系统科学工程-5演化机制与自组织资料教学课件.ppt（67页）

1、系统进化的动力系统进化的动力系统朝某个方向，沿某条路径发展进行必有其内部和外部的具体原因。1、微观层次的内部动力、微观层次的内部动力2、中观层次的动力机制、中观层次的动力机制3、宏观层次的外部动力、宏观层次的外部动力演化动力的来源演化动力的来源演化的动力和原因演化的动力和原因 动力就是定向的作用，动力就是运动演化的原因外部动力：环境的作用，随机力与定向力外部动力：环境的作用，随机力与定向力 为适应外部环境而自行变化，在外部定向力的直接作用下发生变化内部机制：元素间的动力学关联内部机制：元素间的动力学关联 内部元素之间（中观）特殊的相互作用，内部元素之间（中观）特殊的相互作用，元素内部（微观）的

2、活力（分子运动论）元素内部（微观）的活力（分子运动论）非生存（死亡）状态（空间）生存状态（空间）理想生存状态(空间)状态空间生存空间用相空间，状态空间来描述系统演化用相空间，状态空间来描述系统演化空间中的点代表一种存在的状态，线代表运空间中的点代表一种存在的状态，线代表运动的轨迹，相空间体积的大小表示可能状态动的轨迹，相空间体积的大小表示可能状态数的多少。数的多少。外力作用：随机力与定向力随机力的作用：随机力的作用：系统生存于一个动荡不定的环境之中，随时随地受到各种外部因素的作用和影响。这种影响如果持续下去，就是积累起来使得整体朝某个方向变化发展。如气温变暖对人类的影响从数学上看不确定性有两种

3、作用方式：、服从大数定律，具有确定的统计分布的随机力作用。、偶然发生的，巨大的外来冲击外部定向动力的推动作用关于外力的四个问题：外力的方向，研究哪些外力把系统引向哪些方向，而它们共同作用的结果又是把系统指向何方；外力的来源，搞清外力从哪里来，它的根源是什么；外力的大小，测度外力的大小；外力的特点，分析外力的各种特点。生命系统运动和演化的“动因”为保持“生命”而适应环境；为扩大“生存空间”而相互竞争；因受某些共同的作用或在某些共同的需求驱使作用下而聚集在一起，力图通过集体的力量来获得更大的个体收益；在特定环境与条件下系统的自行“展开”，或自我实现，以求到达完美和极限的状态（即系统功能的保持与扩展

4、）。案例二、适应环境推动系统演案例二、适应环境推动系统演化化案例:1、市场环境与计划体制下企业的发展有哪些不同？2、进入WTO对我国经济的影响 3、不同学校对学生的影响 4、东西方文化对政治体制的影响 5、英雄造时事还是时事造英雄环境因素分析环境给系统的存在与发展提供资源，动力，也进行约束，阻碍。问题是如何发现和利用有用资源避开阻力去促进系统向我们所希望的方向发展进化。适应环境，首先是发现和识别不同资源和环境的作用方向和条件；其次是采取适当的方式与对策去利用、改造，控制，管理这些资源，条件。分析与波特五力模型战略分析中常常用到分析和波特五力模型，实质就是环境因素分析优势Strengths;劣势

5、Weaknesses机会Opportunities;威胁Thrests五种竞争对手：潜在进入者；替代品买方讨价还价能力；供应商讨价还价，现有竞争者适应环境是系统演化的基本动力系统必须适应环境、改造环境才能生存发展保持现有生存状态，就是整体边界闭合，结构完整和整体属性。扩大未来发展空间，就是扩大生存所需资源的供应，扩大自身发展的余地。环境层次与控制对策 为什么说“听天由命”与“人定胜天”都不正确？“天人合一”才是出路。环境的层次性大环境：认识，适应，大环境：认识，适应，中环境：影响，改造，利用中环境：影响，改造，利用小环境：控制、管理，把握小环境：控制、管理，把握在适应中发展的四个必要条件：在适

6、应中发展的四个必要条件：对自己的结构和行为方式能够进行变动对自己的结构和行为方式能够进行变动或调整，或调整，也就是说要有可以变动的适当范围和进行变动的能力，否则就无从达到适应的要求；及时地及时地“感知感知”外界的变化，外界的变化，或系统与环境关系的相对变化；对这种变化引起的结果作出对自己是有对这种变化引起的结果作出对自己是有利还是不利的判断，利还是不利的判断，也就是说系统要具有接受，获取，处理信息的能力，以及作出评价的标准和方法；环境或系统与外界的关系要足够的环境或系统与外界的关系要足够的“宽宽松松”，即至少要给系统以适应的可能，而不能过于“严峻”使得任何适应活动都失去意义。系统演化的一般条件

