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1、农业生态系统分析,主讲：雍太文 Email:,主要内容,农业生态系统分析概述 农业生态系统环境辨识与问题诊断 农业生态系统的模型与模型化 农业生态系统的系统仿真及系统动力学方法 农业生态系统的预测与决策 农业生态系统的评价,第一章 农业生态系统分析概述,第一节、 系统的概念及特点,第二节、系统理论概述,第三节、系统分析概论,一、 系统的概念,1.系统思想的形成及演变,2. 系统的定义,3. 系统的形态,第一节 系统的概念及特点,1. 系统思想的形成及演变,古代朴素的系统思想,Syn-histanai 古希腊学者：德谟克利特、亚里士多德 易经：八卦说 内经、 道德经、孙子兵法,易经：八卦说,天、
2、地、雷、风、水、火、山、泽 天地定位，雷风相薄，水火相射，山泽通气,内经：五行说,木、火、土、金、水,木生火，火生土，土生金，金生水，水生木,木克土，土克水，水克火，火克金，金克木,老子：道德经,独立而不改，周行而不殆，可以为天下母 天得一以清，地得一以宁，神得一以灵，谷得一以盈，万物得一以生，侯王得一以为天下正。,孙武：孙子兵法,道、天、地、法、将,都江堰水利工程、北宋皇宫修复,1. 系统思想的形成及演变,古代朴素的系统思想,都江堰水利工程示意图,深淘滩，低作堰 六字旨，千秋鉴,分洪排沙,宝瓶口 引水工程,1. 系统思想的形成及演变,现代系统工程实践 “曼哈顿工程” 、 “北极星导弹计划”
3、“阿波罗计划” 、“三峡工程”,1. 系统思想的形成及演变,系统思想的成熟与发展,自然科学的发展：三大发现(能量转化、细胞和进化论) 辨证唯物主义的系统观 物质技术基础,恩格斯（18201895） “由于这三大发现和自然科学的其他巨大进步，我们现在不仅能指出自然界中各个领域内的过程之间的联系，而且总的来说，也可以指出各个领域之间的关系了。 普朗克（18581947） “科学是内在的整体，它被分解为单独的部分不是取决于事物本身，而是取决于人类认识能力的局限性。”,辨证唯物主义 “物质世界是由无数相互联系、相互依赖、相互制约、相互的事物和过程形成的统一整体。 现代科学技术的发展 定量化方法（离散数
4、学、模糊数学、运筹学等 ） 电子计算机的出现,系统思想的出现，彻底改变了人们的思维方式，使人们在改造世界的活动中，逐步地认识并揭示出客观世界的本质联系和内部规律。主要体现在两个方面： 一、是使系统思想、系统方法定量化、科学化，使之成为具有坚实的数学理论基础的，能够定量地处理系统各组成部分联系关系的科学方法； 二、是计算机与信息技术的应用，为系统思想、系统方法的实际运用提供了强有力的工具。正是由于上述两个特征，才使得系统思想方法从一种哲学思维逐步形成了独特的系统理论，并在此基础上形成了一门专门的科学系统科学。,2. 系统的定义,冯贝塔朗菲 系统是相互作用的诸要素的综合体,系统是由两个以上的要素组
5、成的整体。要素是构成系统的最基本的部分，没有要素就无法构成系统，单个要素也无法构成系统。 系统的诸要素之间、要素与整体之间、以及整体与环境之间存在着一定的有机联系。要素之间若没有任何联系和作用，则也不能称其为系统。 系统要素之间的联系与作用必产生一定的功能。功能是系统所发挥的作用或效能，且是各要素个体所不具备的功能，这种功能是由系统内部要素的有机联系和系统的结构所决定的。,系统与要素间相互作用,系统通过整体作用支配要素 要素通过相互作用决定系统特性 系统和要素之间概念是相对的。, 系统通过整体作用支配和控制要素,系统通过其整体作用来控制和决定各个要素在系统中的地位、排列顺序、作用的大小以及作用
