系統科學丨郭雷：系統學是什麼
《系統科學進展》作為《系統科學叢書》的首部著作，收集了包括錢學森、關肇直、周光召、John Holland等著名科學家的重要文獻。
今天為大家選取的是郭雷院士的文章：系統學是什麼。本文原載於《系統科學與數學》2016年第3期。
郭雷，1961年生於山東, 1982年畢業于山東大學數學系，1987年在中科院系統科學所獲博士學位,1987-1989年在澳大利亞國立大學做博士後,1992年被中科院特批為研究員。
長期從事系統與控制科學研究。解決了自校正調節器收斂性等著名理論難題，建立了幾類典型自我調整濾波演算法的數學理論，
系統是自然界和人類社會中一切事物存在的基本方式,各式各樣的系統組成了我們所在的世界。一個系統是由相互關聯和相互作用的多個元素(或子系統)所組成的具有特定功能的有機整體,這個系統又可作為子系統成為更大系統的組成部分。
我國系統科學的主要開創者和推動者錢學森曾提出系統科學體系的層次劃分(系統論、系統學、系統技術科學、系統工程技術),並認為系統論是系統科學的哲學層次,而系統學(systematology)是系統科學的基礎理論。
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系統學的內涵
首先,系統學是一門什麼性質的科學?傳統的學科分類,通常是以現實世界中的具體研究對象為劃分依據,而系統學則試圖探索各類系統的普適規律。因此,嚴格說來,它不在以還原論思維為主導的學科分類視野中。這一點類似數學(主要研究量的關係與空間形式),兩者都是橫斷科學,但這兩門科學的側重點各不相同。錢學森把系統科學與數學科學、自然科學、社會科學、思維科學等並列為科學技術門類之一,是頗有洞見性的。
其次,系統學的內涵是什麼?它的內涵體現在系統科學的定義之中,關鍵是各類不同系統是否存在普適性共同規律。答案是肯定的。從中國古代陰陽學說、中庸之道、天人合一、和而不同與奇正之術等豐富的系統思想(《易經》《道德經》《論語》《中庸》《黃帝內經》《孫子兵法》等),到唯物辯證法的基本原則、基本範疇，特別是以對立統一為首的三大基本規律(對立統一規律、品質互變規律、否定之否定規律),再到當今不斷發展的系統理論與系統方法,都是明證。系統學既受系統論指導,又在發展中不斷豐富系統論內涵,它更重視系統科學普適性規律的深入研究和定量表達。我們所說的系統論固然不是還原論,但也不是整體論,正如錢學森所言,系統論是還原論與整體論的辯證統一。正是這種統一使系統論超越還原論成為可能。但究竟如何統一?筆者認為,至少可以從三方面的結合來考慮:一是整體指導下的還原與還原基礎上的綜合相結合(或自上而下與自下而上方法相結合);二是機理分析與功能模擬相結合;三是系統認知與系統調控相結合。毫無疑問,還原論是推動人類文明進步的基石(如社會分工、學科分化、結構分層、情況分類等),也是促使系統論產生和發展的基礎。
系統學中最簡單和基本的原理是系統的結構與環境共同決定系統的功能。當然,系統功能反過來也會影響其結構和環境,他們往往是相互影響的雙向關係。系統環境包括自然環境與社會環境,系統結構包括物理結構與資訊結構,不同時空尺度和層次結構一般對應不同模式和功能。系統功能一般不能還原為其不同組分自身功能的簡單相加,故稱之為湧現(emergence),它一般是在時間與空間中演化的。進一步,在給定環境條件下,系統的結構可以唯一決定功能,但反之一般不然。這一基本事實,既造成了根據系統功能來認知其內部(黑箱或灰箱)結構的困難性,也提供了可以選用不同模型結構來表達、類比或調控系統相同功能的靈活性,這是一種與結構分析法互補的功能建模法。
一般來講,為了理解系統行為,可通過深化內部結構認知,也可利用外部觀測資訊,或兩者並用;為了提高系統功能,可增強組分的個體功能,也可優化組分的相互關聯,或兩者並施。特別地,優化組分的相互關聯意味著對系統結構進行調整或調控,以使系統達到所期望的整體功能或目的。這往往通過動態調整系統的可控變數或要素,使其自身或其關聯平衡在一定範圍內達到。顯而易見,任何調控策略都依賴系統狀態、功能和環境,這就需要研究系統的資訊、認知、調控與不確定性因素處理等問題。
基於以上分析,筆者認為,系統學應該包括下述五論的主要內容:
一是系統方法論 系統學中不同性質的問題所適用的方法論也不同,方法論指導具體研究方法的選用。例如,演繹與歸納、還原與綜合、局部與整體、定性與定量、機理與唯象、結構與功能、確定與隨機、先驗與後驗、激勵與抑制、理論與應用等相互結合或互補的方法論等,重點是能夠超越還原論的方法論;
二是系統演化論 研究在給定環境或宏觀約束下,系統層級結構與相應功能在時間和空間中的湧現與演化。特別地,研究系統狀態(或性質)在時空中生滅、平衡、穩定、運動、傳遞、相變、轉化、適應、進化、分化與組合、自組織與選擇性隨機演化等規律,包括各種自組織理論、穩定性與魯棒性理論、動力系統理論、混沌理論、突變理論、多(自主)體系統、複雜網路、複雜適應系統等;
三是系統認知論 研究系統機理或屬性的感知、表徵、觀測、分類、通信、建模、估計、學習、識別、推理、檢測、模擬、預測、判斷等智慧行為的理論與方法,包括認知科學、建模理論、估計理論、學習理論、通信理論、資訊處理、濾波與預測理論、模式識別、自動推理、資料科學與不確定性處理等;
四是系統調控論 研究系統要素的(動態)平衡性與系統結構和功能關係的普適性規律,以及系統的結構調整、機制設計、運籌優化、適應協同、回饋調控、合作與博弈等,包括優化理論、控制理論與博弈理論等;
五是系統實踐論 這是系統學應用於各門具體學科和領域時的相應理論。由於人類任何具體實踐活動都屬於系統問題,因而離不開系統實踐論指導。
需要指出的是,上述“五論”內容是密切關聯並相互影響的,只是側重點不同。
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複雜性的挑戰
