第三卷 係統思想
第一章 霍爾三維結構
霍爾三維結構(Hallthreedimensionsstructure)是美國係統工程專家霍爾(A·D·Hall)於1969年提出的一種係統工程方法論。它的出現，為解決大型複雜係統的規劃、組織、管理問題提供了一種統一的思想方法，因而在世界各國得到了廣泛應用。霍爾三維結構是將係統工程整個活動過程分為前後緊密銜接的七個階段和七個步驟，同時還考慮了為完成這些階段和步驟所需要的各種專業知識和技能。這樣，就形成了由時間維、邏輯維和知識維所組成的三維空間結構。其中，時間維表示係統工程活動從開始到結束按時間順序排列的全過程，分為規劃、擬定方案、研製、生產、安裝、運行、更新七個時間階段。邏輯維是指時間維的每一個階段內所要進行的工作內容和應該遵循的思維程序，包括明確問題、確定目標、係統綜合、係統分析。優化、決策、實施七個邏輯步驟。知識維列舉需要運用包括工程、醫學、建築、商業、法律、管理、社會科學、藝術、等各種知識和技能。三維結構體係形象地描述了係統工程研究的框架，對其中任一階段和每一個步驟，又可進一步展開，形成了分層次的樹狀體係。下麵將邏輯維的7個步驟逐項展開討論，可以看出，這些內容幾乎覆蓋了係統工程理論方法的各個方麵。為便於敘述，後麵將係統分析放在係統綜合前討論。
1.明確問題由於係統工程研究的對象複雜，包含自然界和社會經濟各個方麵，而且研究對象本身的問題有時尚不清楚，如果是半結構性或非結構性問題，也難以用結構模型定量表示。因此，係統開發的最初階段首先要明確問題的性質，特別是在問題的形成和規劃階段，搞清楚要研究的是什麼性質的問題，以便正確地設定問題，否則，以後的許多工作將會勞而無功。造成很大浪費。
國內外學者在問題的設定方麵提出了許多行之有效的方法，主要有:
(1)直觀的經驗方法。這類方法中，比較知名約有頭腦風暴法(BrainStorming)，又稱智暴法、5W1H法、KJ法等，日本人將這類方法叫做創造工程法。這一方法的特點是總結人們的經驗，集思廣益，通過分散討論和集中歸納，整理出係統所要解決的問題。
(2)預測法。係統要分析的問題常常與技術發展趨勢和外部環境的變化有關，其中有許多末知因素，這些因素可用打分的辦法或主觀概率法來處理。預測法主要有德爾菲法、情景分析法、交叉影響法、時間序列法等。
(3)結構模型法。複雜問題可用分解的方法，形成若幹相關聯的相對簡單的子問題，然後用網絡圖方法將問題直觀地表示出來。常用的方法有解釋結構模型法(I5M法)、決策實驗室法(DEMATEL法)、圖論法等。其中，用圖論中的關聯樹來分析目標體係和結構，可以很好地比較各種替代方案，在問題形成、方案選擇和評價中是很有用的。
(4)多變量統計分析法。用統計理論方法所得到的多變量模型一般是非物理模型，對象也常是非結構的或半結構的。統計分析法中比較常用的有因子分析法、主成份分析法等，成組分析和正則相關分析也屬此類。此外，還有利用行為科學、社會學、一般係統理論和模糊理論來分析，或幾種方法結合起來分析，使問題明確化。
2.建立價值體係或評價體係評價體係要回答以下一些問題:評價指標如何定量化，評價中的主觀成分和客觀成分如何分離，如何進行綜合評價，如何確定價值觀問題等。行之有效的價值體係方法有以下幾種。
(1)效用理論。該理論是從公理出發建立的價值理論體係，反映了人的偏好，建立了效用理論和效用函數，並發展為多屬性和多隸屬度效用函數。
(2)費用/效益分析法。多用於經濟係統評價，如投資效果評價、項目可行性研究等。
(3)風險估計。在係統評價申，風險和安全性評價是一個重要內容，決策人對風險的態度也反映在效用函數上。在多個目標之間有衝突時，人們也常根據風險估計來進行折衷評價。
(4)價值工程。價值是人們對事物優劣的觀念準則和評價準則的總和。例如，要解決的問題是否值得去做，解決問題的過程是否適當，結果是否令人滿意等。以生產為例，產品的價值主要體現在產品的功能和質量上，降低投入成本和增加產出是兩項相關的準則。價值工程是個總體概念，具體體現在設計、製造和銷售各個環節的合理性上。
3·係統分析不論是工程技術問題還是社會環境問題，係統分析首先要對所研究的對象進行描述，建模的方法和仿真技術是常采用的方法，對難以用數學模型表達的社會係統和生物係統等，也常用定性和定量相結合的方法來描述。係統分析的主要內容涉及以下幾方麵。
