【正文】 第一章 系統(tǒng)科學(xué)與系統(tǒng)工程 系統(tǒng)科學(xué)半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，在國(guó)際上“系統(tǒng)”作為一個(gè)研究對(duì)象引起了很多人的注意，吸引了眾多領(lǐng)域的專(zhuān)家從事研究和應(yīng)用，并逐步形成了一門(mén)新興的學(xué)科體系，即“系統(tǒng)科學(xué)”。 “系統(tǒng)”（system）這一概念來(lái)源于人類(lèi)長(zhǎng)期的社會(huì)實(shí)踐。人們認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)世界的過(guò)程是一個(gè)不斷深化的過(guò)程。在古代，哲學(xué)家往往把世界看成一個(gè)整體，尋求共性和統(tǒng)一，但由于科學(xué)技術(shù)理論的貧乏，又缺乏觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)手段，所以對(duì)很多事物只能看到一些輪廓和表面現(xiàn)象，往往是只見(jiàn)森林而不見(jiàn)樹(shù)木。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，理論逐漸豐富，工具與手段更先進(jìn)了，認(rèn)識(shí)也逐步深化，但仍受到當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)水平的限制和世界觀的局限，往往又只看到一些局部現(xiàn)象，致力于對(duì)微觀現(xiàn)象的研究，以致只見(jiàn)樹(shù)木而不見(jiàn)森林。進(jìn)入19世紀(jì)以來(lái)，認(rèn)識(shí)不斷深化。在對(duì)個(gè)體、對(duì)局部有了更多、更深的了解以后，再把這些分散的認(rèn)識(shí)聯(lián)系起來(lái)，才看到了事物的整體，以及構(gòu)成整體的各個(gè)部分之間的相互聯(lián)系，從而形成了科學(xué)的系統(tǒng)觀。現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展比過(guò)去更要求在多種學(xué)科門(mén)類(lèi)之間進(jìn)行相互滲透，這是在更深刻地分析的基礎(chǔ)上向更高一級(jí)綜合發(fā)展的新階段，因而出現(xiàn)了許多交叉學(xué)科與邊緣學(xué)科。系統(tǒng)科學(xué)也就是在這種背景下，在研究控制論、信息論、運(yùn)籌學(xué)和一般系統(tǒng)論的過(guò)程中產(chǎn)生的一門(mén)交叉性學(xué)科?，F(xiàn)在它已發(fā)展成與自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)并列的基礎(chǔ)科學(xué)，是一門(mén)獨(dú)立于其他各門(mén)科學(xué)的學(xué)科。 什么是系統(tǒng)“系統(tǒng)”一詞來(lái)源于拉丁語(yǔ)的systema，一般認(rèn)為是“群”與“集合”的意思。長(zhǎng)期以來(lái)，它存在于自然界、人類(lèi)社會(huì)以及人類(lèi)思維描述的各個(gè)領(lǐng)域，早已為人們所熟悉。它頻繁出現(xiàn)在學(xué)術(shù)討論和社會(huì)生活中，但不同的人或同一個(gè)人在不同的場(chǎng)合會(huì)對(duì)它賦予不同的含義。究竟什么是系統(tǒng)呢？我們?cè)诖瞬捎缅X(qián)學(xué)森給出的對(duì)系統(tǒng)的描述性定義：系統(tǒng)是由相互作用和相互依賴(lài)的若干組成部分結(jié)合的具有特定功能的有機(jī)整體。這個(gè)定義與類(lèi)似的許多定義一樣，指出了作為系統(tǒng)的三個(gè)基本特征：l 系統(tǒng)是由若干元素組成的；l 這些元素相互作用、相互依賴(lài)；l 由于元素間的相互作用，使系統(tǒng)作為一個(gè)整體具有特定的功能。雖然有關(guān)系統(tǒng)的定義有很多種，但都有包含了上述三個(gè)基本的特征，也即它們是系統(tǒng)的基本出發(fā)點(diǎn)。因此，在美國(guó)的《韋氏（Webster）大辭典》中，“系統(tǒng)”一詞被解釋為“有組織的或被組織化的整體；結(jié)合著的整體所形成的各種概念和原理的結(jié)合；由有規(guī)則的相互作用、相互依賴(lài)的形式組成的諸要素集合。”在日本的JIS（日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）中，“系統(tǒng)”被定義為“許多組成要素保持有機(jī)的秩序向同一目的的行動(dòng)的集合體?！鼻疤K聯(lián)大百科全書(shū)中定義“系統(tǒng)”為“一些在相互關(guān)聯(lián)與聯(lián)系之下的要素組成的集合，形成了一定的整體性、統(tǒng)一性?！薄吨袊?guó)大百科全書(shū)自動(dòng)控制與系統(tǒng)工程》解釋“系統(tǒng)”是“由相互制約、相互作用的一些部分組成的具有某種功能的有機(jī)整體。” 系統(tǒng)的特征由系統(tǒng)的定義，不難總結(jié)出一般系統(tǒng)應(yīng)具有的下述特性。1． 整體性系統(tǒng)整體性說(shuō)明，具有獨(dú)立功能的系統(tǒng)要素以及要素間的相互關(guān)系根據(jù)邏輯統(tǒng)一性的要求，協(xié)商存在于系統(tǒng)整體之中。