1系統(tǒng)論和信息論CONTENTS第14章系統(tǒng)科學(xué)控制論和耗散結(jié)構(gòu)214.1課程標(biāo)準(zhǔn)

1.知識(shí)目標(biāo)識(shí)記貝塔朗菲（奧地利）、申農(nóng)（美國）在系統(tǒng)科學(xué)中創(chuàng)新成果。識(shí)記系統(tǒng)、要素、環(huán)境、信息的概念。理解系統(tǒng)方法所遵循的原則。掌握系統(tǒng)方法、信息方法。2.能力目標(biāo)具備初步批判性思維能力。3.素質(zhì)目標(biāo)弘揚(yáng)科學(xué)家精神，博學(xué)德清，鼎新致用。

一、系統(tǒng)論20世紀(jì)40年代產(chǎn)生的系統(tǒng)論、信息論、控制論（老三論），60、70年代出現(xiàn)的耗散結(jié)構(gòu)、超循環(huán)論、協(xié)同學(xué)（新三論）等。這些學(xué)科分屬不同的科學(xué)領(lǐng)域，它們卻以各自的方式擁有一個(gè)共同的研究對(duì)象，即“系統(tǒng)”。系統(tǒng)科學(xué)是以系統(tǒng)存在和發(fā)展的規(guī)律為研究對(duì)象的學(xué)科體系，是方法論。

（一）產(chǎn)生與發(fā)展

20世紀(jì)20年代，奧地利學(xué)者貝塔朗菲在研究理論生物學(xué)時(shí)，用機(jī)體論批判并取代當(dāng)時(shí)廣為流傳的機(jī)械論，形成有機(jī)體系統(tǒng)概念，建立機(jī)體論生物學(xué)。1968年，貝塔朗菲出版了《一般系統(tǒng)論——基礎(chǔ)、發(fā)展、應(yīng)用》一書，標(biāo)志著這門學(xué)科已到了成熟的地步。廣義的系統(tǒng)論除了一般系統(tǒng)論，還有系統(tǒng)方法和系統(tǒng)工程。它產(chǎn)生于20世紀(jì)40年代。

第一節(jié)系統(tǒng)論和信息論

（二）基本概念1.系統(tǒng)

系統(tǒng)是由相互聯(lián)系、相互作用的元素（要素）按照一定的結(jié)構(gòu)組成的有特定功能的有機(jī)整體。

要點(diǎn)：任何系統(tǒng)必須有兩個(gè)以上的要素構(gòu)成。

系統(tǒng)諸要素之間、要素與系統(tǒng)整體之間的相互聯(lián)系、作用，形成了特定的結(jié)構(gòu)。

要素彼此之間聯(lián)系形成為一個(gè)統(tǒng)一的有機(jī)整體。

系統(tǒng)作為一個(gè)整體對(duì)環(huán)境表現(xiàn)出特定的功能。

孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)與環(huán)境之間無物質(zhì)、能量、信息交換.封閉系統(tǒng)：系統(tǒng)只與環(huán)境交換能量而不交換物質(zhì)。開放系統(tǒng)：系統(tǒng)與環(huán)境交換物質(zhì)、能量、信息。系統(tǒng)開放系統(tǒng)2.要素是組成系統(tǒng)的各個(gè)單元、各個(gè)部分。3.結(jié)構(gòu)要素在系統(tǒng)內(nèi)部恒定的分布和排列。4.環(huán)境指與系統(tǒng)組成要素發(fā)生相互作用而又不屬于這個(gè)系統(tǒng)的所有事物的總和。5.功能系統(tǒng)與外界（環(huán)境）作用產(chǎn)生影響和效力的能力。功能以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，功能是結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。

生態(tài)系統(tǒng)

（三）基本原則

1.整體性原則整體的功能大于各部分之和。該原則要求我們把研究的對(duì)象系統(tǒng)如實(shí)地作為一個(gè)整體來對(duì)待，通過努力使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、系統(tǒng)內(nèi)外協(xié)同作用增強(qiáng)，從而提高整體的效益。

3.目的性原則建立一個(gè)系統(tǒng)要達(dá)到什么目的必須明白無誤，否則無法判定所采取的方法和手段是否正確。

2.關(guān)聯(lián)制約原則該原則要求我們?cè)谘芯肯到y(tǒng)時(shí)，不僅要研究構(gòu)成系統(tǒng)的要素的性質(zhì)，還要研究要素之間聯(lián)系的方式、相互關(guān)聯(lián)和制約的性質(zhì)。

