一般系统论

一般系统论

一般系统论

General System Theory

研究复杂系统的一般规律的学科，又称普通系统论。现代科学可按所研究的对象系统的具体形式划分成各门学科,如物理学、化学、生物学、经济学和社会学等;也可按研究方法划分成两大类别，即简单系统理论和复杂系统理论。一般系统论是研究复杂系统理论的学科，着重研究复杂系统的潜在的一般规律。

历史背景

系统的存在是客观事实，但人类对系统的认识却经历了漫长的岁月,对简单系统研究得较多,而对复杂系统则研究得较少。直到20世纪30年代前后才逐渐形成一般系统论。一般系统论来源于生物学中的机体论，是在研究复杂的生命系统中诞生的。1925年英国数理逻辑学家和哲学家N.怀特海在《科学与近代世界》一文中提出用机体论代替机械决定论，认为只有把生命体看成是一个有机整体,才能解释复杂的生命现象。系统思维最早出现在1921年建立的格式塔心理学，还在工业心理学研究中1958年Parry J.B.提出了系统心理学（system psychology）的词汇与概念。1925年美国学者A.J.洛特卡发表的《物理生物学原理》和1927年德国学者W.克勒发表的《论调节问题》中先后提出了一般系统论的思想。1924～1928年奥地利理论生物学家L.von贝塔朗菲多次发表文章表达一般系统论的思想,提出生物学中有机体的概念，强调必须把有机体当作一个整体或系统来研究，才能发现不同层次上的组织原理。他在1932年发表的《理论生物学》和1934年发表的《现代发展理论》中提出用数学模型来研究生物学的方法和机体系统论的概念，把协调、有序、目的性等概念用于研究有机体，形成研究生命体的三个基本观点，即系统观点、动态观点和层次观点。1937年贝塔朗菲在芝加哥大学的一次哲学讨论会上第一次提出一般系统论的概念。但由于当时生物学界的压力，没有正式发表。1945年他发表《关于一般系统论》的文章,但不久毁于战火,没有引起人们的注意。1947～1948年贝塔朗菲在美国讲学和参加专题讨论会时进一步阐明了一般系统论的思想，指出不论系统的具体种类、组成部分的性质和它们之间的关系如何，存在着适用于综合系统或子系统的一般模式、原则和规律，并于1954年发起成立一般系统论学会（后改名为一般系统论研究会）,促进一般系统论的发展,出版《行为科学》杂志和《一般系统年鉴》。虽然一般系统论几乎是与控制论、信息论同时出现的，但直到60～70年代才受到人们的重视。1968年贝塔朗菲的专著《一般系统论──基础、发展和应用》，总结了一般系统论的概念、方法和应用。1972年他发表《一般系统论的历史和现状》，试图重新定义一般系统论。贝塔朗菲认为，把一般系统论局限于技术方面当作一种数学理论来看是不适宜的，因为有许多系统问题不能用现代数学概念表达。一般系统论这一术语有更广泛的内容，包括极广泛的研究领域，其中有三个主要的方面。①关于系统的科学：又称数学系统论。这是用精确的数学语言来描述系统，研究适用于一切系统的根本学说。②系统技术：又称系统工程。这是用系统思想和系统方法来研究工程系统、生命系统、经济系统和社会系统等复杂系统。③

系统哲学:它研究一般系统论的科学方法论的性质,并把它上升到哲学方法论的地位。贝塔朗菲企图把一般系统论扩展到系统科学的范畴，几乎把系统科学的三个层次都包括进去了。但是现代一般系统论的主要研究内容尚局限于系统思想、系统同构、开放系统和系统哲学等方面。而系统工程专门研究复杂系统的组织管理的技术，成为一门独立的学科，并不包括在一般系统论的研究范围内(见系统科学)。

系统思想

系统思想是一般系统论的认识基础，是对系统的本质属性（包括整体性、关联性、层次性、统一性）的根本认识。系统思想的核心问题是如何根据系统的本质属性使系统最优化。

整体性虽然系统是由要素或子系统组成的，但系统的整体性能可以大于各要素的性能之和。因此在处理系统问题时要注意研究系统的结构与功能的关系，重视提高系统的整体功能。任何要素一旦离开系统整体，就不再具有它在系统中所能发挥的功能。

关联性关联性是指系统与其子系统之间、系统内部各子系统之间和系统与环境之间的相互作用、相互依存和相互关系。离开关联性就不能揭示复杂系统的本质。

层次性一个系统总是由若干子系统组成的，该系统本身又可看作是更大的系统的一个子系统，这就构成了系统的层次性。T.米尔索姆曾把人类系统划分为11个层次。不同层次上的系统运动有其特殊性。在研究复杂系统时要从较大的系统出发，考虑到系统所处的上下左右关系。

统一性一般系统论承认客观物质运动的层次性和各不同层次上系统运动的特殊性，这主要表现在不同层次上系统运动规律的统一性，不同层次上的系统运动都存在组织化的倾向，而不同系统之间存在着系统同构。

系统同构

系统同构是一般系统论的重要理论依据和方法论的基础。系统同构一般是指不同系统的数学模型之间存在着数学同构。常见的数学同构有代数系统同构、图同构等。数学同构有两个特征：①两个数学系统的元素之间能建立一一对应关系。②两个数学系统各元素之间的关系，经过这种对应之后仍能在各自的系统中保持不变。不同系统间的数学同构关系是等价关系，等价关系具有自返性、对称性和传递性，根据等价关系可将现实系统划分为若干等价类。同一等价类内，系统彼此等价。因此借助于数学同构的研究可在现实世界中各种不同的系统运动中找出共同规律。

