整體研究的系統(tǒng)科學(xué)方法

1、整體研究的系統(tǒng)科學(xué)方法張增國 副教授,,科學(xué)認(rèn)識的綜合方法、科學(xué)研究的橫斷方法：系統(tǒng)科學(xué)方法 簡單系統(tǒng) 現(xiàn)代科學(xué)研究面對的對象 簡單巨系統(tǒng)

2、 復(fù)雜巨系統(tǒng) 系統(tǒng)科學(xué)方法就是研究和處理復(fù)雜巨系統(tǒng)的科學(xué)方法。,,第一節(jié) 系統(tǒng)科學(xué)方法的基本問題,一.系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法 系統(tǒng)（system）最早出現(xiàn)在古希臘語中。原意為“由部分組成的整體”。 系統(tǒng)：是指由相互聯(lián)系，相互作用的若干要素構(gòu)成的有特定功能的、統(tǒng)一的整體。,,系統(tǒng)科學(xué)：是把對象作為組織性、復(fù)雜性系統(tǒng)從整體上探索其存在方式和運動變化規(guī)律的學(xué)問，是對系統(tǒng)本質(zhì)

3、的正確反映和真理性認(rèn)識，是一個知識體系?！　?系統(tǒng)科學(xué)(系統(tǒng)學(xué))知識體系圖。,馬克思主義主義哲學(xué),,系統(tǒng)學(xué),,,,運籌學(xué),控制論,信息論,各門系統(tǒng)工程,通信技術(shù),自動化技術(shù),,,,,,,哲學(xué),技術(shù)科學(xué),工程技術(shù),基礎(chǔ)科學(xué),系統(tǒng)論,(系統(tǒng)觀),系統(tǒng)科學(xué)方法或系統(tǒng)方法：按照系統(tǒng)科學(xué)的觀點和理論， 把研究對象視為系統(tǒng)來解決認(rèn)識和實踐中的各種問題的方法的總稱。 這其中包含了兩個問題：

4、 第一：什么樣的對象可以稱為系統(tǒng)？ 第二，如何對待這個或這些系統(tǒng)？,,第一：什么樣的對象可以稱為系統(tǒng)？,,,,社會 社會系統(tǒng),人 人體系統(tǒng) 體,人腦系統(tǒng),地理系統(tǒng),星系系統(tǒng),,第二，如何對待這個或這些系統(tǒng)？即用什么方法處理復(fù)雜系統(tǒng)的問題。,研究對象,整體,運動過程,要素與要素,要素與系統(tǒng),系統(tǒng)與環(huán)境,系統(tǒng)與系統(tǒng),內(nèi)環(huán)境與外環(huán)境,結(jié)構(gòu)與功能,二．系統(tǒng)科學(xué)方法

5、的特點 (1)綜合性。不是單憑某一種方法和某一門科學(xué)知識來認(rèn)識和處理問題，而是綜合運用各種各樣的方法和知識來認(rèn)識和處理問題，包含自然科學(xué)、社會科學(xué)和工程技術(shù)等。 (2)整體性。核心，整體大于部分之和。 (3)最優(yōu)化。選擇最佳實施方案。 (4)動態(tài)性。任何現(xiàn)實的系統(tǒng)都處于動態(tài)的“活系統(tǒng)”，系統(tǒng)總是動態(tài)的，永遠(yuǎn)處于運動變化之中。 (5)模型化。真實系統(tǒng)模型化，放大或縮小了的實物模型、數(shù)學(xué)模型、符號系統(tǒng)模型等。,三、系統(tǒng)方法主要包括

6、： 信息方法、控制方法、反饋方法、系統(tǒng)分析方法、系統(tǒng)模型方法、 系統(tǒng)決策方法、功能模擬方法、黑箱方法、 圖式識別方法等。,,四、系統(tǒng)科學(xué)方法的使用原則和作用1、系統(tǒng)方法的使用原則,使用原則,1、整體性原則2、動態(tài)原則3、最優(yōu)化原則4、模型化原則,2、系統(tǒng)方法的作用,作用,1、認(rèn)識、調(diào)控、改造、創(chuàng)造復(fù)雜系統(tǒng)的手段；2、優(yōu)化管理的手段；3、為人們提供新的思想模式。,,第二節(jié)　常用的幾種系統(tǒng)科學(xué)方法　　　

