第1章：系统科学引论-PPT.ppt

教学重点第第1章章为为全全书书的的序序篇篇。在在课课堂堂上上，我我们们重重点点掌掌握握几几个个内内容：容：系系统统科科学学产产生生和和发发展展的的三三个个重重要阶段要阶段系系统统的的定定义义、结结构构、层层次次、开开放性、功能、演化等基本概念放性、功能、演化等基本概念系统一些分类方法及重要特征系统一些分类方法及重要特征1.1 系统科学的产生与发展历史背景历史背景n古代整体观思想认为，自然界作为统一体，古代整体观思想认为，自然界作为统一体，人和自然是统一的人和自然是统一的n16、17世纪确立机械自然观和科学方法论世纪确立机械自然观和科学方法论n19世纪上半叶能量守恒、细胞学和进化论世纪上半叶能量守恒、细胞学和进化论n20世纪中叶计算机、航空、航天、信息、生世纪中叶计算机、航空、航天、信息、生物等领域的辉煌成就物等领域的辉煌成就1.1.1 系统科学的形成系统科学的形成1.1 系统科学的产生与发展历史背景历史背景n进入进入21世纪，科技飞速发展，信息大世纪，科技飞速发展，信息大爆炸，人类生存环境协调和谐发展，爆炸，人类生存环境协调和谐发展，多学科交叉融合多学科交叉融合1.1.1 系统科学的形成系统科学的形成人类理智夸入“想入非非想入非非”时代1.1 系统科学的产生与发展一般系统论一般系统论n1937年，理论生物学家贝塔朗菲所提出。概年，理论生物学家贝塔朗菲所提出。概括出系统共性：整体性、关联性、动态性、括出系统共性：整体性、关联性、动态性、有序性、终极性（目的性）有序性、终极性（目的性）n不是简单的拼加，要考虑子系统与整体之间不是简单的拼加，要考虑子系统与整体之间的关系的关系1.1.2 20世纪世纪4060年代从系统论、年代从系统论、控制论到系统工程控制论到系统工程1.1 系统科学的产生与发展运筹学运筹学n20世纪世纪30年代末，战争武器系统的发展年代末，战争武器系统的发展n分析制约因素分析制约因素 要实现的目标要实现的目标 （约束条件（约束条件 极大或极小值）极大或极小值）1.1.2 20世纪世纪4060年代从系统论、年代从系统论、控制论到系统工程控制论到系统工程 目标函数1.1 系统科学的产生与发展控制论控制论n20世纪世纪40年代末，火炮自动瞄准飞机与狩猎年代末，火炮自动瞄准飞机与狩猎行为行为反馈机制反馈机制n控制论：输入、输出、信息、反馈、控制行控制论：输入、输出、信息、反馈、控制行为及目标为及目标 1.1.2 20世纪世纪4060年代从系统论、年代从系统论、控制论到系统工程控制论到系统工程1.1 系统科学的产生与发展信息论信息论n1948年，香农发表年，香农发表通信的数学理论通信的数学理论标志标志信息论信息论(informatics)的诞生。的诞生。n信息论乃是关于系统的信息传递和处理的科信息论乃是关于系统的信息传递和处理的科学理论。学理论。1.1.2 20世纪世纪4060年代从系统论、年代从系统论、控制论到系统工程控制论到系统工程1.1 系统科学的产生与发展计算机计算机n1946年，世界上第一台冯年，世界上第一台冯诺伊曼计算机诞诺伊曼计算机诞生。生。n人类智能物化人类智能物化 1.1.2 20世纪世纪4060年代从系统论、年代从系统论、控制论到系统工程控制论到系统工程大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点1.1 系统科学的产生与发展系统工程系统工程n解决复杂的工程问题解决复杂的工程问题n美国国家智库兰德公司利用美国国家智库兰德公司利用“系统分析系统分析”研研究社会、经济系统，供美国政府参考决策究社会、经济系统，供美国政府参考决策n泰勒为代表的管理科学学说泰勒为代表的管理科学学说n1969年，美国阿波罗飞船登月，系统工程最年，美国阿波罗飞船登月，系统工程最成功的范例成功的范例1.1.2 20世纪世纪4060年代从系统论、年代从系统论、控制论到系统工程控制论到系统工程1.1 系统科学的产生与发展耗散结构论耗散结构论(dissipative structure theory)n1969年，比利时自由大学化学家普利高津提年，比利时自由大学化学家普利高津提出，因而获得诺贝尔奖。