系统科学-自组织理论
教学设计理论基础——系统科学
教学设计理论基础——系统科学第三节系统科学与教学设计系统科学是在第二次世界大战前后兴起的。
它是以系统及其机理为对象，研究系统的类型、一般性质和运动规律的科学，包括系统论、信息论、控制论等基础理论，系统工程等应用学科以及近年来发展起来的自组织理论。
它具有横断科学的性质，与以往的结构科学（以研究“事物”为中心）、演化科学（以研究“过程”为中心）不同。
它涉及许多学科研究对象中某些共同的方面。
系统论、信息论、控制论就是把不同对象的共同方面，如系统、组织、信息、控制、调节、反馈等性质和机理抽取出来，用统一的、精确的科学概念和方法来描述，并力求用现代的数学工具来处理。
所以，系统科学是现代科学向系统的多样化、复杂化发展的必然产物。
它在现代科学技术和哲学、社会科学的发展中具有十分重要的意义，为人们认识世界和改造世界提供了富有成效的、现代化的“新工具”。
一、系统论、信息论、控制论的产生在人类思想史上，早已有关于系统的观念。
古希腊思想家已提出“秩序”、“组织”、“整体”、“部分”等概念来认识世界。
中国古代阴阳五行学说把事物看成相生相克的整体。
但作为研究各种系统一般原则的系统论则是于本世纪20～30年代，由美籍奥地利生物学家贝塔朗菲提出的。
贝塔朗菲和一些科学家在20年代中期提出了机体论，创立了机体系统论的生物学研究方法，把协调、秩序和目的性等概念和数学模型应用于有机体的研究，主张把有机体作为一个整体或系统，用生物与环境相互关系的观点来说明生命现象的本质，从而解释以往机械论所无法解释的生命现象。
贝塔朗菲机体论的基本思想是：（1）整体观点；（2）动态结构与能动观点；（3）组织等级性观点。
这些基本思想已包含了贝塔朗菲后来提出的一般系统论的基本内容。
他先后发表了《理论生物》、《现代发展理论》、《关于一般系统论》等著作，对系统概念、整体性、集中性、终极性以及封闭系统、开放系统等都作了深刻论述，从而奠定了现代系统论的基础。
信息论是本世纪40年代在现代通信技术发展的基础上诞生的，是研究信息的获取、储存、传递、计量、处理和利用等问题的一门新兴学科。
复杂性和自组织理论综述
复杂性和自组织理论综述第二次世界大战以后，科学发展出现一个大转折，即从简单性科学向复杂性科学发展。
现代的技术和社会已经变得十分复杂，传统的研究方法和研究手段已经不再满足要求。
这是用系统科学处理复杂性问题研究兴起的背景。
控制学家阿希贝提出研究复杂系统的战略。
信息学家魏沃尔“科学与复杂性”是当时复杂性探索的最高成就，认为未来科学主要研究有组织的复杂性。
自组织理论标志复杂性探索的高潮。
自组织理论认为应该以自组织为基本概念来探索复杂性的本质和根源。
Haken 基于代数复杂性定义一般复杂性，认为复杂性研究的关键是对复杂系统时空特性和功能结构的变化。
Prigogine学派断言现代科学在一切层次上都会遇到复杂性问题，只是在复杂性的类型，程度和层次上有所不同，主张建立复杂性科学。
他们提出的耗散结构理论为探索生物复杂性和社会复杂性奠定了基础。
80年代末以来，圣塔菲研究所致力于建立能够处理一切复杂性问题的一元化理论，研究手段是计算机模拟。
虽然能够处理一切复杂性问题的一元化理论很不现实，因为复杂性科学不是一门学科，而是未来科学的总称。
但他们关于演化经济学，人工生命，复杂自适应系统，免疫系统，Hopfield网络模型，自动机网络，“混沌边缘”的研究成果深化了学术界对复杂性和复杂性科学的认识。
钱学森提出开放的复杂巨系统概念并制定一套研究方法，他把复杂性研究纳入系统科学体系，采用系统概念解释复杂性。
现在还不可能给复杂性下一个精确的，统一的定义。
我认为应该从系统的动力学特性角度出发来定义复杂性，即复杂性是开放的，元素之间关联方式差异显著的，多层次巨系统的动力学特性。
下面介绍自组织理论及用系统论的观点来研究复杂性。
耗散结构理论（1967年Prigogine创建）认为一个远离平衡的开放系统通过不断与外界交换物质和能量，在外界条件变化达到一定阈值时，就可能从原来的无序状态转变为一种在时空上或功能上有序的状态。
一个系统能够实现自组织而形成耗散结构必须满足：（1）系统开放，系统充分开放就有可能驱使系统远离平衡态。
自然辩证法科学技术哲学第十章系统科学方法论
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2)、白系统：指人们对其要素和结构已经知道得很清楚 的系统； 3)、灰系统：指人们对其要素和结构的认识若明若暗的 系统。
