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系統(tǒng)科學(xué)概論 Systems Science 主 要 內(nèi) 容　　　　一、系統(tǒng)的概念　　　　二、系統(tǒng)理論 三、信息與控制 四、系統(tǒng)思考工具　　　　五、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模　　　　六、自組織與混沌　　　　　 主要教材及參考書譚璐、姜璐：《系統(tǒng)科學(xué)導(dǎo)論》，北京師范大學(xué)出版社，2009。常紹舜：《系統(tǒng)科學(xué)方法概論》，中國政法大學(xué)出版社，2004。楊博文：《社會(huì)系統(tǒng)工程概論》，石油工業(yè)出版社，2008。汪應(yīng)洛：《系統(tǒng)工程》，機(jī)械工業(yè)出版社，2008。許國志：《系統(tǒng)科學(xué)》，上海科技教育出版社，2000。第一講 　系統(tǒng)的概念 1．引例 2. 系統(tǒng)是什么 3. 系統(tǒng)的特征與類型 4. 系統(tǒng)同形性舉例 5. 啤酒游戲 青蛙與睡蓮 一群青蛙幸福地生活在一個(gè)大池塘的一角，池塘的另一邊是一片睡蓮。 一天，池塘里面流進(jìn)了一些刺激睡蓮生長的化學(xué)污染物，它們可以讓睡蓮每24小時(shí)增 長一倍。 如果睡蓮可以在50天內(nèi)覆蓋整個(gè)池塘，而青蛙有一種阻止睡蓮生長的方法，但是需要花10天時(shí)間來將這個(gè)方法付諸實(shí)施。 那么，什么時(shí)候池塘?xí)�被覆蓋一半？在池塘被睡蓮覆蓋的面積達(dá)到多少時(shí)，青蛙才有可能采取行動(dòng)去挽救它們自己？ 啟示：為什么我們總是不能正確判斷局勢？　 Y23理論設(shè) Yt+1=Yt2 當(dāng) Yt=1，Yt+1永遠(yuǎn)是1 當(dāng) Y1=1.0000001時(shí)，t=23以后，Yt+1將會(huì)突增 Y30=2.07*1023 啟示：為什么我們總是忽視細(xì)節(jié)的力量？ 為什么越保護(hù)大象的數(shù)量越少？ 我們一直認(rèn)為非洲的大象遭到越來越多的屠殺是因?yàn)橥但C者越來越猖狂，是因?yàn)閷?duì)大象的保護(hù)力度不夠，殊不知這種現(xiàn)象的形成可能正源于人們對(duì)于大象的保護(hù)。 由于大象被保護(hù)起來，象牙隨之減少；當(dāng)象牙減少的時(shí)候，象牙價(jià)格會(huì)大幅上升；當(dāng)象牙的價(jià)格上升到一對(duì)象牙在黑市可以賣到12000美金的時(shí)候，大象就會(huì)遭到更多的屠殺。 啟示：為什么我們總是越搞越糟？ 煮青蛙現(xiàn)象 把一只青蛙扔進(jìn)很燙的水中，它會(huì)立刻意識(shí)到危險(xiǎn)，并馬上跳出，而把它放進(jìn)冷水中，最初它會(huì)感到很舒適，當(dāng)溫度不斷升高，它意識(shí)到危險(xiǎn)時(shí)，因身體虛脫而無法逃脫 告誡我們不僅要挑戰(zhàn)環(huán)境的劇烈變化，更要警惕緩慢漸進(jìn)的變化。特別注意那些細(xì)微以及不太尋常的變化。 啟示：為什么我們總對(duì)危險(xiǎn)茫然不知？ 小學(xué)生的數(shù)學(xué)題 有“5，5，5，1”四個(gè)數(shù)，請(qǐng)讓他加減乘除等于24，要求每個(gè)數(shù)都要使用，但只能用一次。 啟示：如何“搭配”原來如此神奇！ 聰明的一休智斗大力士 有一個(gè)大力士，常常欺負(fù)老百姓。一休知道后，決定要跟他比力氣。 第一場：“請(qǐng)大人坐在臺(tái)子上，我用食指頂著你的額頭，要是你能站起來的話，我就輸了。” 第二場：“你能一拳把石板上的螞蟻打死嗎?”。一休則只用一個(gè)小手指就能把它摁死。 啟示：找到杠桿解就會(huì)事半功倍； 選擇正確的路徑是解決問題的關(guān)鍵。 2. 