7、无论在系统演化的哪个阶段，都需要三个基本条件：、对外开放，吸引外部资源，排除内部废物、内部的动力机制，用来组织，引导，协调，控制，整合内部力量，形成定向合力、涨落触发：识别，选择，放大为涨落，使之变成“巨涨落”定向力的形成与作用定向力的形成与作用1 1、差异产生、差异产生：耗散结构理论指出：耗散结构理论指出：“非平衡是有序之源”，非平衡或者不平衡就是出现差异，通常开始时这种作用力是微小的，局部的，难以识别的，但当差异不断扩大，达到一定程度时就会出现定向的作用力。如物理学的电势差，温度差，密度差。社会领域的收入差，地位差。2 2、秩序形成，、秩序形成，“有差异才有次序”当差异当差异排列起来时就会

8、形成秩序，不过形成秩序的条件是差异相对稳定，并且被前后相继地被前后相继地连接起来连接起来。所以，秩序通常是相对于某个方向或线路而出现的。例如，按质量的排序，按收入的排序等等。有一定的“规则”就会有一定的秩序。3 3、势场建立、势场建立，“有秩序才有势场”。如果说秩序还只是在某个特定的方向与路线上的排列，那么“势场”就是一种全局意义上的，一致性的差异结构。全局意义上的，一致性的差异结构。“有势场才有动力”。定向动力的大小依赖势场的强度。如果数学物理中用梯度来量度势场的强度的话，动力就是是势场的函数。4 4、路径开通，、路径开通，有动力和势场，还只有流动的可能性，并不能保证一定产生“实际“的运动，

9、发展演化，只有同时“开通”某个现实的通道之后流动才能产生。所以“有通路才有流动”。要变成实际的流动则还需有流动的通道或路线。5 5、流动实现、流动实现，演化是不可逆性的变化，演化可以在多个不同方向上发生。所以“有流动才有演化”。但流动只是必要的前提。随机力的控制与管理 随机力在临界点上，关键时刻和位置将起决定作用，但随机力的作用是“中性”的。因此，我们的对策是：利用随机力的统计特征，增加和减少利用随机力的统计特征，增加和减少“碰撞截面碰撞截面”。及时发现，抓住有利的。及时发现，抓住有利的机遇，避开不利，危害的风险。把系统机遇，避开不利，危害的风险。把系统演化引向我们所期望的方向。演化引向我们所

10、期望的方向。二、演化的内部机制（机理）二、演化的内部机制（机理）机制是系统内部的一组特殊关联，对内部微观层次的运动起引导、控制、约束、激励等方面的作用，使内部元素的活动变成系统中观层次的整体运动变化。根据系统演化的不同阶段又可以将机制分为：创生机制，发展机制、消亡机制等等。发动机原理：麦克斯韦妖发动机原理：麦克斯韦妖充满气体的容器中设置一个隔断，中间开一个小孔，小孔上有一个小妖把守，它能识别分子的运动速度，只容许速度高的朝一个方向运动，速度低的朝另一个方向运动，一段时间后就会出现不平衡，一边的分子运动快，温度高，另一边则相反。出现了违背热力学第二定理的情况。蒸汽机内燃机几种类型的动力机制几种类

11、型的动力机制1、机车的发动机控制与引导 2、组织内的激励机制奖励与惩罚条例（规则、条例、制度、契约）3、个人兴趣与对真理的追求，爱国主义与为理想献身4、社会的法律制度，伦理道德、国家体制、经济模式创生机制正反馈选择创生机制正反馈选择正反馈机制使得就旧结构失稳，新结构正反馈机制使得就旧结构失稳，新结构产生产生选择放大机制使得新结构得以形成发展选择放大机制使得新结构得以形成发展新的评价指标与评价体系的确立新的评价指标与评价体系的确立内部约束机制（负反馈）使新结构稳定内部约束机制（负反馈）使新结构稳定 实例：创业的动力机制实例：创业的动力机制 创新的动力机制创新的动力机制发展机制约束控制与激励发展机