③、从系统所处的状态划分，可划分为： 1)、平衡态系统：指系统内部无差异的系统； 2)、近平衡态系统：指系统内部有差异但这种差异只能 使线性相互作用表现出来的系统； 3)、远离平衡态系统：指系统内部差异明显从而使非线 性相互作用表现出来的系统。
综合分析后的结论是：第三方案最能确保在短期内最 经济地完成阿波罗计划的全部目标。所以，决定采取第三 方案。结果，在1969年7月16日通过发射阿波罗11号飞船， 终于成功地把两名宇航员送上月球，并如期完成考查任务 后于7月24日返回地面。
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二、控制论方法
从方法论上看，控制论方法的基本原理概括起来 大致有如下三条。
（2）、系统方法的基本原则 ①、整体性原则 ②、动态原则 ③、最优化原则 ④、模型化原则
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例：美国的“阿波罗计划”
1961年5月25日，美国政府宣布了20世纪60年代末实现 人员登月计划，同时成立了阿波罗计划办公室。办公室根据 指定目标收集大量资料，经过一段时间的已经论证，作出方 案比较，最后为实现登月宇宙飞行提出三个备选方案，给决 策者选择。
1、根据系统的输入——输出来刻画系统的行为
环境对系统的作用在 控制论中被概括为“出入”， x1 如物质、能量和信息等的 X(t) x2
输入；系统对环境作用的 响应称之为“输出”，系统的
xm
系统
y1 y2
Y(t)
yn
输出集合及其变化，实际上是系统的行为。控制论就是用一
组分别表示输入和输出的时间函数来描述或刻画系统的行为
自组织原理
自组织原理结课论文摘要：一般来说，组织是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过程。
德国理论物理学家H.Haken认为，从组织的进化形式来看，可以把它分为两类：他组织和自组织。
如果一个系统靠外部指令而形成组织，就是他组织；如果不存在外部指令，系统按照相互默契的某种规则，各尽其责而又协调地自动地形成有序结构，就是自组织。
自组织现象无论在自然界还是在人类社会中都普遍存在。
一个系统自组织功能愈强，其保持和产生新功能的能力也就愈强。
例如，人类社会比动物界自组织能力强，人类社会比动物界的功能就高级多了。
关键词：八个自组织原理正文：（一）涌现原理：所谓涌现原理，通常是指多个要素组成系统后，出现了系统组成前单个要素所不具有的性质，这个性质并不存在于任何单个要素当中，而是系统在低层次构成高层次时才表现出来，所以人们形象地称其为“涌现”。
系统功能之所以往往表现为“整体大于部分之和”，就是因为系统涌现了新质的缘故，其中“大于部分”就是涌现的新质。
系统的这种涌现性是系统的适应性主体之间非线性相互作用的结果。
涌现是一种从低层次到高层次的过渡，是在微观主体进化的基础上，宏观系统在性能和机构上的突变,在这一过程中从旧质中可以产生新质。
“系统科学中，有一条很重要的原理，就是系统结构和系统环境以及它们之间关联关系，决定了系统整体性和功能。
也就是说，系统整体性与功能是内部系统结构与外部系统环境综合集成的结果，也就是复杂性研究中所说的涌现(E-mergence)。
”涌现过程是新的功能和结构产生的过程，是新质产生的过程，而这一过程是活的主体相互作用的产物。
自下而上式、自发性，涌现性是自组织必备的和重要特征。
（二）非线性原理：所有已知系统，当输入足够大时，都是非线性的。
因此，非线性系统远比线性系统多得多，客观世界本来就是非线性的，线性只是一种近似。
对于一个非线性系统，哪怕一个小扰动，象初始条件的一个微小改变，都可能造成系统在往后时刻行为的巨大差异。
自组织理论概述
一自组织理论概述自组织理论是以研究自组织现象为研究对象而形成的理论体系,它主要包括耗散结构理论、协同学、超循环理论、突变理论、混沌理论和分行理论等若干关于系统演化的理论;自组织理论体系中,耗散结构了深刻地揭示了自组织现象形成的环境与产生条件；协同学较多地涉及了自组织形成的内在机制；超循环理论阐述了系统自组织演化的具体形式以及结合发展的过程；突变论着重剖析了自组织演化的途径；混沌动力学和分行理论则对系统走向自组织过程中的时间复杂性和空间结构与特性进行了解释和描述;以上这些理论在极短一个时期内相继问世、迅速发展,形成了当今自然科学探索自组织的复杂性演化的前沿;自组织理论的基本概念1 