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2020-11-25  澳门银河线上娱乐场手机版下载

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不惧过往,不畏将来!11-23 09:45

                                                                                                                                                            

系统科学的研究背景

如今,信息技术和网络技术的革命已经在很大程度上改变了我们的社会。众所周知,我们现在的幸福生活依赖于工业革命。第一次工业革命以改进蒸汽机为代表,让人们能利用矿石和热力作为能源;第二次工业革命以应用电力为代表,让人们使用电力。这两次工业革命改变了每个人的能力,让人们不再只依靠手和脚劳动,而是使用机器代替手工,大大提高了劳动效率。但是第三次工业革命,即以信息网络技术为突破的新一代工业革命,它改变的不再是我们每个人的能力,而是关系,它改变了人和人之间的关系、物和物之间的关系以及人和物之间的关系。

网络技术推动下的科技创新导致关系的改变,真正带来的是社会中系统性和复杂性的特征体现,这样的变化必将远远超过过去三四十年的变化。例如,三四十年以前,学生来北京上大学,生活费缺乏,找父母要钱写封信寄回去得一周,父母准备好钱再寄回来又得一周,这样导致学生这半个月的生活拮据。但是现在完全不同,缺钱花了,一个微信红包就可以解决。因此,关系的改变使人们的生活完全不同。

图3 洛伦茨的奇异吸引子

如果说量子力学打破了微观世界的确定性,那么混沌则打破了人们对宏观世界确定性的认识,随着人们对混沌现象的不断深入研究,更进一步证实了,混沌才是我们所处世界的本质。例如:在研究人的心率曲线时发现,健康成年人的心率曲线是不规则的形状,呈现某种自相似性,貌似混沌;而癫痫患者的心率曲线反而是呈现更多的规则性与周期性。混沌是人的生命之源,代表了生机。钱学森也有过“某一个层次上的混沌可以是高一个层次上的有序的推动力量”的论断。

混沌现象是非线性确定系统的本质属性,说明了世界是随机的,但随机中又孕育着有序。而系统的吸引子又将分形与混沌联系起来,分形是混沌的几何表达。因为混沌的不可预测性,从而产生了万千的复杂系统。

5.自适应

“自适应”一般是指系统按照环境的变化,调整其自身使得其行为在新的或者已经改变了的环境下达到最好的或者至少是容许的特性和功能,这种对环境变化具有自适应能力的系统称为自适应系统。

在反馈控制和最优控制中,都假定被控对象或过程的数学模型是已知的,并且具有线性定常的特性。实际上在许多工程中,被控对象或过程的数学模型事先是难以确定的,即使在某一条件下被确定了的数学模型,在工况和条件改变以后,其动态参数乃至于模型的结构仍然经常发生变化。在产生这些问题时,常规控制器不可能得到很好的控制品质。为此,需要设计一种特殊的控制系统,它能够自动地补偿在模型阶次、参数和输入信号方面非预知的变化,这就是自适应控制。

自适应控制是一门研究具有不确定性系统控制问题的学科。它是“工程控制论”基本学科中的一个分支学科。自适应控制可以看作是一个能根据环境变化智能调节自身特性的反馈控制系统,以使系统能按照一些设定的标准工作在最优状态。自适应控制在航空、导弹和空间飞行器的控制中很成功。

自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样,也是一种基于数学模型的控制方法,所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少,需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息,使模型逐步完善。具体地说,可以依据对象的输入输出数据,不断地辨识模型参数,这个过程称为系统的在线辩识。随着生产过程的不断进行,通过在线辩识,模型会变得越来越准确,越来越接近于实际。既然模型在不断地改进,显然,基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断的改进。在这个意义下,控制系统具有一定的适应能力。比如说,当系统在设计阶段,由于对象特性的初始信息比较缺乏,系统在刚开始投入运行时可能性能不理想,但是只要经过一段时间的运行,通过在线辩识和控制以后,控制系统逐渐适应,最终将自身调整到一个满意的工作状态。再比如某些控制对象,其特性可能在运行过程中要发生较大的变化,但通过在线辩识和改变控制器参数,系统也能逐渐适应。

6.涌现

系统科学把整体才具有、孤立部分及其总合不具有的性质称为整体涌现性(whole Emergence)。涌现性就是组成成分按照系统结构方式相互作用、相互补充、相互制约而激发出来,是一种组分之间的相干效应,即结构效应。不同的结构方式,不同的相互激发产生不同的整体涌现性。整体涌现性的产生不是单一的,是规模效应和结构效应共同的结果。比如分子作用力、氢键以及疏水作用力相对于原子来说就是整体涌现。只有原子形成了分子才可能具有这些特性,原子不形成分子或者大分子,简单的混合是不会具有这种层次的特性。 

涌现性又可理解为非还原性或非加和性,但任何整体都具有加和性,比如质量。系统性是加和性与非加和性的统一,都是整体属性;但整体性、系统性并不一定是涌现性。涌现性是系统非加和的属性,“整体大于部分之和”与“整体小于部分之和”这样的整体与部分差值就是涌现。系统科学就是关于整体涌现性的科学理论,探索整体涌现发生的条件、机制、规律以及如何利用。