系統(tǒng)是什么 定義　具有特定功能的、由若干相互關(guān)聯(lián)的要素組成的有機(jī)整體。 　例：CAU管理機(jī)關(guān)熱 帶 雨 林 食 物 鏈池塘生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng) 電信行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)跨國公司集聚生物圈 　M型領(lǐng)導(dǎo)模式分析 3. 系統(tǒng)的特征與類型系統(tǒng)的主要特征　行為整體性：整體突現(xiàn)；整體大于個(gè)體之和。　要素多元性：兩個(gè)以上要素構(gòu)成；多元系統(tǒng)；無限系統(tǒng)　結(jié)構(gòu)層次性：子系統(tǒng)；不同層次有不同涌現(xiàn)；同層內(nèi)和層次間作用（例：人的系統(tǒng)）　功能有效性：整體貢獻(xiàn)；效率；功能結(jié)構(gòu)　環(huán)境適應(yīng)性：環(huán)境依賴；環(huán)境約束；系統(tǒng)邊界　演化動(dòng)態(tài)性：結(jié)構(gòu)形態(tài)變化；形成、發(fā)育、存續(xù)、老化、解體。（例：青蛙生活史）人的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)青 蛙 生 活 史 系統(tǒng)的類型劃分 　按形成過程：自然系統(tǒng)；人工系統(tǒng)；復(fù)合系統(tǒng)　按構(gòu)成要素：實(shí)體系統(tǒng)；概念系統(tǒng)　按運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：靜態(tài)系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)系統(tǒng)　按環(huán)境關(guān)系：孤立系統(tǒng)；封閉系統(tǒng)；開放系統(tǒng)　按功能目標(biāo)：控制系統(tǒng)；行為系統(tǒng)　按規(guī)模大�。盒∠到y(tǒng)、大系統(tǒng)、巨系統(tǒng)　按復(fù)雜程度：簡單系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)　按對(duì)象性質(zhì)：農(nóng)業(yè)、工業(yè)、金融、交通 ...... 摩爾定律（1965年） 每18個(gè)月，芯片上集成的晶體管數(shù)量將翻一番 Internet 安全威脅事件中國人均GDP 城市化進(jìn)程 零售商 究竟發(fā)生了什么事？第五項(xiàng)修煉啟示：結(jié)構(gòu)影響行為結(jié)構(gòu)會(huì)影響系統(tǒng)的總合行為。不同的人，置身于相似的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，傾向于產(chǎn)生類似的結(jié)果。參與系統(tǒng)的各個(gè)份子，常常只見樹而不見林，只能針對(duì)眼中所見的 local 信息，做 local 的最佳決策。每個(gè)人的 local 最佳決策，不見得會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的 global 最佳決策。每個(gè)人都在自己的崗位上，以自己的理性，盡力做好行動(dòng)與判斷決策。缺乏系統(tǒng)觀，就無法跳脫這種結(jié)構(gòu)所囿限的個(gè)體行為。 啤酒游戲中的智障 “局限思考”。人們無法看到自己的行動(dòng)如何影響其他的角色。 “歸罪于外”。當(dāng)問題發(fā)生時(shí)，把責(zé)任推向參加游戲的其他角色，甚至顧客。 “主動(dòng)積極”。為解決問題發(fā)出更多的訂單，反而把事情弄糟。  “被煮的青蛙”。超量訂購是逐漸累增的，沒有人意識(shí)到情況的嚴(yán)重性，直到情況已無法扭轉(zhuǎn)。 “未能從經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)”。自己的行動(dòng)在系統(tǒng)內(nèi)其他地方所引起的后果，最后回過頭來造成自己的問題，卻責(zé)怪他人。 “管理團(tuán)體迷失”。當(dāng)決策出問題時(shí)，各種角色的團(tuán)體只會(huì)互相歸咎責(zé)備，無法共同學(xué)習(xí)。供應(yīng)鏈牛鞭效應(yīng) 一個(gè)小幅的擾動(dòng)，透過整個(gè)系統(tǒng)的加乘作用，竟使訂購量都大幅增加，然后再陡然下降。而且愈往上游愈放大。實(shí)例 1989年美三大汽車商通生產(chǎn)的汽車遠(yuǎn)高于銷售量，經(jīng)銷商庫存不斷累積，造成大幅度裁員。整個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)也常經(jīng)歷所稱“存貨加速器理論”的商業(yè)景氣循環(huán)。房地產(chǎn)業(yè)搶購的盛況以及隨后嚴(yán)重的滯銷。各種服務(wù)業(yè)也常發(fā)生這種類似波動(dòng)。 第一講思考題 1. 剖析2008年麥道夫金融欺詐案的實(shí)質(zhì) 2. 舉出一個(gè)指數(shù)增長或邏輯斯蒂增長的實(shí)例，分析其變化規(guī)律及成因。 3. 經(jīng)濟(jì)發(fā)展中產(chǎn)業(yè)集群效應(yīng)舉例。 4. 供應(yīng)鏈牛鞭效應(yīng)舉例。 5. 如何解決“啤酒游戲”的困境。第二講 　系統(tǒng)理論 1．中國古代系統(tǒng)思想 2. 西方傳統(tǒng)思想 3. 系統(tǒng)理論的形成 4. 系統(tǒng)工程技術(shù) 5. 中國系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展與應(yīng)用 6. 系統(tǒng)工程應(yīng)用舉例 1．中國古代系統(tǒng)思想 陰陽五行學(xué)說：五行生克　金生水，水生木，木生火，火生土，土生金 金克木，木克土，土克水，水克火，火克金　　 　五行屬性： 新疆特克斯城 陰陽學(xué)說與現(xiàn)代科學(xué)發(fā)現(xiàn)木王星：1930年，劉子華發(fā)現(xiàn)太陽系的各星體與八卦的卦位存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，據(jù)此第一個(gè)算出了第十顆行星的平均軌道運(yùn)行速度、密度、離太陽的平均距離，命名為“木王星”。以論文“八卦宇宙論與現(xiàn)代天文”獲巴黎大學(xué)博士學(xué)位。創(chuàng)立二進(jìn)制：1667年，德國數(shù)學(xué)家萊布尼茨要?jiǎng)?chuàng)造一臺(tái)乘法機(jī)。在無路可走時(shí)收到了法國傳教士朋友從北京寄給他的“伏羲六十四卦次序圖”和“伏羲六十四卦方位圖”，從而創(chuàng)立了二進(jìn)制。生物控制“陰陽假說”：1973年，戈德伯格受了太極八卦圖的啟發(fā)，認(rèn)為環(huán)腺一磷和環(huán)鳥一磷，就是體內(nèi)兩種對(duì)立的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是“陰陽”的物質(zhì)基礎(chǔ)，從而提出了著名的“陰陽假說”。 道家學(xué)說 《老子》：　　　“道，可道，非常道；名，可名，非常名。無名，天地之始；有名，萬物之母。” 　　　“道生一，一生二，二生三，三生萬物” 　　　“有物混成，先天地生。寂兮寥兮， 獨(dú)立而不改，周行而不殆，可以為天下母。吾不知其名，字之曰道，強(qiáng)為之名曰大。” 《莊子》：　　　“夫道，有情有信，無為無形；可傳而不可受，可得而不可見；自本自根，未有天地，自古以固存；神鬼神帝，生天生地；在太極之上而不為高，在六極之下而不為深，先天地生而不為久，生于上古而不為老。” 　　　