眾所周知,中國傳統文化中有豐富而又深刻的系統思想,但是與現代科學一樣,系統科學並沒有誕生在中國。愛因斯坦曾指出,“西方科學的發展是以兩個偉大的成就為基礎的,那就是:希臘哲學家發明形式邏輯體系(在歐幾裡得幾何學中),以及(在文藝復興時期)發現通過系統的實驗可能找出因果關係”。正是在基於公理的形式邏輯體系和有目的的系統實驗基礎上,現代科學在還原論思維和追求複雜現象背後的簡單規律範式主導下,經過幾百年發展取得了輝煌成就,推動了人類文明進程。然而,客觀世界在本質上是統一的,描述世界的科學亦應如此。正如著名物理學家普朗克所指出的“科學是內在的整體,它被分解為單獨的部門不是取決於事物的本質,而是取決於人類認識能力的局限性。實際上存在著由物理學到化學、通過生物學和人類學到社會科學的連續的鏈條,這是一個任何一處都不能被打斷的鏈條”。
那麼,現代科學知識究竟是如何被獲取的?具體科學結論所適用範圍的邊界又是如何處理的?歷史上,關於科學發現的邏輯及其局限性曾被許多著名哲學家和科學家研究過,包括休謨、康得、彭加勒和波普爾等。在此,我們回到愛因斯坦提到的西方科學成就的兩大基礎:邏輯推理和系統實驗。事實上,邏輯推理是在“不證自明”的公理假設基礎上進行的,而具體數學結論又是在進一步的數學假設條件下推導出來的;人們所進行的有限次(有目的)的系統性實驗也往往是在理想環境或給定條件下進行的。這體現了人類理性的認識能力和局限:如果沒有具體的假設條件,則很難保證科學結論的普適性和正確性;但如果做了假設和限制條件,則結論就有了邊界從而局部化了。
更令人意想不到的是,進入20世紀後,現代科學體系這個複雜適應系統卻引出了一系列強烈衝擊其主導範式(還原論、確定性與主客體分離)的結論。例如,量子力學中的海森堡測不准原理和量子糾纏神奇的超距作用等,揭示了微觀世界的自然規律既無法脫離主體影響也無法通過進一步還原給出確定性答案,數理邏輯中的哥德爾不完備性定理揭示了人類理性推理所依賴的邏輯公理體系存在不確定性,而混沌理論則揭示了宏觀世界中哪怕簡單的非線性確定性動力系統也會產生不可預測的複雜行為。這說明,現實世界不再被幾百年來主導西方科學的“”簡單性範式所統治。
進一步,雖然現代科學發展成就輝煌,但無論是已經還原到誇克層次的粒子物理學,還是已經還原到基因層次的分子生物學,對認識或調控宏觀層面複雜多樣的物質世界和豐富多彩的生命現象,包括大腦意識和重大疾病等,仍難以給出科學解答。當然,可能有人會反問:既然目前科學知識存在還原論所帶來的局限性,為什麼基於科學知識的工程技術在改造現實世界中能夠取得如此巨大的成功?筆者認為,這並非完全是科學知識自身的功勞,工程技術常常超前甚至引領科學發展。實際上,工程技術自身的創新和應用,除了科學知識成分外,更依賴人的實踐經驗和創造性智慧將不同技術環節有效連接起來並克服“放大效應”等,最終集成為工程系統所需的整體功能(從科學上講人的智慧目前還遠未被完全認識)。再者,從含有經驗成分的工程技術到實際推廣應用,往往還要通過多次試驗(或模擬)驗證,但無論如何,都無法窮盡實際中可能出現的複雜情況和真實環境中的不確定性,儘管系統中的反饋回路可以部分消除不確定性的影響。
此外,如何判斷非線性關聯系統的穩定性一般是困難的理論問題,除非能驗證“小增益定理”或其它穩定性定理的條件。有例子說明,哪怕是兩個都穩定的線性子系統,如果連接不當,則關聯系統也會變得不穩定;哪怕是小的擾動或偏差,如果負反饋機制失效,系統也可能在正回饋機制推動下走向崩潰。進一步,依靠深度分解與綜合集成並在試驗和實踐中不斷演化的人造複雜系統,如互聯網、電力系統、交通網絡、金融系統、軟體系統等,正在變得如此複雜以致超出人類現有知識的理解程度,例如,僅一架波音777客機就有超過300萬個部件和15萬個子系統。有人甚至預測,人造複雜系統(或人機融合系統)將會有自治力、適應力和創造力,並將擺脫我們的控制。因此,如何真正保證人造複雜系統的安全可靠性,也是科學技術面臨的重大挑戰之一。
正是在上述大背景下,以“超越還原論”為旗幟的複雜性科學研究在全世界受到空前重視,這可以看作系統學發展的新階段。筆者認為,中國傳統文化思維與西方近現代文化思維優勢的恰當結合,對系統方法論發展具有重要意義,並且複雜性科學有望成為連接自然科學與社會科學的重要橋樑。
3
複雜性與平衡性
一個自然的問題是,複雜性科學的核心內涵是什麼?筆者認為,是關於複雜系統微觀關聯與宏觀功能之間時空演化、預測與調控規律的認識。毫無疑問,複雜性科學是研究系統複雜性的學問,但是迄今對複雜性尚沒有統一的具體定義,或許是因為“名可名,非常名”。美國科學家司馬賀(Simon H A)認為,複雜性研究宜將具有強烈特徵的特定種類的複雜系統作為關注重點。筆者認為,複雜性宜借助一個能夠“連接”微觀關聯與宏觀功能的基本概念來定義。在系統學眾多基本概念中,哪個概念最合適?筆者認為,平衡(balance)概念可擔當此任。平衡意味著數量(品質)均等或空間(屬性或操作)對稱等,它是大自然中“最小能量原理”、“最小作用量原理”、“守恆原理”和“對稱性”法則的客觀反映。在漢語和英語中,“平衡”既是形容詞也是動詞,因而其內涵具有較強的包容性。此外,為簡單起見,本文中平衡的含義也包括動態平衡。
系統中成對(對立、獨立或互補)要素之間(張力)的平衡是其秩序之本,而非平衡則是運動變化之源。誠然,系統的平衡或非平衡並不是絕對的,取決於系統的不同時空尺度和研究範圍,並且系統在不同層級上的平衡性質亦不相同。進一步,即使對運動或變化現象甚至創新行為,也往往可溯源為某種平衡需求;而對非平衡系統,其演化方向也往往是新的平衡或動態平衡。此外,系統成對要素的平衡(非平衡)程度直接影響或決定著系統的對稱、守恆、秩序、穩定、湧現、突變、生滅、演化、進化、回饋、適應、調控、博弈、競爭、合作、公正等基本性質。可以說,平衡涉及認識世界與改造世界的幾乎一切問題,包括人自身的生理與心理問題。因此,平衡概念具有本質性、基礎性和普適性。
那麼,如何定義複雜性?基於上面的分析,複雜性可以針對系統中要素(屬性)的平衡性與系統整體(結構)功能之間的關係來定義。注意在這裡的要素平衡性亦包含要素之間相互作用關係的平衡性,並且平衡性是與系統功能聯繫在一起考慮的。筆者認為,複雜性的進一步定義宜根據人的目的性進行分類。下面討論三類常見情形:
