第3章 系统科学总论(1)
而同期诞生的相对论，则揭示了宏观世界的系统整体性。它揭示了物质、运动、质量、能量、时间、空间的统一性，否定了经典物理的绝对时空观，并进而推导到宇宙中四种基本力的统一，为大统一场论奠定了基础。另外，20世纪其他一些科学领域，如天文学、生物学等也取得了很大的进展，也为系统观的形成提供了有力的科学基础。科学上的重大突破引发了以微电子技术为核心，包括信息技术、激光技术、生物技术、新材料、新能源、空间技术、海洋开发以及系统工程等诸多领域的世界新技术革命。它与以往技术革命最大的不同是，技术与科学、技术与技术、技术与经济、技术与社会之间的相互渗透、相互依赖、相互促进的系统性特征愈益明显。同时，现代人类社会正面临着许多前所未有的困境：核战争的危险、人口的急剧膨胀、资源的枯竭、环境的破坏、贫富的悬殊、社会的动荡，还有许多问题如粮食、交通、工业、城市、经济等，所有这些问题的解决，也需要跨越多种学科的知识。
当代科学的高度分化又高度综合的整体化发展趋势，使得在许多学科连接的研究领域涌现出大批新兴的交叉学科、横断学科和边缘学科。在20世纪中叶，尤其是第二次世界大战期间，出现了一批具有典型横断科学性质的技术科学群，这就是电子计算机理论与技术、系统论、信息论、控制论、系统工程与运筹学等，形成了新的学科群——系统科学。到了20世纪70年代左右，又出现了以比利时科学家普利高津由研究非平衡态热力学而创立的耗散结构理论、德国理论物理学家哈肯以激光理论研究为基础而建立的协同学、德国生物学和物理化学家艾根从研究生命起源问题而建立的超循环理论，还有托姆的突变理论，A·乌耶莫夫的参量型系统理论，以及混沌理论等。这些科学理论以更普遍和更精确的方式深刻地揭示了自然界和人类社会中事物运动和发展的系统性特征。它们也进一步在理论上解决了系统演化发展的条件、过程、动力等问题，使系统科学日臻完备。系统科学的形成为现代科学技术的发展提供了新思路、新方法、新理论，标志着人类认识世界的思维水平达到了一个新的高度。
1.一个古老的哲学理念——整体性
系统科学诞生在20世纪三四十年代，它是现代科学不断分化时日益呈现的综合趋势的产物。但是在近代乃至古代的一些思想中，就已经包含着系统科学思想的萌芽。古希腊的“Synhistanai”一词，意为归拢起来使之站立，已经具有“系统”的涵义。古希腊朴素辩证法的奠基人赫拉克利特（约公元前540~480年）在《论自然界》中说过，世界是包括一切的整体。他认为世界万物是在永不停息的火的变化中作有规律的、有秩序的运动，土死生水，水死生气，气死生火；反过来也是一样。
古代原子论的创始人德谟克利特（Democritus公元前460~370年）对物质的结构作了探讨。他还著有《世界大系统》一书，这是最早采用“系统”一词的著作。德谟克利特的系统思想通过其对宇宙构成的认识表达得十分清晰，他认为独立、不变、不可分的“原子”是组成宇宙系统的基本粒子。这个“系统”虽然与系统科学中的“系统”表述相似，但是内容却不一样。那时系统思想的萌芽是一种朴素的整体观。它是与秩序、整体、组织相互联系等概念联系在一起的。亚里士多德（Aristotle）“整体大于部分之和”是其具有整体论和目的论内涵的系统观的高度概括。柏拉图（Plato）则赋予系统以完美的静止状态或永恒的“理想”形式之内涵。
在我国古代，朴素的唯物论和辩证法中亦蕴涵着系统思想。例如，中国古代的系统思想在老子的《道德经》中得到高度概括和提炼。《道德经》中的“道”或“一”，超越了时空界限，“独立而不改，周行而不殆，可以为天下母，”老子认为，只有按照“道”的原则，才能实现既定的目标。
“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”。这里的“道”或“一”在某种意义上说就是一种整体性的意思。公元前六世纪的《孙子兵法》，对战争的全局及各部分、各层次的关系作了详细的论述，提出决定战争胜负的政治、天时、地利、将帅、法制等五个相互联系、相互影响的基本因素，也体现了整体性的思想。我国古代的医学经典《黄帝内经》把人体看作是五种要素相生相克、相互影响的整体，而天地自然与人体相通，五脏连成一气，并在此基础上提出了辨证施治的方法，主张把生理现象与自然现象相结合来治疗疾病。它把自然现象、生理现象、精神活动三者结合起来考察疾病的根源。这种从整体出发来看人体内脏的辩证关系就是系统的观点。中医学中天人相应理论、脏腑学说、经络学说、五行学说、阴阳学说都是从系统观点来研究人体和疾病的，充满了系统思想。这些事例说明，我国古代的整体性、系统性的思想已达到了相当高的水平。
