再谈系统论，控制论和信息论

                           再谈系统论，控制论和信息论


    偶然看到一则新闻：2007年3月6日下午和3月7日上午，来自哈尔滨工业大学管理学院的胡运权教授在国防科工委司处级领导干部能力建设培训班上讲解了“老三论”（系统论、控制论、信息论），本次讲座开阔了学员们的视野，有助于大家认识整体与局部、局部与局部、系统本身与外部环境之间互为依存、互相影响和制约的关系，对做好实际工作起到了一定的借鉴作用。

    回想起十多年前的大学校园里，流行过很长一段时间的著名的三论：“信息论，控制论和系统论”。笔者作为理工科背景的学生,当时也只是认为这些理论只与流行的系统工程科学,自动化学科以及信息科学等有比较大的联系,随着工作时间的增加和对管理知识的认识逐渐深入,也逐渐了解到这些理论其实是我们现在很推崇的现代企业管理理论的产生基础.

    信息论，控制论和系统论(称之为SCI论),是现代管理理论产生的方法论基础,另外还有耗散结构论,协同论以及突变论(称为DSC论)等方法论学科.只有这些人类真正的智慧积淀,才能让我们在浮躁的商业娱乐时代中深刻体察科学那严谨而深刻的真谛。

一.系统论

系统论是研究系统的模式、性能、行为和规律的一门科学。它为人们认识各种系统的组成、结构、性能、行为和发展规律提供了一般方法论的指导。系统论的创始人是美籍奥地利理论生物学家和哲学家路德维格·贝塔朗菲。

1）系统论的基本理论可以概括为以下四个方面:

第一，整体的功能不等于各部分功能之总和。系统论的这一理论，有人称之为“整体性原则”。它要求人们在研究和处理问题时，要牢固地树立全局观念，始终把研究对象看作一个有机体。

第二，系统的结构决定系统的功能。结构是系统内部各个要素的组织形式，功能是系统在一定环境下所能发挥的作用。系统的结构决定系统的功能，不同的结构可以发生不同的功能。

第三，动态观点。在系统论看来，任何系统都是一个运动过程，如思维过程是以感觉、知觉、记忆、分析、综合等来表征它的运动过程。系统论、控制论、信息论都是以动态的观点去分析考查事物，注意事物运动状态，考察研究事物运动的过程，从而选择恰当的过程。

第四，最佳观点。最佳观点也称最优化，这是系统论的出发点和最终目的。人们对系统进行研究和改造的最终目的，是为了使系统发挥最优的功能。一个系统可能有多种组成方案，要选择最优的方案，使系统具有最优功能。例如，生产系统要求高产、优质、低成本、低消耗、高利润，具有多种目标。为了使生产系统具有最优的功能，必须将这些目标综合起来考虑，采用功能最优的方案，这就需要做出最优的设计、控制和管理。


2）系统论的原则：整体性原则、结构功能原则、目的性原则、最优化原则

（a)整体性原则：系统论的核心思想是系统的整体观念。贝塔朗菲反对那种认为要素性能好，整体性能一定好，以局部说明整体的机械论的观点。体现在三个方面：

整体的性质不是要素具备的。

要素的性质影响整体。

要素性质之间相互影响。

（b)结构功能原则：要素不变时，结构决定功能。如种类无数的有机物几乎都主要是碳、氢、氧、氮组成。常常是组成结构不同。又如电子元件不同的组合可以形成各种家电（当然反过来，结构相同，要素不同，功能不同）。结构、要素都不同则可以有相同的功能。如人脑系统和计算机系统在部分功能上相似。利用这一原则，可以设计各种仿真系统。同一结构可能有多种功能。

（c)目的性原则：确定或把握系统目标并采取相应的手段去实现。这是控制论的研究内容。见控制论。

（d)最优化原则：为最好的实现目标而通过改变要素和结构使系统功能最佳。

二.控制论

     人们研究和认识系统的目的之一，就在于有效地控制和管理系统。控制论则为人们对系统的管理和控制提供了一般方法论的指导，它是数学、自动控制、电子技术、数理逻辑、生物科学等学科和技术相互渗透而形成的综合性科学。控制论的思想渊源可以追溯到遥远的古代。但是，控制论作为一个相对独立的科学学科的形成却起始于本世纪20~30年代，而1948年美国数学家维纳出版了《控制论》一书，标志着控制论的正式诞生。几十年来，控制论在纵深方向得到了很大发展，已应用到人类社会各个领域，如经济控制论、社会控制论和人口控制论等。

1）控制论的基本概念和基本思想

控制论强调系统的行为能力和系统的目的性。维纳提出了负反馈概念和功能模拟法。行为——系统在外界环境作用（输入）下所作的反应（输出）。人和生命有机体的行为是有目的、有意识的。生物系统的目的性行为又总是同外界环境发生联系，这种联系是通过信息的交换实现的。外界环境的改变对生物体的刺激对生物系统来说就是一种信息输入，生物体对这种刺激的反应对生物系统来说就是信息的输出。控制论认为任何系统要保持或达到一定目标，就必须采取一定的行为。输入和输出就是系统的行为。