第一,當我們希望預測系統狀態演化時,系統要素的平衡程度往往是預測的重要依據,複雜性可定義為系統狀態或行為的不可預測性。預測是決策的基礎,儘管我們一般希望提高對系統的預測精度或預測概率,但這除了可能會受人為因素影響外,許多複雜系統還具有樣本軌道不可預測的本質屬性。例如,真正獨立創新的過程既不是完全規劃或“路徑依賴”的,也不是完全盲目或隨機的;許多複雜適應系統(和智慧尋優演算法),在一定意義下,可以看作由不可預測的“新息” (innovation)所驅動的“馬氏過程”,或是自組織演化與選擇性隨機的某種結合;有的複雜系統可能高效運行在穩定性邊緣或處於“自組織臨界”狀態。
第二,當我們希望保持系統功能時,注意到系統的穩態功能一般需要系統成對(多對)要素的制約或互補來保障,複雜性可定義為系統的功能關於系統要素平衡程度的靈敏性(脆弱性或非魯棒性)。系統功能的保持,往往依賴其組織適應能力能否抵消各種退化性或熵增因素影響,例如“環境變化”、“耗散結構”或“邊際效應”等;此外,系統功能的保持常常是在系統“否定之否定”的進化中實現的。進一步,系統功能或目標還可能是異質多樣與多層次的,底層功能一般是高層功能的基礎(如馬斯洛的層次理論)。
第三,當我們希望改變系統功能時,現有要素的平衡性需要暫時被打破,複雜性可定義為通過調整系統要素的平衡性而實現系統新功能的困難性。在這種情形下,從控制系統理論角度看,複雜性與系統的能控性或能達性密切相關,當系統具有不確定性時還可能涉及回饋機制最大能力問題。當然,現代控制理論的框架或范式尚需拓廣以適用於更為複雜的系統或新的調控模式。
如上定義的複雜性有何特色?首先,筆者認為,在系統學裡的複雜性不應脫離系統的功能這一重要屬性來定義。上述給出的複雜性定義顯然與系統功能(或目的)密切關聯,這是本文所定義的複雜性與其它複雜性定義(如計算複雜性、描述複雜性、有效複雜性、通訊複雜性等)的顯著不同。其次,複雜性主要研究系統成對要素的平衡性與宏觀功能的關係,平衡度的不同將會導致系統宏觀功能的不同,或導致系統“穩態” (homeostasis)演化,以及系統舊穩態的打破與新穩態的“湧現”等。因此,這裡的複雜性定義還體現了系統學微觀與宏觀之間的辯證統一和相互影響的特性,從而為避免還原論局限留了空間。
值得指出,系統要素的平衡性必然會涉及成對存在的範疇或概念,如微觀與宏觀、當前與長遠、局部與整體、上層與下層、系統與環境、快變與慢變、量變與質變、秩序與混亂、確定與隨機、穩定與發展、開放與保守、原則與妥協、保密與公開、保護與利用、供給與需求、計畫與市場、自由與約束、分散與統一、多樣與一致、還原與綜合、民主與集中、內容與形式、本質與現象、物質與精神、實在與虛在、主體與客體、感性與理性、實踐與認識、私利與公益、權力與責任、權利與義務、激勵與抑制、競爭與合作、前饋與回饋、正饋與負饋等所包含的成對要素與性質。特別地,系統中成對(或多對)要素的平衡涉及廣泛的學科領域,包括政治、經濟、社會、文化、法律、科學、工程、生態、環境與管理等,常常是這些領域複雜性問題的核心。
一個自然的問題是,系統要素的平衡是如何實現的?這是複雜性研究的一個關鍵問題,但具體實現途徑往往因系統性質和類型的不同而異。舉例來講,平衡或是在給定環境條件約束下通過系統要素之間的競爭達到(競爭平衡或從競爭到合作平衡),或是在整體目標引導調控、或外部環境影響下系統要素之間適應調整、協同優化或互補共存的結果(適應平衡、協同平衡或互補平衡),或是由系統外部因素的調控作用與系統內部要素的競爭行為所共同決定(調控競爭平衡或縱橫雙向平衡),或是正回饋激勵與負反饋抑制共同作用的結果(正負反饋平衡),或是這些情形的某種組合或混合等。
筆者認為,這裡的“要素平衡”不但體現了“陰陽平衡”與“對立統一”的辯證思想,而且適用於“開放系統”和“定性分析”。進一步,“要素平衡”與針對非合作博弈的納什均衡、研究競爭中協調原理的“介科學”、具有對立互補性的“兩重性邏輯”,乃至基於中國傳統文化的“度”等,都有相通之處。一般來講,要素的平衡性和系統的穩定性都需要回饋(適應)機制來保障。此外,“要素平衡”往往是建立適當數學模型(或數學方程)而開展定量研究的必要基礎,這一研究所涉及的基本數學工具至少包括群論、圖論、優化理論、博弈論、變分學、動力系統、數理統計與控制理論等。
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系統學的發展基礎
一是過去幾百年間,各門科學針對客觀世界不同時空尺度範圍的具體物件進行了大量關於結構與功能關係的研究,用各自學科的基本概念和專門術語積累了豐富知識,使得不同系統之間可以相互借鑒甚至從中提取共性系統學規律。實際上,一般系統論、協同學、耗散結構論、突變理論,超循環論、混沌理論、控制論、複雜適應系統、複雜巨系統的綜合集成方法等系統學內容就是這樣發展過來的。
二是系統論、控制論、資訊理論、博弈論、電腦、運籌學、統計物理、非線性科學、複雜網路、人工智慧、資料處理與科學計算等相關學科的多年發展,也為系統科學發展提供了工具，奠定了良好的基礎。特別是形成了關於系統科學的若干相關分支,以及關於系統穩定性、魯棒性、適應性、演化、熵增、耗散、資訊、建模、回饋、優化、學習、預測、調控、博弈與均衡等一批普適性基本概念、方法和結論,這是系統學未來發展的重要基石。
三是隨著當今科學技術的深入發展,複雜性科學的跨學科研究給科學帶來的不僅是思維方式的變革。事實上,當今科學技術的發展前沿已經在時空多尺度多層次上,廣泛進入研究複雜性與調控複雜系統的時代。例如,微觀世界調控、量子資訊科學、可控自組裝、多相反應過程、納米與超材料、基因調控網路、合成生物學、腦與認識科學、智慧型網路、智慧製造與智慧型機器人、資訊物理系統(CPS)、全球化經濟、生態與氣侯變化等,無一不涉及複雜系統研究,甚至還誕生了眾多以“系統”為關鍵字的新學科,諸如“系統生物學”、“地球系統科學”、“系統法學”等。這些交叉研究領城都需要系統學普適性理論的説明,因而成為系統學發展的重要驅動力。
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系統學的作用