我国古代不仅能自发地应用系统概念考察自然现象，而且还用这种观点去改造自然，系统思想在实践中已有广泛的应用。公元前250年，中国战国时期的秦蜀郡太守李冰设计并主持修建的都江堰大型水利工程，由都江鱼嘴、飞沙堰和宝瓶口三大工程配套而成，都江鱼嘴建于岷江中心，把岷江水一分为二，内江灌溉，外江分洪；飞沙堰建于内江西岸，用于溢洪排沙；宝瓶口位于内江东岸，配合飞沙堰调节水量。三项工程浑然一体，巧妙合成，缺一不可，如果没有“鱼嘴”工程就不可能把大量沙石排入外江；没有“宝瓶口”的蓄水作用和“宝瓶口”的附属部分，离堆的顶托就不会形成回旋流，泥沙就过不了飞沙堰；而没有飞沙堰，宝瓶口就会被沙石阻塞，内江之水就无法流入成都平原。正因为都江堰这个整体发挥了三个孤立部分所发挥不了的作用，所以才能分导汹涌的岷江急流，使之驯服地灌溉十四个县五百多万亩农田。都江堰的整体规划、设计和施工的科学水平和创见，用今天的系统方法来衡量也毫不逊色。
2.由管理系统思想发展而来的科学方法——系统工程的兴起
系统工程萌芽于20世纪初美国的泰勒（F·W·Taylor，1856~1915）管理制度。泰勒从合理安排工序以提高工作效率入手，研究管理中行为与时间的关系，从而探索管理科学的基本规律。再经过法约尔、韦伯的组织理论到巴德纳的“协作系统”，形成了管理系统思想的雏形。
到了20世纪40年代，美国贝尔电话公司在研制自动电话时，一开始就意识到：在建立电话网时，不能把它看作是一堆互不相干的独立元件，而应当把它们看作是一个系统，即一个为用户服务为目的的统一整体。也就是从整体考虑，用系统的思想和方法解决比较复杂的工程技术问题，基于这点，他们按照时间的顺序把工作分为规划、研究、发展、工程应用及通用工程等五个阶段，并首先使用了“系统工程”这一概念。
20世纪四五十年代，这一方法在发展美国的微波通信网络时收到了良好的效果。然而，系统工程真正最早的应用是在军事上。第二次世界大战期间，为解决作战和后勤决策的最优化问题，产生了运筹学，大大提高了战斗力和作战效率。其中最出名的美国空军建立的兰德公司（RAND），它其实是一个智囊机构，由各方面的专家组成，专门为美国政府尤其是军事部门出谋划策、为武器研制提供规划和方案。他们倡导了系统分析方法，以大量数学分析为手段，通过系统的途径，考察决策者面临的全部问题，提出解决的目标和方案，供决策者选择。兰德公司的影响很大，他们创立的系统分析方法，成为系统工程学的发端。英国也曾组织了一个研究小组，负责研制雷达早期探测警报系统，在反空袭战中取得了显著效果。钱学森等人说，1939年，英国雷达研究部门“建立了世界上第一个有组织地、自觉地按照系统的观点、用系统工程方法分析和研究作战使用问题的小组”。有专家认为这可以说是现代系统工程的起点。
又如，美国总统罗斯福根据一些科学家的建议，组织力量研究制定了有一万五千多人参加的、制造原子弹的“曼哈顿”工程计划。美国一个由数学家组成的小组，运用运筹学的方法分析德国潜艇的活动规律，指导飞机的反潜行动，取得了成功。1942年美国的运筹小组研究反潜作战中深水炸弹的起爆深度，使击沉潜艇的数量成倍增加，从而使运筹学获得了声誉。战后，系统工程和运筹学进一步用于科技、经济和社会发展等领域，并且达到了比较成熟的阶段。系统工程方法与相关的专业应用领域相结合，形成了诸如军事系统工程、通信系统工程、科研系统工程、经济系统过程、农业系统工程等领域。运筹学的进一步发展把规划论、排队论、对策论、线性规划、库存论、决策论、搜索论、模型论、算法论、优化理论等都包含在内。系统工程是关于组织管理系统的规划、研究、设计、制造、实验和利用的科学方法。而运筹学是用数学工具使系统的规划和运行达到最优化的方法，它是系统工程的数学理论基础。