出，因而获得诺贝尔奖。n开放系统远离平衡状态所形成的需要消耗物开放系统远离平衡状态所形成的需要消耗物质和能量的有序结构称为耗散结构。质和能量的有序结构称为耗散结构。n研究一个开放系统由混沌向有序转换的机理、研究一个开放系统由混沌向有序转换的机理、条件和规律。条件和规律。1.1.3 20世纪世纪70年代从耗散结构论、年代从耗散结构论、协同学、突变论到非线性科学协同学、突变论到非线性科学1.1 系统科学的产生与发展协同学协同学 (synergetics)n1969年，德国理论物理学家哈肯提出。年，德国理论物理学家哈肯提出。n系统从无序到有序的关键是系统内部各子系统间通过系统从无序到有序的关键是系统内部各子系统间通过非线性相互作用和协作，在一定条件下，自发产生在非线性相互作用和协作，在一定条件下，自发产生在时间、空间或功能上稳定的有序结构，这就是自组织时间、空间或功能上稳定的有序结构，这就是自组织理论。理论。n系统在临界点（分支点）附近的行为仅由少数变量决系统在临界点（分支点）附近的行为仅由少数变量决定，系统的慢变量支配快变量，即支配原理。定，系统的慢变量支配快变量，即支配原理。1.1.3 20世纪世纪70年代从耗散结构论、年代从耗散结构论、协同学、突变论到非线性科学协同学、突变论到非线性科学1.1 系统科学的产生与发展突变论突变论 (catastrophe theory)n1972年，法国数学家托姆出版专著年，法国数学家托姆出版专著结构稳定结构稳定性和形态发生学性和形态发生学。n研究系统的状态随外界控制参数连续改变而发研究系统的状态随外界控制参数连续改变而发生不连续变化的数学理论。生不连续变化的数学理论。1.1.3 20世纪世纪70年代从耗散结构论、年代从耗散结构论、协同学、突变论到非线性科学协同学、突变论到非线性科学太阳系是否稳定？1.1 系统科学的产生与发展混沌学混沌学 n研究确定性动力学系统所表现出来的具有貌似研究确定性动力学系统所表现出来的具有貌似随机，无规则性复杂行为混沌运动的非线性动随机，无规则性复杂行为混沌运动的非线性动力学。力学。n研究混沌运动中从无序到有序的演化及其反演研究混沌运动中从无序到有序的演化及其反演化的规律和控制的科学。化的规律和控制的科学。n混沌混沌(chaos)一词由李天岩和约克在一词由李天岩和约克在1975年提出。年提出。1.1.3 20世纪世纪70年代从耗散结构论、年代从耗散结构论、协同学、突变论到非线性科学协同学、突变论到非线性科学上帝如何掷骰子?1.1 系统科学的产生与发展分形学分形学n分形（分形（fractal）由美国）由美国IBM公司数学家曼德布公司数学家曼德布罗德罗德1973年提出。年提出。n分形几何研究自然景物不规则图形，核心在于分形几何研究自然景物不规则图形，核心在于自相似性和递归性。自相似性和递归性。n分形注重对某一动力行为而产生的吸引子的研分形注重对某一动力行为而产生的吸引子的研究。究。