12、制约束控制与激励从开放中获得系统发展所需要的资源从开放中获得系统发展所需要的资源内部正反馈与负反馈机制的协同作用内部正反馈与负反馈机制的协同作用内部结构与边界的相对稳定内部结构与边界的相对稳定激励机制激励机制 实例分析实例分析 什么推动了社会经济，政治和文化的发展？什么推动了社会经济，政治和文化的发展？（是阶级斗争还是人们幸福的追求？）（是阶级斗争还是人们幸福的追求？）什么是企业发展的动力机制？什么是企业发展的动力机制？消亡机制免疫系统破坏消亡机制免疫系统破坏结构失稳结构失稳免疫机制失效免疫机制失效反向正反馈反向正反馈偶然性外力的作用偶然性外力的作用 实例分析实例分析什么导致失败？（战争、封建

13、王朝）什么导致失败？（战争、封建王朝）个体消亡的内部原因个体消亡的内部原因关于演化动力的系统思考系统朝某个方向演化不是因为某一方面的单独作用，而是各方面协同作用的结果。因此如何利用，调动各种资源，协调各方面的需求，目标，整合不同方向的作用是系统进化的基础。在演化的不同阶段必有一个或几个起关键作用的因素，只有全力找出这些关键因素和主导因素，加以控制，管理，才能达到整体进行的目标。内部机制与基本要素的关系系统的内部机制不仅仅是指内部的动力与演化机制，具体细分还应该包括，控制，转化，自复制，自催化等等。这些机制同样对应了一组内部元素的组合，形成类似“发动机”的机制。所以，内部机制实际上承担了系统“生

14、存发展”所需的内部职能，也就构成了作为系统基本要素。进一步具体细致研究这些机制或要素是系统科学的一个重要方面。作业：对自己选定的对象进行演化研究：、选择适当的判据，标度和路径描述系统演化的过程、明确系统演化所处的阶段及其特征，测定判明系统运行是否正常，或者反常的程度、分析系统发展的外部环境，着重搞清资源，发现机遇，明确动力阻力，竞争对手等、找出进化的内部机制，包括激励，引导，控制，管理机制。四、系统的组织与自组织四、系统的组织与自组织演化的过程也就是组织与组织变更的过程，组织过程中有三个基本要素：组织对象（被组织的材料，物质，因素，资源）组织动力（用于调动资源，克服阻力的动里与能源）组织指令（

15、组织的蓝图，路径，程序）组织指令从哪里来？1、组织指令来自系统之外：他组织，被控制的过程2、组织指令来自系统内部的指挥者，3、组织指令来自元素间的相互作用，在相互作用中逐渐形成“惯例”，制度，条例，法规，原则（自组织）自组织理论中的支配原理弹性振子模型慢变量与快变量绝热消去法慢变量支配快变量支配原理：临界慢化序参量：微观量（元素的运动参量大量的）宏观量（系统整体的参量指标少数的）序参量一种体现微观有序性的宏观参量，如磁化强度，军队的战斗力，企业总效益等。四、适应性自组织与探索性自组织 自稳定适应性自组织 自重组探索性自组织：试错 记忆 学习 预测 预调节适应性自稳定特点：改变行为方式，使系统回

16、到原来状态，保持系统结构不变。典型事例：为保持体温的恒定而进行的调节。运动中行为方式的保持。适应性自重组特点：改变行为方式和内部结构，使系统回到原来状态，但不改变系统整体功能。典型事例：、生命体为适应外部环境的变化，在进化过程中体内结构的变更；、企业为适应市场变化而对内部结构的调整；、思维方式的变化。探索性自组织特点：改变行为方式和结构，以及整体属性，寻找更适合系统生存的状态。基本内容：1、试错 2、学习 3、创新 4、预调节五，耗散型自组织与自组织临界态五，耗散型自组织与自组织临界态、耗散型自组织、耗散型自组织通过与外界交换物质，能量，信息来保持，发展系统内部的有序性。（熵减少）实质是资源约

17、束条件下的自组织过程。普里高津的耗散结构理论普里高津的耗散结构理论线性稳定性分析：线性稳定性分析：最小熵产生原理：最小熵产生原理：近平衡区趋向稳定，远离平衡态近平衡区趋向稳定，远离平衡态有可能出现旧结构失稳有可能出现旧结构失稳刘维尔定理：保守系统的相空间不变，保守系与耗散系的分界线。平庸吸引子与奇怪吸引子三种极限环三种极限环 布鲁塞尔器 Blusseletor三分子模型几种典型情况EXXYXDYXBXAKKKK432132生存竞争与进化单一物种方程生存竞争：物种灭绝、优胜劣汰、多物种共存，食物链（Lotk-Volterra方程）协同学（Synergetics)哈肯与协同学的创立1976年协同学

