系统优化的哲学思考_曾广容

第 4 卷第 3 期 19 9 6 年 7 月 系 统 辩 证 学 学 报 JOU R N A L OF SYS T E M IC D IA L EC T IC S V o l . 4 N o . 3 J u ly 1 9 9 6 系统优化的哲学思考 曾 广 容 内容提要 本文用系统论的观点对系统优化的含义 、 系统为什 么要优化 以及 系统实现优 化的条件与途径进行 了初步探讨 、 在自然界中、 , 无论非生物界 、生物界和人类社会 ,都普遍存在优化现象 。 “优化是系统乃至 整个客观世界发展的趋势和方向。 ”[11 因此 , 掌握系统优化规律 , 无疑具有重要的理论意义与实 践意义 。 系统优化的含义 以系统自身为 , 凡是有利于系统的生存与发展的一切系统特征 , 都是优化的特征 。 如 系统的结构 、功能 (性质 )状态是有利于系统的生存与发展的 , 则是优化的结构 、优化的功能 (性 质 )和优化的状态 , 是系统优化的现 ;反之 , 若它籽不利于系统的生存与发展 , 则是系统劣化 的表现 。 优与不优只有相对于系统的生存与发展而言才有意义 。 对系统优化这样界定之所以 合理 , 是因为它与客观上普遍反映的优化事实相符合 。 例如 , 在生物界 , 它的一切优化特征都是以有利于 自身的生存与发展需要而建立的 。 龟的 坚硬大甲壳有保护身体的作用 , 鱼的流线型体形有利于在水中的运动和生存 , 故都是结构优化 的表现 。 植物的根 、干 、枝 、茎何以都似圆柱形 ? 因为这种形体可以最大限度地输送养分和发挥 支持功能 ,而所耗用的物质 、能量为最少 。蜜峰能一昼夜用蜂腊建筑几千间蜂房 , 每间蜂房的体 积几乎都是 0 . 25 立方厘米 , 既结实、适用 , 又能收藏最大可能容量的蜜 , 而所耗费的腊质为最 小量 。系统用最少的物质 、能量消耗(或最高的物质 、能量利用率 )以最大限度地达到 目的 , 显然 是系统优化的重要表现之一 。这是因为实际存在的系统都是开放系统 , 要与环境交换物质与能 量才能生存 。 而物质与能量对于系统来说 , 不是任何情况下都是取之不尽 , 用之不竭的 。 因此 , 在同样达到 目的情况下 ,具有最高的物质 、能量利用率的系统无疑有更多的成功机会和更强的 生命力 。 考察人类社会 , 它的一切优化方面 , 也都是为了满足人类的生存与发展需要而创立的 。 人 类最突出的优化特征 , 莫过于能思维 ,有智慧 , 能创造工具进行劳动 。 正是这些 , 不仅把人类与 动物界区分开来 , 而且是人类赖以生存与发展的优势与关键 。人类除了保留生物界的某些优化 特性外 , 又有其明显的不同 。 生物主要对自身机体优化 , 因而其优化功能受到机体的限制 , 所 以 , 生物只能适应环境而生存 。人类除了对机体优化 (如使衰老推迟 、寿命延长 、大脑更聪明等 , 随着科技进步会有更大的突破 )外 , 主要在体外优化 。 如优化劳动工具 ,优化经济结构 , 使科学 技术更先进 , 使社会与文明向更高级发展等 。于是人类的优化功能冲破了机体的限制而无 系 统 辩 证 学 学 报 1 9 9 6 年 限地增长 。 人类可使工具不断地进化 、优化 , 从而使体力与智力不断地得到解放 。 当人的体力 显得不够时 ,就用各种工具代劳 , 这是人的手脚在体外的延长和优化 ;当人的视力不够时 , 就用 望远镜 、显微镜和雷达等代劳 ,这是人的感觉器官在体外的延长和优化 ;当人的脑力不及时 , 就 用电脑代劳 ,这是人脑在体外的延长和优化 。人类凭借智力与工具 , 通过劳动 ,改造自己的生存 环境以更好地满足自己的生存与发展的需要 , 这是人类优化功能的最集中表现 。人类的优化是 已知宇宙中的最高级的优化形态 。 在非生物界 , 它的一切优化特征也都是以有利于 自身的生存与发展需要而出现的 。 例如 , 分子 、原子都处于势能最小的稳定状态 。若它们的势能不是最小 , 就会在环境干扰下放出能量 , 使结构不稳定 。 因此 , 最小势能状态 , 提高了对环境的抗干扰能力 , 有利于系统的稳定存在 , 无 疑是一种优化状态 。 再如 , 非生物界存在着从无序到有序的运动 ,使结构愈精致 , 功能愈优越 , 自组织能力愈强 ,终于进化到生物界 。 显然这种进化的过程就是一种优化的过程 ‘ 由此可见 , 系统优化是系统固有的一种规律性 , 为系统的生存与发展需要所驱使 。 正是如 此 , 优化现象和特征才成为自然界的普遍现实 。 二 系统为什么要优化 系统要优化是系统自身生存与发展的需要 , 是由优胜劣汰机制所决定的 。优胜劣汰是自然 界 (含社会 )的普遍发展规律之一 。 在生物界 , “一切现有生物的形态习性都是和环境条件相适应的最优状态 ;一切被淘汰的 生物物种都是失去最优状态的结果 。 ”图亿万年前 , 在地球上称王称霸的是恐龙 。后来恐龙突然 消失 , 至今还是一个迷 。 