1.1.3 20世纪世纪70年代从耗散结构论、年代从耗散结构论、协同学、突变论到非线性科学协同学、突变论到非线性科学1.1 系统科学的产生与发展分形学分形学 fractal 1.1.3 20世纪世纪70年代从耗散结构论、年代从耗散结构论、协同学、突变论到非线性科学协同学、突变论到非线性科学1.1 系统科学的产生与发展超循环理论超循环理论 (hypercycle theory)n德国学者艾根（德国学者艾根（M.Eigen）根据进化论和自）根据进化论和自组织理论于组织理论于1979年提出年提出n研究分子自组织进化现象研究分子自组织进化现象n将生命起源解释为自组织现象将生命起源解释为自组织现象 1.1.3 20世纪世纪70年代从耗散结构论、年代从耗散结构论、协同学、突变论到非线性科学协同学、突变论到非线性科学1.1 系统科学的产生与发展 1.1.3 20世纪世纪70年代从耗散结构论、年代从耗散结构论、协同学、突变论到非线性科学协同学、突变论到非线性科学非线性科学出现前：非线性科学出现前：机械整体观机械整体观整体等于局部之和，认识了局部就等于整体等于局部之和，认识了局部就等于认识了整体；认识了整体；系统整体观系统整体观整体大于局部之和，认识了局部不等于整体大于局部之和，认识了局部不等于认识整体。认识整体。非线性科学出现后：非线性科学出现后：混沌与分形理论进一步表明，整体既不同于局部，又等混沌与分形理论进一步表明，整体既不同于局部，又等同于局部，这是一种崭新的辨证整体观。同于局部，这是一种崭新的辨证整体观。1.1 系统科学的产生与发展简单性与复杂性简单性与复杂性n复杂性并不等同于组成系统的要素在数量上复杂性并不等同于组成系统的要素在数量上“多多”，简单的根源是线性，而复杂的根源是非线性。简单的根源是线性，而复杂的根源是非线性。复杂性研究热潮复杂性研究热潮n1984年，美国圣菲研究所（年，美国圣菲研究所（SFI）。运用自组织、混沌）。运用自组织、混沌概念及提出涌现（概念及提出涌现（emergence）、复杂适应系统）、复杂适应系统（complex adaptive system）来研究复杂性。）来研究复杂性。n复杂性研究领域包括社会系统、经济系统、生命系统、复杂性研究领域包括社会系统、经济系统、生命系统、免疫系统、生态系统及人脑系统。免疫系统、生态系统及人脑系统。1.1.4 20世纪世纪80年代从复杂性、复杂年代从复杂性、复杂系统到复杂适应系统理论系统到复杂适应系统理论1.1 系统科学的产生与发展研究专著及研究动态研究专著及研究动态n1992，沃尔德罗（，沃尔德罗（M.Waldrop）复杂性复杂性诞生于秩诞生于秩序与混沌边缘的科学序与混沌边缘的科学。n1995，霍兰（，霍兰（J.H.Holland）隐秩序：适应性造就复隐秩序：适应性造就复杂性杂性。n1998，霍兰，霍兰涌现涌现从混沌到有序从混沌到有序。n1999，美国，美国Science出版出版复杂系统复杂系统专辑。专辑。n2001、2002，SFI在布达佩斯举办第一、第二期复杂系在布达佩斯举办第一、第二期复杂系统暑假学校，统暑假学校，2004年在青岛大学举行。年在青岛大学举行。1.1.4 20世纪世纪80年代从复杂性、复杂年代从复杂性、复杂系统到复杂适应系统理论系统到复杂适应系统理论1.1 系统科学的产生与发展主要特点主要特点n研究对象是复杂系统。研究对象是复杂系统。n研究方法是定性判断与定量计算相结合，微观分析与研究方法是定性判断与定量计算相结合，微观分析与宏观综合相结合，还原论与整体论相结合，科学推理宏观综合相结合，还原论与整体论相结合，科学推理与哲学思辩相结合。与哲学思辩相结合。n研究深度不限于对客观事物的描述，而着重于揭示客研究深度不限于对客观事物的描述，而着重于揭示客观事物构成的原因、演化的历程及其复杂机理，并力观事物构成的原因、演化的历程及其复杂机理，并力图尽可能准确地预测其未来的发展。图尽可能准确地预测其未来的发展。1.1.5 21世纪的科学世纪的科学复杂性科学复杂性科学1.1 系统科学的产生与发展研究重点研究重点n研究复杂性与复杂系统中各组成部分之间相互作用所研究复杂性与复杂系统中各组成部分之间相互作用所涌现出复杂行为、特性与规律的科学。