反馈——系统输出信息返回输入端，经处理，再对系统输出施加影响的过程。反馈分正反馈和负反馈。负反馈是控制论的核心问题。

正反馈——反馈信息与原信息起相同的作用，使总输入增大。系统目标偏离。加剧系统不稳定。

负反馈——反馈信息与原信息起相反的作用，使总输入减小。系统目标偏离减小。系统稳定。

2）控制论的基本方法

控制论是具有方法论意义的科学理论。控制论的理论、观点，可以成为研究各门科学问题的科学方法，这就是撇开各门科学的质的物点，把它们看作是一个控制系统，分析它的信息流程、反机制和控制原理，往往能够寻找到使系统达到最佳状态的方法。这种方法称为控制方法。控制论的主要方法有控制方法、信息方法、反馈方法、功能模拟方法和黑箱方法等。

信息方法——是把研究对象看作是一个信息系统，通过分析系统的信息流程来把握事物规律的方法。

反馈方法——则是动用反馈控制原理去分析和处理问题的研究方法。所衷肠反馈控制就是由控制器发出的控制信息的再输出发生影响，以实现系统预定目标的过程，正反馈能放大控制作用，实现自组织控制。但也使偏差愈益加大，导致振荡。负反馈能纠正偏差，实现稳定控制，但它减弱控制作用、损耗能量。

功能模拟法——用功能模型来模仿客体原型的功能和行为的方法。所谓功能模型就是只以功能行为是相似为基础而建立的模型。如猎手瞄准猎物的过程与自动火炮系统的功能行为是相似的，但二者的内部结构和物理过程是截然不同的，这就是一种功能模拟。功能模拟法为仿生学、人工智能、价值工程提供了科学方法。

黑箱方法（又称系统辨识）——通过考察系统的输入与输出关系认识系统功能的研究方法。它是探索复杂大系统的重要工具。系统辨识是在输入、输出的基础上，从一类系统中确定一个与所测系统等价的系统。黑箱就是指那些不能打开箱盖，又不能从外部观察内部状态的系统。

黑箱方法是控制论的主要方法。具体是：首先给黑箱一系列的刺激（系统输入），再通过观察黑箱的反应（系统输出），从而建立起输入和输出之间的规律性联系，最后把这种联系用数学的语言描述出来形成黑箱的数学模型。黑箱方法不涉及复杂系统的内部结构和相互作用的大量细节，而只是从总体行为上去描述和把握系统、预测系统的行为，这在研究复杂系统时特别有用。

白箱方法——研究系统的可观性和可控性，通过定量分析找出两者之间的关系。

黑箱方法的目的在于通过为黑箱建立模型，是黑箱变成白箱。有时黑箱模型不止一个，这种情况下，系统辨识其中最合理的一个。

系统辨识主要步骤是：试验设计、选择模型、参数估计和检验模型。

三.信息论

    为了正确地认识并有效地控制系统，必须了解和掌握系统的各种信息的流动与交换，信息论为此提供了一般方法论的指导。语言是人与人之间的信息交流的工具，文字扩大了信息交流的范围，19世纪电话和电报的发明和应用使信息交流进入了电气化时代。信息论最早产生于通讯领域，现在已同材料和能源一起构成了现代文明的三大支柱。

    信息论可以分成两种：狭义信息论与广义信息论。狭义信息论是关于通讯技术的理论，它是以数学方法研究通讯技术中关于信息的传输和变换规律的一门科学。广义信息论，则超出了通讯技术的范围来研究信息问题，它以各种系统、各门科学中的信息为对象，广泛地研究信息的本质和特点，以及信息的取得、计量、传输、储存、处理、控制和利用的一般规律。显然，广义信息论包括了狭义信息论的内容，但其研究范围却比通讯领域广泛得多，是狭义信息论在各个领域的应用和推广，因此，它的规律也更一般化，适用于各个领域，所以它是一门横断学科。广义信息论，人们也称它为信息科学。

    信息论为控制论、自动化技术和现代化通讯技术奠定了理论基础，为研究大脑结构、遗传密码、生命系统和神经病理象开辟了新的途径，为管理的科学化和决策的科学化提供了思想武器。信息方法为认识当代以电子计算机和现代通讯技术为中心的新技术革命的浪潮，为认识论的研究和发展，将进一步提高人类认识与改造自然界的能力。

结语：钱学森认为：系统学是建立系统科学严密体系的关键学科，它是整个系统科学的理论基础，不同于贝塔朗菲的系统论，它应该是系统论、信息论、控制论三论归一概括出来的基础理论科学。

系统科学统一体系结构是：从基础理论到技术科学再到工程技术，共有18个学科。它们是：系统科学、系统论、信息论、控制论、耗散结构论、协同学、突变论、运筹论，模糊数学、物元分析、泛系方法论、系统动力学、灰色系统理论、系统工程控学、计算机科学、人工智能学、知识工程学、传播学。

最近,被成为"新三论"的分形论、超循环论和混沌论，更以磅礴的气势席卷全球，复杂科学的兴起，向第一次科学革命的成果提出了巨大挑战.