因為系統是任何事物存在的基本方式,系統學的實踐涉及人類活動的一切方面:除了上面提到的要面對科學技術中的複雜性挑戰之外,還與人生成長、事業發展、生存安全和社會進步等密切相關。因此,系統學亦道亦器、亦體亦用,堪稱大用。在生活和工作中,因為忽視系統方法論,我們可能不自覺地陷入“孤立、排他、僵化、片面、表面、單向、線性、非此即彼”等思維局限,很可能進入“盲人摸象、主觀武斷、刻舟求劍、溫水青蛙”式的誤區,或導致“顧此失彼、事與願違、惡性循環、兩敗俱傷”的局面。從歷史上看,人類因不瞭解或不掌握複雜系統演化與調控規律而遭受過太多挫折甚至災難,包括自然災害、戰爭災難、流行疾病、社會動盪、政治衝突、金融危機、安全事故、生態惡化、環境污染等。這些問題至今也在嚴重困擾著人類社會的文明發展。
另一方面,伴隨著幾千年世界文明發展,人類對社會複雜系統演化與調控規律的探索與實踐一刻也沒有停止。歷史證明,系統學規律和原理的發現與自覺或不自覺運用,對人類文明進步起著巨大作用。下面舉幾個具體例子。
首先,系統學對人類健康具有重要意義。舉例來說,以功能結構模型為基礎的傳統中醫理論體系,包括精氣學說、陰陽五行、藏象學說、經絡學說、體質學說、病因病機、辨證施治、三因制宜等,所蘊含的整體思維、辯證思維、唯象思維與功能建模等方法,具有樸素的系統演化論、認知論和調控論思想,其中“陰陽平衡”是理解生理功能、闡釋病理變化和指導疾病診治的核心原則。毋庸置疑,中醫藥為幾千年來中華民族的生命延續與抗擊疾病做出了不可磨滅的貢獻,其樸素的系統方法論避免了還原論局限,但其研究需要實現現代化,而在這一過程中,系統學可望發揮重要作用。
其次,人的性格特徵中“要素平衡”對創新能力具有重要意義。美國心理學家契克森米哈賴(Csikszentmihalyi M.)曾經歸納出創新型人物的主要性格特徵,表述為如下“十項複合體”:活力與沉靜;聰明與天真;責任與自在;幻想與現實;內向與外向;謙卑與自豪;陽剛與陰柔;叛逆與傳統;熱情與客觀;痛苦與享受。他認為,以上這些明顯相對的特質通常同時呈現在創造型人物身上,而且以辯證的張力相互整合;具有上述複合性格的人,有能力表現出人性中所有潛在的特質,而如果只偏向某一端,則這些特質就萎縮了。顯然,這對高層次創新型人才培養具有啟發意義。當然,真正取得創新性成就,還需要其它因素配合,包括學術環境、知識積累、時代機遇,同行承認、後人繼承和普及推廣等,這也是系統性問題。
再者,系統學中“回饋平衡”原理在生產力發展中具有普遍重要性。1776年,英國詹姆斯·瓦特(James Watt,1736--1819)製造出第一台可以普遍應用的蒸汽機,其核心技術是具有負反饋機制的“離心式調速器”,它可以自動調節閥門以平衡負載變化對速度的影響,成為英國工業革命的象徵,當今幾乎所有工程技術系統都離不開回饋技術。無獨有偶,同樣是在1776年的英國,亞當·斯密(Adam Smith1723--1790)首次發表了《國家財富的性質和原因的研究》(簡稱《國富論》),書中所論述的那只在暗中推動市場經濟行為的“看不見的手”,其工作原理也是(分散式)負反饋機制,它通過價格波動自動調節市場上商品的種類與數量以達到供需平衡,這一原理至今仍在深刻影響著全世界經濟發展。不僅如此,“回饋平衡”作為有效克服不確定性並實現系統目標的關鍵機制,實際上在動物(包括人)和機器中幾乎無處不在,回饋控制也被認為是第一個系統學科。
下面,我們來看系統方法論在社會複雜系統發展中的重要作用。
19世紀,馬克思和恩格斯在 黑格爾和費爾巴哈等西方傳統哲學基礎上創立了唯物辯證法,他們在社會和自然系統研究中大量運用了系統思想和方法,揭示了生產力與生產關係的矛盾運動是人類社會發展的基本規律。特別地,馬克思的《資本論》研究了資本主義體系內在邏輯矛盾和發展規律,恩格斯的《自然辯證法》為系統論發展奠定了基礎。可以說,馬克思和恩格斯都是系統科學的先驅。近百年來,在馬克思主義理論指導和共產黨領導下,中國發生了翻天覆地的變化,尤其是改革開放36年來創造了震驚世界的發展奇跡。中國為什麼能夠如此?有什麼寶貴經驗?這是國內外許多人關注的重大問題。實際上,無論是“改革開放”基本國策,還是“四個全面”戰略佈局,都是關於中國社會複雜系統的結構、環境與功能的調控。根據系統學結構與環境決定系統功能的基本原理,對於不同社會結構和不同社會環境,實現社會不同發展階段功能的調控手段和路徑也不會完全一致。我國領導人曾將發展經驗概括為堅持“十個結合”,其中涉及原理與適應、堅守與改革、活力與統一、物質與精神、效率與公平、系統與環境、發展與穩定等多對要素的協調平衡。
我國當前進行的全面深化改革,也是“複雜的系統工程”。特別地,經濟、政治、文化、社會和生態這五大子系統“五位一體”的總體發展佈局,就是關於“系統中的系統”協調與平衡調控問題。這五大子系統相互耦合、相互作用、具有多層級結構和複雜因果迴圈反饋回路,如果他們長期處於非平衡畸形發展狀態或其中的組織調控功能出現異化,則必然導致嚴重問題。進一步,這五大子系統中幾乎所有改革問題也都涉及系統學問題。比如,改革發展與穩定的有機統一涉及平衡與非平衡關係問題;市場配置資源與政府發揮作用的關係涉及分散式適應優化與集中式回饋調控問題;效率與公平問題涉及微觀與宏觀層面正回饋與負反饋機制的平衡。又比如,推動人民代表大會制度與時俱進涉及政治體系的包容性、適應性與平衡性問題,既要吸收和借鑒人類政治文明有益成果,又要避免其它國家政治制度的缺陷;既要通過法律這個“控制器”調整平衡各種利益關係,又要加強對權力運行的制約和監督並把其關進制度的籠子裡。再比如,生態文明建設是其它四個系統建設的基礎,而生態系統的平衡及其動力學演化,也是系統學研究問題。
最後,值得提及的是,我國各級領導常把國家與社會治理中的困難問題歸納為“複雜的系統工程”,說明需要從系統的角度來思考並解決。這不能不使人想起錢學森等老一輩科學家在全國大力推動並普及系統工程與系統科學所產生的廣泛影響,以及他在晚年為創建系統學所付出的巨大努力。
致謝
筆者誠摯感謝于景元教授關於系統學體系的寶貴建議，李靜海院士關於介科學的交流討論，以及車宏安、狄增如、韓靖、程代展、高小山、張紀峰、王紅衛、楊曉光、洪奕光、姜鐘平、張啟明、黃一、方海濤、齊波、丁松園等教授和學者的許多有益建議和熱情鼓勵。
下期文章預告
John Holland：複雜自我調整系統研究
本文摘編自郭雷主編，張紀峰、楊曉光副主編《系統科學進展》。