18、导论1982年高等协同学 90年代至今协同学丛书，大脑与智能研究协同的含义：共同工作，分工协作系统演化的过程：从分散，独立到分化为慢变量，快变量，再到支配控制，同步，再到分工协作，产生整体运动模式。激光器模型亚稳态基态同步跃迁谐振腔反射片反射片激光器高能态舆论形成与演化模型1、舆论受哪些因素的影响 舆论发生变化的原因2、舆论形成与变化的定量描述 主方程主方程是描述概率分布时间变化的方程1、主方程的建立：概率密度 跃迁几率（输入输出）2、主方程的求解3、求解结果的讨论自组织临界态（）自组织临界态（）对自组织的临界态的研究开始于1987年。当时布鲁克海文实验室的巴克（Per.Bak）、加州圣巴巴拉

19、分校的唐超（Chao.Tang）和佐治亚理工学院的维森费尔德（Kurt.Wiesenfeld）等发现存在一类耗散的连续系统，即包含了成千上万个发生短程相互作用组元的复合系统，在特定的条件下系统将自行演化，最终达到一个临界的稳态。他们把它叫作自组织的临界态（Self-Organization Critical），简称为“SOC”。沙堆模型 从上向下撒落沙粒，在一个固定的底面上会形成一个沙堆，当沙粒堆积到一定程度时，沙堆会保持稳定，到达一个临界的形状。影响沙堆形状的几个因素：影响沙堆形状的几个因素：1、沙堆底面的形状 2、沙粒自身的形状 沙粒间的相互作用 3、外部随机扰动的影响 一维沙堆模型二维沙

20、堆模型 100X100列阵上的自组织临界态 50列阵上临界态时的集团尺寸分布(a)和生存时间分布(b)奇点集的结构沙堆的启示奇点与信息（通过选择消除不确定性）沙堆的底面形状沙粒自身的形状沙粒间的相互作用多体问题与群体问题不同层次的决策本章小结1、系统演化的基本问题与研究目标2、演化的判据与标度3、演化的过程：个体生命周期与群体演化路径。阶段划分与阶段特征4、演化的环境，条件与动力机制5、耗散型自组织与组组织临界态6、课堂作业（期中测验）、简要描述你所选定的系统分析对象该系统的整体性如何体现，如何量度：属性功能价值主要特征，边界划定，总体轮廓，基本数据与参量，来龙去脉、你研究的出发点和目的是什么

21、？站在什么立场，从哪个角度研究，希望达到什么目的，如何衡量目的是否达到、该对象的内部结构如何？有哪些元素要素组成？基本要素和关键要素是什么？哪些内部关系在其主要作用？激励因素是什么，抑制因素是什么？它们在什么条件下其作用？内部的基本构架是什么？层次如何划分，各个层次有和特点？、简要描述一个该系统的过去，现在和未来该系统的进行用哪些判据与标度该系统演化大体分为几个阶段，每个阶段的特点是什么？如何判定其正常与反常？推动整体朝这个方向发展的内部机制和外部环境是什么？该系统有可能朝哪些方向发展，前景如何，与我们的目标有何差异？它们在哪些条件下出现？、如何诊断，治理现在的系统诊断的依据是什么诊断的结果如

22、何描述原因何在？问题的关键在哪里？有和对策还治理方案，条件，可预见的结果如何？、如何建构一个理想的系统？前五讲复习一、用试卷的形式对前五讲（系统科学基础）进行回顾总结（小组集体拟定一份试卷，个人在笔记本上回答）内容包括：1、提出了哪些基本概念，问题，命题（观点），方法？2、学习系统科学有何意义，有哪些收获体会？3、还存在哪些问题？有产生了哪些新的问题？4、如何联系实际分析案例（在个人作业中对上述观点，命题举出正例或者反例）二、小组集体作业：题目，研究对象，目的，分工,大纲（基本内容和观点），报告或PPT（要交书面材料）三、个人作业（期末论文）先在小组内部讨论，交流，相互提出意见建议。思考题总的题目是运用系统与网络的思路，观点，方法对某个特定对象与课题进行系统分析，提出自己的对策建议。特定对象可以是本专业的研究对象，研究团队，某新闻热点事件与事物等。关键是能够提出新问题，产生新见解，新启示，新对策谢谢你的阅读v知识就是财富v丰富你的人生