1.2.2 復雜系統

1.系統

系統的概念最早可以追溯到20世紀30年代，不過，直到第二次世界大戰前不久，一般系統的概念和一般系統理論才被提出，并逐漸被人們接受和認同。1957年，人們提出了系統工程的概念。如今，系統工程的概念和方法在航天、水利、電力、交通、通信等方面得到了廣泛的應用。目前，系統工程的方法已滲入各個領域，甚至包括人們的生活。系統的概念是管理信息系統三大基礎概念之一，因此，有必要對其做一些介紹。

系統是由一些部件組成的，這些部件間存在著密切的聯系，通過這些聯系可達到某種目的。從數學的角度講，系統可以看成為了達到某種目的的相互聯系的事物的集合。從生物的角度講，系統是一些部件為了達到某種目標而有機結合成的一個整體。從機電的角度講，系統可以看成設備單元有規律地連接在一起的整體。從軟件的角度講，系統可以看成計算機軟件和硬件各個子系統有機組合的整體。

（1）特點

根據系統的定義，它應該有以下特點：系統是由較小的部件組成的，且各部件處于不斷變化和運動狀態中；系統中的部件是按照一定規則進行組合的，即只要系統確定，結構就確定；各個部件之間存在著有機和密切的聯系；系統輸出是系統目標的必然結果，系統各組成部分組合后的能力大于各組成部分能力之和；系統的狀態是可以變化的；由于外界條件不同或輸入不同，系統輸出的結果也可能不同，換句話說，系統的狀態是可以控制的。

（2）基本觀點

為了對系統的定義有更深的了解，讀者應首先理解以下5個基本觀點。

① 系統必須實現某一特定的目標，如圖1-1所示。系統各個部分是為了某個或某些目標而集中起來的，否則系統構建將失去任何意義。例如，建立工廠的目的是生產市場上需要的產品，創辦學校的目的是培養學生。管理信息系統也一樣，其目的就是管理企業、政府等單位的信息。

② 系統有明確的邊界，并通過邊界與外界進行物質或信息的交流。例如，一個企業會有明確的內外之分，而且這個企業為了生存，必須與外界交流，購買原材料，生產成品賣出。系統正是通過這種不斷地輸入、輸出來完善和發展的，也可以稱為“新陳代謝”，如圖1-2所示。

③ 系統可劃分成若干相互聯系的部分，且這些部分可以分層。系統是可分解的，即使是最簡單的系統。例如，太陽系由八大行星組成；分子是由原子組成的，原子又由更小的粒子組成。再如，一個大學由若干二級學院組成，二級學院又由若干系組成，其院系結構層次如圖1-3所示。

④ 系統內部的各個部分之間存在著物質流或信息流，這種物質流或信息流稱為系統的“血液”。系統通過“血液”將能量輸送到系統的各個組成部分，然后將廢棄物帶走，實現各種物質或信息的交換。正是通過這些流，各個組成部分的功能才能充分發揮，并與其他部分互相配合，共同實現整個系統的功能。物質流或信息流的狀況反映了系統的運行情況。如果這些流的運轉出現問題，那么即使各個部分運轉正常，整個系統也可能處于非正常狀態。例如，二級學院的若干系之間會進行必要的交流；一個大學的若干二級學院之間也會有交流，比如不同課程的配合。

⑤ 系統是動態的、變化的和發展的。系統與外界環境進行物質或信息交換時，它的狀態會隨時發生變化，從一種狀態變到另一種狀態。不過，這種變化有兩種可能：一是系統可能向好的方向發展，最后實現既定的目標；二是系統向不利的方向發展，最后可能無法實現既定的目標，這時就需要外部干預，使系統回到正常的軌道上來。系統的目標是驅動該系統變化、發展的內部動力。世界上的任何一個事物在不同的時刻呈現的狀態是不同的。

2.系統分類

系統的分類方法有很多，從不同的角度看問題，就可能產生不同的分類方法。

（1）按復雜程度分類

按復雜程度，系統可分為物理系統、生物系統和社會系統，如圖1-4所示。物理系統屬于最底層，中間是生物系統，社會系統處于最高層，當然還可以細分。例如，信息系統是社會技術系統，屬于最復雜的社會系統范疇。