7、一、信息方法,,信息,編碼器,信道,解碼器,信宿,,,,,信息,信號,信號,信息,信　息　傳　輸　過　程　圖,噪聲,,這個圖說明，信源發(fā)出信息，經(jīng)編碼器轉(zhuǎn)化成信號在信道中傳輸，傳輸中會受到噪聲的干擾，所以在信息系統(tǒng)中應(yīng)有抗干擾的設(shè)備，信號進入解碼器之后，重新轉(zhuǎn)化成為信息，被信宿接收。 信息傳輸?shù)倪@個普遍過程，是信息方法的基礎(chǔ)。,信息是指存在于自然界、人類社會和機器等組織系統(tǒng)中的一種普遍聯(lián)系方式，是自然界一切物質(zhì)系統(tǒng)相互聯(lián)系

8、和相互作用的特定形式。信息的本質(zhì)： 信息是一切物質(zhì)的普遍屬性。但信息不等于物質(zhì)，它不是物質(zhì)的。信息與物質(zhì)既有聯(lián)系又有區(qū)別的不同范疇。,1．信息論方法 1948年申農(nóng)創(chuàng)立信息論。(1)什么是信息 A哲學(xué)上：信息是事物間相互作用的一種屬性。 B通訊角度：信息是對消息中不確定性的消除。 C概率論：信息是概率的增加。 D一般意義：在相互作用中，A物體作用于B物體， 引起

9、B物體的某種變化，B的變化標(biāo)志 A的某種特性的變化。（B的變化攜帶 了關(guān)于A的信息）。,(2)申農(nóng)的信息論及信息的特性 是不守恒的,可以共享、傳遞、貯存、轉(zhuǎn)換，同時還有相對于物質(zhì)、能量的獨立性。(3)信息論方法 運用信息理論, 把研究對象抽象為信息及其變換過程, 通過信息的獲取、傳輸、加工、利用、反饋等過程，來揭示對象的本質(zhì)和規(guī)律，進而認(rèn)識對象和調(diào)控改造對象

10、。,,2、信　息　方　法　流　程　圖,檢測,加工處理,利用,輸出,輸入,結(jié)果,,,,,,信息反饋,,,,由以上圖示可見，信息方法的基本步驟：　　第一，對輸入信息進行檢測，達到符合目的的凈化；　　第二， 進行加工處理；　　第三，利用；　　第四，輸出。 輸出分為兩支，一支是結(jié)果， 另一支進行信息反饋，從而循環(huán)往復(fù)，提高水準(zhǔn)。,實踐活動是人類的最基本的活動。在管理實踐中， 存在著三種流動過程，即由勞動者組成的人

11、流、 由生產(chǎn)資料和勞動資料組成的物流以及信息流。在實踐中，它們的流動過程如下所示： 人流 人流

12、 物流 物流 信息流 信息流,輸入,實踐過程,輸出,信息反饋,,,,,2、信息方法的作用,A、信息概念的普遍性和靈活性，使信息方法可用于解釋各類事物特別是某些特

13、殊現(xiàn)象的規(guī)律性。（生物學(xué)中的兔子事例）B、信息概念的普遍性和相似性，使信息方法可用于解釋事物的共同屬性。（人腦和計算機）C、信息的形式化，使信息方法可用于突破研究對象的局限性。（系統(tǒng)的外部環(huán)境）,D、信息方法的主觀特性，使信息方法可用于調(diào)整人的行為，發(fā)揮人的能動性。（通訊編碼）E、信息概念的綜合性，使信息方法可用于對復(fù)雜系統(tǒng)的研究和提高系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)今社會，信息化時代。信息方法可以改變科研方式，提高科研效益。,3、信息方法的