4.最優(yōu)化原則是指在一定環(huán)境條件下，通過采取各種有效手段使系統(tǒng)達(dá)到最佳狀態(tài)而費(fèi)力最小。對(duì)于一些大而復(fù)雜的系統(tǒng)，先對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行局部優(yōu)化，再協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的關(guān)系，使之從整體上達(dá)到所要求的整體目標(biāo)。（四）系統(tǒng)方法

就是從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，始終注意要素之間、要素與整體、整體與外部環(huán)境的相互聯(lián)系、相互作用,綜合地、精確地考察對(duì)象，以達(dá)到最佳地處理問題的一種方法。例如：霍爾的三維結(jié)構(gòu)方法

思路要清晰，三思而后行二、信息論1948年，美國應(yīng)用數(shù)學(xué)家申農(nóng)在《貝爾系統(tǒng)技術(shù)雜志》上發(fā)表重要論文《通信的數(shù)學(xué)理論》，標(biāo)志著信息論的誕生。1949年，申農(nóng)又發(fā)表另一重要論文《在噪聲中的通信》。在這些論文里，申農(nóng)提出了通信系統(tǒng)模型、度量信息的數(shù)學(xué)公式以及編碼定理和其他一些技術(shù)性問題的解決方案。

目前，由信息論、控制論、人工智能、計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)工程等方面的內(nèi)容組成的信息科學(xué)正在飛速發(fā)展。

（一）產(chǎn)生與發(fā)展

1.信息狹義的信息是指具有新的內(nèi)容、新知識(shí)的消息（如書信、情報(bào)、指令等）。廣義的信息是指系統(tǒng)內(nèi)部建立聯(lián)系的特殊形式，是系統(tǒng)確定程度（即特殊程度、組織程度或者有序程度）的標(biāo)記。通信科學(xué)中的信息，就是指消息，它是通信的內(nèi)容。通信者通過通信獲取信息，可以消除某種知識(shí)上的不確定性。

（二）基本概念2.信息量在自然界和人類社會(huì)中，我們把現(xiàn)象歸納為三類：一類是在一定條件下必然要發(fā)生的現(xiàn)象，稱為必然事件。第二類是在一定條件下，必然不會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象，稱為不可能事件。第三類是在相同條件下可能發(fā)生，也可能不發(fā)生的現(xiàn)象，稱為隨機(jī)事件。概率就是用來表示事件發(fā)生的可能性大小的一個(gè)量，記作P。

事件A發(fā)生的概率為有利于事件A發(fā)生的基本事件數(shù)（m）與總的基本事件數(shù)（n）之比。

即P（A）=m／n。例如：袋中有5個(gè)白球，3個(gè)黑球，那么摸到白球這一事件A的概率為有利于事件A發(fā)生的基本事件5個(gè)白球與總的基本事件數(shù)8之比，因此事件

A發(fā)生的概率為5／8。

用概率來定量地描述信息量。

信息量的多少取決于消息所講事件發(fā)生的可能性大小。如果所講事件發(fā)生的可能性小，則消除它的不確定性要多些，信息量也就多些。即：概率小的事件、信息量多。

在實(shí)際運(yùn)用中，信息量常用概率的負(fù)對(duì)數(shù)來表示。

I﹦－㏒a

P1/P2

；

P1/P2

表示概率。

信息量最常用的單位規(guī)定為：

以2為底的對(duì)數(shù)，單位是比特。

例如：一個(gè)口袋中有1個(gè)紅球，7個(gè)白球，求摸到紅球的信息量？I1﹦-㏒21/8=-(㏒2

20–㏒2

23)=3例如：一個(gè)口袋中有4個(gè)紅球，4個(gè)白球，求摸到紅球的信息量？I2﹦-㏒24/8=-(㏒222–㏒223)=1

（三）信息方法

申農(nóng)在1948年提出的通信系統(tǒng)模型。所謂信息方法，就是運(yùn)用信息的觀點(diǎn)，把系統(tǒng)看作是借助于信息的獲取、傳送、加工、處理而實(shí)現(xiàn)其有目的性運(yùn)動(dòng)的一種研究方法。例如，線上授課，用的就是信息方法。老師的聲音和圖像的信息經(jīng)過計(jì)算機(jī)輸入—存儲(chǔ)—處理—輸出的結(jié)果。1.通信系統(tǒng)模型2.信息方法這種方法的特點(diǎn)是用信息概念作為分析和處理問題的基礎(chǔ)，完全撇開對(duì)象的具體運(yùn)動(dòng)形態(tài)，把系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程抽象為信息的轉(zhuǎn)換過程，把系統(tǒng)有目的的運(yùn)動(dòng)抽象為如下的變換過程，即：