6、的范围，协调着各要素之间的数量比例关系等等。系统整体稳定，则要素也稳定；系统整体特性和功能发生变化，则要素以及要素之间的关系也会随之变化。 例如，综合运输系统的整体功能，决定和支配着作为要素的水运系统、公路运输系统、铁路运输系统、航空运输系统以及管道运输系统的地位、作用和它们之间的关系，为使综合运输系统的整体效益最佳，就要求各子系统必须充分发挥各自的功能，就要对各子系统之间的关系进行控制和协调。,要素通过相互作用决定系统特性和功能,一般来说，要素对系统的作用有两种可能的趋势： 一、是要素的组成成分和数量具有一种协调、适应的比例关系，使得要素能够维持系统的动态平衡和稳定，并使系统走向组织化、有序
7、化； 二、是要素之间出现不协调、不适应的比例关系，这就会破坏系统的平衡和稳定，甚至使系统衰退、崩溃。 例如，对我国国民经济大系统而言，如果构成该系统的工业系统、农业系统、科研系统等各个系统都能够协调发展的话，就能够使国民经济持续、稳定的发展；但由于某个系统发展缓慢，与其它子系统之间出现了不协调、不适应的比例关系，因而严重制约了国民经济的发展，影响了国民经济大系统的整体效益。, 系统与要素的概念是相对的,一个系统相对于构成它的要素而言是个系统，而相对于由它和其它事物构成的大系统而言，则是一个要素（或称子系统）；同样，一个要素相对于由它和其它要素构成的系统而言，是个要素，但相对于构成它的要素而言，
8、则是一个系统。比如，由车辆、场站、路网组成了公路系统，但对于整个交通运输系统而言，公路系统又是整个交通运输系统的要素；再比如，相对于交通运输系统而言，水运系统是一个要素，但它同时又是由港口运输系统、水上船舶运输系统、航道系统、物流系统、信息系统构成的系统。,3. 系统的形态,自 然 系 统 和 人 造 系 统 自然系统是由自然物等形成的系统，自然系统一般表现为环境系统，如海洋系统、植物系统、原子核系统、大气系统等等。了解自然系统的形成及其规律，是人造系统的基础。 人造系统是为了达到人类所需要的目的而由人类设计和建造的系统，如工程技术系统、经营管理系统、科学技术系统就是三种典型的人造系统。 实际
9、上，多数系统是自然系统与人造系统相结合的复合系统。因为许多系统是有人参加活动，由人们利用科学力量，认识、改造了的自然系统。如社会系统，看起来是一个人造系统，但是它的发生和发展是不以人们的意志为转移的，是有内在规律的。从人类发展的需要看，其趋势是越来越多的发展和创造人造系统。近年来系统工程已经越来越注重从与自然系统的关系来研究、开发、建造人造系统。,实 体 系 统 和 概 念 系 统 实体是以矿物、生物、能源、机械等实体组成的系统，如人机系统，机械系统等。 2. 系统不仅有实体部分，还有赖以形成的概念部分。 概念系统是由概念、原理、原则、方法、制度等观念性的非物质实体组成的系统，是以软件为主体，
10、依附于动态系统的形式来表现，如科技体系、教育体系、法律体系、程序系统等。 3. 实践中，实际系统与概论系统通常结合在一起。实体系统是概念系统的基础和服务对象，而概念系统是为实体系统提供指导和服务的，两者不可分开。,3. 系统的形态,3. 系统的形态,封闭系统和开放系统,静 态 系 统 和 动 态 系 统 静态系统固有状态参数不随时间改变 动态系统把状态变量作为时间的函数 对 象 系 统 和 行 为 系 统 对象系统是按具体研究对象进行区分而产生的 行为系统为以完成目的行为作为组成要素 控 制 系 统 和 因 果 系 统 控制系统为具有控制功能的系统 因果系统是输出完全决定于输入的系统,3. 系
11、统的形态,二、 系统的特性,1、整体性,Fs为系统的整体功能； Fi为各要素的功能,整体性原则的指导意义,系统与要素之间不可分割,二、 系统的特性,2、相关性,Q1, Q2 , ,Qn为1，2，n个要素的特征； t为时间；f1 , f2 , , fn表示相应的函数关系,二、 系统的特性,3、层次性/目的性,二、 系统的特性,4、动态性,环境,转换机构（系统）,输入,输出,图：系统与环境的关系,三、 系统的结构,1、系统结构的特性,稳定性平衡结构、非平衡结构 层次性自然界系统的九个层次,层次性 第一层次静态结构系统 第二层次简单动态系统 第三层次反馈控制系统 第四层次细胞系统 第五层次原生社会系