“夫道，覆載萬物者也，洋洋乎大哉！” 普里高津《從混沌到有序》：　　　“西方科學(xué)和中國文化對(duì)整體性、協(xié)和理解的很好的結(jié)合，這將導(dǎo)致新的自然哲學(xué)和自然觀。” 2. 西方傳統(tǒng)思想蘇格拉底最大的麥穗 拉斐爾《雅典學(xué)派》 1509年 壁畫 近代科學(xué)　哥白尼：日心說宇宙體系；《天體運(yùn)行論》　笛卡兒(Descrartes)： 解析幾何；《哲學(xué)原理》　　　樹根是“形而上學(xué)”，樹干是“物理學(xué)”，樹枝是各門具體科學(xué)　　　機(jī)械唯物主義；“動(dòng)物是機(jī)器” 　　　還原論；“把正在考慮的難題分成盡可能多和必要的部分，以便把它最好地加以解決”；追求簡單性和線性解。系統(tǒng)論與還原論的關(guān)系 牛頓：《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》； 機(jī)械決定論；上帝“第一推動(dòng)” 　　世界圖景：機(jī)械的、分析的、線性的、被組織的 萊布尼茲(Leibniz)：《單子論》；能動(dòng)性　　　“每個(gè)生物的有機(jī)形體乃是一種神圣的機(jī)器，一個(gè)自然的自動(dòng)機(jī)，無限地優(yōu)越于一切人造的自動(dòng)機(jī)。”“自然的機(jī)器即活的形體則不同，它們無窮小的部分也還是機(jī)器。就是這一點(diǎn)造成了自然與技藝之間的區(qū)別，亦即神的技藝與我們的技藝之間的區(qū)別。” 3.系統(tǒng)理論的形成 十九世紀(jì)的科學(xué)發(fā)展　三大成就：細(xì)胞學(xué)說；能量守恒；進(jìn)行論；　　　　　　統(tǒng)一了自然界細(xì)節(jié)認(rèn)識(shí)�！∨ｎD力學(xué)：可逆性、對(duì)稱性　克勞修斯：熵增原理；宇宙熱寂論　達(dá)爾文：進(jìn)化論； 單細(xì)胞到多細(xì)胞、低級(jí)到高級(jí)發(fā)展 新的呼喚： 統(tǒng)計(jì)性；演化性；系統(tǒng)性　　相對(duì)論：低速到高速；相對(duì)時(shí)空取代絕對(duì)時(shí)空　　　量子力學(xué)：宏觀推進(jìn)到微觀；間斷補(bǔ)充了連續(xù) 統(tǒng)計(jì)力學(xué)：吉布斯1901；可逆到不可逆；復(fù)雜性取代簡單性　　貝塔朗菲：一般系統(tǒng)論；整體性、動(dòng)態(tài)性、層次性 蘭德(RAND)公司 (Research and Development) 1948年由福特基金會(huì)提供資金正式成立�？偛吭O(shè)在加利福尼亞州。 蘭德成功預(yù)測案例： 中國出兵朝鮮； 蘇聯(lián)衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間； 中美建交； 古巴導(dǎo)彈危機(jī)； 美國經(jīng)濟(jì)大蕭條； 德國統(tǒng)一 路德維希·馮·貝塔朗菲（1901-1972) 美籍奧地利理論生物學(xué)家和哲學(xué)家 一般系統(tǒng)論的創(chuàng)始人 Bertalanffy的觀點(diǎn) 　　　“不能只是孤立地研究部分和過程，還必須研究各部分的相互作用，應(yīng)把生物作為一個(gè)整體或系統(tǒng)來考慮。” 　　　“需要一種理論，不是屬于專門系統(tǒng)的理論，而是適用于一般系統(tǒng)的通用原理。” 　　　“它的主題是表述的推導(dǎo)對(duì)一般系統(tǒng)都有效的原理。” “系統(tǒng)存在著一般化的發(fā)展模式和發(fā)展規(guī)律；不管系統(tǒng)的分類和系統(tǒng)的具體構(gòu)成如何。” 生態(tài)群體協(xié)同消長 4.