—信息—輸入—存儲(chǔ)—處理—輸出—信息—

把系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程抽象為信息的轉(zhuǎn)換過程

思考與練習(xí)

1.貝塔朗菲（奧地利）、申農(nóng)（美國）在系統(tǒng)科學(xué)中有何創(chuàng)新成果？2.解釋系統(tǒng)、要素、環(huán)境、信息的概念。

3.簡答系統(tǒng)方法所遵循的原則。

4.簡答并舉例說明系統(tǒng)方法、信息方法。1系統(tǒng)論和信息論CONTENTS第14章系統(tǒng)科學(xué)控制論和耗散結(jié)構(gòu)214.2課程標(biāo)準(zhǔn)

1.知識(shí)目標(biāo)識(shí)記維納（美國）、普里高津（比利時(shí)）在系統(tǒng)科學(xué)中的創(chuàng)新成果。理解并舉例說明反饋方法、功能模擬方法、黑箱方法。理解耗散結(jié)構(gòu)及的形成條件。

了解研究耗散結(jié)構(gòu)的意義。

2.能力目標(biāo)具備初步批判性思維能力。3.素質(zhì)目標(biāo)弘揚(yáng)科學(xué)家精神，博學(xué)德清，鼎新致用。一、控制論（一）產(chǎn)生與發(fā)展1948年，維納的《控制論》一書的出版，標(biāo)志著控制論的誕生?？刂普摰陌l(fā)展，大致分為三個(gè)時(shí)期：

第一個(gè)時(shí)期，在20世紀(jì)40年代末和50年代，是經(jīng)典控制論時(shí)期。

人們?cè)诠I(yè)生產(chǎn)等方面，開始采用各種自動(dòng)調(diào)節(jié)器、電子設(shè)備等，著重研究單機(jī)自動(dòng)化或局部自動(dòng)化。

第二個(gè)時(shí)期，在60年代，是現(xiàn)代控制論時(shí)期。

隨著導(dǎo)彈系統(tǒng)、人造衛(wèi)星、航天系統(tǒng)等科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，研究從單變量控制轉(zhuǎn)到多變量控制，從自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)到最優(yōu)控制。第三個(gè)時(shí)期，在20世紀(jì)70年代到現(xiàn)在，是大系統(tǒng)理論時(shí)期。

不僅發(fā)展了工程控制論，還產(chǎn)生了生物控制論、經(jīng)濟(jì)控制論、人工智能等。無人機(jī)的研制和發(fā)展。

第二節(jié)控制論和耗散結(jié)構(gòu)（二）基本概念

1.控制控制指的是一種帶有目的性的因果聯(lián)系，即產(chǎn)生原因系統(tǒng)（施控系統(tǒng)）對(duì)產(chǎn)生結(jié)果系統(tǒng)（受控系統(tǒng)）有目的的影響干預(yù)?？刂埔话惆齻€(gè)基本要素：施控主體、受控客體和傳遞控制作用的特定方式或途徑。

2.反饋反饋就是系統(tǒng)輸出的全部或一部分，通過一定的通道反送回輸入端，從而對(duì)系統(tǒng)的再輸入和再輸出施加影響的過程。開環(huán)控制和閉環(huán)控制示意圖門廳反饋裝置

（三）基本方法1.反饋方法是運(yùn)用反饋概念來分析和處理問題的方法。用維納的話說，就是“根據(jù)過去的操作情況去調(diào)整未來的行為”。例如，蝙蝠捉蚊子等。2.功能模擬方法

就是以功能和行為的相似為基礎(chǔ)，用模型模仿原型的功能和行為的方法。蝙蝠是利用“超聲波”在夜間導(dǎo)航的。它的喉頭發(fā)出一種超過人的耳朵所能聽到的高頻聲波，這種聲波沿著直線傳播，一碰到物上體就迅速返回來，它們用耳朵接收了這種返回來的超聲波，使它門能作出準(zhǔn)確的判斷，引導(dǎo)它們飛行。功能模擬方法示意圖3.黑箱方法是指當(dāng)不知道或根本無法知道一個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，根據(jù)對(duì)系統(tǒng)輸入和輸出變化的觀察，來探索系統(tǒng)的構(gòu)造和機(jī)理的一種方法。中醫(yī)看病是應(yīng)用黑箱方法的典型。偵探破案用的是黑箱方法中醫(yī)看病用的是黑箱方法