系統科學進展
郭雷 主編 張紀峰 楊曉光 副主編
北京：科學出版社，2017.04
ISBN 978-7-03-051914-6
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《系統科學進展》是在中國科學院系統科學研究所每年舉辦的一系列系統科學學術講座基礎上遴選的精品報告擴充而成的系列叢書。作為這套叢書的首部著作，《系統科學進展》收集了包括錢學森、關肇直、周光召、John Holland 等著名科學家的重要文獻。閱讀《系統科學進展》，有助於讀者學習系統科學的源頭思想，理解系統科學的核心內涵，把握系統科學的發展方向，提升系統思維素養。這是一本值得收藏的系統科學經典之作。
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因此,嚴格說來,它不在以還原論思維為主導的學科分類視野中。這一點類似數學(主要研究量的關係與空間形式),兩者都是橫斷科學,但這兩門科學的側重點各不相同。錢學森把系統科學與數學科學、自然科學、社會科學、思維科學等並列為科學技術門類之一,是頗有洞見性的。其次,系統學的內涵是什麼?它的內涵體現在系統科學的定義之中,關鍵是各類不同系統是否存在普適性共同規律。答案是肯定的。從中國古代陰陽學說、中庸之道、天人合一、和而不同與奇正之術等豐富的系統思想(《易經》《道德經》《論語》《中庸》《黃帝內經》《孫子兵法》等),到唯物辯證法的基本原則、基本範疇，特別是以對立統一為首的三大基本規律(對立統一規律、品質互變規律、否定之否定規律),再到當今不斷發展的系統理論與系統方法,都是明證。系統學既受系統論指導,又在發展中不斷豐富系統論內涵,它更重視系統科學普適性規律的深入研究和定量表達。我們所說的系統論固然不是還原論,但也不是整體論,正如錢學森所言,系統論是還原論與整體論的辯證統一。正是這種統一使系統論超越還原論成為可能。但究竟如何統一?筆者認為,至少可以從三方面的結合來考慮:一是整體指導下的還原與還原基礎上的綜合相結合(或自上而下與自下而上方法相結合);二是機理分析與功能模擬相結合;三是系統認知與系統調控相結合。毫無疑問,還原論是推動人類文明進步的基石(如社會分工、學科分化、結構分層、情況分類等),也是促使系統論產生和發展的基礎。
系統學中最簡單和基本的原理是系統的結構與環境共同決定系統的功能。當然,系統功能反過來也會影響其結構和環境,他們往往是相互影響的雙向關係。系統環境包括自然環境與社會環境,系統結構包括物理結構與資訊結構,不同時空尺度和層次結構一般對應不同模式和功能。系統功能一般不能還原為其不同組分自身功能的簡單相加,故稱之為湧現(emergence),它一般是在時間與空間中演化的。進一步,在給定環境條件下,系統的結構可以唯一決定功能,但反之一般不然。這一基本事實,既造成了根據系統功能來認知其內部(黑箱或灰箱)結構的困難性,也提供了可以選用不同模型結構來表達、類比或調控系統相同功能的靈活性,這是一種與結構分析法互補的功能建模法。
一般來講,為了理解系統行為,可通過深化內部結構認知,也可利用外部觀測資訊,或兩者並用;為了提高系統功能,可增強組分的個體功能,也可優化組分的相互關聯,或兩者並施。特別地,優化組分的相互關聯意味著對系統結構進行調整或調控,以使系統達到所期望的整體功能或目的。這往往通過動態調整系統的可控變數或要素,使其自身或其關聯平衡在一定範圍內達到。顯而易見,任何調控策略都依賴系統狀態、功能和環境,這就需要研究系統的資訊、認知、調控與不確定性因素處理等問題。
基於以上分析,筆者認為,系統學應該包括下述五論的主要內容:
一是系統方法論 系統學中不同性質的問題所適用的方法論也不同,方法論指導具體研究方法的選用。例如,演繹與歸納、還原與綜合、局部與整體、定性與定量、機理與唯象、結構與功能、確定與隨機、先驗與後驗、激勵與抑制、理論與應用等相互結合或互補的方法論等,重點是能夠超越還原論的方法論;
二是系統演化論 研究在給定環境或宏觀約束下,系統層級結構與相應功能在時間和空間中的湧現與演化。特別地,研究系統狀態(或性質)在時空中生滅、平衡、穩定、運動、傳遞、相變、轉化、適應、進化、分化與組合、自組織與選擇性隨機演化等規律,包括各種自組織理論、穩定性與魯棒性理論、動力系統理論、混沌理論、突變理論、多(自主)體系統、複雜網路、複雜適應系統等;
三是系統認知論 研究系統機理或屬性的感知、表徵、觀測、分類、通信、建模、估計、學習、識別、推理、檢測、模擬、預測、判斷等智慧行為的理論與方法,包括認知科學、建模理論、估計理論、學習理論、通信理論、資訊處理、濾波與預測理論、模式識別、自動推理、資料科學與不確定性處理等;
四是系統調控論 研究系統要素的(動態)平衡性與系統結構和功能關係的普適性規律,以及系統的結構調整、機制設計、運籌優化、適應協同、回饋調控、合作與博弈等,包括優化理論、控制理論與博弈理論等;
五是系統實踐論 這是系統學應用於各門具體學科和領域時的相應理論。由於人類任何具體實踐活動都屬於系統問題,因而離不開系統實踐論指導。
需要指出的是,上述“五論”內容是密切關聯並相互影響的,只是側重點不同。
2
複雜性的挑戰
眾所周知,中國傳統文化中有豐富而又深刻的系統思想,但是與現代科學一樣,系統科學並沒有誕生在中國。愛因斯坦曾指出,“西方科學的發展是以兩個偉大的成就為基礎的,那就是:希臘哲學家發明形式邏輯體系(在歐幾裡得幾何學中),以及(在文藝復興時期)發現通過系統的實驗可能找出因果關係”。正是在基於公理的形式邏輯體系和有目的的系統實驗基礎上,現代科學在還原論思維和追求複雜現象背後的簡單規律範式主導下,經過幾百年發展取得了輝煌成就,推動了人類文明進程。然而,客觀世界在本質上是統一的,描述世界的科學亦應如此。正如著名物理學家普朗克所指出的“科學是內在的整體,它被分解為單獨的部門不是取決於事物的本質,而是取決於人類認識能力的局限性。實際上存在著由物理學到化學、通過生物學和人類學到社會科學的連續的鏈條,這是一個任何一處都不能被打斷的鏈條”。