12、统 第六层次动物系统 第七层次人类系统 第八层次人类社会系统 第九层次超越系统,三、 系统的结构,1、系统结构的特性,开放型结构不断变化 相对性层次性决定了相对性,三、 系统的结构,2、系统结构分析从系统内部来考察其 组成要素的联结关系。,1）要素的联结,2）系统的结构矩阵,1）要素的联结,a),b),c),图、要素联结的类型,a),E1作用于E2， E1到E2的输入x12， E1到E2的输出y12 ， E1到E2的联结状态C12 =1 , C21 =0 , x12 = C12 y12,b),E2作用于E1， E2到E1的输入x21， E2到E1的输出y21 ， E2到E1的联结状态C21 =
13、1 , C12 =0 , x21 = C21 y21,c),C21 =1 , C12 =1,要素联结的三种类型： 串联联结 并联联结 反馈联结,串联联结,2)系统的结构矩阵,并联联结,反馈联结,E1,E2,E3,E4,E5,四、系统的功能,系统与外部环境相互作用的能力，功能说明的是系统的外部状态和外部作用。 系统功能的特性：易变性 相关性 功能方法： 功能分析 ：对要素的数量和质量的分析 功能模拟方法 ：以功能相似为基础，用模型再现 黑箱方法 ：考察系统输入、输出及其动态过程,五、结构与功能的关系,同构异功 同功异构 同构同功 异构异功,第二节 系统理论概述,系统理论包括： 1、老三论（形成于
14、上世纪四十年代）：一般系统论、控制论和信息论。 2、新三论（形成于上世纪七十年代）：耗散结构理论、协同论和突变论。,一、一般系统论,创始人为L. Von.Bertalanffy。 研究领域：管理理论、运筹学、信息论、 控制论、哲学、行为科学等,古代整体观,形而上学整体观 15世纪下半叶18世纪末 辨证整体观 19世纪,现代系统观念,机体系统论 一般系统论,古代整体观,当时的世界整体看法三大特征： 1、部分“偶然堆积”，笛卡儿，还原论。 “把我所考察的每一个难题，都尽可能的分成细小的部分，直到可以而且适于加以圆满解决的程度为止。”,形而上学整体观 15世纪下半叶18世纪末,古代整体观,当时的世界
15、整体看法三大特征： 2、机械观点。人体是按力学性质运动的机器，心脏发条，神经油，关节齿轮。 3、孤立存在的整体，否认相互间联系。 “堵塞了它自己从认识个别到认识整体，到洞察普遍联系的道路”,形而上学整体观 15世纪下半叶18世纪末,“搜集材料”“整理材料” 三大发现，普遍联系 1、自然界和人类社会都是有机联系整体 2、对整体内在结构揭示 元素周期表 社会系统科学 3、对事物与环境相互关系的认识 进化论,古代整体观,辨证整体观 19世纪,引自恩格斯反杜林论:,“当我们深思熟虑地考察自然界或人类历史或我们自己的精神活动时，首先呈现在我们眼前的是一幅由种种联系和相互作用无穷无尽地交织起来的画面，其中
16、没有任何东西是不动的和不变的，而是一切都在运动、变化、生成和消逝。”,“关于机体概念的斗争” （1）活力论 （2）机械论观点和还原论观点 （3）机体系统论观点,现代系统观念,一切生物都是具有复杂结构的自然系统，生物体各个要素不能离开生物体本身而独立存在，因而对于生命现象也不能用简单的分解和相加的方法去解释。 一切生命系统本身都处于积极的活动状态，并随时与环境发生着物质、能量交换关系。 一切生命系统都具有严格的等级组织，生物学的主要目标就在于发现生物各个层次上的组织原理,一般系统论 整体性原则 相关性原则 层次性原则 动态性原则,现代系统观念,信息论是研究信息传输和信息处理系统的一般规律的学科，
17、其基本思想是完全撇开系统物质与能量的具体运动形态，而把系统的有目的的运动抽象为一个信息变换的过程，来探求信息的一般特征、传送规律和原理。 由于人类的任何实践活动中，都包含着人流、物流、材流、能流和信息流等各种流，其中信息流起着支配的作用，它调节着系统内部其它流的数量、方向、速度、目标，并控制着人和物的有目的、有规律的活动。 信息论是控制论的基础。,二、信息论,信息科学简史,古代通信方式,语言，文字 驿站，漂流瓶，烽火台 缺点：距离短，通信速度慢 通信数量少，保密性差。,信息科学简史,近代通信科学的产生,有线电通信： 1753年英国人架设导线，静电感应电流语言 1837年美国人莫尔斯，第一台电报
