1.1 系统概述

本节主要概述系统思想、系统的内涵、系统的结构、系统的分类等内容，了解系统思想的产生与发展状况。

1.1.1 系统思想

1. 系统概念的产生

系统（System）一词来源于古代希腊文（Systεmα），最早出现在古希腊哲学家德谟克利特《世界大系统》著作中，意为部分组成的整体。德谟克利特认为，世界是由原子和虚空组成的，并在《论自然界》一书中指出：“世界是包括一切的整体。”古希腊哲学家亚里士多德提出整体大于部分之和的观点，中国古代著作《易经》《尚书》中也提出了蕴含有系统思维的阴阳、五行、八卦等学说。中国古代经典医著《黄帝内经》把人体看作是由各种器官有机地联系在一起的整体，主张从整体上研究人体的病因。春秋末期思想家老子强调自然界的统一性。南宋时朱熹的理一分殊思想，称理一为天地万物的理的整体，其中分殊指这个整体中每一事物的功能。

2. 系统思想的产生

随着近代自然科学的兴起和发展，古代难以从整体上对复杂的事物进行周密考察和精确研究的局面有了改观，产生了形而上学思维方式和科学系统观。形而上学思维方式强调利用近代自然科学独特的分析方法，把自然界的细节从总的自然联系中剥离出来，通过对整体的逐步分解，进而研究每个较简单的组成部分。这种思维方式虽能够精确研究自然界的细节，但只看到树木，不见森林，阻碍了人们从了解部分到了解整体、从分析具体细节到洞察普遍联系的道路。面对复杂的自然界现象，科学系统观强调既要看到事物的整体，又要注意到构成整体的各部分之间的相互联系。

科学系统观的产生具有必然性。20世纪30年代，生物学界提出了生命有机体论，把生命看成是一个有机整体用以解释复杂的生命现象。1925年，美国学者A.J.洛特卡的《物理生物学原理》和1927年德国学者W.克勒的《论调节问题》先后提出了一般系统论的思想。1924~1928年奥地利理论生物学家L.von贝塔朗菲用协调、有序、目的性等概念来研究生命有机体，并把系统定义为相互作用的诸要素的复合体，强调必须把有机体当做一个整体或系统来研究，才能发现不同层次上的组织原理，并在1932年《理论生物学》和1934年《现代发展理论》中提出了用数学模型来研究生物学的方法和机体系统论的概念。1958年，Parry J.B.提出了系统心理学（System Psychology）概念，并用系统的观点研究心理现象。1968年贝塔朗菲在《一般系统论——基础、发展和应用》中总结了一般系统论的概念、方法和应用，并于1972年发表的《一般系统论的历史和现状》中重新定义了一般系统论。

3. 系统思想的本质

系统思想从辩证唯物主义中取得了哲学的表达形式，从自然科学中获得了定量的表述形式，从工程实践中汲取了丰富的系统思维内容，其本质上是进行分析综合的辩证思维工具。

1.1.2 系统的内涵

1. 系统的概念

系统一词虽在古希腊时期就早已使用，但由于其涉及面广，内涵丰富，目前人类对系统还没有一个权威的统一定义。

系统论的创始人贝塔朗菲把系统定义为“相互作用的诸要素的综合体”。

日本工业标准中，系统被定义为许多组成要素保持有机的秩序，向同一目的行动的集合体。

在美国韦氏大词典中，系统的含义是有组织的或被组织化的整体；结合的整体所形成的各种概念和原理的综合；由有规则的互相作用、互相依存的形式组成诸多要素的集合。

美国著名学者阿柯夫认为，系统是由两个或两个以上相互联系的要素所构成的集合。我国学者钱学森等认为，系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的、具有特定功能的有机整体。

维基百科中认为，系统是一个动态和复杂的整体，是相互作用结构和功能的单位；系统是由能量、物质、信息流不同要素所构成的；系统往往由寻求平衡的实体构成，并显示出震荡、混沌或指数行为；一个整体系统是任何相互依存的集或群暂时的互动部分。

