系统科学工程3系统结构精简版.pptx
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1、第三讲第三讲 系统结构与内部网络系统结构与内部网络人们认识事物的顺序是由外部现象到内在原因,进而寻找变化发展的环境,外部动力与内部机制,据此形成方案,做出决策,最后实施。结构分析要解决的根本问题是:外部性态与内部构成的关系。也即结构与功能的关系。系统与网络是观察世界的两个不同视角整体,内部网络环境系统边界要素其他元素其他系统关联其他系统外部网络连接本章内容:本章内容:引言:整体结构与内部网络的引言:整体结构与内部网络的基本问题基本问题 一、部件,元素,要素,子系一、部件,元素,要素,子系统统 二、关联、秩序与层次二、关联、秩序与层次三、内部网络,构型三、内部网络,构型四、结构与功能的关系四、结
2、构与功能的关系引言、结构的含义与问题狭义的结构:整体内部构成的方式(通狭义的结构:整体内部构成的方式(通常是指静态连接方式)常是指静态连接方式)“结构是系统结构是系统元素间元素间相对稳定相对稳定的关联所形成的整的关联所形成的整体构架体构架”。广义的结构:整体由什么构成和如何构广义的结构:整体由什么构成和如何构成的问题成的问题.结构的概念与定义结构是整体的结构是整体的构架构架”。、结构的实例、结构的实例 (1)(1)、原子的结构:大家知道原子是由电子和原子核所组、原子的结构:大家知道原子是由电子和原子核所组 成的,组成原子的相互作用主要是电磁相互作用。成的,组成原子的相互作用主要是电磁相互作用。
3、(2)(2)、生物体的结构。生物体有许多层次,根据米勒的、生物体的结构。生物体有许多层次,根据米勒的生命生命系统理论系统理论广义生命系统可以分为细胞、组织、器官、广义生命系统可以分为细胞、组织、器官、个体、群体、国家、联合国等个体、群体、国家、联合国等7 7个层次,每个层次的生个层次,每个层次的生命体都有自己独特的结构。命体都有自己独特的结构。(3)(3)、社会的结构。研究一个社会或社会系统可以从政治、经、社会的结构。研究一个社会或社会系统可以从政治、经济、文化(意识形态)三个方面来进行,每个方面都有济、文化(意识形态)三个方面来进行,每个方面都有它们特殊的结构问题。它们特殊的结构问题。(4)
4、(4)、企业内部的结构。企业是一个复杂的社会经济系统,在、企业内部的结构。企业是一个复杂的社会经济系统,在它内部不仅包含多个部门、层次,还涉及多个方面、多它内部不仅包含多个部门、层次,还涉及多个方面、多种功能等。种功能等。(5)(5)、计算机的结构。、计算机的结构。(6)(6)、语言文字的结构。、语言文字的结构。(7)(7)、科学的体系、理论的结构。、科学的体系、理论的结构。结构的四个基本问题结构的四个基本问题:(1 1)整体与网络由哪些部件)整体与网络由哪些部件(元素,元素,节点节点)构成的?构成的?(2 2)如何结合成为一个整体?)如何结合成为一个整体?(3 3)整体构型与内部网络)整体构
5、型与内部网络 (4)(4)结构与功能的关系结构与功能的关系?(性态的内在原因,(性态的内在原因,怎样的结构式的整体属性优化?)怎样的结构式的整体属性优化?)一、元素与要素一、元素与要素 1 1、元素、元素(1)(1)、组成部分是相对系统整体而言的,元素是、组成部分是相对系统整体而言的,元素是系统中不可再分的系统中不可再分的“基元基元 系统结构只涉及构成该系统的元素这系统结构只涉及构成该系统的元素这“一一个层次个层次”,而不涉及元素本身构造的,而不涉及元素本身构造的“下一下一层次层次”。(2)(2)、元素的属性、元素的属性系统由若干元素所组成,同一事物系统由若干元素所组成,同一事物也能作为不同系