18、机，莫尔斯电码，1844年，64km线路，首次电报通信 1866年，英海底电缆，横跨大西洋，连接欧美 1875年，贝尔电话，1878年，首次长距离通信 无线电通信： 1865年，英国人麦克斯韦，辐射电磁场理论 1868年，德国人赫兹试验验证电磁波存在 1889年，俄国人波波夫，“雷电指示器”，1896年，250米通信距离，第一份无线电报；与此同时，意大利人马可尼1896年6月在英国获得第一个无线电专利 1901年，意大利马可尼首次横跨大西洋接收无线电报,信息科学简史,近代通信科学的产生,无线电通信： 20世纪发展，主要信号放大，频率开发，雷达、电视应用 1906年，美国人德特雷斯，三级电子管，
19、可放大信号 1926年，英国人布莱特通过试验探测到电离层存在 1927年，英国人阿普尔顿，发现电离层能反射电波，从此，中高频等无线电波相继得到开发 1935年，英国沃森瓦特研制雷达，二战中发挥作用 1937年，英国广播公司第一次播送高清晰电视图像,信息科学简史,现代通信理论申农信息论,1948年，美科学家申农（Claude Elwood Shannon ）提出信息论。 通讯的数学理论、在噪声中的通信 狭义信息论：研究通信控制系统中信息传递 的共同规律，及提高信息传递的可靠性。 广义信息论：利用狭义信息论来研究一切问 题的理论。,信息论基本概念,信息：不确定度的减小 信息（通信前不确定性）（通信
20、后不确定信） 信息量：某种不确定度趋向确定的一种度量 1、I=f(p) 或I=g(1/p) 2、p(AB)=p(A) p(B) I(AB)=I(A) +I(B) I(A)=log2(1/p) 或 I(A)=log2(p),信息 消息,信息量,3、投掷硬币，某面朝下概率p(A)=0.5, 按照 I(A)=log2(1/p) 计算得 I(A)=log2(2)=1 一切二中择一事件包含信息量为1比特 4、一批福利品，优质品40，合格品55，次品5，随意抓取，“某人拿到次品 ”，这一消息的信息量为多少？ I(A)=log2(1/p) )=log2(1/0.05)4.32bt,信息量,可能消息在传送端发
21、生概率为先验概率， 在接受端出现概率为后验概率。实际通信中，可能消息送到接受端后仍未消除不确定性。则信息量为：,信息量,同一通信中包含大量不同消息，可以构成各种复合消息，必须有不同的信息量计算公式。消息A与B同时发生所构成的联合消息AB，包含的信息量为：,当且仅当A与B互为独立的信息时，等号成立,条件信息：,信息熵,实际通信中，应关心整个消息序列，对整个消息序列的信息量进行度量。 可能消息集合的整体平均信息量称为“信息熵” H信息源的熵，熵越大，发送信息能力越大,信息熵,I(A)= -(0.4log0.4+0.55log0.55+0.05log0.05 ) =1.22bt/符号,一批福利品，优
22、质品40，合格品55，次品5，信息熵是多少？,信息熵,信息熵特性 非负性 对称性 X(x1, x2, x3) p1(1/2, 1/3, 1/6) P2 (1/3, 1/6, 1/2) , P3 (2/3, 1/4, 1/12) H1=H2= 1.46BT H3 = 1.19BT 极值性 对于一定可能消息数，熵值在等概率分布下取最大值 联合熵 H(XY)H(A)+H(B),通信系统,实施通信活动的系统 通信系统的结构： 1、信源与信宿 2、信道 3、编码与译码,通信系统,1、信源与信宿,通信系统,1、信源与信宿 信源：消息的来源。离散信源， 连续信源 信源特征有 信息结构 与 数量 信息结构两个