研究数学同构有时要涉及数学同态。不同系统间的数学同态关系具有自返性和传递性，但没有对称性。因此数学同态只用于分类和模型简化，不能划分等价类。

对于许多复杂系统，不能用数学形式进行定量的研究,因此就有必要将数学同构的概念拓广为系统同构。人们常常把具有相同的输入和输出且对外部激励具有相同的响应的系统称为同构系统，而把通过集结使系统简化而得到的简化模型称为同态模型。一个系统根据研究的目的不同可以得出不同的同态模型，而对于结构和性能不同的系统，它们的同态模型的行为特征却可能存在着形式上的相似性。不同的学科领域之间和不同的现实系统之间存在着系统同构的事实，是各学科进行横向综合和建立一般系统论的客观基础。

开放系统

开放系统是一般系统论中最重要的基本概念。开放系统的特点是系统与外界环境之间有物质、能量或信息的交换。封闭系统则与此相反，它与外界环境之间不存在物质、能量或信息的交换。用系统思想来观察现实世界，几乎一切系统都是开放系统。物理学中的所谓孤立系统（即封闭系统）可看作是开放系统的一种特例。

为了明确一个系统的性质，必须首先确定系统边界，研究边界上的物质、能量或信息的交流情况。封闭系统一般具有刚性的不可贯穿的边界，而开放系统的边界具有可渗透性。但对于社会系统、经济系统、生态系统和观念系统，往往很难确定它们的边界。

热力学中的熵增加定律只能适用于孤立系统（即封闭系统），并不适用于开放系统。因为开放系统与环境之间有物质、能量或信息的交流，所以开放系统的运动在一定条件下可以是一个减熵的过程，能使系统趋向于组织化和有序化。系统有序化的方向正是系统所追求的目标方向，也表示了系统的目的性。复杂系统一般具有多目标，甚至互相矛盾的目标，这些目标需要通过各子系统之间的协调或协同作用才能达到。

因为开放系统与环境之间有物质、能量或信息的交流，开放系统的稳态是一种动态平衡。开放系统具有一定的自动调节能力，但保持系统的稳定性也有一定的限度。对于开放系统，从不同的初始条件出发和通过不同的途径可以达到相同的最终状态。这种现象称为系统的等终极性或系统发展的多途径性。对于各种社会系统,可以针对不同的初始状态，采取多种发展途径，实现同一目标。这种系统往往没有唯一的最优解，具有一定的灵活性。

开放系统的演化过程在一定条件下是一个减熵的过程，使系统的组织化程度或有序化程度不断提高，系统内部结构更趋复杂而精致，功能更趋完善，系统逐渐由低级向高级发展。地球上生物进化的历程就是开放系统演化的一种重要模式。

系统哲学

一般系统论是研究一切系统的共同规律的学科。一般系统论的广泛应用，不但引起科学技术界的广泛重视，而且也引起哲学界的浓厚兴趣。贝塔朗菲认为，系统作为新的科学范畴所引起的世界观方面的变化，就是系统哲学所要探讨的问题。

一般系统论的思想源泉是唯物辩证法，它的许多基本观点与唯物辩证法是一致的。系统哲学主要研究系统本体论和系统认识论等问题。系统哲学在哲学上的地位和作用是现代哲学界争论的焦点之一。

发展趋势

贝塔朗菲创立的一般系统论，从理论生物学的角度总结了人类的系统思想，运用类比和同构的方法，建立开放系统的一般系统理论。他创立的一般系统论属于类比型一般系统论，对系统的有序性和目的性并没有作出满意的解答。

苏联学者A.И.乌耶莫夫提出参量型一般系统论。他认为贝塔朗菲的一般系统论是用同构和同态等类比形式创立的，在实际运用中受到一定的限制。人们已经发现50多种独立的类比形式，其中许多可以用于发展类比型一般系统论，因此这种理论还可以得到发展。但对不同的系统进行类比,不是建立一般系统论的唯一途径。参量型一般系统论是用系统参量来表达系统的原始信息，再用电子计算机建立系统参量之间的联系，从而确定系统的一般规律。

一般系统论发展中出现的另一个重要领域是数学系统论或一般系统的数学理论。其代表

人物有M.D.梅萨罗维茨、A.W.怀莫尔和G.J.克利尔。

我国学者林福永教授1988年提出和发表了一种新的一般系统论，称为一般系统结构理论。一般系统结构理论从数学上提出了一个新的一般系统概念体系，特别是揭示系统组成部分之间的关联的新概念，如关系、关系环、系统结构等；在此基础上，抓住了系统环境、系统结构和系统行为以及它们之间的关系及规律这些一切系统都具有的共性问题，从数学上证明了，系统环境、系统结构和系统行为之间存在固有的关系及规律，在给定的系统环境中，系统行为由系统基层次上的系统结构决定和支配。这一结论为系统研究提供了精确的理论基础。在这一结论的基础上，一般系统结构理论从理论上揭示了一系列的一般系统原理与规律，解决了一系列的一般系统问题，如系统基层次的存在性及特性问题，是否存在从简单到复杂的自然法则的问题，以及什么是复杂性根源的问题等，从而把一般系统论发展到了具有精确的理论内容并且能够有效解决实际系统问题的高度。

一些物理学家、生物学家和化学家还在各自的领域中沿着贝塔朗菲开创的开放系统理论深入研究一般系统论，并得到了关于复杂系统的一系列重要规律。其中最著名的有：I.普里戈金的耗散结构理论，M.艾根的超循环理论和H.哈肯的协同学，拉兹洛的广义进化论等，以及中国学者曾邦哲的结构论-泛进化论、邓聚龙的灰色系统论、吴学谋的泛系论、张颖清的全息生物学等系统理论。