6、统的元素。也能作为不同系统的元素。系统赋予了元素的属性,事物在不系统赋予了元素的属性,事物在不同的整体中表现出不同的属性。同的整体中表现出不同的属性。元素存在的意义与价值与相对元素存在的意义与价值与相对于整体属性,功能价值而言的于整体属性,功能价值而言的 元素的内部功效元素对系统之所以必要,是因为它承担了特定的元素对系统之所以必要,是因为它承担了特定的内部功能。这些功能包括:内部功能。这些功能包括:1.驱动系统活动,变换位置,2.获取资源,排除废物3.处理转换外来物的形态,造成自身构架4.处理转换外来信息,用以调控自身和环境5.保持构架和内部稳定,免除危害,以利高效运转6.完成自复制功能,再造
7、一个自我元素人如何影响系统?1、元素的性质:取决于该元素在系统内部承担的功能或扮演的脚色2、元素的数量:3、元素的种类4、元素本身的构成,(元素与子系统)2 2、要素、要素 要素是系统中要素是系统中“举足轻重举足轻重”的元素的元素 是是对对整整体体性性质质和和结结构构起起主主要要和和关关键键作作用用的的元元素;素;基本要素基本要素基本要素:基本要素:同类系统共同拥有同类系统共同拥有系统存在全程相关系统存在全程相关承担着系统内部的基本职能承担着系统内部的基本职能生命系统中的生命系统中的7 7种基本要素种基本要素 (1)(1)、核心要素、核心要素 对系统的整体结构与行为进行控制与调整对系统的整体结
8、构与行为进行控制与调整的的“首脑首脑”或或“领导核心领导核心”。如人体中的大如人体中的大脑,企业中的领导班子,计算机中的中心控脑,企业中的领导班子,计算机中的中心控制器制器(CPU)(CPU)。(2)(2)、动力要素、动力要素为系统的运动提供动力和能源的为系统的运动提供动力和能源的“发动机发动机”,(3)(3)、基础要素、基础要素支撑系统的支撑系统的“骨架骨架”和基础,作用是保持系统和基础,作用是保持系统整体的相对稳定,如房子的栋梁和地基、人的骨骼。整体的相对稳定,如房子的栋梁和地基、人的骨骼。(4)(4)、自复制要素、自复制要素自复制要素是系统个体的自复制要素是系统个体的“复制器复制器”,即
9、制造,即制造或产生出一个或产生出一个“与自己相似的个体与自己相似的个体”的机构。作用的机构。作用是在系统个体消亡或更新换代中保留系统的基本信是在系统个体消亡或更新换代中保留系统的基本信息息(遗传信息遗传信息)。(5)(5)、边界要素、边界要素处在系统边界的元素,作用有两个,一是把系处在系统边界的元素,作用有两个,一是把系统与外界隔开,二是作为系统与外界联系的纽带,统与外界隔开,二是作为系统与外界联系的纽带,充当系统开放的门户和通道。充当系统开放的门户和通道。(6)(6)、传输要素、传输要素传递信息与输送物质、能量,由各种线路传递信息与输送物质、能量,由各种线路和管道所组成,许多系统的运行之所以
10、不正常,和管道所组成,许多系统的运行之所以不正常,经常是由于内部传输线路不畅通所引起的。经常是由于内部传输线路不畅通所引起的。(7)(7)、转换要素、转换要素转换要素担负着系统内部物质、能量、信转换要素担负着系统内部物质、能量、信息的转换、处理工作。如消化系统息的转换、处理工作。如消化系统关键要素(元素)关键要素(元素)关键是指能够起决定作用的元素:这样的元素有可以分为两类:处在关键位置的元素:如开门的钥匙,战略要地,关键部门;边界元素等等处在关键时刻的元素:如作物在不同阶段用不同的肥料;特殊元素相对于一般元素与要素而言,在系统中常常出现一些“特殊”元素,它们通常并不起主要作用,但常常充当“另