14、應(yīng)用,使用信息方法的重要意義,1、分析人的認(rèn)識活動； （反饋信息糾正）2、管理和決策的重要手段；（人流、物流、信息流）3、促使科學(xué)整體化的重要手段。4、電子計算機是信息加工的 現(xiàn)代化工具。,,4、分子生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中的信息方法,A、系統(tǒng)的遺傳信息理論，1953年英美生物學(xué)家沃生和克里克首先提出。B、遺傳密碼（信息編碼理論），美國宇宙物理學(xué)家伽莫夫。C、遺傳工程學(xué)（生物工程學(xué)、基因工程學(xué)）D、中醫(yī)的信

15、息療法。,二．控制論方法 20世紀(jì)40年代維納創(chuàng)立控制論。 運用控制論原理，按照研究對象的信息流程，通過信息處理、變換和反饋等手段，從功能行為上控制、揭示其變化發(fā)展的內(nèi)部機制和外部效應(yīng)的方法。 控制論方法一般有反饋控制方法、黑箱方法、功能模擬方法等。,什么是控制？什么是控制系統(tǒng)？施控系統(tǒng)、受控系統(tǒng)控制系統(tǒng)類型： 開環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng) 組合控制系統(tǒng),1、控制論方法的

16、作用 ①為研究各種自控機器、制導(dǎo)系統(tǒng)以及電 腦提供廣闊的思路、方法。 ②為研究生物控制系統(tǒng)提供重要方法。 ③對復(fù)雜的社會、經(jīng)濟系統(tǒng)的研究提供了新的工具。,,2、反饋控制方法 擾動

17、 控制 控制 信號 作用 反饋信號,反　饋　控　制　圖,輸入,控

18、制器,,,執(zhí)行機構(gòu),,控制對象,,輸出,,反饋裝置,,,,,,,反饋控制方法的意義,,1、運用的普遍性，可以對人體、工程技術(shù)、人類社會等多種領(lǐng)域進性研究；2、與多種方法相結(jié)合，是打開技術(shù)之門的重要手段；3、提出雙向因果鏈的循環(huán)思路。,,介紹幾種與控制論有關(guān)的經(jīng)濟模式 計劃 商品,決策機關(guān),,生產(chǎn)企業(yè),,消費市場,a、開環(huán)控制模型

19、,,價格利潤競爭,b、閉環(huán)控制模型,資本所有者,,企業(yè),,市場,,市 場 調(diào) 節(jié) 市場預(yù)測,c、組合控制模型,生產(chǎn)ABC,,,,商品ABC,決策機關(guān),,稅收信貸投資 價

20、格利潤 市 場 調(diào) 節(jié) 市場預(yù)測,d、組合衰減經(jīng)濟控制模型,生產(chǎn)ABC,,,,商品abc,決策機關(guān),衰減器,,3、黑箱和黑箱方法　　 黑箱又稱黑

21、系統(tǒng)，指內(nèi)部要素和結(jié)構(gòu)尚不清楚的系統(tǒng)。未被認(rèn)識的事物。　　黑箱方法是通過探索系統(tǒng)的功能而推測其結(jié)構(gòu)的方法。它通過考察黑系統(tǒng)的輸入和輸出的動態(tài)過程， 即研究其功能或行為方式，以推測和探索系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律。（西瓜）,,黑箱方法的使用步驟　　第一，通過研究輸入和輸出研究黑箱?！　〉诙到y(tǒng)分析功能，確定幾個可供選擇的黑箱模型?！　〉谌?，對黑箱模型進行檢驗和選擇?！　〉谒?，闡明黑箱的結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律并加以應(yīng)用。,,輸入

22、 否 是 輸出,黑　箱　方　法　示　意　圖,黑箱,,,考察黑箱,可供選擇的黑箱模型,確立黑箱模型,應(yīng)用,,,,,,4、功能模擬法,A、在功能上描述與模仿系統(tǒng)對環(huán)境影響的反應(yīng)方式時，往往把系統(tǒng)看作黑箱，不去分析系統(tǒng)的內(nèi)部機制與個別要素，也不求模型與原型結(jié)構(gòu)的相同。B、以原型與模型之間的功能相似為基礎(chǔ)。C、傳統(tǒng)模擬的模型只是