（2）按產生的方式分類

按產生方式，系統可分為自然系統與人造系統。自然系統也稱天然系統，是大自然在其發展進化的過程中靠自然力量形成的，是宇宙系統中億萬年來天然形成的各種自循環系統。例如，生物系統、生態系統、大氣系統、天體系統、地球系統、海洋系統等都是自然系統，其組成部分是自然物質，其特點是自然形成。人造系統也稱人工系統或人為系統，它是為達到人類的某種目的，由人所建立起來的系統，通常是指存在于自然系統中通過人類勞動設計制造出來的系統，包括生產系統、交通系統、人造衛星系統、機械設備系統、運輸系統等。例如，管理信息系統是人造系統。

（3）按抽象程度分類

按抽象程度，系統可分成實體系統、抽象系統和邏輯系統。實體系統又稱物理系統，是最具體的系統，其組成部分是完全確定的存在物，如礦物、生物、能量、機械、人類等實體。因為實體系統是已經存在或完全能實現的系統，所以又稱為實在系統。抽象系統是最抽象的系統，它是人們根據系統目標和以往的知識構思出來的系統雛形，雖然不是很完善，也有可能不能實現，但它表述了系統的主要特征，描繪了系統的輪廓。邏輯系統介于實體系統與抽象系統之間。

（4）按與環境間的關系分類

按與環境間的關系，系統可分為開放系統與封閉系統。開放系統是指與環境之間有物質、能量或信息交換的系統。例如，一個工廠就是一個開放系統，從外界吸收能量，生產產品。封閉系統是與環境沒有物質、能量和信息交換的系統。實際上，絕對封閉的系統是不存在的，它只是在某一段時間內，與周圍的環境暫時沒有物質、能量或信息交換。開放系統與封閉系統是一個相對的概念，因此，對系統的開放性和封閉性的理解不能絕對化。一般來說，人們在談論開放與封閉時，似乎比較注意系統的邊界，例如，封閉系統具有不可貫穿的邊界，而開放系統的邊界具有可滲透性。人們有時習慣性地稱“沒有圍墻的大學”為開放式大學。當然，大學的開放程度不能僅用是否有圍墻來判斷，還要取決于辦學理念的開放程度。如果一個大學或一個企業思想僵化，閉門造車，不愿與外界交往，有時也稱它是一個自我封閉的系統。封閉系統的概念來源于克勞修斯的熱力學第二定律，開放系統的概念來源于普利高津的耗散結構論。

3.系統的特征

根據系統的含義可以得到系統的如下特征。

（1）目的性

任何一個系統都是為了完成某一特定目標而構造的。在進行系統的構思、設計、分析與控制、運轉前，必須弄清其目的性，否則無法構成一個良好、有序的現實系統。例如，學校的目標是培養人才；工廠的目標是生產出高質量、適銷對路的產品，提高經濟效益。因此在建設系統的過程中，首先要明確系統的目標，然后考慮運用什么功能來達到這個目標，而功能是通過組織機構來實現的。

（2）整體性

系統應由兩個以上的要素或部分組成，各要素或部分之間存在著聯系，從而構成一個有機的整體，以實現其目的和功能。從系統的含義中可以看出，系統內部的各個部分是為實現某一特定目標而聯系在一起的。因此，系統的各個組成部分不是簡單地組合在一起，而是有機地組合成一個整體，每個部分都要服從整體，追求整體最優，而不是局部最優，這就是所謂的全局的觀點。一個系統中即使每個部分并非最完善，但通過綜合、協調，仍然可使整個系統具有較好的功能；反之，如果每個部分都追求最好的結果而不考慮整體利益，也會使整個系統成為最差的系統。系統科學家貝塔朗非指出：系統整體能力大于其各部分能力之和。

（3）層次性

一個系統可以分解成若干個組成部分，如果將這些組成部分看成是一個個子系統，那么還可以進一步將這些子系統劃分成更小的部分，以此類推，可以將一個系統逐層分解，體現出系統的層次性。例如，把一個企業看成一個系統，它可以分解為財務子系統、生產管理子系統、供銷子系統、庫存管理子系統、廠長辦公管理子系統等。