(1)係統變量的選擇。用於描述係統主事狀態及其演變過程的是一組狀態變量和決策變量，因此，係統分析首先要選擇出能反映問題本質的變量，並區分內生變量和外生變量，用靈敏度分析法可區別各個變量對係統命題的影響程度，並對變量進行篩選。
(2)建模和仿真。在狀態變量選定後，要根據客觀事物的具體特點確定變量間的相互依存和製約關係，即構造狀態平衡方程式，得出描述係統特征的數學模型。在係統內部結構不清楚的情況下，可用輸入輸出的統計數據得出關係式，構造出係統模型。係統對象抽象成模型後，就可進行仿真，找出更普遍、更集中和更深刻反映係統本質的特征和演變趨勢。現已有若幹實用的大係統仿真軟件，如用於隨機服務係統的GPSS軟件，用於複雜社會經濟係統仿真的係統動力學(SD)軟件等。
(3)可靠性工程。係統可靠性工程是研究係統中元素的可靠性和由多個元素組成的係統整體可靠性之間的關係。一般講，可靠的元件是組成可靠係統的基礎，然而，局部的可靠性和整體可靠性間並非簡單的對應關係，係統工程強調從整體上來看問題。在40年代，馮·諾依曼(VonNeumann)開始研究用重複的不那麼可靠的元件組成高度可靠係統的問題，並進行了可靠性理論探討。錢學森教授也提出，現在大規模集成電路的發展便元器件的成本大大降低，如何用可靠性較低的元器件組成可靠性高的係統，是個很有現實意義的問題。近年來，己采用的可靠性和安全性評價方法有FTA或ETA等樹狀圖形方法。
4·係統綜合係統綜合是在給定條件下，找出達到預期目標的手段或係統結構。一般來講，按給定目標設計和規劃的係統，在具體實施時，總與原來的設想有些差異，需要通過對問題本質的深入理解，作出具體解決問題的替代方案，或通過典型實例的研究，構想出係統結構和簡單易行的能實現目標要求的實施方案。係統綜合的過程常常需要有人的參與，計算機輔助設計(CAD)和係統仿真可用於係統綜合，通過人機的交互作用，51人人的經驗知識，便係統具有推理和聯想的功能。近年來，知識工程和模糊理論已成為係統綜合的有力工具。
5·係統方案的優化選擇在係統的數學模型和目標函數己經建立的情況下，可用最優化方法選擇便目標值最優的控製變量值或係統參數。所謂優化，就是在約束條件規定的可行域內，從多種可行方案或替代方案中得出最優解或滿意解。實踐中要根據問題的特點選用適當的最優化方法，目前應用最廣的仍是線性規劃和動態規劃，非線性規劃的研究很多，但實用性尚有待改進，大係統優化已開發了分解協調的算法。組合優化適用於離散變量，整數規劃中的分枝定界法，逐次逼近法等的應用也很廣泛。多目標優化問題的最優解處於目標空間的非劣解集上，可采用人機交互的方法處理所得的解，最終得到滿意解。當然，多目標問題也可用加權的方法轉換成單目標來求解，或按目標的重要性排序，逐次求解，例如目標規劃法。
6.決策"決策就是管理"，"決策就是決定"，人類的決策管理活動麵臨著被決策係統的日益龐大和日益複雜。決策又有個人決策和團體決策、定性決策和定量決策、單目標決策和多目標決策之分。戰略決策是在更高層次上的決策。在係統分析和係統綜合的基礎上，人們可根據主觀偏好、主觀效用和主觀概率做決策。決策的本質反映了人的主觀認識能力，因此，就必然受到人的主觀認識能力的限製。近年來，塊策支持係統受到人們的重視，係統分析者將各種數據、條件、模型和算法放在決策支持係統中，該係統甚至包含了有推理演繹功能的知識庫，便決策者在做出主觀決策後，力圖從決策支持係統中盡快得到效果反應，以求得到主觀判斷和客觀效果的一致。決策支持係統在一定條件下起到決策科學化和合理化的作用。但是，在真實的決策中，被決策對象往往包含許多不確定因素和難以描述的現象，例如，社會環境和人的行為不可能都抽象成數學模型，即使是使用了專家係統，也不可能將邏輯推演、綜合和論證的過程做到像人的大腦那樣，有創造性的思維，也無法判斷許多隨機因素。群決策有利於克服某些個人決策中主觀判斷的失誤，但群決策過程比較長。為了實現高效率的群決策，在理論方法和應用軟件開發方麵，許多人做了大量工作。如多人多目標決策理論、主從決策理論、協商談判係統、衝突分析等，有些應用軟件已實用化。
7.製定計劃有了決策就要付諸實施，實施就要依靠嚴格的有效的計劃。以工廠為例，為實現工廠的生產任務和發展戰略目標，就要製定當年的生產計劃和未來的發展規劃。廠內還要按廠級、車間級和班組級分別製定實施計劃。一項大的開發項目，涉及設計、開發、研究和施工等許多環節，每個環節又涉及組織大量的人、財、物。在係統工程申常用的計劃評審技術(PERT)和關鍵路線法(CPM)在製定和實施計劃方麵起了重要的作用。