涌现出复杂行为、特性与规律的科学。n主要领域包括复杂性科学的理论与方法、物理层次复主要领域包括复杂性科学的理论与方法、物理层次复杂系统、生物层次复杂系统、社会层次复杂系统。杂系统、生物层次复杂系统、社会层次复杂系统。1.1.5 21世纪的科学世纪的科学复杂性科学复杂性科学1.2 系统的基本概念 通通常常，将将一一些些相相互互关关联联、相相互互作作用用、相相互互制制约约的的组组成部分构成的具有某种功能的整体称为系统。成部分构成的具有某种功能的整体称为系统。组成系统的三要素：组成系统的三要素：n有许多部分组成（整体与部分）有许多部分组成（整体与部分）n部分之间存在着相互关联、相互作用、相互制约（相部分之间存在着相互关联、相互作用、相互制约（相关性关性/相干性）相干性）n具有某种功能的整体（功能性）具有某种功能的整体（功能性）1.2.1 系统的定义系统的定义1.2 系统的基本概念 系系统统在在组组分分不不变变的的情情况况下下，为为了了完完成成系系统统整整体体的的功功能能而而把把系系统统内内关关联联的的组组分分与与组组分分之之间间整整合合为为统统一一的的整整体体形形式式系统的结构。系统的结构。系统结构的划分：系统结构的划分：n静态结构静态结构n动态结构动态结构n时间结构时间结构n空间结构空间结构n时空结构时空结构 1.2.1 系统的结构系统的结构1.2 系统的基本概念 一一个个复复杂杂系系统统包包括括许许多多子子系系统统，整整合合在在同同一一级级别别上上的的系统就构成一个层次。系统就构成一个层次。复复杂杂系系统统必必须须按按层层次次划划分分由由低低级级到到高高级级逐逐级级进进行行组组织织整合才能称为系统整体。整合才能称为系统整体。层次反映一个系统的复杂程度层次反映一个系统的复杂程度 复复杂杂系系统统必必须须由由低低层层到到高高层层逐逐层层整整合合，最最终终涌涌现现系统整体层次。系统整体层次。系统层次分析是结构分析的重要方面。系统层次分析是结构分析的重要方面。1.2.3 系统的层次系统的层次1.2 系统的基本概念系系统统之之外外与与之之相相关关联联并并对对系系统统产产生生响响应应的的事事物物所所构构成成的集合称为该系统的环境。的集合称为该系统的环境。任何一个系统都与环境有关并受其影响。任何一个系统都与环境有关并受其影响。根根据据系系统统与与环环境境的的作作用用，将将系系统统分分为为开开放放系系统统与与封封闭闭系统。系统。1.2.4 系统的开放性系统的开放性系统环境物质能量信息1.2 系统的基本概念一一个个系系统统在在其其所所处处环环境境的的作作用用下下所所表表现现出出系系统统自自身特性的任何变化称为系统的行为。身特性的任何变化称为系统的行为。系系统统的的行行为为对对环环境境中中的的某某些些事事物物乃乃至至环环境境产产生生的的持续作用，称为系统的功能。持续作用，称为系统的功能。系统功能反映了系统整体特性（整体涌现性）。系统功能反映了系统整体特性（整体涌现性）。系统的功能由其结构和环境共同决定。系统的功能由其结构和环境共同决定。1.2.5 系统的行为、功能系统的行为、功能1.2 系统的基本概念系系统统的的结结构构、状状态态、特特性性、行行为为、功功能能等等随随着着时时间的推移而发生变化称为系统的演化。间的推移而发生变化称为系统的演化。系系统统演演化化的的原原因因：内内因因（内内部部作作用用），外外因因（外外部环境作用）。部环境作用）。1.2.5 系统的演化系统的演化低级高级进化退化1.3 系统的分类按按系系统统组组成成部部分分的的数数量量规规模模大大小小分分为为小小系系统统（little system）、大大系系统统（large system）和和巨巨系系统统（giant system）。）。