23、認(rèn)識原型的手段，而功能模擬的模型是具有生物目的的行為機器——智能機器。它本身就是研究的目的。,三、大系統(tǒng)控制方法,1、大系統(tǒng)：規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、因素眾多、目標(biāo)多樣、功能綜合。（導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛船、航天飛機等，環(huán)保系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、人口控制系統(tǒng)等）2、大系統(tǒng)的突出特點：3、主要方法：分解—協(xié)調(diào)方法 多級遞階控制方法 分散化控制方法,四．系

24、統(tǒng)論方法 20世紀(jì)40年代貝塔朗菲創(chuàng)立系統(tǒng)論。 運用系統(tǒng)論原理,按照研究對象變化發(fā)展的系統(tǒng)過程,考察整體與部分、部分與部分、系統(tǒng)與整體、結(jié)構(gòu)與功能等關(guān)系，以揭示其本質(zhì)、和規(guī)律的方法。 系統(tǒng)論方法的一般應(yīng)用有系統(tǒng)分析法、系統(tǒng)模型法、系統(tǒng)決策法。,1、系統(tǒng)分析方法 為確定系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、功能、效用，而對系統(tǒng)各種要素、過程和關(guān)系進行考察的方法。 以整體為目標(biāo)，以選擇解決問題的最佳方案為重點，

25、是系統(tǒng)分析方法的特點。 完整的系統(tǒng)分析包括系統(tǒng)的目標(biāo)分析、結(jié)構(gòu)分析、功能分析、環(huán)境分析和動態(tài)分析等。,2、 系統(tǒng)模型方法 通過研究與真實系統(tǒng)在功能上或結(jié)構(gòu)上相似的模型,來揭示和掌握真實系統(tǒng)的特征和規(guī)律。 系統(tǒng)模型的建立一般遵循相似性原則、簡單性原則和逐步逼近原則，使建立起來的系統(tǒng)模型，既反映著真實系統(tǒng)的主要特征，又高于真實系統(tǒng)而具有同類問題的共性。 系統(tǒng)模型方法是系統(tǒng)分析方法實現(xiàn)優(yōu)化的

26、必經(jīng)途徑，是系統(tǒng)論方法的具體形式。,為什么使用模型？,1、因為先死系統(tǒng)作試驗很難，或者不可能做實驗。某些軍事和社會系統(tǒng)。2、模型比現(xiàn)實容易理解。3、模型比現(xiàn)實容易操作。4、模型可以通過對其敏感度分析而顯示出哪些因素對系統(tǒng)影響更大。,3、 系統(tǒng)決策方法 運用系統(tǒng)論方法,把決策過程當(dāng)作一個決策系統(tǒng)來對待,以確定最佳目標(biāo)的可行性決策方案。 系統(tǒng)決策是一個動態(tài)過程；要滿足一定的條件。 系統(tǒng)決策法包括確定

27、性決策分析法、風(fēng)險性決策分析法、未確定性決策分析法等。,非確定性決策：保守法，小中取大法。樂觀法，大中取小法。后悔值法。折中決策法。 最優(yōu)方案的最大收益值與所采用的方案的收益值之間的差額，就是后悔值。,4、 系統(tǒng)論方法的作用 ①能夠解決比較復(fù)雜或不確定性因素比較多的系統(tǒng)的最優(yōu)化問題。 ②能達到定量化分析（定性與定量結(jié)合）。 ③能為決策機構(gòu)提供最合理方案。 ④作為一種思考方法對其他各個學(xué)科的發(fā)展都

28、有促進作用。,五．自組織理論方法,１．什么是組織、自組織和自組織理論 耗散結(jié)構(gòu)理論是由比利時布魯塞爾學(xué)派領(lǐng)導(dǎo)人普里高津于1969年提出的。 協(xié)同學(xué)是由德國著名理論物理學(xué)家 H.哈肯于1969創(chuàng)立的。 超循環(huán)理論是由德國生物物理學(xué)家 M.艾根于1971年創(chuàng)立的。,自組織理論試圖解決一個普遍性的問題：有序與無序相互轉(zhuǎn)化的機制與條件問題。 關(guān)于從無序走向有序的問題