就是說(shuō)，任何一個(gè)要素不能離開(kāi)整體去研究，要素之間的聯(lián)系和作用也不能脫離整體去考慮。系統(tǒng)不是各個(gè)要素的簡(jiǎn)單集合，否則它就不會(huì)具有作為整體的特定功能，而脫離了整體性，要素的機(jī)能和要素之間的作用便失去了原有的意義，研究任何事物的單獨(dú)部分不能得出有關(guān)整體性的結(jié)論。系統(tǒng)的構(gòu)成要素和要素之間的機(jī)能、要素間的相互聯(lián)系要服從系統(tǒng)整體的功能和目的，在整體功能的基礎(chǔ)上展開(kāi)各要素及相互之間的活動(dòng)，這種活動(dòng)的總和形成了系統(tǒng)整體的有機(jī)行為。在一個(gè)系統(tǒng)整體中，即使每個(gè)要素并不都很完善，但它們也可以協(xié)商、綜合成為具有良好功能的系統(tǒng)。相反，即使每個(gè)要素都是良好的，但作為整體卻可能不具備某種良好的功能，也就不能稱(chēng)之為完善的系統(tǒng)。2． 集合性集合的概念就是把具有某種屬性的一些對(duì)象看成一個(gè)整體，從而形成一個(gè)集合。集合里的各個(gè)對(duì)象叫做集合的要素（子集）。系統(tǒng)的集合性表明，系統(tǒng)是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的可以互相區(qū)別的要素所組成的。這些要素可以是具體的物質(zhì)，也可以是抽象的或非物質(zhì)的軟件、組織等。例如，一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一般都是由CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備等硬件組成，同時(shí)還包含有操作系統(tǒng)、程序開(kāi)發(fā)工具、數(shù)據(jù)庫(kù)等軟件，它們形成一個(gè)完整的集合。3． 層次性系統(tǒng)作為一個(gè)相互作用的諸要素的總體來(lái)看，它可以分解為一系列的子系統(tǒng)，并存在一定的層次結(jié)構(gòu)。這是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一種形式。在系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)中表述了在不同層次子系統(tǒng)之間的從屬關(guān)系或相互作用的關(guān)系。在不同的層次結(jié)構(gòu)中的子系統(tǒng)存在著不同的運(yùn)動(dòng)形式，它們一起構(gòu)成了系統(tǒng)的整體運(yùn)動(dòng)特性，為深入研究復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和有效地進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)提供了條件。4． 相關(guān)性組成系統(tǒng)的要素是相互聯(lián)系、相互作用的，相關(guān)性說(shuō)明這些聯(lián)系之間的特定關(guān)系和演變規(guī)律。例如，城市是一個(gè)大系統(tǒng)，它由資源系統(tǒng)、市政系統(tǒng)、文化教育系統(tǒng)、醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)、商業(yè)系統(tǒng)、工業(yè)系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、郵電通訊系統(tǒng)等相互聯(lián)系的部分組成，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)的運(yùn)轉(zhuǎn)去完成城市生活和發(fā)展的特定目標(biāo)。各子系統(tǒng)之間具有密切的關(guān)系，相互影響、相互制約、相互作用，牽一發(fā)而動(dòng)全身。要求系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)子系統(tǒng)根據(jù)整體目標(biāo)，盡量避免系統(tǒng)的“內(nèi)耗”，提高系統(tǒng)整體運(yùn)行的效果。5． 目的性通常系統(tǒng)都具有某種目的。為達(dá)到既定的目的，系統(tǒng)都具有一定的功能，而這正是區(qū)別這一系統(tǒng)和那一系統(tǒng)的標(biāo)志。系統(tǒng)的目的一般用更具體的目標(biāo)來(lái)體現(xiàn)。比較復(fù)雜的社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)都具有不止一個(gè)目標(biāo)。因此，需要用一個(gè)指標(biāo)體系來(lái)描述系統(tǒng)的目標(biāo)。比如，衡量一個(gè)工業(yè)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)，不僅要考核它的產(chǎn)量、產(chǎn)值指標(biāo)，而且要考核它的成本、利潤(rùn)和質(zhì)量指標(biāo)。在指標(biāo)體系中各個(gè)指標(biāo)之間有時(shí)是相互矛盾的，為此，要從整體出發(fā)，力求獲得全局最優(yōu)的經(jīng)營(yíng)效果，這就要求在矛盾的目標(biāo)之間做好協(xié)調(diào)工作，尋求平衡或折衷方案。6． 