按按系系统统层层次次结结构构简简单单与与否否分分为为：简简单单系系统统（simple system）和复杂系统（）和复杂系统（complex system）。）。1.3.1 系统的分类方法系统的分类方法系统简单系统巨系统小系统（如一台测量仪器）大系统（如一个工厂）简单巨系统（如激光系统）复杂巨系统一般复杂巨系统（如海洋鱼类系统）特殊复杂巨系统（如生物体系统、人脑系统）1.3 系统的分类根根据据客客观观世世界界物物质质系系统统空空间间尺尺度度的的大大小小分分为为渺渺观观、微微观、宏观、宇观和胀观。观、宏观、宇观和胀观。1.3.1 系统的分类方法系统的分类方法目前人类研究范畴客观世界物质系统空间尺度的客观世界物质系统空间尺度的5个层次个层次1.3 系统的分类按按系系统统输输入入输输出出特特性性的的复复杂杂性性程程度度的的不不同同分分为为：线线性性系系统统、非线性系统、复杂性系统（复杂系统）。非线性系统、复杂性系统（复杂系统）。人人脑脑系系统统、人人体体系系统统、社社会会系系统统、地地理理环环境境系系统统等等都都属属于于非常复杂的适应系统，也可称为开放的复杂巨系统。非常复杂的适应系统，也可称为开放的复杂巨系统。1.3.1 系统的分类方法系统的分类方法不是我不明白，这世界变化太快。扎扎实实掌握知识，以不变应万变！1.3 系统的分类能用线性数学描述的系统。线性连续动态系统的数学模型能用线性数学描述的系统。线性连续动态系统的数学模型1.3.2 线性系统线性系统令状态向量为令状态向量为则系统矩阵为则系统矩阵为写成向量形式写成向量形式1.3 系统的分类线性系统的加和性、齐次性与叠加性。线性系统的加和性、齐次性与叠加性。f(x1+x2)=f(x1)+f(x2)加和性 f(kx)=k f(x)齐次性 f(ax1+bx2)=af(x1)+bf(x2)叠加性线线性性科科学学中中的的决决定定论论：初初始始状状态态（条条件件）确确定定后后，系系统统未未来的状态（行为）也就决定了。来的状态（行为）也就决定了。1.3.2 线性系统线性系统线性系统线性系统只要知道初始条件，只要知道初始条件，即可了解过去，预测未来即可了解过去，预测未来1.3 系统的分类不不能能用用线线性性数数学学描描述述的的系系统统。系系统统中中至至少少有有一一个个部部分分存存在在非线性非线性1.3.3 非线性系统非线性系统令 C=(c1,c2,cm)表示控制参数向量 F=(f1,f2 ,fn)则方程组可写成向量形式：自由系统引入外界强迫作用项G(t)强迫系统包含时间t时，非自治系统其中f1,fn中至少一个为非线性函数1.3 系统的分类非非线线性性系系统统，难难以以通通过过解解析析方方法法求求解解，几几何何方方法法用用于于定定性分析。常用计算机进行数值计算求近似解。性分析。常用计算机进行数值计算求近似解。非非线线性性的的实实质质是是变变量量间间的的相相互互作作用用，产产生生系系统统动动态态过过程程的多样性和多尺度性。的多样性和多尺度性。非线性系统不满足叠加性，整体作用大于各分部分之和。非线性系统不满足叠加性，整体作用大于各分部分之和。1.3.3 非线性系统非线性系统 非线性系统非线性系统三个臭皮匠三个臭皮匠 为何为何 胜过一个诸葛亮？胜过一个诸葛亮？1.3 系统的分类复杂系统的重要特征复杂系统的重要特征n非线性非线性n不确定性不确定性n参数分布性及自由度的无穷性（柔性结构复杂系统）参数分布性及自由度的无穷性（柔性结构复杂系统）n结构的多层性及事件的离散性（离散事件复杂动态结构的多层性及事件的离散性（离散事件复杂动态系统）系统）n纯滞后、大惯性、挠性及弹性（化工、石油生产过纯滞后、大惯性、挠性及弹性（化工、石油生产过程系统以及大型高速旋转机械复杂系统）程系统以及大型高速旋转机械复杂系统）1.3.4 复杂系统复杂系统