第二章 耗散結構
耗散結構(dissipativestructure)關於"耗散結構"的理論是物理學中非平衡統計的一個重要新分支，是由比利時科學家伊裏亞·普裏戈津(I．Prigogine)於20世紀70年代提出的，由於這一成就，普裏戈津獲1977年諾貝爾化學獎。差不多是同一時間，西德物理學家赫爾曼·哈肯(H．Haken)提出了從研究對象到方法都與耗散結構相似的"協同學"(Syneraetics)，哈肯於1981年獲美國富蘭克林研究院邁克爾遜獎。現在耗散結構理論和協同學通常被並稱為自組織理論。我們首先從幾個例子看一下究竟什麼是耗散結構。天空中的雲通常是不規則分布的，但有時藍天和白雲會形成藍白相間的條紋，叫做天街，這是一種雲的空間結構。容器裝有液體，上下底分別同不同溫度的熱源接觸，下底溫度較上底高，當兩板間溫差超過一定閾值時，液體內部就會形成因對流而產生的六角形花紋，這就是著名的貝納德效應，它是流體的一種空間結構。在貝洛索夫-一薩波金斯基反應中，當用適當的催化劑和指示劑作丙二酸的溴酸氧化反應時，反應介質的顏色會在紅色和藍色之間作周期性變換，這類現象一般稱為化學振蕩或化學鍾，是一種時間結構。在某些條件下這類反應的反應介質還可以出現許多漂亮的花紋·，此即薩波金斯基花紋，它展示的是一種空間結構。在另外一些條件下，薩波金斯基花紋會成同心圓或螺旋狀向外擴散，象波一樣在介質中傳播，這就是所謂化學波，這是一種時間一一空間結構。諸如此類的例子很多，它們都屬於耗散結構的範疇。為了從各不相同的耗散結構實例中找出其本質的特征和規律，普裏戈津學派研究了非平衡熱力學,繼承和發展了前人關於物理學中相變的理論，運用了當代非線性微分方程以及隨機過程的數學知識，揭示出耗散結構有如下幾方麵的基本特點。
首先，產生耗散結構的係統都包含有大量的係統基元甚至多層次的組分。貝納德效應中的液體包含大量分子。天空中的雲包含有由水分子組成的水蒸氣、液滴，水晶和空氣，因而是含有多組分多層次的係統。至於貝洛索夫--薩波金斯基反應，其中不僅含有大量分子原子和離子，並且有許多化學成分。不僅如此，在產生耗散結構的係統中，基元間以及不同的組分和層次間還通常存在著錯綜複雜的相互作用，其中尤為重要的是正反饋機製和非線性作用。正反饋可以看作自我複製自我放大的機製，是"序"產生的重要因素，而非線性可以使係統在熱力學分支失穩的基礎上重新穩定到耗散結構分支上。
第二，產生耗散結構的係統必須是開放係統，必定同外界進行著物質與能量的交換。天街中的雲一定會和周圍的大氣和雲進行物質交並和外界進行能量交換。如欲維持貝洛索夫一薩波金斯基反應中的時間、空間，時間--空間結構，則需不斷地向進行反應的容器中注入所需的化學物質，這正是係統與外界的物質交換。耗散結構之所以依賴於係統開放，是因為根據熱力學第二定律，一個孤立係統的熵要隨時間增大直至極大值，此時對應最無序的平衡態，也就是說孤立係統絕對不會出現耗散結構。而開放係統可以使係統從外界引入足夠強的負熵流來抵消係統本身的熵產生而使係統總熵減少或不變，從而使係統進入或維持相對有序的狀態。
第三，產生耗散結構的係統必須處於遠離平衡的狀態。為了簡單說朋問題，先舉一個有關平衡狀態的例子。假定暖水瓶是完全隔熱的，裏邊放入溫水，蓋上瓶塞，其中的水不再受外界任何影響，最後水就進入一種各處溫度均勻，沒有宏觀流動和翻滾且不再隨時間改變的狀態，叫平衡態，相應的結構稱為平衡結構。根據熱力學理論，在這種狀態下是不可能出現任何耗散結構的。如果把瓶塞打開，用細棒攪拌瓶中的水，這時係統內發生翻滾流動，脫離平衡態。但若重新蓋上瓶塞，經過足夠長時間，係統又將不可避免的馳豫到新的平衡態，仍不會有耗散結構。這表明係統雖走出了平衡態，但離開平衡態不夠"遠"。要想使係統產生耗散結構，就必須通過外界的物質流和能量流驅動係統使它遠離平衡至一定程度，至少使其越過非平衡的線性區，即進入非線性區。最明顯的例子是貝納德效應，若上下溫差很小，不會出現六角形花紋，表明係統離開平衡態不夠遠。待溫差達到一定程度，即離開平衡態足夠遠，才發生貝納德對流。這裏強調指出，耗散結構與平衡結構有本質的區別。平衡結構是一種"死"的結構，它的存在和維持不依賴於外界、而耗散結構是個"活"的結構，它隻有在非平衡條件下依賴於外界才能形成和維持。由於它內部不斷產生熵，就要不斷地從外界引入負熵流，不斷進行"新陳代謝"過程，一旦這種"代謝"條件被破壞，這個結構就會"窒息而死"。所有自然界的生命現象都必須用第二種結構來解釋。