那麼,現代科學知識究竟是如何被獲取的?具體科學結論所適用範圍的邊界又是如何處理的?歷史上,關於科學發現的邏輯及其局限性曾被許多著名哲學家和科學家研究過,包括休謨、康得、彭加勒和波普爾等。在此,我們回到愛因斯坦提到的西方科學成就的兩大基礎:邏輯推理和系統實驗。事實上,邏輯推理是在“不證自明”的公理假設基礎上進行的,而具體數學結論又是在進一步的數學假設條件下推導出來的;人們所進行的有限次(有目的)的系統性實驗也往往是在理想環境或給定條件下進行的。這體現了人類理性的認識能力和局限:如果沒有具體的假設條件,則很難保證科學結論的普適性和正確性;但如果做了假設和限制條件,則結論就有了邊界從而局部化了。
更令人意想不到的是,進入20世紀後,現代科學體系這個複雜適應系統卻引出了一系列強烈衝擊其主導範式(還原論、確定性與主客體分離)的結論。例如,量子力學中的海森堡測不准原理和量子糾纏神奇的超距作用等,揭示了微觀世界的自然規律既無法脫離主體影響也無法通過進一步還原給出確定性答案,數理邏輯中的哥德爾不完備性定理揭示了人類理性推理所依賴的邏輯公理體系存在不確定性,而混沌理論則揭示了宏觀世界中哪怕簡單的非線性確定性動力系統也會產生不可預測的複雜行為。這說明,現實世界不再被幾百年來主導西方科學的“”簡單性範式所統治。
進一步,雖然現代科學發展成就輝煌,但無論是已經還原到誇克層次的粒子物理學,還是已經還原到基因層次的分子生物學,對認識或調控宏觀層面複雜多樣的物質世界和豐富多彩的生命現象,包括大腦意識和重大疾病等,仍難以給出科學解答。當然,可能有人會反問:既然目前科學知識存在還原論所帶來的局限性,為什麼基於科學知識的工程技術在改造現實世界中能夠取得如此巨大的成功?筆者認為,這並非完全是科學知識自身的功勞,工程技術常常超前甚至引領科學發展。實際上,工程技術自身的創新和應用,除了科學知識成分外,更依賴人的實踐經驗和創造性智慧將不同技術環節有效連接起來並克服“放大效應”等,最終集成為工程系統所需的整體功能(從科學上講人的智慧目前還遠未被完全認識)。再者,從含有經驗成分的工程技術到實際推廣應用,往往還要通過多次試驗(或模擬)驗證,但無論如何,都無法窮盡實際中可能出現的複雜情況和真實環境中的不確定性,儘管系統中的反饋回路可以部分消除不確定性的影響。
此外,如何判斷非線性關聯系統的穩定性一般是困難的理論問題,除非能驗證“小增益定理”或其它穩定性定理的條件。有例子說明,哪怕是兩個都穩定的線性子系統,如果連接不當,則關聯系統也會變得不穩定;哪怕是小的擾動或偏差,如果負反饋機制失效,系統也可能在正回饋機制推動下走向崩潰。進一步,依靠深度分解與綜合集成並在試驗和實踐中不斷演化的人造複雜系統,如互聯網、電力系統、交通網絡、金融系統、軟體系統等,正在變得如此複雜以致超出人類現有知識的理解程度,例如,僅一架波音777客機就有超過300萬個部件和15萬個子系統。有人甚至預測,人造複雜系統(或人機融合系統)將會有自治力、適應力和創造力,並將擺脫我們的控制。因此,如何真正保證人造複雜系統的安全可靠性,也是科學技術面臨的重大挑戰之一。
正是在上述大背景下,以“超越還原論”為旗幟的複雜性科學研究在全世界受到空前重視,這可以看作系統學發展的新階段。筆者認為,中國傳統文化思維與西方近現代文化思維優勢的恰當結合,對系統方法論發展具有重要意義,並且複雜性科學有望成為連接自然科學與社會科學的重要橋樑。
3
複雜性與平衡性
一個自然的問題是,複雜性科學的核心內涵是什麼?筆者認為,是關於複雜系統微觀關聯與宏觀功能之間時空演化、預測與調控規律的認識。毫無疑問,複雜性科學是研究系統複雜性的學問,但是迄今對複雜性尚沒有統一的具體定義,或許是因為“名可名,非常名”。美國科學家司馬賀(Simon H A)認為,複雜性研究宜將具有強烈特徵的特定種類的複雜系統作為關注重點。筆者認為,複雜性宜借助一個能夠“連接”微觀關聯與宏觀功能的基本概念來定義。在系統學眾多基本概念中,哪個概念最合適?筆者認為,平衡(balance)概念可擔當此任。平衡意味著數量(品質)均等或空間(屬性或操作)對稱等,它是大自然中“最小能量原理”、“最小作用量原理”、“守恆原理”和“對稱性”法則的客觀反映。在漢語和英語中,“平衡”既是形容詞也是動詞,因而其內涵具有較強的包容性。此外,為簡單起見,本文中平衡的含義也包括動態平衡。
系統中成對(對立、獨立或互補)要素之間(張力)的平衡是其秩序之本,而非平衡則是運動變化之源。誠然,系統的平衡或非平衡並不是絕對的,取決於系統的不同時空尺度和研究範圍,並且系統在不同層級上的平衡性質亦不相同。進一步,即使對運動或變化現象甚至創新行為,也往往可溯源為某種平衡需求;而對非平衡系統,其演化方向也往往是新的平衡或動態平衡。此外,系統成對要素的平衡(非平衡)程度直接影響或決定著系統的對稱、守恆、秩序、穩定、湧現、突變、生滅、演化、進化、回饋、適應、調控、博弈、競爭、合作、公正等基本性質。可以說,平衡涉及認識世界與改造世界的幾乎一切問題,包括人自身的生理與心理問題。因此,平衡概念具有本質性、基礎性和普適性。
那麼,如何定義複雜性?基於上面的分析,複雜性可以針對系統中要素(屬性)的平衡性與系統整體(結構)功能之間的關係來定義。注意在這裡的要素平衡性亦包含要素之間相互作用關係的平衡性,並且平衡性是與系統功能聯繫在一起考慮的。筆者認為,複雜性的進一步定義宜根據人的目的性進行分類。下面討論三類常見情形:
第一,當我們希望預測系統狀態演化時,系統要素的平衡程度往往是預測的重要依據,複雜性可定義為系統狀態或行為的不可預測性。預測是決策的基礎,儘管我們一般希望提高對系統的預測精度或預測概率,但這除了可能會受人為因素影響外,許多複雜系統還具有樣本軌道不可預測的本質屬性。例如,真正獨立創新的過程既不是完全規劃或“路徑依賴”的,也不是完全盲目或隨機的;許多複雜適應系統(和智慧尋優演算法),在一定意義下,可以看作由不可預測的“新息” (innovation)所驅動的“馬氏過程”,或是自組織演化與選擇性隨機的某種結合;有的複雜系統可能高效運行在穩定性邊緣或處於“自組織臨界”狀態。