显然，系统是由若干要素以一定结构形式联结构成的具有某种功能的有机整体，反映了要素与要素、要素与系统、系统与环境三方面之间的关系。

2. 构成系统的三个条件

（1）系统必须由两个以上的要素所组成。要素是构成系统的最基本单位，也是系统存在的基础和实际载体，系统离开了要素就不成其为系统。

（2）要素与要素之间存在着一定的有机联系。各要素在系统的内部与外部形成一定的结构或秩序，任一系统又是它所从属的一个更大系统的组成部分。

（3）任何系统都有特定的功能。整体具有不同于各个组成要素的新功能，这种新功能是由系统内部的有机联系和结构所决定的。

3. 系统的特征

（1）整体性。整体性是系统最本质的属性，源于系统的有机性和系统的组合效应。构成系统的各个部分可以具有不同的功能，不同功能的有机组合，形成系统的统一性和整体性。任何一个要素不能脱离开整体去研究，要素间的联系和作用以及层次分布也不能离开整体的协调与平衡去考虑；系统各个组成要素和联系只有服从于整体的功能和要求，在整体的基础上展开活动，才能形成系统整体有机运动。

（2）目的性。系统的目的决定着系统的基本作用和功能，系统的功能一般是通过同时或顺序完成一系列任务来实现的，这样的任务可能有若干个，所有这些任务完成的结果就达到了系统的中间或最终的目的。系统的目的性是区别一个系统和另外一个系统的重要标志。大多数系统的活动或行为可以完成一定的功能，但不是所有系统都有目的，如太阳系或某些生物系统。

（3）相关性。系统相关性说明这些联系之间的特定关系和演变规律，系统的某一要素发生变化则会影响其他要素的状态变化。系统中相互关联的要素形成系统“要素集”，“集”中各部分的特性和行为相互制约和相互影响，确定了系统的性质和形态。系统相关性是系统各要素之间全部关系的总和。

（4）动态性。系统和运动是密不可分的，各种系统的特性、形态、结构、功能及其规律性都是通过运动表现出来的。要认识系统，首先要研究系统的运动，通常，系统与外界环境有物质、能量和信息的交换，系统内部结构也会随时间变化，系统的发展是一个有方向性的动态过程。系统的动态性才使其具有生命周期。

（5）有序性。由于系统的结构、功能和层次的动态演变有某种方向性，因而使系统具有有序性的特点。系统的有序性描述了不同层次子系统之间的相互作用和从属关系，各层次的子系统相互作用、相互联系，以特定的功能为同一目标而相互协调运行。系统结构中存在的动态信息流，与系统本身共同构成了系统的整体动态特性和有序性，并为深入研究复杂系统的功能与结构提供了条件。

（6）环境适应性。一个系统和包围该系统的环境之间通常都有物质、能量和信息的交换，外界环境的变化会引起系统特性的改变，相应地引起系统内各部分相互关系和功能的变化。没有系统与外部环境之间的正常交换，系统就变成了一个封闭的结构；只有能够与外界保持最优适应状态的系统，才是具有不断发展特性的理想系统。

1.1.3 系统的结构

1. 系统结构的概念

系统具有有限的边界，并以一定的结构形式存在。系统结构就是指系统内部各组成要素之间的相互联系、相互作用的方式或秩序，即各要素在时间或空间上排列和组合的具体形式。系统结构具有稳定性、层次性、开放性、相对性的基本特点，其普遍形式决定了系统的基本特征。

2. 系统结构分析

系统结构分析就是寻求构筑系统合理结构的规律和途径。系统合理结构是指在对应系统总目标和环境因素的约束条件下，系统的组成要素集、要素间的相互关系集以及它们在阶层分布上的最优结合。系统结构分析的主要对象有构成系统的要素集、要素间的相互关系、要素在系统中的排列方式，以及系统的整体性等。