11、类”,表现出“特立独行”的特征,如造反的头头,特殊利益集团,人体中的肿瘤,材料中的裂痕,杂质,空洞等。一旦到了某些特殊场合(时间,地点)就可能“突然”成为“领袖”,对系统的功能与演化发挥关键作用。正因为如此,它们的行踪值得引起“适度地”关注。特别是在非常规的情况下,他们的动向、趋势更值得严加“监视”。中介元素中介的界定:连接元素的元素中介的作用:1、连接功能2、阻隔功能3、控制功能4、催化功能3 3、子系统与分系统、子系统与分系统 系统元素本身也是系统。系统元素本身也是系统。子系统强调系统的组成,子系统强调系统的组成,分系统强调系统所包含的方面。分系统强调系统所包含的方面。子系统与分系统的划分
12、包含了一定的人为因素,子系统与分系统的划分包含了一定的人为因素,它们在所属的系统中具有较强的独立性。它们在所属的系统中具有较强的独立性。思考题:如何找出基本和关键思考题:如何找出基本和关键要素要素针对你所选择的案例,根据以上分析方法,找出:1、有哪些基本要素?它们各自承担了哪些基本功能?2、有哪些关键要素?它们在什么时间,地点其关键作用?3、这些要素之间有什么关系,当一个发生变动时对其它的有哪些影响?二、关联二、关联 整体构架就是由各种关联按特定的方整体构架就是由各种关联按特定的方式组成的。具体可以分为四个层次:式组成的。具体可以分为四个层次:元素之间一对一的特殊关系关联、元素之间一对一的特殊
13、关系关联、元素之间一对多的关联元素之间一对多的关联 秩序秩序元素之间多对多的联系构架元素之间多对多的联系构架关联的界定系统的元素之间可以有各种联系,但不是系统的元素之间可以有各种联系,但不是所有的联系都对系统整体性发生影响,所有的联系都对系统整体性发生影响,其中两元素之间其中两元素之间 直接关系整体属性的关系称直接关系整体属性的关系称为(定义为)元素间的关联。为(定义为)元素间的关联。1 1、关联的数量、关联的数量 系统内部的关联总数原则上等于:系统内部的关联总数原则上等于:种类数乘以种内个数;种类数乘以种内个数;如果不考虑种类,关联数可以运用初等如果不考虑种类,关联数可以运用初等数学中的排列
14、组合法则,设数学中的排列组合法则,设n n为元素个数,为元素个数,最大关联数为:最大关联数为:2 2、关联的性质与种类、关联的性质与种类 关联性的性质可以分为不同种类:关联性的性质可以分为不同种类:相互作用的性质。如物理化学中的不同力的相互相互作用的性质。如物理化学中的不同力的相互作用作用数学中的比例关系。如成分的比列与分布数学中的比例关系。如成分的比列与分布生物的亲缘关系,竞争关系生物的亲缘关系,竞争关系社会中的不同社会关系,如工作,领导,朋友等社会中的不同社会关系,如工作,领导,朋友等群体中的各种关系,如企业中人与人之间的关系群体中的各种关系,如企业中人与人之间的关系有不同的性质有不同的性
15、质 协调,和谐,匹配如何界定内部的协调,和谐?定性特征:1、整体结构稳定,高效,功能最大化;2、元素之间相互协同,定量特征:1、整体功能极值,优化2、个体之间“无冗余”3 3、关联的强度、关联的强度 关联强度是指关联的紧密程度,稳定,关联强度是指关联的紧密程度,稳定,强壮,抗损毁程度强壮,抗损毁程度 强度可以量化强度可以量化 。如物体间相互作用的。如物体间相互作用的强度。强度。系统科学中通常用元素间的物质、能系统科学中通常用元素间的物质、能量、信息的交流量来刻画关联的强度。量、信息的交流量来刻画关联的强度。如人与人,企业与企业,国与国之间如人与人,企业与企业,国与国之间的贸易额,人员交流数量,
