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孟薇 钱省三:基于广义的系统序结构与功能关系研究
录入: 哲学网编辑部 发表时间: 2013-08-06 点击: 1272 次 我要收藏

对于复杂性科学的研究,系统科学的基础理论无疑应占有最大的权重。在当前的一般系统科学理论中,一方面,在其中的概念论述部分,甚少涉及到对诸如系统的结构、功能以及组织类型等基本概念之间的两两或多元素的定量互动关系的深入研究;另一方面,对于一系列包含上述基本概念的具体的系统理论,在论述上也往往存在不符合人们特定的思维习惯等问题。本文将在对传统的微观结构熵概念在理论阐释方面的不足进行分析的基础上,给出基于广义的系统功能的量的规定性,并深入探讨系统序结构与功能之间的定量关系,及其在具体理论中的运用等问题。
1 系统的序结构及以序结构熵所表述的系统演化理论
熵在热力学及统计物理学中是一个态函数,它是一个导出的广延量。熵具有两种表达式,分别相应于熵概念的微、宏观涵义。熵的微观含义是大量粒子排布的无规则程度,如果将系统内部组成要素之间有机联系方式和相互作用的顺序称为系统的“序”,而从“序”的性质和程度上对系统的有序和无序等做以分类[1],则熵在微观上就对应系统的序结构。熵大,表明体系结构的无序性;熵小,意味着体系结构的有序性。进一步,熵在宏观上以其增减,即微观序结构的变化对应于系统演化的方向。而以熵变作为揭示普遍系统的演化方向的一种方式,尽管深刻,然而毕竟是抽象的。在很多情况下,人们并不能直观地感觉到系统微观序结构的有序或无序的改变,亦不能感觉到系统熵的增大或减少。这必然会在某种程度上阻碍熵作为一种世界观在指导社会实践中的作用的发挥。以系统自组织耗散结构理论为例,若将该理论应用到现实世界中的生命体的演化问题时,我们所得到的解释是:生物是向着更为低熵而结构有序的高级生物的方向进化;生命体的生老病死等演化问题,也是由于生命体序结构变化的结果,这与人们的习惯思维很有距离。而我们通常的理解是:生命体的功能与生命体的演化方向是保持一致的,功能逐渐衰退了,系统就会不可避免地走向死亡。
2 热力学中的功及以“”表示的复合系统的做功能力
功是唯象性经典热力学中一个重要的宏观参量。功不是状态参量,它和热量一样,是在热力学过程中通过热力系统的边界所迁移的能量[2]。因此,功的发生,是以系统和环境之间存在的差异所导致的能的流动为条件的。当系统和标准环境之间达到热力学平衡态,这种差异将不复存在,宏观过程也将不再进行,功为零。也就是说,理论上,在没有不可逆因素存在的情况下,热力学体系从始态1变化到与标准环境相平衡的末态2结束,在整个宏观过程中,系统与环境之间所迁移的能流功是最大的。这个最大的功在数值上代表了体系做功能力的一种限度,是参与宏观变化过程的所有形态的能量中的可用部分,即“质”的标志。这个“质”,在工程热力学界的能源分析中占有重要的地位,被赋予一个形象的名称“”。
“”代表了热力体系和环境所组成的复合系统在理论上的最大做功能力,可用符号召表示。经过热力学中简单的模拟实验以及适当的推导过程,即可得到“”的多种普适的数学表达式,这里,给出工程中常用的开口系统的用的简化的计算式以资说明[3]

式中,I为热力学信息,是一个说明系统成分秩序的参数[4][5],是系统处于热力学平衡态时的熵值,S是系统在特定情况下的熵值。上式是针对平衡系统来说的,对于非平衡系统,可以对式中的绝对温度T进行相应地转换。由于T(温度)、S(熵)等都是热力学中的态函数,因此,与表征过程的功不同,“”E是一个与序结构熵反方向变化的态函数;并且,(1)式中所导出的用不是热力体系的态函数,而是包括与体系发生作用的环境在内的复合系统的态函数,这是由“”是复合系统的能量的“质”的方面的特性所决定的。若从状态a变化到状态b,则系统和环境所组成的复合系统可能做的最大功为