3. 系统结构的主要类型

（1）因果关系结构。系统是由相互联系、相互影响的元素组成的，其元素之间的联系或关系可以概括为因果关系，正是这种因果关系的相互作用，最终形成了系统的功能和行为。因果关系分析是系统建模的基础，也是对系统内部结构关系的一种定性描述。通常因果关系可分为负因果关系和正因果关系。当两相关元素变化方向相同时，为正因果关系，反之为负因果关系。

（2）反馈关系结构。系统中某个因素的变化，导致其他因素的变化，又引起自身的变化现象，称为反馈。通常，反馈可分为负反馈和正反馈。负反馈使系统输出的指令起到与系统输入相反的作用，以使系统输出与系统目标的误差减小，系统趋于稳定；正反馈使系统输出的指令起到与系统输入相似的作用，促使系统偏差不断增大，甚至导致系统振荡或崩溃。正反馈与负反馈系统变化态势如图1-1所示。

（3）S型关系结构。系统是由多个因素构成的，多个因素之间不仅存在因果关系，也存在反馈关系，若反馈回路包含偶数个负的因果链，则其极性为正，称为正反馈回路；若反馈回路包含奇数个负的因果链，则其极性为负，称为负反馈回路。具有单一正反馈和负反馈构成的系统形成S型关系结构，如图1-2所示。

（4）多重耦合关系结构。耦合是指两个或两个以上回路的输入与输出之间存在的紧密配合、相互影响、相互依赖的一个量度。对于复杂的系统，会存在多个正反馈和负反馈回路，从而体现了系统多重耦合关系结构，如加拿大草原上山猫与野兔之间的关系，就属于多重耦合关系结构。

在加拿大哈德孙湾草原地带生长着许多野兔和大山猫。野兔依靠草原生存，大山猫以捕食野兔为生，草原、野兔与大山猫构成了生物链，野兔和大山猫之间的关系为捕食关系。由于草原资源有限，当野兔数目少时，相对个体野兔而言，生存的空间就较大，因此数目增长得就较快；而当野兔数目较多时，相对个体野兔的生存空间就较小，野兔数目增长得就较慢。当野兔数量多时，大山猫捕获野兔的几率就大，大山猫数目增长较快；反之，大山猫数目减少较快。野兔和山猫之间存在的多重耦合关系及其生长情况如图1-3、图1-4所示。

1.1.4 系统的分类

了解系统的分类，有助于人们在实际工作中对系统工程对象系统的性质有进一步的了解并进行分析。

（1）自然系统和人造系统。原始的系统都是自然系统，如天体、海洋、生态系统等。人造系统都是存在于自然系统之中的，如人造卫星、海运船只、埃及阿斯旺水坝等。

埃及阿斯旺水坝是一个典型的人造系统。该水坝虽解决了埃及尼罗河洪水泛滥问题，但也带来一些不良影响，如埃及东部区域的食物链受到了破坏，一方面导致尼罗河流域土质盐碱化加快，产生周期性干旱，影响了农业；另一方面由于河水污染使附近居民的健康受到了影响。人造系统与自然系统的和谐，是系统思想的体现。

（2）实体系统和抽象（概念）系统。实体系统是指以物理状态的存在作为组成要素的系统，这些实体占有一定空间，如自然界的矿物、生物，生产部门的机械设备、原始材料等。与实体系统相对应的是抽象（概念）系统，它是由概念、原理、假说、方法、计划、制度、程序等非物质实体构成的系统，如管理系统、法制、教育、文化系统等。实体系统是概念系统的基础，而概念系统又往往为实体系统提供指导和服务。

（3）静态系统和动态系统。静态系统为宏观上没有活动部分的结构系统或相对静止的结构系统的总称，如大桥、公路、房屋等。动态系统指的是既有静态实体又有活动部分的系统。

（4）开放系统和封闭系统。封闭系统是一个与外界无明显联系的系统，环境仅仅为系统提供了一个边界。不管外部环境有什么变化，封闭系统仍表现为其内部稳定的均衡特性。开放系统是指在系统边界上与环境有信息、物质和能量交互作用的系统，开放系统通常具有自调整或自适应功能。