分支出单一热力学分支a。当入超过某一阈值入。当入超过某一阈值入1时，在时，在B点之后会出现点之后会出现2个分支，得到个分支，得到3个解：个解：b1，b2和和b3。其中其中b1和和b3是稳定解，是稳定解，b2是不稳定解，稳定解用实是不稳定解，稳定解用实线表示，不稳定解用虚线表示。到达入线表示，不稳定解用虚线表示。到达入2以后，又可以后，又可以得出以得出C1，C2，C3等稳定解和不稳定解，以此类推。等稳定解和不稳定解，以此类推。在各分支点之后，则出现新的结构。在分支点旁边，在各分支点之后，则出现新的结构。在分支点旁边，系统有几种状态可供选择，
40、原委哪一种状态成为现实，系统有几种状态可供选择，原委哪一种状态成为现实，完全依靠于涨落和限制参量的变更方式。完全依靠于涨落和限制参量的变更方式。4/14/202335耗散结构理论具有普遍科学方法论的性质耗散结构理论具有普遍科学方法论的性质耗散结构理论是科学、技术、经济、管理等领域用以耗散结构理论是科学、技术、经济、管理等领域用以解决一系列综合问题的方法论工具。解决一系列综合问题的方法论工具。耗散结构理论表明以物质、能量和信息为基本要素的耗散结构理论表明以物质、能量和信息为基本要素的困难系统，可以用一种普遍适用的概念和规律来描述，困难系统，可以用一种普遍适用的概念和规律来描述，如有序、涨落、失稳
41、、分支等。耗散结构理论推动了如有序、涨落、失稳、分支等。耗散结构理论推动了系统自组织理论的发展，对系统科学的发展有重要理系统自组织理论的发展，对系统科学的发展有重要理论意义。论意义。协同学协同学协同学是探讨开放系统在保证外流条件，如何能够自协同学是探讨开放系统在保证外流条件，如何能够自发地产生确定的系统有序结构或动能行为的一门新兴发地产生确定的系统有序结构或动能行为的一门新兴学科，深刻地反映了自然界和人类社会不断发展与演学科，深刻地反映了自然界和人类社会不断发展与演化的机制。化的机制。4/14/202336原西德理论物理学家哈肯（原西德理论物理学家哈肯（Haken）长期从事激光理论探）长期从事
42、激光理论探讨，发觉激光呈现出丰富的合作现象，从而得出了协同作讨，发觉激光呈现出丰富的合作现象，从而得出了协同作用的重要概念，于用的重要概念，于20世纪世纪70年头后期创立了协同学。年头后期创立了协同学。哈肯认为，任何一个包括有大量子系统的困难系统，在与哈肯认为，任何一个包括有大量子系统的困难系统，在与外界环境有物质、能量、信息交换的开放条件下，通过各外界环境有物质、能量、信息交换的开放条件下，通过各子系统之间的非线性的相干作用，就能产生各子系统相互子系统之间的非线性的相干作用，就能产生各子系统相互合作的协同现象，使系统能够自动地在宏观上产生空间、合作的协同现象，使系统能够自动地在宏观上产生空间
43、、时间或功能的有序结构，出现新的稳定状态。系统演化的时间或功能的有序结构，出现新的稳定状态。系统演化的这种过程，称为自组织。这种过程，称为自组织。自组织是指系统在没有外部指令的条件下，其内部子系统自组织是指系统在没有外部指令的条件下，其内部子系统之间能够依据某种规则，自动形成确定的结构和功能，它之间能够依据某种规则，自动形成确定的结构和功能，它具有内在性和自主性。自组织的演化过程是开放系统中大具有内在性和自主性。自组织的演化过程是开放系统中大量子系统集体的、自发的、自动的协同合作效应。量子系统集体的、自发的、自动的协同合作效应。4/14/202337哈肯认为系统由无序到有序的关键不在平衡、非平
44、衡或者离哈肯认为系统由无序到有序的关键不在平衡、非平衡或者离平衡态有多远。关键在于组成系统的各子系统在确定条件下，平衡态有多远。关键在于组成系统的各子系统在确定条件下，它们之间的非线性作用、相互协同和合作，自发产生有序结它们之间的非线性作用、相互协同和合作，自发产生有序结构，因此强调了协同现象的普遍性和重要性。构，因此强调了协同现象的普遍性和重要性。协同学的基本原理协同学的基本原理(1)(1)协同效用原理即协同效用原理即“协同导致有序协同导致有序”。(2)(2)支配原理。两类变量：快变量与慢变量（即序参量），支配原理。两类变量：快变量与慢变量（即序参量），起支配限制作用的变量是慢变量。起支配限