23、要素 可能消息集合 A=a1, a2, ，an 消息概率分布 P=p1, p2, ，pn 信息数量,通信系统,1、信源与信宿 信息数量 信息熵 最大熵 相对熵 剩余度,通信系统,2、信道 传送信息的通道。有声信道、光信道、电信道，等等。 按照数学特性可把信道划分为离散信道和离散信道，有噪声信道和无噪声信道，等等。 信道指标 通信速度 信道容量,通信系统,3、编码与译码 信息不能直接传递，必须先编码，再译码 编码 按一定规则，把各种特定符号排列起来，形成表达信息的符号系统,莫尔斯电码,通信系统,3、编码与译码 信息不能直接传递，必须先编码，再译码 译码 解调，把经过调制的信号频谱再迁移回去，变成
24、原信号频谱，如把光频再变成电频、声频等。 译码，编码的反转换，把构成信息的符号组合再变成信息。,噪声,1、提高通信可靠性，减少信道传送信号中的噪声。 2、从信道中混有噪声的信号中滤掉噪声，即信号检测、滤波的理论与技术。,申农信息论贡献：,1、理论上阐明通信的基本问题 2、提出通信系统的物理模型 3、提出信息量的度量公式 4、初步解决如何从信宿提取信息源消息 5、提出充分利用信道容量的途径（单边传送） 6、如何编、译码提高信道利用率,广义信息 全信息,通信工程关心的只是信息的语法特性。 真实的通信包含三个方面： 技术问题；语义问题；效用或价值问题 语义的定性与定量描述 信息具有价值属性，信宿接收
25、信息后的效果即信息的价值 全信息：综合了语法、语义和语用信息的信息。 全信息理论：研究全信息的本质和度量即运动规律的理论,现代信息科学发展,现代信息科学发展 激光通信，网络化，移动性，数字化，综合性，量子通信 广义信息论 关于信息本质的理论 关于信息度量方法的理论 关于信息运动规律的理论 关于信息产生、获取、变换、传输、储存、处理、显示、识别和利用的理论 关于高级信息交换系统的理论 信息技术 信息获取技术，信息传递技术，信息处理技术，信息存储技术，信息交换技术，信息安全技术,三、控制论,1948年，美数学家维纳（Norbert Wiener ）创立，是自动控制、无线电通讯、神经生理学、生物学等
26、多学科相互渗透的产物。,三、控制论 Cybernetics,古代自动机思想和实践： “铜壶滴漏”， “指南车”，木牛流马，老鼠夹子，风磨磨面，瑞士机械钟表 近代控制论萌芽 ： 自动调速技术 1787年 瓦特发明蒸气机离心调节器 伺服机理论 19世纪40年代，机械化大生产 反馈概念 19世纪70年代，“反馈思想”， 电学中反馈,三、控制论 Cybernetics,现代控制论的建立和发展 现代控制论的建立和发展主要是同计算机科学、信息科学以及神经生理学的建立和发展联系在一起的 维纳， 1948发表行为，目的和目的论 麻省理工，数字计算机的五点建议； 信息论，滤波理论 墨西哥心脏研究所，神经反馈研究
27、 清华大学（19351936）开阔视野，积累知识 二战，“自动火炮”，借助于反馈调节概念,三、控制论,20世纪以来控制论发展三个阶段,经典控制论阶段（20世纪4050年代） 现代控制论阶段（20世纪6070年代） 大系统理论阶段（20世纪70）,三、控制论,从控制论发展看科学发展,社会发展的需要是科学发展的动力 科学的进步是集体努力的结果 科学的发明与科学理论的建立有赖于科学家坚实的知识基础 没有理论，社会实践就不能成为系统的科学，实践也就难以深入和系统地发展,三、控制论,控制论分支情况,工程控制论 主要研究具体工程技术的控制系统 生物控制论 主要研究生物系统的自我调节、自我复制及有选择的反应
28、环境等问题。涉及神经系统、生理调节系统、内分泌系统、肌肉运动系统等。 社会控制论 把控制论基本原理用于社会学、经济学等社会领域 人工智能 主要研究智能模拟问题,三、控制论,系统与控制,控制为一种系统现象 控制是一种有目的的活动 控制与信息不可分 控制系统的环节敏感、决策、执行、中间转换等环节 从无控制到有控制是物质世界进化结果,三、控制论,控制任务,定值控制 程序控制 随动控制 最优控制,三、控制论,控制方式,简单控制 只布置任务，不检查效果 补偿控制 防患于未然 反馈控制 赏罚分明,三、控制论,控制系统的数学描述,黑箱方法 输入激励，测记输出响应 激励响应关系 传递函数 拉普拉斯变换，引入频