29、 問題還有另一方面，即系統(tǒng)從有序走向無序的形成途徑和機制即混沌理論。,２．混沌理論 (1)混沌理論簡史 “混沌”一詞譯自英文“chaos”，其原意是指先于一切事物而存在的廣袤虛無的空間。后來羅馬人把混沌解釋為原始的混亂和不成形的物質(zhì)，而宇宙的創(chuàng)造者就用這種物質(zhì)創(chuàng)造出了秩序井然的宇宙。 在中國古代也稱渾沌，通常理解為混亂、無序、未分化，如所謂“混沌者，言萬物相混成而未相離”（《易經(jīng)》），“窈窈冥冥”、“昏昏

30、默默”（《莊子》）。用“混沌”狀態(tài)來描述萬物伊始的宇宙，所謂“有物混成，先天地生?！?（《老子》）。,洛倫茲的“蝴蝶效應(yīng)”,蝴蝶效應(yīng)（Butterfly Effect）是指在一個動力系統(tǒng)中，初始條件下微小的變化能帶動整個系統(tǒng)的長期的巨大的連鎖反應(yīng)。這是一種混沌現(xiàn)象。,美國氣象學(xué)家愛德華·羅倫茲（Edward Lorenz）1963年在一篇提交紐約科學(xué)院的論文中分析了這個效應(yīng)?！耙粋€氣象學(xué)家提及，如果這個理論被證明正確，一個海鷗

31、扇動翅膀足以永遠(yuǎn)改變天氣變化?！痹谝院蟮难葜v和論文中他用了更加有詩意的蝴蝶。對于這個效應(yīng)最常見的闡述是：“一個蝴蝶在巴西輕拍翅膀，可以導(dǎo)致一個月后德克薩斯州的一場龍卷風(fēng)。”,蝴蝶效應(yīng)通常用于天氣，股票市場等在一定時段難于預(yù)測的比較復(fù)雜的系統(tǒng)中。   此效應(yīng)說明，事物發(fā)展的結(jié)果，對初始條件具有極為敏感的依賴性，初始條件的極小偏差，將會引起結(jié)果的極大差異。 蝴蝶效應(yīng)是混沌學(xué)理論中的一個概念。它是指對初始條件敏感性

32、的一種依賴現(xiàn)象:輸入端微小的差別會迅速放大到輸出端...蝴蝶效應(yīng)在經(jīng)濟生活中比比皆是 。,用在西方流傳的一首民謠對此作形象的說明。這首民謠說：丟失一個釘子，壞了一只蹄鐵；壞了一只蹄鐵，折了一匹戰(zhàn)馬；折了一匹戰(zhàn)馬，傷了一位騎士；傷了一位騎士，輸了一場戰(zhàn)斗；輸了一場戰(zhàn)斗，亡了一個帝國。,1998年亞洲發(fā)生地金融危機和美國曾經(jīng)發(fā)生地股市風(fēng)暴實際上就是經(jīng)濟運作中地“蝴蝶效應(yīng)”；1998年太平洋上出現(xiàn)地“厄爾尼諾”現(xiàn)象就是大氣運動引起地

33、“蝴蝶效應(yīng)”。“ 著名心理學(xué)家、哲學(xué)家威廉·詹姆士所說：“播下一個行動，你將收獲一種習(xí)慣；播下一種習(xí)慣，你將收獲一種性格；播下一種性格，你將收獲一種命運?！?最早給出混沌的第一個嚴(yán)格數(shù)學(xué)定義的人是李天巖。他和約克教授受到洛侖茲論文的啟發(fā)在1975年12月這一期《美國數(shù)學(xué)月刊》上發(fā)表了一篇論文，題為“周期３意味著混沌”，在這篇文章中，他們明確提出混沌（chaos）概念。,目前最流行的混沌定義是由德伐尼(R.De

34、vaney)在20世紀(jì)80年代給出的，即度量空間上的一個自映射是混沌的，如果它有三條性質(zhì)：該映射是拓?fù)鋫鬟f；周期軌分布稠密；以及具有對初始條件的敏感依賴性。,有人說：“20世紀(jì)的科學(xué)家只有三件事將被記?。合鄬φ摗⒘孔恿W(xué)和混沌。如同一位物理學(xué)家所說：‘相對論排除了對絕對空間和時間的牛頓迷夢；混沌則排除了拉普拉斯決定論的可預(yù)見性的狂想。’在這三大革命中，混沌革命適用于我們看得見、摸得到的世界，適用于和人自己同一尺度的對象。”,(2)混沌的