系統(tǒng)工程技術(shù)定義　　　在系統(tǒng)思想指導(dǎo)下，把自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的某些思想、理論、方法結(jié)合起來，運(yùn)用近現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法和計(jì)算工具，對(duì)大復(fù)雜系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換、行為控制等功能進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)，以更佳地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)的一門綜合性的組織管理技術(shù)。 系統(tǒng)工程步驟： 霍爾(A.D.Hill，1969)三維結(jié)構(gòu) 邏輯維：明確問題；確定目標(biāo)；系統(tǒng)綜合；系統(tǒng)分析；優(yōu)化；決策；實(shí)施�！�時(shí)間維：規(guī)劃；擬定方案；研制；生產(chǎn)；安裝；運(yùn)行；更新�！≈�識(shí)維：工程；醫(yī)學(xué)；建筑；商業(yè)；法律；管理；社會(huì)科學(xué)；藝術(shù)�；魻柸�維結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)工程方法：按照霍爾邏輯維　　　明確問題：直觀經(jīng)驗(yàn)法；預(yù)測法；結(jié)構(gòu)模型法；統(tǒng)計(jì)分析法；　建立評(píng)價(jià)體系：效用理論；費(fèi)用效益分析；風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)；價(jià)值工程　系統(tǒng)綜合：明確結(jié)構(gòu)；找出手段；人機(jī)結(jié)合　系統(tǒng)分析：變量選擇；建模和仿真；可靠性工程　方案優(yōu)化：最優(yōu)解或滿意解；最優(yōu)化方法　決策：個(gè)人與團(tuán)體；定性與定量；單目標(biāo)與多目標(biāo)　實(shí)施：制定計(jì)劃；PERT/CPM 例：香皂生產(chǎn)線如何避免空裝盒？ 例：利用商業(yè)鏈尋找創(chuàng)業(yè)機(jī)會(huì)的實(shí)例：牛仔服 都江堰水利工程 　　四川都江堰市； 2200多年；先秦李冰父子。經(jīng)受住了2008年汶川地震的考驗(yàn)。 　　三大主體工程： 魚嘴分水堤、飛沙堰溢洪道、寶瓶口進(jìn)水口。　　功能：江水自動(dòng)分流、自動(dòng)排沙、控制進(jìn)水流量、消除了水患。　　效果：灌溉面積已達(dá)40余縣，現(xiàn)超過一千萬畝。 丁渭修皇宮 宋真宗年間(1008—1017)，都城開封里的皇宮失火，需要重建. 右諫議大夫、權(quán)三司使丁渭受命負(fù)責(zé)限期重新營造皇宮.三項(xiàng)措施： 將城中街道挖開取土，街道成了大溝。 引汴河水進(jìn)入大溝，調(diào)來竹筏、木船運(yùn)送物材。 皇宮建畢，將大溝水排盡，將磚頭瓦礫添入大溝，重新成為街道。 丁渭一舉三得，挖土、運(yùn)送物材、處理廢棄瓦礫等三件工程一蹴而成，節(jié)省的工費(fèi)數(shù)以億萬計(jì). 引水示意圖 錢學(xué)森系統(tǒng)科學(xué)體系 錢學(xué)森知識(shí)體系總圖：1993年繪，1996年定。 第二講課外練習(xí) 1. 舉例說明還原論思想的成功應(yīng)用與局限性。 2. 都江堰水利工程為什么會(huì)取得成功？ 3. 了解統(tǒng)籌法原理并舉例進(jìn)行應(yīng)用。 4. 參考課中實(shí)例，繪制出實(shí)施某系統(tǒng)工程的霍爾三維結(jié)構(gòu)圖。 5. 通過課外閱讀，認(rèn)識(shí)“復(fù)雜”的科學(xué)含義。Gtg紅軟基地

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