3 系统的功能
系统科学中对“功能”概念的描述是:系统在特定的环境下所能发挥的作用和能力。通常表现为系统对输入的响应能力[6],即输出。如果环境是和系统相异的,那么这种输出必定会引起环境的某些改变。如对于阅读者来说,一本书的功能是输出信息;对于处于病中的患者来说,药品的功能是恢复健康。以上是系统行为所引起的其作用对象的有益改变,变化了什么,就说系统具有哪方面的功能,即系统的功能是指系统的可用的那些方面,这是对系统功能的定性描述。
人文社会科学量化的趋势,往往要求我们进一步掌握系统功能的具体数值,即功能的量的规定性。如,在VE(价值工程)中,要求尽可能地对功能进行数量化;再如文献[7]中在对生产力水平值的计算和应用中,也涉及到了工具的功能值等。
4 广义与系统功能的量的规定的同义性
虽然来源于热力学中对热力系统的分析,但事实上,热力系统和现实世界中的任一系统,从系统的本质属性上来看,是没有区别的,只不过我们从对某一系统进行特别的热力学性质分析的基础上,把它称作热力系统,即热力系统也是普通的系统。另一方面,物质、能量、信息被认为是构成物质世界的三大要素,物质、能量、信息三大要素之间密不可分,相互统一。文献[8][9]等指出:在物质与能量之间存在一个基本的关系式,以及信息的“质”可以用娴来描述的情况下,热力学中表示能量的“质”的可用性的朋,也完全可以用来表示社会科学领域内的任一事物的“质”的可用性,即事物的品质。至此,我们认为,以上面的(1)、(2)式表示的用概念完全可以广义地代表任一系统在那些可用的性能方面的数值,即系统的功能值。以水的流动为例:单说水的流动,是水的一种性能,是水的“有用”的一面;而如果水的流动对外做功,使外界发生了改变,则这就变成了“可用”的一面,即发挥了功能。最后,以娴表示的系统功能的数值应是唯一地指任一系统在特定的环境下理论上最大的功能值,而实际上应用了多少是另一回事。
5 基于广义的系统的功能与系统的序结构关系分析
基于以上的广义与系统功能的量的规定的同义性的思想,可以在(1)式的基础上,引入系统功能的表达式:

这里,将物质能量信息等系统中与环境相关的量归结到一个环境适应系数C中;F为系统功能;S依然表征系统的序结构;H表示系统的总能量。在(3)式中,S只与系统的有序或无序的程度相对应;F却可以随着研究对象的不同,具有明确而具体的功能涵义。从上式中,我们可以得到:
首先,对于系统结构与功能二者的关系,在一般系统论中普遍流行观点是:在系统的组成元素及环境确定的情况下,系统的结构与功能有对应关系,结构决定系统的功能;功能发挥过程,对结构也有反作用[10]。
如今,我们得到了以定量方式所表示的对二者关系更为直接的说明。在上述以用的普适表达式所代表的系统功能值中,出现了表征系统序结构的熵值S。这表明:某一系统的序结构与系统的功能之间存在着某种联系。一般来说,在环境适应系数确定(这里,应包括元素自身的适应能力等)的情况下,系统的熵值减小,系统的组织程度变大,结构有序,则所能发挥的功能增大;系统熵值增大,系统的组织程度变小,结构无序,则所能发挥的功能减小;系统功能的改变与系统序结构熵S的改变呈相反方向。
其二,以所代表的系统功能值的表达式还说明,系统功能除了与系统的序结构熵有着紧密的联系外,又受系统的序结构运用于其中的所谓的标准环境的制约,这与系统的序结构S只与系统本身有关不同,即以娴表示的系统功能不是系统的状态参数。任何系统被利用,都离不开环境,所以环境在一定程度上对于系统潜在功能的发挥起决定的作用。即功能是系统与环境所共同拥有的功能。对于任一系统,尽管S小,即系统的结构有序,但若环境适应系数C也小,即该种结构与特定的环境不相适应,综合乘积后的F也小,则说明在该种环境下,有序的结构并不能发挥很大的功能。反之亦然。适应于某种用途的具有一定序结构的物品,换为另一种用途,则未必具有同等的功能;当代社会的产业系统的个性耗散结构,如果存在于原始社会,则一样不会发挥出等效的功能。
其三,与热力系中的娴一样,任一系统的功能,是系统与标准环境之间所存在的差异的量度。只要系统与选定的标准环境之间存在差异,系统就必然能够对外表现出一定的功能。但系统在理论上所拥有的功能值的实现,必须以改变的具体发生为条件,即功能的实现程度,与改变的实际发生程度相联系。
以上的讨论是我们在本文对于功能的量的规定的基础上得出的,所得的结论与以往的系统理论中对于系统结构与功能关系的定性直观描述在大方向上是相吻合的,这说明了我们所建立的功能的量的规定的正确性。并且,本文进一步指出了系统功能与系统的序结构存在着的密切的关联。同时,量化后的功能概念又促进了系统研究工具方面的质的飞跃,这从以下的具体应用中将可以看出。
6 基于广义的量化的系统功能在具体系统理论及工程中的运用
广义的概念揭示了系统的序结构、系统的功能以及环境之间的定量关系,这可以对系统科学中包含上述三个概念的具体的系统理论给予更好的说明。下面举出几个例子:
6.1 对于孤立系统的热力学第二定律的表达
对于孤立系统的热力学第二定律为:孤立系统将向着系统的熵增大,即系统的结构越来越趋于无序的状态演化。由我们上述所得出的系统的序结构与系统功能的关系,孤立系统的热力学第二定律可以表述为:孤立系统将向着系统的功能逐渐降级的方向发展。这无疑是与人们的直观感觉相一致的。例如:买回的一件新物品,如日常用品中的电视机等,其作为一个物质系统,在和外界没有任何物质能量交换的情况下,只能越来越旧,功能逐渐降低,最终达到使用寿命而终结。
6.2 对于耗散结构理论的表达
而对于耗散结构理论中所提到的远离平衡态的开放系统,在对系统进行相关的物质,能量、信息等输入的情况下,可能会使得开放系统自身的熵产生不大于从环境输入的负熵流,即使系统恢复原有的功能或系统的功能增大。如处于生长期的农作物,从外界环境中汲取了物质、能量等,使得作物系统的功能逐渐趋向增强。
远离平衡态的开放系统在现实世界中的广泛存在,使得耗散结构理论在横断性系统科学理论中占有重要的位置,并被成功地引入诸多社会科学学科的研究中。自然生态系统就是一类典型的耗散结构系统。研究表明[11]:生态系统是朝向系统的熵减小、系统结构有序的方向发展,即是朝向系统的功能逐渐增强的方向发展。这样,对于生态系统的演化问题,就可以从一般的定量功能值的意义上进行解释。
6.3 在VE(价值工程)中的运用
在VE,对价值公式V=F/C进行定量分析时曾经存在的困难主要来源于功能:功能F中总会有一些关于信息的被认为是难于计量的因素:如享受、安全等;以性能、质量指标或技术参数等直接计量的功能不具有可比性:如载重量/单位成本与功率/单位成本之间难以比较等;技术指标F与经济指标C之间同样缺乏可比性。
而基于本文的广义娴与系统功能的量的规定的同义性的思想,上述难题将迎刃而解。物质(包括资金等)、能量、信息都可以以用的形式确定其功能;可以列出系统成本的目标函数及功能条件的约束方程,进行相关的优化。目前,在实际应用中,能量系统的热经济学分析与优化其实就相当于能量系统的价值工程(对此,作者另文给予了详细的说明)。
7 结语
将广义的概念引入系统科学中,不但给出了系统功能与系统序结构之间关系的定量表达式,而且可以为诸多包含系统序结构与功能及其二者关系的理论提供量化的支持与依据,使得相关理论的阐释更加形象化、涵义具体并符合人们的思维习惯。最后,对于系统功能值的实际求解方面还需要继续进行系列的探索。
【参考文献】
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[6] 周硕愚.系统科学导引[M].北京:地震出版社.1988(8):22-24.
[7] 王涛.生产力水平值的计算和应用[J].学术交流.2000(1):42-47.
[8] 郑宏飞.自然资源的分析观[J].北京理工大学学报(社会科学版).2003,5(2):37-39、55.
[9] 郑宏飞,吴裕远.用分析方法在社会科学领域中的应用——建立学的构想[J].西安交通大学学报(社会科学版).2000,10(2):72-78.
[10] 沈禄赓.系统科学概要[M].北京:北京广播学院出版社.2000,1:47-50.
[11] 张永泽,王火恒.与生态系统的演化[J].生态学杂志.1998,17(5):24-26.
(原载《系统科学学报》2008年1期。)

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