29、域,三、控制论,控制系统的数学描述,串连系统传递函数,三、控制论,控制系统的数学描述,闭环系统传递函数,三、控制论,控制系统的性能指标,1、稳定性与稳定裕度 2、控制的精确性（控制精度或稳态误差） 3、过渡过程特性 1）快速性与过渡时间T 2)平稳性和超调量h 3）振荡次数 4、结构特性 能控性、能观测性、鲁棒性(Robustness),三、控制论,随机控制 自组织控制,三、控制论,大系统控制,系统大导致： 1、分散性 2、不确定性 3、维数灾难 连续信息采集 多个控制中心 递阶控制（集中与分散相结合的原则） 1、多级递阶控制 2、多层递阶控制 3、多段递阶控制,四、耗散结构理论,自组织系统理
30、论的发展历史,19世纪中期热力学的主要成就及其理论 热力学第一定律 热力学第二定律 从19世纪热力学中得出的结论 孤立系统中，熵趋于无穷大 S=Q/T 19世纪热力学与现实的矛盾 热力学认为，物体总是由有序向无序转化 生物科学却表明，生物的发展是无序向有序，低级向高级的进化过程,四、耗散结构理论,自组织系统理论的发展历史,19世纪以来科学家们对热力学与生物学矛盾的解决 麦克斯韦妖， 涨落导致有序 生命遗传机制的量子论解释， 生命特征与生命有序性 贝塔朗菲开放系统生物学理论 布里渊生命、热力学和控制论,自组织系统理论的诞生 比利时物理学家普利高津， 耗散结构理论 法国数学家托姆， 突变理论 德国
31、物理学家哈肯，协同理论,四、耗散结构理论,耗散结构理论简介,系统分类 孤立系统 与外界无物质、能量交换 封闭系统 与外界有能量、无物质交换 开放系统 与外界有能量、物质交换,四、耗散结构理论,耗散结构,耗散: 指系统与外界有能量的交换 结构:指在时间与空间上相对有序。,硅油产生的贝纳德花纹,一些雪花骨架图案,耗散结构理论就是研究系统怎样从混沌无 序的初始状态向稳定有序的组织结构进行 演化的过程和规律，并且试图描述系统在 变化的临界点附近的相变条件和行为。,四、耗散结构理论,四、耗散结构理论,1）开放系统是产生耗散结构的必要前提,diS,deS,dSdiSdeS,四、耗散结构理论,2）非平衡态是
32、有序之源,平衡态时，系统内部各个区域物质能量出现平衡，不可能产生流动。 近平衡态时，系统内部各个区域物质密度或能量差别较小，接近与平衡。 远离平衡态，系统内部各个区域物质和能量分布极不均匀，易于形成秩序、具有动态特征,四、耗散结构理论,3）涨落导致有序,涨落，指系统某个变量或某种行为对平均值的偏离，涨落是偶然的、随机的、杂乱无章的。 近平衡态时，涨落是破坏稳定性的干扰。 远离平衡态，随机小涨落可以通过非线性的相关作用和连锁效应被迅速放大，形成系统整体上的巨涨落，从而导致系统发生突变，形成一种新的稳定有序结构。,五、协同学理论 1976年， 德国理论物理学家赫尔曼哈肯(Harmann Haken
33、),耗散结构理论主要从系统内部与外部环境的关系上去研究 协同学主要从系统内部各要素相互作用的方式上去研究自组织机制 协同学不仅研究远离平衡态系统，也研究平衡态封闭系统；不仅研究系统无序到有序的演化规律，也研究从有序到无序的演化规律 协同学主要研究手段是类比,五、协同学理论,组织 系统内部的有序结构或形成有序结构的过程 他组织 系统靠外部指令形成组织 自组织 系统自动形成的有序结构,五、协同学理论,系统内的协同运动是自组织过程的内在依据 临界过程中，涨落是形成有序结构的推动力量 开放是自组织形成的外部条件,1)系统内的协同运动是自组织过程的内在依据,系统各要素之间的协同是自组织过程的基础。要素运
34、动存在两种趋势：1、自发的无规则运动（如分子热运动、以私有制为基础的生产无政府状态）2、由于要素之间的相互关联导致的协同运动（如结晶过程就是分子间的协同运动，足球比赛时协同运动）。当无规则运动占主导地位时，系统呈无序状态；当协同运动束缚无规则独立运动而占主要地位时，系统呈有序状态（组织态）。 系统由无序向有序转变，实际上是系统内的无规则独立运动主导地位被协同运动取代的过程，这一过程既可发生在非平衡态，也可在平衡态中。由此区别与耗散理论,系统内各序参量之间的协同合作是系统组织性产生的直接根源。 序参量即标志系统有序性的参数。（如磁化强度、光场强度、组织化程度等） 系统处于相变临界点时，往往同时有