第二,當我們希望保持系統功能時,注意到系統的穩態功能一般需要系統成對(多對)要素的制約或互補來保障,複雜性可定義為系統的功能關於系統要素平衡程度的靈敏性(脆弱性或非魯棒性)。系統功能的保持,往往依賴其組織適應能力能否抵消各種退化性或熵增因素影響,例如“環境變化”、“耗散結構”或“邊際效應”等;此外,系統功能的保持常常是在系統“否定之否定”的進化中實現的。進一步,系統功能或目標還可能是異質多樣與多層次的,底層功能一般是高層功能的基礎(如馬斯洛的層次理論)。
第三,當我們希望改變系統功能時,現有要素的平衡性需要暫時被打破,複雜性可定義為通過調整系統要素的平衡性而實現系統新功能的困難性。在這種情形下,從控制系統理論角度看,複雜性與系統的能控性或能達性密切相關,當系統具有不確定性時還可能涉及回饋機制最大能力問題。當然,現代控制理論的框架或范式尚需拓廣以適用於更為複雜的系統或新的調控模式。
如上定義的複雜性有何特色?首先,筆者認為,在系統學裡的複雜性不應脫離系統的功能這一重要屬性來定義。上述給出的複雜性定義顯然與系統功能(或目的)密切關聯,這是本文所定義的複雜性與其它複雜性定義(如計算複雜性、描述複雜性、有效複雜性、通訊複雜性等)的顯著不同。其次,複雜性主要研究系統成對要素的平衡性與宏觀功能的關係,平衡度的不同將會導致系統宏觀功能的不同,或導致系統“穩態” (homeostasis)演化,以及系統舊穩態的打破與新穩態的“湧現”等。因此,這裡的複雜性定義還體現了系統學微觀與宏觀之間的辯證統一和相互影響的特性,從而為避免還原論局限留了空間。
值得指出,系統要素的平衡性必然會涉及成對存在的範疇或概念,如微觀與宏觀、當前與長遠、局部與整體、上層與下層、系統與環境、快變與慢變、量變與質變、秩序與混亂、確定與隨機、穩定與發展、開放與保守、原則與妥協、保密與公開、保護與利用、供給與需求、計畫與市場、自由與約束、分散與統一、多樣與一致、還原與綜合、民主與集中、內容與形式、本質與現象、物質與精神、實在與虛在、主體與客體、感性與理性、實踐與認識、私利與公益、權力與責任、權利與義務、激勵與抑制、競爭與合作、前饋與回饋、正饋與負饋等所包含的成對要素與性質。特別地,系統中成對(或多對)要素的平衡涉及廣泛的學科領域,包括政治、經濟、社會、文化、法律、科學、工程、生態、環境與管理等,常常是這些領域複雜性問題的核心。
一個自然的問題是,系統要素的平衡是如何實現的?這是複雜性研究的一個關鍵問題,但具體實現途徑往往因系統性質和類型的不同而異。舉例來講,平衡或是在給定環境條件約束下通過系統要素之間的競爭達到(競爭平衡或從競爭到合作平衡),或是在整體目標引導調控、或外部環境影響下系統要素之間適應調整、協同優化或互補共存的結果(適應平衡、協同平衡或互補平衡),或是由系統外部因素的調控作用與系統內部要素的競爭行為所共同決定(調控競爭平衡或縱橫雙向平衡),或是正回饋激勵與負反饋抑制共同作用的結果(正負反饋平衡),或是這些情形的某種組合或混合等。
筆者認為,這裡的“要素平衡”不但體現了“陰陽平衡”與“對立統一”的辯證思想,而且適用於“開放系統”和“定性分析”。進一步,“要素平衡”與針對非合作博弈的納什均衡、研究競爭中協調原理的“介科學”、具有對立互補性的“兩重性邏輯”,乃至基於中國傳統文化的“度”等,都有相通之處。一般來講,要素的平衡性和系統的穩定性都需要回饋(適應)機制來保障。此外,“要素平衡”往往是建立適當數學模型(或數學方程)而開展定量研究的必要基礎,這一研究所涉及的基本數學工具至少包括群論、圖論、優化理論、博弈論、變分學、動力系統、數理統計與控制理論等。
4
系統學的發展基礎
一是過去幾百年間,各門科學針對客觀世界不同時空尺度範圍的具體物件進行了大量關於結構與功能關係的研究,用各自學科的基本概念和專門術語積累了豐富知識,使得不同系統之間可以相互借鑒甚至從中提取共性系統學規律。實際上,一般系統論、協同學、耗散結構論、突變理論,超循環論、混沌理論、控制論、複雜適應系統、複雜巨系統的綜合集成方法等系統學內容就是這樣發展過來的。
二是系統論、控制論、資訊理論、博弈論、電腦、運籌學、統計物理、非線性科學、複雜網路、人工智慧、資料處理與科學計算等相關學科的多年發展,也為系統科學發展提供了工具，奠定了良好的基礎。特別是形成了關於系統科學的若干相關分支,以及關於系統穩定性、魯棒性、適應性、演化、熵增、耗散、資訊、建模、回饋、優化、學習、預測、調控、博弈與均衡等一批普適性基本概念、方法和結論,這是系統學未來發展的重要基石。
三是隨著當今科學技術的深入發展,複雜性科學的跨學科研究給科學帶來的不僅是思維方式的變革。事實上,當今科學技術的發展前沿已經在時空多尺度多層次上,廣泛進入研究複雜性與調控複雜系統的時代。例如,微觀世界調控、量子資訊科學、可控自組裝、多相反應過程、納米與超材料、基因調控網路、合成生物學、腦與認識科學、智慧型網路、智慧製造與智慧型機器人、資訊物理系統(CPS)、全球化經濟、生態與氣侯變化等,無一不涉及複雜系統研究,甚至還誕生了眾多以“系統”為關鍵字的新學科,諸如“系統生物學”、“地球系統科學”、“系統法學”等。這些交叉研究領城都需要系統學普適性理論的説明,因而成為系統學發展的重要驅動力。
5
系統學的作用
因為系統是任何事物存在的基本方式,系統學的實踐涉及人類活動的一切方面:除了上面提到的要面對科學技術中的複雜性挑戰之外,還與人生成長、事業發展、生存安全和社會進步等密切相關。因此,系統學亦道亦器、亦體亦用,堪稱大用。在生活和工作中,因為忽視系統方法論,我們可能不自覺地陷入“孤立、排他、僵化、片面、表面、單向、線性、非此即彼”等思維局限,很可能進入“盲人摸象、主觀武斷、刻舟求劍、溫水青蛙”式的誤區,或導致“顧此失彼、事與願違、惡性循環、兩敗俱傷”的局面。從歷史上看,人類因不瞭解或不掌握複雜系統演化與調控規律而遭受過太多挫折甚至災難,包括自然災害、戰爭災難、流行疾病、社會動盪、政治衝突、金融危機、安全事故、生態惡化、環境污染等。這些問題至今也在嚴重困擾著人類社會的文明發展。
另一方面,伴隨著幾千年世界文明發展,人類對社會複雜系統演化與調控規律的探索與實踐一刻也沒有停止。歷史證明,系統學規律和原理的發現與自覺或不自覺運用,對人類文明進步起著巨大作用。下面舉幾個具體例子。