自组织综合多种文献中对自组织的定义或理解,笔者认为所谓自组织是指系统的构建及演化依靠与外界的“特定”干涉,不断向结构化、有序、多功能方向发展,系统的结构、功能随着外界环境变化也将“自动”改变;这里“特定”一词是指那种结构或功能并非外界强加给系统的,文献79指出自组织包含三类过程：第一,由被组织到自组织的过程演化；第二,由自组织程度低到自组织程度高的过程演化；第三,在相同自组织层次上由简单到复杂的过程演化、这三个过程有着本质的区别：第一过程是从混乱的无序状态到有序状态的演化,研究自组织的起点和临界点问题；第二过程是自组织层次跃升过程；是有序程度通过跃升得以提升的过程,是自组织形式的革命；第三过程标志着自组织结构与功能在相同自组织层次上从简单到复杂的水平增长;2 平衡态和非平衡态平衡态具有两个特征：一是系统参量不随时间变化；二是系统内部不存在物理量的宏观流动;可见系统的平衡态是一种封闭的、不与外界交流的定态;不具备这两个条件的称之为非平衡态,又称远离平衡态;系统因素在外界的作用并且达到一定程度下,其平衡态则偏离原来的状态形成了非平衡态;处在非平衡态的系统,长期不与外界交流,系统状态将逐渐趋于“静止”,”稳定”,平衡态产生,因此,平衡态与非平衡态在一定条件下是可以转化的,而且系统演化正是系统状态由平衡态向非平衡态,再由非平衡态向更高层次的平衡态转化的螺旋式上升的变化过程;3序和熵序是日常生活中的排次序;每一种序都体现一种非对称性、非守恒性、非平衡性,和非均衡性,就是说每一种序都来自于一种特定的对称性的破缺;所谓对称性是以某种事物在某一给定操作下保持不变的性质,按对称性排序,把有序定义为破缺了的对称性,把有序理解为事物之间规则地相互联系,把无序理解为事物之间无规则地相互联系,没相互联系的事物群体不是系统,不存在秩序性问题;序是系统科学中的一个概念,如果组成系统的每个个体能够互相协调,方向一个,那么这个系统就是无序的,如果系统内的个体互相独立,方向各异,那么,这个系统就是无序的;“序”反应了系统之间或系统内部各要素之间的关系所具备的一定次序;熵是热力学中的概念,通过熵的大小对系统的无序程度进行度量,热力学系统的每一宏观分布的排列数W为热力学概率;S=---K㏑WK为玻耳兹曼常数,K=1.381×10-23J/K；W为热力学概率,不同宏观分布具有不同的热力学概率,而均匀分布对应于最大的热力学概率,此时具有最大熵,而熵的最大状态就是无序状态,即平衡态;因此,熵值大小可以衡量系统的无序程度;一个系统的熵值越高,它就越显得混乱无序,或者说,它的有序化程度就会越低;熵只适用于同一系统不同状态的比较,而决不适用于不同系统有序的比较;不同系统之间的有序不能简单以熵值表示;不能说有序度或组织度越高,系统就越进步,越高级,反之亦然;4涨落涨落也称起伏,从系统存在状态来看,涨落是对系统平衡状态的偏离；从系统的演化过程来看,涨落是系统在同一发展演化过程之中的差异;他们都是对系统平衡态的“破坏”.这种偏离和差异的出现是随机的、普遍的;5 相、相变和序参量所谓“相”是指系统在某一条件相爱所处的状态,系统由一种状态向另一种状态的转变称为相变,因此,相变也表示系统“序”的产生,变化和反映;相变是系统由序程度累积,是系统发生质变的结果;6 涌现涌现是系统在演进过程中新的功能和结构的出现;涌现是指系统具有,而组成部分或部分总和没有的性质,涌现是用以描述复杂系统层级结间整体宏观动态现象的概念;涌现性是指那些高层次具有而还原到低层次就不复存在的属性、特征、行为和功能;也就是说涌现是在复杂系统中的行为主体,根据各自行为规则进行相互作用所产生的没有事先计划但实际却发生了的一种行为模式;涌现,是复杂系统自组织过程中出现在系统的宏观层次上的新的,协同的结构与模式和性质;尽管涌现现象发生在不同类型的系统里,但是,他们具有一定共同性特征,主要包括在以下方面：1、涌现产生全新的现象;2、涌现是总体或宏观层次的;3、涌现是系统各元素协同、关联的结果;4、涌现是动态的;涌现现象并不是预先给定的整体行为,而是作为一个复杂系统随时间演化而产生的;5、涌现是可以显示性的,涌现要通过自身的演示过程而得到辨识;二自组织理论群自组织理论是研究自组织现象和规律的理论集合,包括：耗散结构理论、协同学、突变与分岔论;超循环理论、混沌理论等,他们从不同侧面研究了复杂系统从无序向有序方向演化的规律;1 