35、几个序参量存在，而每个序参量又对应着一定的宏观组织结构。此时产生序参量的竞争，当一时不能胜出时，便会协同合作，一致主宰系统，使系统呈现新的组织结构；当一个序参量胜出时，系统又会形成更高一级的有序结构，系统的各要素又以新的方式协同运动。如贝纳德花纹。,1)系统内的协同运动是自组织过程的内在依据,2）临界过程中，涨落是形成有序结构的推动力,协同学认为，无论系统处于无序，还是有序状态，系统内各要素间协同运动依然存在， 由于系统要素的独立运动或局部产生的的协同运动及环境随机干扰，系统会有涨落。 涨落对于系统由一种稳态向另一种稳态跃迁的影响很大。当系统处于临界点时，涨落对系统影响很大，此时由于系统要素间
36、独立运动和协同运动进入均势阶段，系统有序性为零，任一微小涨落会被放大至巨涨落，推动系统进入有序。但多少涨落会迅速衰落下去，最终只有一个或少数几个涨落影响全局，使系统进入相应有序态。 涨落是有序之源,3）开放是自组织形成的外部条件,控制参量改变系统要素间相互关系和地位，改变要素间协同方式和程度。若外界不提供促成系统要素间关联变化的条件，系统不可能形成自组织行为。 系统自组织机制将外界提供的无规则形式的物质和能量进行加工，使其变为有序形式。,六、突变论 1972年法国数学家托姆结构稳定性和形态形成学,稳定性与非稳定性 突变过程本质与特征 突变形式具有多样性,1）稳定性与非稳定性,突变论是建立在稳定
37、性理论基础上的。 在存在干扰的情况下，只有稳定态能够存在下去，非稳定态上不能维持的。 由非稳定态向稳定态转化是客观事物运动变化的普遍趋势之一。,2）突变过程本质与特征,突变的过程是系统由一种稳定态经过不稳定态向新的稳定态跃迁的过程。数学上表示为参数变化对系统极值的影响。 突变的特征：1、多稳态性 2、中间非稳态性 3、突变点是一个范围 4、突变结果带有随机性。,3）突变形式具有多样性,突变形式为不同质态的系统在相互转化时的关节点分布的几何形状。 控制参量的个数不超过4，突变过程共有7种类型；控制参量的个数不超过5，突变过程共有11种类型；控制参量的个数超过5，突变类型趋于无限。,突变论的应用,
38、物理学上，系统相变和弹性梁弯曲、非线性振动、流体力学等 生物学上，建立心跳的数学模型，研究刺激在神经中传播，细胞分裂等 社会科学上，战争预测、语言学研究等。,七、开放的复杂巨系统理论,钱学森关于系统的分类,巨系统,由几个、十几个元素或子系统组成的是小系统；由几百个、上千个元素或子系统组成的是大系统；由成万上亿个元素或子系统组成为巨系统。 巨系统的整体行为可能涌现出显著特殊性质，如自组织现象。巨系统中还可根据系统组分和关联程度复杂性分为简单巨系统和复杂巨系统。 人脑系统是一种复杂巨系统。,开放的复杂巨系统,复杂系统内在表现为： 开放性 非线性 随机性 突现性,巨系统,复杂巨系统,开放的复杂巨系统
39、,钱学森20年来系统思想的三次飞跃,八、系统理论的基本概念,牛顿时间与柏格森时间 有序和无序 系统演化和突现吸引子,八、系统理论的基本概念（牛顿时间与柏格森时间）,牛顿力学方程： 傅立叶方程： 柏格森“物理学时间和进化论及生物学时间不同，前者可逆，其中没有新生事物出现；后者不可逆，不断出现新生事物。”,八、系统理论的基本概念（有序和无序）,有序性结构、行为、功能的有序性 系统中有序与无序相伴相生 例如封闭系统的热扩散和物扩散：,现代系统科学体系,一、系统分析的基本概念,系统分析产生于世纪年代末期的美国兰德公司，早期主要用于武器系统的成本效益分析，年代后，开始用于社会经济系统。 系统分析：是通过