16、成分,资源,的贸易额,人员交流数量,成分,资源,信息,物质交流的数量(流速与流量)信息,物质交流的数量(流速与流量)三、秩序三、秩序 1 1、序、序 关联的关联 系统内部的次序或秩序是元素组织方式或形式的系统内部的次序或秩序是元素组织方式或形式的体现。体现。秩序也有数量,一个秩序对应一个秩序也有数量,一个秩序对应一个“规矩规矩”(1)(1)、数学中的序、数学中的序:最简单的秩序是区分前后(先后)的秩序最简单的秩序是区分前后(先后)的秩序 偏序、全序、良序,序数偏序、全序、良序,序数 图形的序对称元素的多少图形的序对称元素的多少(2)(2)、物理学中的序对称性破、物理学中的序对称性破缺缺 对称性
17、变换中的不变性对称性变换中的不变性“对称性破缺对称性破缺”就是对称元素的减就是对称元素的减少。少。对称与对称破缺是现代物理学对称与对称破缺是现代物理学中两个最基本的概念中两个最基本的概念。系统中的秩序系统中的秩序普里高津的耗散结构理论,普里高津的耗散结构理论,耗散结构是一种依靠与外界交换物质、能耗散结构是一种依靠与外界交换物质、能量、信息来维持和发展自身有序性的特殊系量、信息来维持和发展自身有序性的特殊系统。统。输入输入 输出输出“熵与负熵熵与负熵”热力学熵:系统的状态参量1872年玻尔茨曼关于熵的统计解释:无序的量度 S=Kb log W其中S表示系统的熵;W表示可能状态数K为玻耳兹曼常数K
18、b6.23X 1023负熵:熵的减少案例:管理中的秩序企业中的内部制度企业文化,原则,规矩企业组织的结构(管部门间的关系)企业联盟间的关系四、构型四、构型1、整体的构型反映了不同秩序之间的关系,也就是“秩序的关系”2、构形是指所元素的整体关系,其中包括:比例,搭配,关联的方式,方位,图形,模式。系统的六种基本构型:(1)(1)、对偶构形、对偶构形 对偶型是由两个元素组成的构形,它的特点是:对偶型是由两个元素组成的构形,它的特点是:、它它只只有有或或只只考考虑虑两两个个元元素素的的相相互互作作用用,即即使使是是一一个个复复杂杂系系统统也也把把它它“一一分分为为二二”简简化化为为两个元素构成的系统
19、;两个元素构成的系统;、它不考虑中间环节和相互作用中的延迟,、它不考虑中间环节和相互作用中的延迟,否则就变成了多极作用。否则就变成了多极作用。从控制论的角度来看(图从控制论的角度来看(图2 23 3),对偶中的),对偶中的相互作用实际上就是反馈作用:相互作用实际上就是反馈作用:在对偶构形或藕合系统中它就表现为一元素的输出等于在对偶构形或藕合系统中它就表现为一元素的输出等于它的对偶元素的输入,反之亦然。如果把这个图转它的对偶元素的输入,反之亦然。如果把这个图转9090度,就度,就成了两个元素相互藕合的对偶构形图(图成了两个元素相互藕合的对偶构形图(图2 24 4):):(2)(2)、星形、星形(
20、树状树状)构形构形 自自然然系系统统和和社社会会系系统统中中都都有有许许多多星星形形的的结结构构形形式式。如如集集中中领领导导、中中央央控控制制、家家长长制制,城城市市中中辐辐射射状状的的交交通路线,电台的广播等。星形构形有以下特征:通路线,电台的广播等。星形构形有以下特征:、元元素素中中存存在在一一个个“中中心心”,或或“结结”,这这个个“结结”可可以以是是发发出出作作用用的的“源源”,也也可可以以是是汇汇集集作作用用的的“汇汇”(归宿)。(归宿)。、元元素素间间有有只只向向上上和和向向下下的的关关联联,没没有有横横向向的的关关联联,因因此,它在本质上是串行的。此,它在本质上是串行的。、复复
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