耗散结构理论耗散结构是指处在远离平衡态的系统,通过与外界能量流或物质流交换及系统自组织所形成的一种新的有序结构;耗散结构理论是研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论,解决什么情况下系统可以或可能出现耗散结构,系统怎样从混沌无序的初始状态向稳定有序的结构组织演化和演化规律的问题;耗散结构的形成和维持必须满足三个条件：一是系统必须是开放系统,对于自然系统的开放容易判断,对于社会系统开放的判断则较多体现在观念与言论的开放性、思想的开放性、市场的开放性等软方面;二是系统必须处于远离平衡的非线性区域,非平衡才会出现涨落,非线性使涨落得以放大成为巨涨落,巨涨落是耗散结构出现的触发器;三是系统中必须有某些非线性过程和正负反馈机制,使涨落过程在系统汇总得以发挥作用;2协同学协同学主要研究开放系统在一定条件下如何自发的产生协同有序结构及其功能和行为的理论,其主要方法是用演化方程来研究系统的各种非平衡态和不稳定性；研究系统在外部参量的驱动下和在子系统之间相互作用下,以自组织的方式在宏观尺度上形成空间、时间或功能有序结构的条件、特点及其演化规律;系统的状态可以由一组状态参量,,即序参量来描述;协调学的研究对象与耗散结构有类似之处,他们都是研究与外界保持物质和能量交换的,远离热力学平衡态的开放系统,但协同学更为综合性地研究了系统从独立无序向协同有序转变的共同规律;序参量是代表系统宏观有序度的参量,是表征系统宏观模式的参量;序参量的存在标志着系统处于某种宏观有序状态,它的大小表示系统所能达到的有序化程度;随着控制参量趋于临界值,序参量会突然出现并迅速放大,标志着系统已达到某种有序的时空结构和功能行为,系统已经运行于某种特定模式之中,或以这种模式自行组织起来并投入运转;3混沌理论混沌是指确定的宏观的非线性系统在一定条件下所呈现的不确定的或不可预测的随机现象,是确定性与不确定性或规则性与非规则性或有序性与无序性融为一体的现象；其不可确定性或无序性随机性不是来源于外部干扰,而是来源于内部的”非线性交叉耦合作用机制,这种非线性交叉耦合作用机制,的数学表达式是动力学方程中的非线性项,正是由于这种“交叉”作用,非线性系统在一定的临界性条件下表现出混沌现象,导致其对初值的敏感性,导致系统内在的不稳定性的综合效果;自组织理论群的基本原理1涌现原理一种自行组织起来的结构、模式、形态、或者他们所呈现的特性、行为、功能、不是系统要素所固有的,而是相互作用的产物;2开放性原理普利高津以总商熵公式为工具指出了开放性是自组织的必要条件;当系统出现熵减时自组织产生;虽然一个封闭的但空间突然暴涨箱子也会出现熵减,但是开放是针对孤立系统来说的,并非空间封闭就是不开放,只要有能量交换就是开放性的;3非线性原理系统要素间的合作与竞争本质上是非线性的,线性相互作用至多产生平庸自组织,真正的自组织只能出现在非线性足够强的系统中,自组织意味着存在凝固加强的正反反馈循环,形成自组织核心后,逐渐扩展,非线性时自组织的必须;4反馈原理其余非线性原理一体两面,系统要有强的非线性就必须要求要素之间的反馈性能够发挥出来,而非线性作用同时也强化了系统要素间的反馈作用,正反馈和负反馈共同作用保证了自组织的生长和自我抑制;反馈应该有直接反馈和间接反馈,应把反馈的直接程度作为一个指标5不稳定性原理新结构的出现以原有结构失去稳定性为前提,或者以破坏系统与环境间的稳定平衡为前提;去除系统结构的刚性,让系统变得柔性,降低系统内子系统之间的耦合度,这样系统才能适应外界的变化,才能在系统内形成各种自组织;供应链协同的内容和过程1战略协同供应链战略是用于指导整个供应链高效运作、增强供应链整体竞争能力并获得最大整体利益的原则和规范;一方面,供应链战略明确了供应链组建的目的及意义,供应链各成员企业在共同战略的指导相爱如何互相协作；另一方面,在共同目标的规划下,供应链战略也成了各成员企业行为的基本规范;一般而言,战略协同是对供应链管理中事关全局的重大核心问题的合作与协调,是实现供应链协同管理的重要基础,依据战略的选择过程,供应链战略协同主要体现在以下几个层次竞争战略与供应链运作战略协同,在这个层次上,战略协同是指企业的竞争战略与供应链运作战略所要呈现的目标相同,也就是说竞争战略所要实现的姆目标与供应链运作战略用来建立供应链能力目标之间的协调一致节点企业内部的战略协同;在企业内部整个供应链上,新产品研发、生产运营、市场营销、分销物流、客户服务等各个部门,还有很多的支持部门如财务、信息技术、人力资源等,彼此的战略具有适配性,能够协同一致;节点企业之间的战略协同;供应链的战略协同不仅仅局限于企业内部,而应突破企业边界,延伸到供应商和客户,甚至供应商的供应商和客户的客户,使得各个节点企业的职能性战略供应链战略保持一致;2信息协同信息协同是供应链管理成功与否的关键因素之一;供应链各环节之间既分工又合作,既独立又融合,以保证整个链条的运行达到最佳状态,这种分工合作,独立与融合是基于供应链各节点企业的信息互动和共享,否