首先,系統學對人類健康具有重要意義。舉例來說,以功能結構模型為基礎的傳統中醫理論體系,包括精氣學說、陰陽五行、藏象學說、經絡學說、體質學說、病因病機、辨證施治、三因制宜等,所蘊含的整體思維、辯證思維、唯象思維與功能建模等方法,具有樸素的系統演化論、認知論和調控論思想,其中“陰陽平衡”是理解生理功能、闡釋病理變化和指導疾病診治的核心原則。毋庸置疑,中醫藥為幾千年來中華民族的生命延續與抗擊疾病做出了不可磨滅的貢獻,其樸素的系統方法論避免了還原論局限,但其研究需要實現現代化,而在這一過程中,系統學可望發揮重要作用。
其次,人的性格特徵中“要素平衡”對創新能力具有重要意義。美國心理學家契克森米哈賴(Csikszentmihalyi M.)曾經歸納出創新型人物的主要性格特徵,表述為如下“十項複合體”:活力與沉靜;聰明與天真;責任與自在;幻想與現實;內向與外向;謙卑與自豪;陽剛與陰柔;叛逆與傳統;熱情與客觀;痛苦與享受。他認為,以上這些明顯相對的特質通常同時呈現在創造型人物身上,而且以辯證的張力相互整合;具有上述複合性格的人,有能力表現出人性中所有潛在的特質,而如果只偏向某一端,則這些特質就萎縮了。顯然,這對高層次創新型人才培養具有啟發意義。當然,真正取得創新性成就,還需要其它因素配合,包括學術環境、知識積累、時代機遇,同行承認、後人繼承和普及推廣等,這也是系統性問題。
再者,系統學中“回饋平衡”原理在生產力發展中具有普遍重要性。1776年,英國詹姆斯·瓦特(James Watt,1736--1819)製造出第一台可以普遍應用的蒸汽機,其核心技術是具有負反饋機制的“離心式調速器”,它可以自動調節閥門以平衡負載變化對速度的影響,成為英國工業革命的象徵,當今幾乎所有工程技術系統都離不開回饋技術。無獨有偶,同樣是在1776年的英國,亞當·斯密(Adam Smith1723--1790)首次發表了《國家財富的性質和原因的研究》(簡稱《國富論》),書中所論述的那只在暗中推動市場經濟行為的“看不見的手”,其工作原理也是(分散式)負反饋機制,它通過價格波動自動調節市場上商品的種類與數量以達到供需平衡,這一原理至今仍在深刻影響著全世界經濟發展。不僅如此,“回饋平衡”作為有效克服不確定性並實現系統目標的關鍵機制,實際上在動物(包括人)和機器中幾乎無處不在,回饋控制也被認為是第一個系統學科。
下面,我們來看系統方法論在社會複雜系統發展中的重要作用。
19世紀,馬克思和恩格斯在 黑格爾和費爾巴哈等西方傳統哲學基礎上創立了唯物辯證法,他們在社會和自然系統研究中大量運用了系統思想和方法,揭示了生產力與生產關係的矛盾運動是人類社會發展的基本規律。特別地,馬克思的《資本論》研究了資本主義體系內在邏輯矛盾和發展規律,恩格斯的《自然辯證法》為系統論發展奠定了基礎。可以說,馬克思和恩格斯都是系統科學的先驅。近百年來,在馬克思主義理論指導和共產黨領導下,中國發生了翻天覆地的變化,尤其是改革開放36年來創造了震驚世界的發展奇跡。中國為什麼能夠如此?有什麼寶貴經驗?這是國內外許多人關注的重大問題。實際上,無論是“改革開放”基本國策,還是“四個全面”戰略佈局,都是關於中國社會複雜系統的結構、環境與功能的調控。根據系統學結構與環境決定系統功能的基本原理,對於不同社會結構和不同社會環境,實現社會不同發展階段功能的調控手段和路徑也不會完全一致。我國領導人曾將發展經驗概括為堅持“十個結合”,其中涉及原理與適應、堅守與改革、活力與統一、物質與精神、效率與公平、系統與環境、發展與穩定等多對要素的協調平衡。
我國當前進行的全面深化改革,也是“複雜的系統工程”。特別地,經濟、政治、文化、社會和生態這五大子系統“五位一體”的總體發展佈局,就是關於“系統中的系統”協調與平衡調控問題。這五大子系統相互耦合、相互作用、具有多層級結構和複雜因果迴圈反饋回路,如果他們長期處於非平衡畸形發展狀態或其中的組織調控功能出現異化,則必然導致嚴重問題。進一步,這五大子系統中幾乎所有改革問題也都涉及系統學問題。比如,改革發展與穩定的有機統一涉及平衡與非平衡關係問題;市場配置資源與政府發揮作用的關係涉及分散式適應優化與集中式回饋調控問題;效率與公平問題涉及微觀與宏觀層面正回饋與負反饋機制的平衡。又比如,推動人民代表大會制度與時俱進涉及政治體系的包容性、適應性與平衡性問題,既要吸收和借鑒人類政治文明有益成果,又要避免其它國家政治制度的缺陷;既要通過法律這個“控制器”調整平衡各種利益關係,又要加強對權力運行的制約和監督並把其關進制度的籠子裡。再比如,生態文明建設是其它四個系統建設的基礎,而生態系統的平衡及其動力學演化,也是系統學研究問題。
最後,值得提及的是,我國各級領導常把國家與社會治理中的困難問題歸納為“複雜的系統工程”,說明需要從系統的角度來思考並解決。這不能不使人想起錢學森等老一輩科學家在全國大力推動並普及系統工程與系統科學所產生的廣泛影響,以及他在晚年為創建系統學所付出的巨大努力。
致謝
筆者誠摯感謝于景元教授關於系統學體系的寶貴建議，李靜海院士關於介科學的交流討論，以及車宏安、狄增如、韓靖、程代展、高小山、張紀峰、王紅衛、楊曉光、洪奕光、姜鐘平、張啟明、黃一、方海濤、齊波、丁松園等教授和學者的許多有益建議和熱情鼓勵。
下期文章預告
John Holland：複雜自我調整系統研究
本文摘編自郭雷主編，張紀峰、楊曉光副主編《系統科學進展》。
系統科學進展
郭雷 主編 張紀峰 楊曉光 副主編
北京：科學出版社，2017.04
ISBN 978-7-03-051914-6
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《系統科學進展》是在中國科學院系統科學研究所每年舉辦的一系列系統科學學術講座基礎上遴選的精品報告擴充而成的系列叢書。作為這套叢書的首部著作，《系統科學進展》收集了包括錢學森、關肇直、周光召、John Holland 等著名科學家的重要文獻。閱讀《系統科學進展》，有助於讀者學習系統科學的源頭思想，理解系統科學的核心內涵，把握系統科學的發展方向，提升系統思維素養。這是一本值得收藏的系統科學經典之作。
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