適應(yīng)性任何一個(gè)系統(tǒng)都存在于一定的物質(zhì)環(huán)境之中，因此，它必然要與外界產(chǎn)生物質(zhì)、能量和信息交換，外界環(huán)境的變化必然會(huì)引起系統(tǒng)內(nèi)部各要素的變化。不能適應(yīng)環(huán)境變化的系統(tǒng)是沒(méi)有生命力的，只有能夠經(jīng)常與外界環(huán)境保持最優(yōu)適應(yīng)狀態(tài)的系統(tǒng)，才是具有不斷發(fā)展勢(shì)頭的理想系統(tǒng)。例如，一個(gè)企業(yè)必須經(jīng)常了解市場(chǎng)動(dòng)態(tài)、同類(lèi)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)動(dòng)向、有關(guān)行業(yè)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需求等環(huán)境的變化，在此基礎(chǔ)上研究企業(yè)的經(jīng)營(yíng)策略，調(diào)整企業(yè)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)環(huán)境的變化。 系統(tǒng)的分類(lèi)在自然界和人類(lèi)社會(huì)中普遍存在著各種不同性質(zhì)的系統(tǒng)。為了對(duì)系統(tǒng)的性質(zhì)加以研究，需要對(duì)系統(tǒng)存在的各種形態(tài)加以探討。1． 自然系統(tǒng)與人造系統(tǒng)按照系統(tǒng)的起源，自然系統(tǒng)是由自然過(guò)程產(chǎn)生的系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)是自然物（礦物、植物、動(dòng)物等）所形成的系統(tǒng)，像海洋系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)等。人造系統(tǒng)則是人們將有關(guān)元素按其屬性和相互關(guān)系組合而成的系統(tǒng)，如人類(lèi)對(duì)自然物質(zhì)進(jìn)行加工，制造出各種機(jī)器所構(gòu)成的各種工程系統(tǒng)。實(shí)際上，大多數(shù)系統(tǒng)是自然系統(tǒng)與人造系統(tǒng)的復(fù)合系統(tǒng)。如在人造系統(tǒng)中，有許多是人們運(yùn)用科學(xué)技術(shù)，改造了自然系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了越來(lái)越多的人造系統(tǒng)。但是，值得注意的是，許多人造系統(tǒng)的出現(xiàn)，卻破壞了自然生態(tài)系統(tǒng)的平衡，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的破壞。近年來(lái)，系統(tǒng)工程愈來(lái)愈注意從自然系統(tǒng)的屬性和關(guān)系中，探討研究人造系統(tǒng)。2． 實(shí)體系統(tǒng)與概念系統(tǒng)凡是以礦物、生物、機(jī)械和人群等實(shí)體行為構(gòu)成要素的系統(tǒng)稱(chēng)之為實(shí)體系統(tǒng)。凡是由概念、原理、原則、方法、制度、程序等概念性的非物質(zhì)實(shí)體所構(gòu)成的系統(tǒng)稱(chēng)為概念系統(tǒng)，如管理系統(tǒng)、軍事指揮系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)等。在實(shí)際生活中，實(shí)體系統(tǒng)和概念系統(tǒng)在多數(shù)情況下是結(jié)合的，實(shí)體系統(tǒng)是概念系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而概念系統(tǒng)往往是實(shí)體系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，指導(dǎo)實(shí)體系統(tǒng)的行為。如軍事指揮系統(tǒng)中既包括軍事指揮員的思想、信息、原則、命令等概念系統(tǒng)，也包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通訊設(shè)備系統(tǒng)等實(shí)體系統(tǒng)。3． 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和靜態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)就是系統(tǒng)的狀態(tài)變量隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，即系統(tǒng)的狀態(tài)變量是時(shí)間的函數(shù)。而靜態(tài)系統(tǒng)則是表征系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律的數(shù)學(xué)模型中不含有時(shí)間因素，即模型中的變量不隨時(shí)間變化，它是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的一種極限狀態(tài)，即處于穩(wěn)定的系統(tǒng)。例如一個(gè)化工生產(chǎn)系統(tǒng)是一種連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程，系統(tǒng)中的參數(shù)是