则各个节点企业会成为彼此孤立的、残缺的片断;供应链上的各个节点企业只有实现了高质量的信息传递和共享,才能使供应链成为真正意义上的为客户需求所驱动的供应链,保证客户需求信息在传递过程中不失真,不仅能够有效解决供应链中的“牛鞭效应”、委托、代理和欺骗等问题,提高供应链整体绩效,而且能够促进供应链企业建立长期稳定的合作伙伴关系;一般来讲,信息共享的方法常见的有零售商向管理其库存的供应商提供销售时点数据,生产商向供应商提供生产需求信息以支持零库存计划;随着互联网的出现,EDI在共同预测、计划和补货方面的应用使得信息沟通的程度大大增强了;3信任协同供应链各节点企业之间的合作关系是以信任为基础的,要实现供应链协同管理就必须加强信任协同;然而,虽然供应链各企业的决策者们也深知合作的重要性,但却往往对“合作条款”缺乏信任度,或处于“观望”和“保留意见”状态,怕本企业在合作过程中“吃亏”,希望尽量将责任风险、成本等转嫁给合作企业,同时却尽全力地将利益收归自己的囊中;如果是这样,企业间就无法建立起有效的合作;要改变这种状况,就要在合作企业间建立信任机制;合作企业间只有建立了信任机制,整条供应链的运作效率才能得到保证和提高,企业才能赢得长久的竞争优势,加强相互之间信任的培养,将促进企业间的合作,改进企业提高生产与服务的柔性以及不可预测的事件发生时增强双方的责任感;努力保持供应链的协调性,谋求整个供应链共同的利益;相互之间的信任减少了不必要的摩擦与矛盾,并减少由此引起的时间和成本耗费;4业务协调业务协同,就是在供应链各节点之间实现端到端的业务流程整合,使得各个合作环节的业务“对接”更加紧密;流程更加通畅;资源利用更加有效,以便快速响应客户的需求和市场机遇,应对外部的挑战;面对机会与挑战,企业期望真正做到“随需应变”,在供应链管理环境下利用业务协同平台即可帮助企业实现与供应链上供应商、客户之间,也可帮助企业实现不同部门、分支机构之间的业务协作和计划协同;如通过集成CRM、信息系统等模块;实现数据的共享和基于工作流的信息传递,使得整个链上业务协调运作;5分配协同。
系统科学中的老三论 新三论
系统科学领域“老三论”、“新三论”一、引言老三论系统论、控制论和信息论是本世纪四十年代先后创立并获得迅猛发展的三门系统理论的分支学科。
虽然它们仅有半个世纪，但在系统科学领域中已是资深望重的元老，合称“老三论”。
人们摘取了这三论的英文名字的第一个字母，把它们称之为SCI论。
耗散结构论、协同论、突变论是本世纪七十年代以来陆续确立并获得极快进展的三门系统理论的分支学科。
它们虽然时间不长，却已是系统科学领域中年少有为的成员，故合称“新三论”，也称为DSC论。
二、“老三论”、“新三论”理论概述1、系统论、控制论和信息论系统论的创始人是美籍奥地利生物学家贝塔朗菲。
系统论要求把事物当作一个整体或系统来研究，并用数学模型去描述和确定系统的结构和行为。
所谓系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的、具有特定功能的有机整体;而系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。
贝塔朗菲旗帜鲜明地提出了系统观点、动态观点和等级观点。
指出复杂事物功能远大于某组成因果链中各环节的简单总和，认为一切生命都处于积极运动状态，有机体作为一个系统能够保持动态稳定是系统向环境充分开放，获得物质、信息、能量交换的结果。
系统论强调整体与局部、局部与局部、系统本身与外部环境之间互为依存、相互影响和制约的关系，具有目的性、动态性、有序性三大基本特征。
控制论是著名美国数学家维纳（Wiener N）同他的合作者自觉地适应近代科学技术中不同门类相互渗透与相互融合的发展趋势而创始的。
它摆脱了牛顿经典力学和拉普拉斯机械决定论的束缚，使用新的统计理论研究系统运动状态、行为方式和变化趋势的各种可能性。
控制论是研究系统的状态、功能、行为方式及变动趋势，控制系统的稳定，揭示不同系统的共同的控制规律，使系统按预定目标运行的技术科学。
信息论是由美国数学家香农创立的，它是用概率论和数理统计方法，从量的方面来研究系统的信息如何获取、加工、处理、传输和控制的一门科学。
系统科学的基本原理
第八章系统科学的基本原理系统科学的哲学依据，归根到底是唯物辩证法。
唯物辩证法的核心是对立统一、质变量变、变化发展，用之于系统研究，就是强调整体论与还原论、分析与综合、定性描述与定量描述、局部描述与整体描述、确定性描述与不确定性描述、静态描述与动态描述、理论方法与经验方法等的结合，这些结合是系统科学的精髓所在。