40、一系列步骤，帮助领导者选择最优方案的一种系统方法。 目的提高问题的清晰度 方法用系统的方法，定性、定量的工具分析结构和状态，提出方案并进行评价和协调 任务提供方案、评价标准以及建议,第三节 系统分析概述,二、系统分析的要素 （）目标 （）可行方案 （）费用（寿命周期总费用 (Life Cycle Cost)） （）模型 （）效果（效益和有效性） （）准则（目标的具体化） （）结论（建议，不是决策）,目 标,研究,模 型,效果（）,费用（）, ,准则,结论 （方案排序）,图1 系统分析要素结构图,三、系统分析的要点与步骤 1.系统分析的要点,表1.2 系统分析的要点,解决问题的5W1H (1)任
41、务的对象是什么？即要干什么（What）; (2)这个任务何以需要？即为什么这样干（Why）; (3)它在什么时候和什么样的情况下使用？即何时干（When）; (4)使用的场所在哪里？即在何处干（Where）; (5)是以谁为对象的系统？即谁来干（Who）; (6)怎样才能解决问题？即如何干（How） 。,2、系统分析的步骤,原始情况 分析结果 阐明问题阶段 分析研究阶段 评价比较阶段,（1）阐明问题,问题的性质和范围 问题剖析报告：问题的结构、过程和势态 阶段结果报告：由来背景；重要性；可能采取行动的组织和个人；利益相关的组织和个人；目标、评价指标、约束条件、备选方案的初步描述、建议等 问题的
42、目标 目标的层次性 目标的冲突,目标树,X X1 X2 X3,目标冲突和利害冲突,在目标分析过程中，系统分析人员经常会发现，许多关键情况往往是由于存在着相互冲突的分目标造成的。这有两种情况： 一种是纯属专业性质的，即目标冲突问题； 另一种是社会性质的，即利害冲突问题。,目标冲突,例如在进行产品设计时，所可能强调的两个目标： 一是尽可能低的成本 二是尽可能高的质量。 解决办法： 建立一个没有矛盾的目标集，把引起矛盾的分目标剔除掉。 采用所有分目标，寻求一个能达到冲突目标得以并存的方案。,利害冲突,例如企业在减员增效的过程中就至少有如下两个目标： 一是提高企业的效益 二是保证工作岗位不减员。 处理
43、的方法 ： 目标方之一放弃自己的利益 保持其中一个目标，用其它方式补偿或部分补偿受损方的利益 通过协商调整目标系统，使之达到目标相容,阐明问题,环境和条件 评价指标 合理性 层次性 收集和分析资料,阐明问题,阶段结果报告：问题的由来与背景；重要性；可能采取行动的组织和个人；利益相关的组织和个人；目标、评价指标、约束条件、备选方案的初步描述、建议等 阐明问题阶段约占系统分析全过程的时间的20%-25%,（2）谋划备选方案,方案的提出 “集体创造”法 或“头脑风暴法” “缺点、希望点”列举法 特性穷举法 方案的筛选 强状性 适应性 可靠性 现实性 （可操作性）,（3）预测未来环境,情景分析法 ：情
44、景分析法对于每种备选方案都确定几组未来实施环境的特征和条件，如按“乐观”、“正常”和“悲观”的环境；也可按出现可能性大、正常和特殊的环境等进行预测。,数学模型的方法,确定预测内容 准备数据资料 确定预测方法，建立数学模型 定性预测法 时间序列预测法 因果关系预测法 计算预测值，分析预测误差,（4）建模和预计后果,每种方案实施后都相应有一系列后果，因此本阶段的首要工作便是确定应该预计哪些后果？其中哪些最重要？选定后果项目后，便可着手建立一个或多个模型预计行动和后果指标之间的关系。 系统分析的主要模型有图形模型、分析模型、仿真模型、博弈模型和判断模型,（5）评比备选方案,各种备选方案在不同情景下的后果估计出来之后，便可着手方案评比，方案评比便是依据所建立的评价指标对各方案可能取得的效果进行评价，并按其评价结果进行排序。 系统评价的主要方法有关联矩阵法、费用效益分析法、层次分析法及模糊评价法等许多种评价方法，这在后面的系统评价中将作专门介绍。,（6）系统工程分析报告,简略报告 主题报告 技术报告,图1.3 应用系统分析逻辑过程,定性目标-手段分析法；因果分析法等。 定量结构模型；模糊综合评判法；时间序列分析；系统动力学模型；层次分析法；投入-产出分析法；效益成本分析法等等。,3、系统分析的方法,The End!,