二、耗散結(jié)構(gòu)耗散結(jié)構(gòu)理論通過對(duì)非平衡系統(tǒng)自組織過程的刻畫，從一個(gè)側(cè)面科學(xué)地說明了系統(tǒng)從無序向有序轉(zhuǎn)化的具體機(jī)制。1969年，比利時(shí)科學(xué)家普里高津(1917～2003)提出的耗散結(jié)構(gòu)理論，回答了系統(tǒng)演化的方向和演化的機(jī)制問題，解決了長期以來存在的熱力學(xué)和進(jìn)化論之間的矛盾。并因此獲得1977年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。普里高津(1917—2003)

（一）耗散結(jié)構(gòu)機(jī)制

克勞修斯于1865年發(fā)表一篇論文，提出了“熵”的概念：將不能做功的隨機(jī)和無序狀態(tài)的能定義為熵，S=Q/T。

在封閉系統(tǒng)中，有兩物體，它們的溫度分別為T1和T2

，且T1﹥T2

。如在很短的時(shí)間內(nèi)，有dQ的熱量從T1傳到T2，因?yàn)門1﹥T2

，則有：

dQ/T2-dQ/T1﹥0

這就導(dǎo)致了熵的增加。即：

孤立系統(tǒng)的熵總是會(huì)自發(fā)地趨于極大。按照耗散結(jié)構(gòu)理論的解釋，一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的熵是由兩部分組成的。其一是系統(tǒng)自身因不可逆過程引起的熵(dis)，它永遠(yuǎn)是正的；其二是系統(tǒng)與環(huán)境交換物質(zhì)和能量引起的熵(des)，它可正可負(fù)。

所以系統(tǒng)的熵變化

ds=dis+des，

它是可正可負(fù)的。系統(tǒng)開放，有可能能引進(jìn)負(fù)熵流

對(duì)于孤立系統(tǒng)來說，因?yàn)樗慌c環(huán)境交換物質(zhì)與能量，所以des=0。

這樣ds=dis+des≥0

即孤立系統(tǒng)只能從有序走向無序，表現(xiàn)出退化的趨勢。對(duì)于開放系統(tǒng)，只要從環(huán)境中流入的負(fù)熵足以抵消系統(tǒng)自身的熵增加，就可以使系統(tǒng)的總熵減少，從而使系統(tǒng)從無序向有序進(jìn)化，形成并維持一個(gè)低熵的非平衡態(tài)的有序結(jié)構(gòu)。比如，人體就是耗散結(jié)構(gòu)。由于這種有序結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)和維持需要從外部不斷供應(yīng)物質(zhì)和能量，所以是一種耗費(fèi)或耗散物質(zhì)和能量的過程，因此稱之為耗散結(jié)構(gòu)。流水時(shí)有序結(jié)構(gòu)

1.貝納德流體實(shí)驗(yàn)從底部加熱金屬平板上的一層流體，開始時(shí)，流體呈無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。當(dāng)溫度梯度達(dá)到某一閾值時(shí)，系統(tǒng)無序狀態(tài)消失，大量流體微團(tuán)從一個(gè)個(gè)緊密擠排在一起的正六邊形中心涌上，又從各邊流下，系統(tǒng)流動(dòng)呈規(guī)則的花樣。

2.激光實(shí)驗(yàn)在用光泵將其基態(tài)上的電子打到高能態(tài)上后，這些電子會(huì)自動(dòng)跳回到中能態(tài)上。當(dāng)中能態(tài)上的電子數(shù)超過基態(tài)上的電子數(shù)后，中能態(tài)上的電子會(huì)跳回基態(tài)，同時(shí)放出一個(gè)光子，該光子又激發(fā)另一電子跳遷，如此產(chǎn)生雪崩式的電子跳遷和光子發(fā)射。

由于電子順序激發(fā)產(chǎn)生的激光光子相干（干涉）性好，方向性好，能量集中，就產(chǎn)生了激光現(xiàn)象。貝納德流體和激光實(shí)驗(yàn)

3.B（布）-Z（扎）反應(yīng)

B--Z反應(yīng)是由布羅索夫和扎博亭斯基發(fā)現(xiàn)的化學(xué)振蕩反應(yīng)。在鈰離子作催化劑的檸檬酸和溴酸的氧化反應(yīng)中，不斷取走生成物和添加反應(yīng)物，使之保持一定比例，當(dāng)反應(yīng)濃度達(dá)到一定閾值時(shí)，加入顯示劑可以看到生成物由紅