涌现性、层次性、开放性、目的性、稳定性、突变性、自组织性和相似性，是种种系统的八种基本特性，每种基本特性是系统的一个基本方面，将他们进行概括、归纳，形成了系统科学的八条基本原理。
1．涌现性原理涌现性原理指的是，系统是由若干要素组成的具有一定新功能的有机整体，各个要素一旦组成系统整体，就具有独立要素所不具有的性质和功能，形成了新的系统质的规定性，从而表现出整体的性质和功能不等于各个要素的性质和功能的简单加和。
整体和部分系统的整体和部分之间，实际上存在三种关系，即：整体大于部分和——“三个臭裨将，顶个诸葛亮”；整体等于部分和——机械的加和，一堆沙子，一筐水果，全部员工工资的加和；整体小于部分和——“一个和尚挑水喝，两个和尚抬水喝，三个和尚没水喝”。
部分和是否等于整体，其实质就在于部分之间是否存在协同作用。
部分之间如果具有协同作用，那么对于由协同作用所决定的性质而言，整体就会大于部分和；部分之间没有协同作用，实际上是不存在相互作用，各个部分仍然是各自独立的，那么就这种互不相关的性质而言，部分和就等于整体。
部分之间如果也存在着相互作用，但这种相互作用不是协同的相互作用，他们没有造成所论方面的整体的优势，三个和尚互相扯皮就反而没有了水喝，其结果可以表述为整体小于部分和。
例，方向各异的矢量求和。
注意整体与部分是有区别的，但这种区别是有条件的、相对的，在一定的情况下可以发生转变。
分析和综合分析把整体分解为部分来加以认识，认识部分是分析的主要任务。
科学研究是离不开分析的，离开了分析就不可能深入事物的内部，就不能剖析事物的细节，分析是认识走向深化的前提。
自组织理论简介PPT课件
开始液体没有任何宏观的运动。
当上下温差达到一定的程度，
液体中突然出现规则的六边形
对流图案。
ห้องสมุดไป่ตู้
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贝纳德对流
1900年，法国 科学家贝纳德 (E.Benard)做 了一个著名的 对流实验。
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2、B—Z反应
（1）化学钟
50年代初，俄国化学家别洛索夫用柠檬酸、
溴酸钾、硫酸作配剂，用铈盐作催化剂进行实
——进化
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普利高津
1969年，在一次“理论物理与 生物学”国际会议上，比利时布鲁 塞尔学派的领导人普利高津教授 （1977年获诺贝尔化学奖）针对非 平衡热力学和统计物理学的发展提 出了一种新理论———耗散结构理 论。普利高津被 “时间悖论”惊呆了。经过刻 苦研究，他认为，要把热力学和动力学，热力 学与生物学统一起来，就必须研究非平衡态的 结构，必须研究更为普遍的热力学理论。 1返3 回
1945年，普利高津在原有理论基础上得出 最小熵产生原理。这一原理和昂萨格“倒易关 系”一起为近平衡态线性区热力学奠定了理论 基础。
但发现近平衡态线性区不能产生进化的系 统，所以促使他试图将这一原理延拓到远离平 衡的非线性区。经过20多年的努力，他终于与 布鲁塞尔学派的同事们创立了耗散结构理论。
耗散结构——消耗能量，吸收物质信息产 生有序结构的稳定系统。
Benard对流：
T较小时 流
dQ dts
(ddTz )z0
线性关系 力
T较大，达到或超过临界值时，流与力的线性 关系被破坏。非线性关系导致对流结果。
4、状态突变——分岔
控制参量 无序
T 反应物浓度 泵浦功率
有序
c
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统与环境之间的合作，不会有新结构的出现。没有组分
之间的竞争，特别是没有系统与环境中其他系统的竞争， 也不会有新结构的出现。合作与竞争本质上是非线性的。
• 反馈原理 把系统现在的行为结果作为影响系统未来行为 的原因，这种操作称为反馈。 以现在的行为结果去加强 未来的行为，是正反馈。 以现在的行为结果去削弱未来
• 相变理论是物理学的自组织理论，系统地解释了物质三态 转变的机理。 • 20世纪中叶阿希贝出版《自组织原理》 • 20世纪60年代末以后，出现了一批以揭示一般自组织规律 为目标的科学学派，代表人物有普利高津、哈肯、艾根、 巴克等，提出耗散结构论、协同学、超循环论、自组织临 界态理论，以现代科学的前沿成果为依据，建构描述自组 织现象的概念框架。 • 圣塔菲学派80年代以来强有力地推动了自组织理论得发展。