1961年，美国宣布60年代末实现人类登月的“阿波罗计划”及1969年登月的成功，被公认为是系统工程实践成功的典型例证，从而引起了人们对系统工程的广泛关注。“阿波罗计划”是一个极其庞大的计划，它涉及300多万个零件，2万多家国内外企业，参加的人员达几十万，耗资200多亿美元，历时11年。如此大型的工程计划采用通常管理和实施的办法难以奏效，因而他们在整个计划的组织管理和实施过程中都采用了系统分析的方法，并用电子计算机收集资料、进行管理、制定计划和做各种模型实验。
到了20世纪70年代以后，系统工程学开始进入社会——技术和社会——经济领域，旨在对大系统进行最优控制和最优管理。许多国家都相继开展了系统工程研究。我国在20世纪60年代起就已在化工、炼油、电力等系统开始应用系统工程学理论。关于系统工程的定义，我国科学家钱学森这样认为：“系统工程是组织管理系统的规划、研究、计划、制造、实验和实用的方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。”到目前为止，系统工程学还未发展完善，科学界还没有一个统一的定义，但不管如何，系统工程学应该包含以下几个方面：系统工程是新型的组织管理技术；它的研究对象是一个复杂的系统；系统工程的作用在于组织、协调系统内部各要素的活动，使其各自为实现整体目标发挥应有的作用；系统工程的目标是使系统整体目标达到最优化。
综上所述，系统工程就是从对系统的认识出发，设计和实现一个整体，以求达到我们所希望得到的最佳结果。
3.一切都是系统——系统科学的基本理论
系统工程在实践中的发展和应用，大大推动了系统工程基础理论方面的探索。作为系统科学的基础理论的系统学正在酝酿和形成。它除了控制论、信息论、运筹学等技术理论基础之外，主要有一般系统论、耗散结构理论、协同学、突变论、超循环理论、微分动力学、混沌理论等一系列新理论。
控制论是研究各类系统的调节和控制规律的科学。它是自动控制、通信技术、计算机科学、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一种横断性学科。早在20世纪30年代，维纳在谢林顿和巴甫洛夫神经生理学研究的启示下，就开始研究控制问题。第二次世界大战中，他同别格罗、罗森勃吕特一起研究自动火炮与快速计算机的控制机制时，产生了控制论的反馈概念，并在1943年发表了《行为、目的和目的论》一书。后来，维纳在总结他自己和别人的研究成果的基础上，于1948年发表了《控制论》，这本书标志着此学科的诞生。控制论产生后，经历了三个发展阶段：20世纪40年代末到50年代着重研究单变量的自动控制，如控制发电机的电压、电动机的转速等；20世纪60年代以后，开始研究多变量控制和最优控制，如企业的经济技术指标的最优控制；20世纪70年代以后，开始研究大系统的控制问题，从工程技术领域进入生物领域、社会领域和思维领域，并对仿生学、人工智能等学科领域产生影响，展示了控制论理论的普遍意义。
信息论是关于运用数学工具来研究信息的传递、存储、转换、检索、处理的理论和方法，它是系统工程的理论基础。信息论的一些观点可以追溯到20世纪20年代。1928年，哈特莱发表《信息传输》一文，探讨了通信的一般理论中信息的传输问题。他提出用消息的可能数目来度量消息中所含的信息量，从而为信息论的建立提供了思路。第二次世界大战中，由于雷达、电子通信、自动控制和计算技术的发展，促使了许多国家加强了对信息的研究。美国的数学家香农在这方面迈出了重要的一步。他在1948年发表了《通信的数学理论》，奠定了信息论的理论基础，提出了通信的基本问题是在通信一端精确地或近似地复现另一端所挑选的信息。而维纳在《控制论》中把人、动物和机器的控制与通信过程统一起来，认为信息就是负熵。自20世纪80年代以来，信息论又有了全新的发展，其中最受人们关注的有量子信息论、生物信息论等。量子信息论是经典信息论与量子力学相结合的新兴交叉学科，它是一门用量子力学的世界观来重新构建信息理论的科学。如今，量子信息论已经成为一门独立的学科，并且在许多方面显示了它超越经典信息论的地方。量子信息论也是一门交叉学科，尽管它的框架现在已经形成，但是还有许多尚待解决的问题。不过我们相信，量子信息科学的明天会更加光明灿烂，人类从信息时代进入量子信息时代已经不再是一种梦想。