35、分類 第一類混沌：熱平衡式混沌 第二類混沌：非平衡態(tài)混沌 混沌理論中研究比較深入的問題： ①湍流 ②洛倫茲的研究結(jié)論 ③激光現(xiàn)象,(3)非平衡態(tài)混沌的特點 ①對初始值特別敏感。 ②確定性系統(tǒng)中的內(nèi)在隨機性。 ③不是簡單的無序，也不是通常意義下的 有序運動，而是一種“混沌序”，而且此 混沌具有普遍性。（費根鮑姆常數(shù)） ④非平衡過程產(chǎn)生的混沌是一種奇異吸引子。 ⑤混沌區(qū)出

36、現(xiàn)分?jǐn)?shù)維數(shù)。 ⑥混沌區(qū)出現(xiàn)無窮嵌套的自相似結(jié)構(gòu)。,(4)通向混沌的三條道路 ①倍周期分岔進入混沌。 ②茹勒-泰肯道路通向混沌。 ③陣發(fā)混沌。(5)混沌控制方法 控制混沌運動的目的是把系統(tǒng)從混沌運動轉(zhuǎn)化為性能最佳的周期運動。現(xiàn)在研究主要集中在控制時間混沌上。 OGY法、OPF（偶然比例反饋）法、外力反饋控制法、延遲自反饋控制法、自適應(yīng)控制混沌法、傳遞和轉(zhuǎn)移控制、混沌同步法等。,(6)混沌理論

37、的方法論意義,①為解決科學(xué)史上長期存在的矛盾——決定論與非決定論、必然性與偶然性的矛盾提供了比較好的全新的思維模式。 ②能夠為我們提供新的世界圖景。 ③能根據(jù)實際情況，在需要避免事物走向混沌時切斷走向混沌的道路。,３．自組織理論的方法論啟示,(1)改變了傳統(tǒng)的科學(xué)觀念，為思維模式的改變提供了工具。(選擇新目標(biāo)、追求新范式) (2)協(xié)同學(xué)中序參量概念及方法的應(yīng)用意義深遠(yuǎn)。對過程中主要因素和主要環(huán)節(jié)的把握，對協(xié)同性與競爭性相互

38、轉(zhuǎn)化的新認(rèn)識。 (3)為“決定論與非決定論統(tǒng)一”的理解提供了 認(rèn)識基礎(chǔ)和途徑。 (4)為質(zhì)變研究提供了方法。,六、耗散結(jié)構(gòu)理論,1、該理論的基本思想：一個遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)通過不斷的與外界交換物質(zhì)和能量，在外界條件的變化達到一定閾值時，就有可能從原有的混沌無序狀態(tài)過渡到一種在時間上、空間上或功能上有序的規(guī)范狀態(tài)，這樣的新結(jié)構(gòu)，就是耗散結(jié)構(gòu)、耗散系統(tǒng)。研究該結(jié)構(gòu)的形成、性質(zhì)和規(guī)律的科學(xué)就是耗散理論。,2、耗散系統(tǒng)的特征,A

39、、時間的單向性B、空間的絕對不均勻性C、系統(tǒng)通過增加負(fù)熵而保持穩(wěn)定、走向有序、增加自由能。D、系統(tǒng)通過與外界交換物質(zhì)、能量而維持生存并走向有序，這是耗散系統(tǒng)的最根本特征。E、漲落。,耗散系統(tǒng)的典型代表是生物有機體耗散理論重點解決的是系統(tǒng)與外部環(huán)境的關(guān)系問題，而系統(tǒng)內(nèi)部的作用機制，卻是在“協(xié)同學(xué)”中才得到了更完備的說明,方法論部分小結(jié)一、自然辯證法中學(xué)習(xí)的方法論是科學(xué)技術(shù)研究中作為戰(zhàn)術(shù)性的一般研究方法。二、按照認(rèn)識由淺入深