正反馈与负反馈适当结合起来，才能实现系统的自我组 织。
• 不稳定性原理 新结构的出现要以原有结构失去稳定性为前提，
或者以破坏系统与环境的稳定平衡为前提。但新结构只有能够稳
定下来才算确立了自己，并在环境中存续运行下去。一个不具备 稳定机制的系统不可能真正产生出来，更不可能保持自己。自组 织是稳定性与不稳定性的统一，鉴于不稳定性对自组织过程具有 革命性意义，按照哈肯的说法，统称为不稳定性原理。 • 支配原理 系统内部的不同组分、要素、趋势、力量、变量、模
• 信息判据 信息是负熵，有序度、组织度增加的过程是系统 增加信息的过程，有序度、组织度减少的过程是系统损失信 息的过程。因此，一些系统理论家，待别是控制理论家，试 图以系统信息量的变化作为自组织的判据，令 γ 记系统的剩 余度。 • （8.3） • γ在0与1之间取值，γ =0表示系统完全无序，系统增加信息意 味着增加剩余度，即 • （8.4） • 在系统自组织过程中，信息熵H和最大熵Hm都是时间的函数。 将(8．3)代入(8．4)，有 • （8.5） dH • 最大熵Hm由系统的规模(可能状态数)决定， dt ＞0表示系统不 断增加状态和元素，相当于系统从环境中吸收营养而不断壮 dH 大其规模，即自我组织。dt ＜0表示系统通过实践和学习不断 从外界获取信息，增加有序度，也是自我组织。
• 对于物理化学系统中的简单自组织现象，一般可以建立数
学模型，可以进行真实的实验研究。对于生命、社会、思 维领域的复杂自组织现象，一般没有有效的数学模型，进 行真实的实验研究也很有限。最适用的方法是在电子计算 机上做数值实验，模拟实际系统的自组织现象。
• 关于自组织现象的另一种属于系统科学的分类，是按照自
• 系统不仅要有开放性，同时要有封闭性或隔离机制，以 保证已积累的信息和能量不至流失，防止外部有害因素 的侵袭。自组织过程是系统开放性与封闭性的统一。
• 非线性原理 满足叠加原理的线性系统无法产生整体突现
性，整体突现性是系统组成部分之间、系统与环境之间 非线性相互作用的产物，是典型的非线性效应。组分之 间的相互作用大体分为合作和竞争两种形式，都是系统 产生自组织行为的动力。没有组分之间的合作，没有系
式之间如果不分伯仲，一样的起作用，系统就不会形成有序结构；
只有形成少数趋势(或力量、模式、中心部分等)去引导、规范、
支配大量其他组分、要素、趋势、模式等的行为，使它们协同动 作，才能形成有序结构。这种起支配作用的模式或力量，哈肯称 为序参量，也就是亚当· 斯密称为“看不见的手”的东西。
• 涨落原理 状态量对其平均值的偏离，称为涨落。涨落的特点是 随机生灭，或大或小。按其来源，有内涨落和外涨落之分，按其 规模，有小涨落、大涨落、巨涨落之分。一切真实系统都存在涨 落。涨落在自组织中起极为重要的作用，系统通过涨落去触发旧 结构的失稳，探寻新结构，系统在分叉点上靠涨落实现对称破缺 选择，建立新结构。如图8．2所示
y g ( y ) q ( x, y )
• 假定第一步是其中的n个实体或小系统形成确定的联立方 程组描述它们的相互关系，但控制参量的选择尚未保证这 个联立方程组具有稳定定态，即还没有形成具有特定整体 突现性的系统。第二步是控制参量变化，在控制空间中搜 索，一旦得到稳定定态，动力学特性最后固定下来，就形 成一个包含n个组分的新系统。这就是系统的自创生。 • 假设环境中有两个小系统，动力学方程分别为 • x f ( x ) （8.7） • y g ( y ) （8.8） • • 由于环境的变迁或自身的演化，二者出现了耦合，运动方 程变为p（x，y）与q（x，y）的耦合作用。 • x f ( x) p( x, y ) （8.9） •
• 最小自由能原理解释了相变的宏观机理。玻耳兹曼进一步 以概率观点给相变以微观的解释，提出微观粒子的能级分 布公式 • • （8.2） • 其中，Ei为第i能级的能量，只Pi为粒子占据该能级的概率， K为玻耳兹曼常数。(8．1)与(8．2)一起称为玻耳兹曼有序 性原理，完整地解释了形成平衡结构的自组织过程。 • 熵判据 粗略地讲，熵是系统无序程度的度量，即系统无 组织程度的度量。组织的建立和瓦解过程都是熵变过程。 从无组织到有组织，从低组织度到高组织度，是系统的反 熵过程。自组织是系统在无外界干预下自我反熵的过程。 令dS记系统的熵的改变量(微分)，dS＞0(增熵)表示组织程 度减小的变化，dS＜0(减熵)表示组织程度增加的变化，因 而熵的变化可以作为自组织的判据。
自组织理论发展过程