系统的整体涌现性究竟来自何方?概言之,来自系统的组分、结构和环境三方面,构材效应、规模效应、结构效应、环境效应四者共同造就系统的整体涌现性。

构材效应。既然系统是由元素或组分构成的,系统的整体涌现性归根结底来自它的元素或组分。这是涌现论的唯物主义根基。人们常以化学中的同分异构现象来论证整体涌现性与系统的组分无关,却忘记了在组分给定的情况下,单靠改变结构来产生新的化学性质的可能性极其有限。用氢原子和氧原子可以合成水分子,不能合成盐分子;用氯原子和钠原子可以合成盐分子,不能合成水分子,此乃常识。整体涌现特性必定受到组分特性的规定或制约,并非任意选取的组分都可以造就具有特定整体涌现性的系统,这叫做构材效应。

规模效应。整体涌现性还与系统的规模有关,规模大小不同是造成不同整体涌现性的原因之一,称为规模效应。钱学森把系统划分为小系统、大系统、巨系统、复杂巨系统几类,逻辑前提是对规模影响整体涌现性这一命题的确认。特别是从大系统到巨系统的变化,规模不同对整体涌现性的影响十分鲜明。例如,小系统和一般大系统都不会呈现自组织行为,而“巨系统统计理论说明巨系统中会出现简单系统中没有的现象,如自组织现象”。所有复杂性研究家都承认足够的系统规模是产生复杂性的必要条件,组分不够多就无法由简单性涌现出复杂性。

结构效应。组分的基质、材料、特性是产生整体涌现性的实在基础,但也仅仅提供了产生涌现的客观可能性,只有使不同组分相互作用、相互激发、相互制约、相互补充,才能够把可能性变为现实性。在组分一定的情况下,组分之间不同方式的相互作用、相互激发、相互制约、相互补充,将产生不同的整体涌现性,这叫做结构效应。“涌现特性更多的是属于系统结构方面而不是系统材料方面的性质。”

环境效应。整体涌现性还与系统的环境有关,所谓环境塑造系统,指的就是塑造系统的整体涌现性,而非塑造那些加和整体性。系统在跟环境的相互作用中获取资源,开拓生存空间,形成边界,建立同环境交换物质、能量、信息的渠道和方式,适应环境的约束,提高抗干扰能力,等等,这些运作的结果都归结为形成系统特有的整体涌现性。由于这个缘故,系统的整体涌现性总是带有环境的深刻烙印。

7.综合集成法

1990年初,钱学森等首次把处理开放的复杂巨系统的方法定名为从定性到定量的综合集成法。综合集成是从整体上考虑并解决问题的方法论。钱学森指出,这个方法不同于近代科学一直沿用的培根式的还原论方法,是现代科学条件下认识方法论上的一次飞跃。

处理开放的复杂巨系统的方法论是从定性到定量的综合集成:作为一门技术又称为综合集成技术;作为一门工程,亦可称综合集成工程。它是思维科学的应用技术,既要用到思维科学成果,又会促进思维科学的发展。它向计算机、网络和通信技术、人工智能技术、知识工程等提出了高新技术问题。这项技术还可用来整理千千万万零散的群众意见、提案和专家见解以至个别领导的判断,真正做到“集腋成裘”。钱学森认为对简单系统可从系统相互之间的作用出发,直接综合成全系统的运动功能,还可以借助于大型或巨型计算机。对简单巨系统不能用直接综合方法、统计方法,把亿万个分子组成的巨系统功能略去细节,用统计方法概括起来,这就是普里高津和哈肯的贡献,即自组织理论。

综合集成法作为一门工程可称为综合集成工程,它是在对社会系统、人体系统、地理系统和军事系统这四个开放的复杂巨系统研究实践基础上提炼、概括和抽象出来的。在这些研究中通常是科学理论、经验知识和专家判断相结合,形成和提出经验性假设(判断或猜想),但这些经验性假设不能用严谨的科学方式加以证明,需借助现代计算机技术,基于各种统计数据和信息资料,建立起包括大量参数的模型,而这些模型应建立在经验和对系统的理解上并经过真实性检验。这里包括了感情的、理性的、经验的、科学的、定性的和定量的知识综合集成,通过人—机交互,反复对比逐次逼近,最后形成结论。其实质是将专家群体(与主题有关的专家)、统计数据和信息资料(亦与主题有关的)三者有机结合起来,构成一个高度智能化的人机交互系统,它具有综合集成的各种知识,从感情上升到理性,实现从定性到定量的功能。

它的主要特点:1)定性研究与定量研究有机结合,贯穿全过程;2)科学理论与经验知识结合,把人们对客观事物的点点知识综合集成解决问题;3)应用系统思想把多种学科结合起来进行综合研究;4)根据复杂巨系统的层次结构,把宏观研究与微观研究统一起来;5)必须有大型计算机系统支持,不仅有管理信息系统、决策支持系统等功能,而且还要有综合集成的功能。

应用综合集成法对开放的复杂巨系统进行探索研究,成为系统科学发展的里程碑,开辟了系统科学新的发展方向和研究领域。

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