（4）相關性

科學已經證明了現實世界普遍聯系的觀點。系統中相互關聯的要素或部件形成了整體，各部件或要素的特性和行為相互制約、相互影響，正是這種相關性確定了系統特有的整體形態與功能。由于系統是由內部各個互相依存的組成部分按照某種規則組合在一起的，因此，各個組成部分盡管在功能上相對獨立，但彼此之間是有聯系的，即具有相關性。例如，教育系統中的學生與老師之間有聯系，也有相互作用。系統的相關性告訴人們，在實現一個系統的過程中，不僅要考慮如何將系統分解成若干個子系統，而且要考慮這些子系統之間的相互制約關系。

（5）適應性

任何一個系統都不是孤立存在于社會環境之中的，它與社會環境有著千絲萬縷的聯系。例如，無論是學校還是工廠，不僅要受到國家計劃、政策法規的制約，還要受到地方和有關單位（系統）的影響，即環境影響。如果它要生存，就必須快速適應千變萬化的周圍環境，否則就要被淘汰，這就是達爾文的適者生存的理論。其道理非常簡單，系統與周圍環境之間通常都有物質、能量和信息交換，即從環境中獲取資源，吐故納新。環境的變化要求系統特性隨之改變，系統內部各要素或部分之間的相互關系與功能也會發生改變。因此，結構良好的系統必須具有反饋系統、自適應系統和自學習系統，以保持對客觀環境的適應能力。

（6）復雜性

現代系統一般是多結構、多目標、多功能、多參數、多層次、多輸入、多變化的系統。系統通常處在一個多變的環境之中，其輸入具有多個參數，且表現為時間、空間或數值的隨機性和不確定性。系統本身往往具有多結構層次，只有進行一系列運算分析和比較，才能權衡出較優的方案。

（7）動態性

系統的動態性是指其狀態與時間的關系。由于物質與運動的不可分離性，各種物質的特性、結構、形態、功能及其規律都是通過運動表現出來的，因此要認識系統必須研究系統的運動。開放系統因與外界的物質、能量和信息交換，系統內部結構也會隨時變化。系統的發展是一個有方向的、有周期的動態反饋過程。

4.系統復雜性

復雜科學已被一些科學家譽為“21世紀的科學”，目前還處于萌芽狀態。它包括控制論、信息論、系統論（簡稱“老三論”）和耗散結構論、突變論、協同論（簡稱“新三論”），以及相變論、混沌論、超循環論等其他新的科學理論。這些理論主要研究和揭示復雜系統的有關特性，如非線性、混沌、突現、自組織、非還原性等。復雜科學的特點是：研究對象是復雜系統，如植物、動物、人體、生命、生態、企業、市場、經濟、社會、政治等；研究方法是定性判斷與定量計算相結合、微觀分析與宏觀綜合相結合、還原論與整體論相結合、科學推理與哲學思辨相結合；所用的工具包括數學、計算機模擬、形式邏輯、后現代主義分析、語義學、符號學等；研究深度不限于對客觀事物的簡單描述，而更著重于揭示客觀事物構成的原因及其演化的歷程，并力圖盡可能準確地預測其未來發展。雖然至今人們還沒有對復雜性概念有一個統一的界定，復雜科學理論的構建也尚未完成，但是復雜科學的出現不僅重新構建了現代科學的研究體系，而且改變了人們的思維方式，為現代科學技術的發展提供了新思路、新方法，對各類學科具有普遍的指導意義。

5.系統按復雜性分類

按復雜性，系統可大致分為3類：多體系統（Many Body System）、有機系統（Organic System）和控制系統（Cybernetic System）。

多體系統這一名稱來自物理學，是由少數幾類彼此之間僅由幾種關系耦合在一起的大量組分組成的系統。一個多體系統不是一堆散沙，其組分之間存在相互的關系，這樣就有足夠的整體性使之成為一個更大系統中的個體，就如一根鐵架成為建筑物的一部分。多體系統很有意義，因為它們無處不在，而且易于進行理論上的處理。多體理論可能是復雜系統和大尺度結構形成的最高深的理論。

有機系統是由許多高度特化的、相互聯系緊密的、不同種類的組分組成的系統。有機系統易于進行功能描述，要定義和描述其中的各個組分，我們需要看它們在維持系統處于期望的狀態時所起的作用。因此，這些組分從整體上就從屬于這個系統了。有機系統的范式是生物體，生物體主要被當作進化中的物種的組分來處理，因此，它們是高度簡化了的，各部分的功能僅在最優化模型中予以表述。