• 第一批自组织理论出现于19世纪中叶。 • 达尔文的进化论是生物学的自组织理论，自然选择（或物 竞天择）原理就是一种自组织原理。 • 马克思的五种社会形态演进理论是关于社会历史的自组织 理论，生产力决定生产关系、经济基础决定上层建筑的原 理是对社会历史系统自组织机制的一种理论阐述。
8.2自组织类型
• 相变理论基于热力学把相变分为两大类。如果发生相变时系统的 热力学势函数连续，但其一阶导数不连续，称为一阶相变。如果 相变时势函数及其一阶导数都连续，称为二阶相变，或连续相交。 • 普利高津把自有序结构，称为平衡结构，如晶 体、超导体等。平衡结构的基本特点是无须与外界环境进行交换 即可保持其结构，甚至只有隔断与外界的联系才能长久保持自己。
• 不同自组织理论分别提出自己的判据，一般还不能通用。 主要有以下几种： • 自由能判据 • 这是相变理论的判据。令E记系统的总能量，F记系统的自 由能，T记绝对温度，S记热力学熵，它们满足以下公式： • (8．1) • 相变理论认为，平衡相变是由自由能F(表示系统的组织程 度)与热力学嫡 S(表示系统的混乱即无组织程度)之间的竞 争所推动的，F与S达成的某种妥协，决定了系统采取某种 最小自由能状态,从一般状态自发演化到最小自由能状态就 是实现了自组织。
效的序参量。 • 非线性动力学没有明确提出自组织判据问题。它以稳定定 态概念来表征系统结构，到达稳定定态就意味着建立起一 定的有序结构，从一个稳定定态向另一个稳定定态转变就
是从一种有序结构向另一种有序结构转变。
8.4自组织原理
• 自组织理论的基本信念是：尽管现实世界的自组织过程产 生的结构、模式、形态干差万别，必定存在普遍起作用的 原理和规律支配着这种过程。现代科学还不能系统地揭示 自组织的一般规律，但已获得许多深入的认识，提出一系 列自组织原理，主要有： • 涌现原理 一种自行组织起来的结构、模式、形态．或者 它们所呈现的特性、行为、功能，不是系统的构成成分所 固有的，而是组织的产物、组织的效应，是通过众多组分 相互作用而在整体上突现(涌现)出来的，是由组分自下而 上自发产生的。自下而上式、自发性、突现性是自组织必 备的和重要的特征。
• 开放性原理 一个与环境没有任何交换的封闭系统不可能出 现自组织行为，对环境开放即与外界进行物质、能量、信息 交换的系统才可能产生自组织运动。普利高津以总熵变公式 • （8.6） • 为工具，科学地论证了开放性是自组织的必要条件。如图 8．1所示。
• 图8.1
• diS是系统内部混乱性产生的熵称，称为为熵产生，热力学 原理保证熵产生为非负量， diS ≥ 0； deS 是系统通过与环 境相互作用而交换来的熵，称为熵交换或熵流，可正可负。 有四种可能情形： • (1) deS ＝0，系统是封闭的，与外界没有交换，内部的熵 产生使系统混乱程度不断增加，不可能出现自组织，只可 能有组织的自发退化； • (2) deS ＞0，与外界交换得到的是正熵，总熵变diS ＞0， 系统以比封闭状态下更快的速度增加混乱程度．不会发生 自组织； • (3) deS ＜0，但 | deS |< diS ，通过对外开放从环境中取得 负熵，但从环境得到的负熵不足以克服内部的墒增加，总 熵变dS= diS+ deS ≥0 ，系统也不会发生自组织； • (4) deS ＜0，且 | deS |> diS ，从环境中得到的负熵大于内 部的嫡增加，总熵变dS＜0，系统出现减熵过程，即自组 织过程。
• 图8.2 • 环境选择原理 在系统自组织过程中，一种结构或模式、特别是 活的结构或模式，要接受环境的评价和选挥，被环境选择的系统 不一定是各方面最优者．但必定是能与环境协调共存者，至少是 为环境允许存在者。这是广义达尔文原理。
8.5自组织的描述方法
• 作为动态过程的自组织运动，须以动力学方程作为数学模 型。
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• 序参量判据 如果宏观变量P当系统处于无序状态时为0， 处于有序状态时不为0，P的性质可以指示有序结构的产生
和转变，则称P为系统的一个序参量。相变理论最先提出
序参量概念。哈肯把它推广到非平衡相交，提出序参量原 理，建立了有广泛应用的协同学。但序参量判据也不是普
适的，像生命、社会、思维等复杂系统，一般难以确定有
• 系统在远离平衡态的条件下通过相变而形成的有序结构，称为耗 散结构，基本特点是只有与外部环境不断交换物质、能量、信息， 才能保持有序结构。 • 哈肯按照引起自组织运动的不同方式给出一种分类： • (1)改变控制参量引起的自组织； • (2)改变组分数引起的自组织； • (3)瞬变引起的自组织。