45、制作用的变量是慢变量。(3)(3)自组织原理。自组织原理。协同学与耗散结构小结协同学与耗散结构小结(1)(1)耗散结构要求系统开放，远离平衡态，有物质、能量交耗散结构要求系统开放，远离平衡态，有物质、能量交换，以及内部的非线性机制。而协同学把探讨从远离平衡态换，以及内部的非线性机制。而协同学把探讨从远离平衡态的开放系统扩展到近平衡态和平衡态系统。的开放系统扩展到近平衡态和平衡态系统。4/14/202338(2)同外部的交换可产生负熵流，产生促进内部协同的促同外部的交换可产生负熵流，产生促进内部协同的促协力。协力。(3)子系统之间的协作力（可正、可负、可为零）确定系子系统之间的协作力（可正、可负
46、、可为零）确定系统的将来走向。协作力大于零，系统走向高级稳态；协作统的将来走向。协作力大于零，系统走向高级稳态；协作力小于零，系统走向混乱。力小于零，系统走向混乱。(4)耗散结构惯性原理：一旦形成耗散结构就有确定抗干耗散结构惯性原理：一旦形成耗散结构就有确定抗干扰实力。扰实力。(5)吞并溶合原理：外来小系统与大的耗散结构相遇并相吞并溶合原理：外来小系统与大的耗散结构相遇并相互作用时，小系统不能足以破坏大系统时，则被后者吞并互作用时，小系统不能足以破坏大系统时，则被后者吞并且溶合，并不影响后者的基础结构。且溶合，并不影响后者的基础结构。(6)突发干扰：使系统崩溃时，系统可产生向上或向下的突发干扰
47、：使系统崩溃时，系统可产生向上或向下的运动，一般状况下形成高一级的耗散结构。运动，一般状况下形成高一级的耗散结构。4/14/202339n突变论突变论n法国数学家勒内法国数学家勒内托姆（托姆（Rene.Thom）于）于1972年年创立。以往的数学只能解决连续变更（离散连续）创立。以往的数学只能解决连续变更（离散连续）问题，对那些突然出现的非连续性变更显得无能问题，对那些突然出现的非连续性变更显得无能为力。为力。n突变论从量的角度探讨各种事物的不连续变更问突变论从量的角度探讨各种事物的不连续变更问题，进行从量变到质变的探讨。它用数学模型来题，进行从量变到质变的探讨。它用数学模型来模拟突变过程，考
48、察这一过程从一种稳态到另一模拟突变过程，考察这一过程从一种稳态到另一种稳态的跃迁。运用的数学工具主要为拓扑学、种稳态的跃迁。运用的数学工具主要为拓扑学、奇点理论和结构稳定性理论。奇点理论和结构稳定性理论。n托姆突变论的主要观点托姆突变论的主要观点n(1)稳定机制是事物的普遍特性之一。稳定机制是事物的普遍特性之一。n(2)质变可以通过渐变和突变两种方式来实现。质变可以通过渐变和突变两种方式来实现。n(3)在一种稳定态中的变更属于量变，在两种结构在一种稳定态中的变更属于量变，在两种结构稳定态中的变更或在结构稳定态与不稳定态之间稳定态中的变更或在结构稳定态与不稳定态之间的变更则是质变。的变更则是质变
49、。4/14/202340突变论中以限制变量（突变论中以限制变量（U）来表示那些作为突变缘由的连）来表示那些作为突变缘由的连续变更因素，以状态变量（续变更因素，以状态变量（x）来表示可能出现突变的量。）来表示可能出现突变的量。突变论运用数学工具描述系统处于稳定态、不稳定态的参突变论运用数学工具描述系统处于稳定态、不稳定态的参数区域以及系统突变时的参数特定位置，从而建立起突变数区域以及系统突变时的参数特定位置，从而建立起突变过程的数学模型。过程的数学模型。托姆证明，当限制变量托姆证明，当限制变量U4、状态变量、状态变量x2时，按某种意时，按某种意义进行分类，突变过程一共只有义进行分类，突变过程一共
50、只有7种类型：折叠型（种类型：折叠型（U1，x1，即一个限制变量，一个状态变量）、尖顶型（，即一个限制变量，一个状态变量）、尖顶型（U2，x1)、燕尾型（、燕尾型（U3，x1)、蝴蝶型（、蝴蝶型（U4,x1)、双曲型（、双曲型（U3,x2)、椭圆型（、椭圆型（U3，x2)、抛物、抛物线型（线型（U=4，x=2）。）。折叠型突变是一种只有一个限制因子和一个状态因子的突折叠型突变是一种只有一个限制因子和一个状态因子的突变，它代表事物主要由于一种因素变更所导致的质变。变，它代表事物主要由于一种因素变更所导致的质变。4/14/202341尖顶型突变模型是最常用，也是比较简洁的一种突变模型。尖顶型突变模