控制系統是把多體系統和有機系統的復雜性結合起來的系統。例如，人就是一個復雜和統一的控制系統。

盡管本書不討論有機系統和控制系統，但是，在進行多體系統的討論時，也將用到有機系統和控制系統的概念和方法，比如進化論、克隆、基因、生物、生態、心理學等。

6.軟件系統復雜性

（1）多體系統的復雜性

實際上，多體系統的組分本身是復雜的，兩組分之間的基本關系可以是紊亂的。在大多數理論中，組分及其基本關系都是高度理想化的，這樣就使得組合問題變得容易處理。

假設組分及其基本關系非常簡化，以至于人們能很好地理解組分數量少的系統的行為。在一個多體系統中，每一組分很可能與許多組分耦合，這種多邊的相互關系會形成一個關系網，使系統變得高度復雜。

與不同層次上的實體相比，同一層次上的實體更容易相互作用，在某一層次內部因果規則性也更明顯。因此，許多科學理論提出者將注意力放在單個層次中的實體和現象的描述上，而不考慮與其他層次的相關性。

多體理論在考慮并關聯兩個不同層次的實體方面有其特點，因為巨大數量的組分把多體系統推向了一個不同的層次。它們在單個模型中既包含“宏觀”個體，又包含“微觀”個體。通過清晰地處理組分及其相互作用，多體理論與將組合系統看成多個單位而不考慮其組分特性的理論是不同的。包含兩個層次以上實體的理論具有一個特殊的困難，即在不同層次上刻畫實體所使用的概念往往不一致。多體理論可以在幾個不同的層次上，對同一個大組合系統進行概念化和刻畫。

多體理論綜合分析的寬泛框架構架了這些理論的概念統一性。由于組合呈現指數增長，一個多體系統有許多側面特征，且這些特征會被隱藏或不易被觀察到、需要在更廣泛或更具體的尺度下才能被揭示出來，因此用一個“統一”理論將它們“大包大攬”是不可能的。為了研究多體系統，科學家們構造了簡化的模型，從不同視角來捕捉一個大場景的各個重要方面。

（2）軟件復雜性

進入20世紀，隨著生物進化、熱寂說、耗散結構論、自組織結構理論、協同學、突變論、超循環理論、混沌分形理論等非線性科學的發展，經典科學受到很大沖擊。人們認識到，非線性是一切動力學復雜性之源，自然界和現實生活中的所有系統都是非線性的。正是由于非線性作用，人們才面臨的是一個復雜的、不可逆的、隨機性的、千變萬化的現實世界。

軟件復雜性問題的討論很自然地被提了出來。軟件系統的復雜性、軟件過程的復雜性、開發管理的復雜性以及軟件缺陷的復雜性等，都是人們關注的內容。

本書討論的基礎是多體系統，關注的內容是組分組成的系統內部的耦合關系。比如，由軟件消費者和軟件生產者形成的組織鏈，由多人組成的開發團隊，由模塊或子系統組成的軟件系統等。

多體理論在經濟學、進化生物學和統計物理學方面已經得到了廣泛的應用。現在，人們把它用于軟件領域，特別是軟件質量方面，希望在這個領域內找到多體系統，并對它們進行研究。比如一個開發團隊，如果把每個成員看作個體，那么它就形成一個多體系統；再如一個軟件系統，如果把每個模塊或子系統看作個體，那么它也形成一個多體系統。

將相同類型的組分通過相同類型關系耦合在一起的多體系統，并不意味著所有的組分及相互關系都是一樣的。正如同樣都是人，但每一個人都是獨特的，以獨特的方式與其他人發生關聯。組分有其個體特征和關系，這些特征和關系可以很強烈地變化。進化（即軟件開發團隊的進步和發展）取決于某一軟件開發團隊中個體的變異（即軟件開發團隊成員之間的差異和創新），用戶需要軟件的繁榮與多樣化，個體的偏差和變異是滿足用戶多樣化需求的源泉。組分的變異對系統結構的多樣性有很大的貢獻，更多的多樣性來自個體關系中的變異。