但可以肯定 , 它是由子自身的结构 、功能失去优化状态 , 跟不上当时地 球环境的变化而灭亡的 。 而类人猿能进化成人类 , 正是其结构 、功能随着环境的变化而不断优 化的结果 。 优胜劣汰反映在社会系统中, ,就是先进的生产力 、生产关系和社会制度总要代替落 后的生产力 、生产关系和社会制度 ;先进的科学技术总要代替落后的科学技术 ;先进的产品总 要淘汰落后的产品 ,等等 。 优胜尖汰机制也适应于非生物界 。 在太阳系形成之初 , 环绕太阳运动的行星较多 。 那些在 轨道上不能保持引力与斥力平衡的行星 , 不是脱离了太阳系 ,就是落到太阳上 。 而现在的九大 行星 , 能适应太阳系的环境 , 保持引力与斥力平衡 , 因而地久天长地 、和谐地围绕太阳运转 。 从 力学的角度看 , 更重要的是从系统自身存在的需要看 , 太阳系的结构是一种优化的结构 , 是系 统汰劣留良的结果 。 在优胜劣汰机制的作用下 , 各种系统为了在环境中求得生存 、发展 , 必须增强对环境的适 应能力 、抗干扰能力 、竞争能力 、协调能力以及 自组织能力 。 总之 , 要增强系统的生命力 。 这些 能力的强化 , 就表现为系统功能的优化 ,而系统功能的优化又要由系统结构的优化来保证 , 这 就是系统要优化的真正原因所在 。 三 系统实现优化的条件与途径 由系统论可知 , 系统的整体性质与功能 (F ) , 是由系统的组成要素(c )结构 (S )和环境 (E ) 共同决定的 , 可用下式表示为 : F 一f (C , S , E ) 第 3 期 曾广容 系统优化的哲学思考 张华夏教授称此式为系统状态方程川 , 它抽象地反映了系统的整体规律 。 由此可见 , 系统要实 现整体功能 (性质 )的优化 , 一是要选择要素 、结构 、环境 ;二是要使要素、结构 (内部根据 )与环 境 (外界条件)相互协调和统一 , 即发挥协同作用 ;三是要展开系统与系统以及系统内部各要素 之 间的竞争 。 于是我们把系统实现优化的条件与途径归结为 : 合适的要素—系统优化 的基础 ;合理的结构—系统优化的关键 ;合适的环境—系统优化的重要条件 ; 竞争—系统优化的动力 ;协同作用—系统优化的根本原因与途径 。 (一 )合适的要素—系统优化的墓础 要素是构成系统的基础 , 要素的变化会引起系统的变化 。 首先 , 要素的性质发生变化会引起系统的性质变化 , 系统的性质虽然不同于要素的性质 , 但也依赖于要素的性质 。 铁桥与木桥即使采用同样的结构形式 ,其性质 (如强度 、承载能力 )是 不同的 , 原因在于所用材料的性质或种类不同 。 普通机床与程控机床的性质不同 , 在于前者是 由动力部分 、传动部分 、工作部分组成的 ,后者还增加了一个程序控制部分 。要素性质的优劣也 严重影响到系统的优劣 。 一支军队 ,提高它的成员的政治素质 、军事 、技术素质和体质 , 无疑是 提高军队战斗力的首要条件 。 其次 , 要素的数量变化 , 也会引起系统的性质变化 。 这是由质量互变律所决定的 。 便如 , 在 铁碳合金中 , 含碳 2 %以上者称为生铁 , 含碳 2 %至 0 . 04 写之间称为钢 。 钢和生铁的性能有很 大差别 , 其主要原因就在于含碳量的不同所致 。又如硒 , 每人每天摄取量以 0 . 07 一 0 . 14 毫克为 宜 , 长期低于 0 . 05 毫克会引起贫血 、心肌损害和癌症 , 多于 0 . 2 毫克会出现腹泻 、神经官能症 。 因此 , 合适地选择要素的性质和数量是系统优化的基础和先决条件 。系统需要的要索不可 缺少 , 其质与量要符合要求 ;不需要的要素 (如人体内的癌细胞 )则应剔除。 (二 )合理的结构—系统优化的关锐 要素即使符合要求 , 若不把它们组织起来形成结构 , 系统就未建立 , 那么系统的性质 、功能 还是一句空话 。系统论认为 , 结构是系统保持整体性以及具有功能的内部根据 , 结构决定性质 、 功能 , 结构的变化会影响系统的性质 、功能的变化 。因此 ,选择合理的结构是系统优化的关键所 在 。 1 . 选择德定的 结构 。 因为稳定的结构是系统存在的一个基本条件 。 任何系统无论存在多 么短暂 (有些基本粒子仅存在 1 0 一 ‘, ~ 1 0 一 2 3秒 ) , 都有相对稳定的结构和相对确定的系统属性 。 2 . 选择层次结构 。 由要素经由自组织而形成系统的过程中 , 它们的基本结合方式是分层 次形成 , 即由要素组合成子系统 ,再组合成系统 , 然后再组成更高一级的系统 。如基本粒子一~ 原子核一~ 原子一~ 分子 (箭头表示进化方向)都是一层一层地产生的 。H · A · 西蒙和 R · 罗 森用数学 , 分层形成系统比由要素直接形成系统成功的概率要大 、速度要快 , 而且能够发 展到相当稳定的程度 , 足以经受住环境的干扰和破坏 。 [’] 而无层次结构的系统 (实际上不存在 ) 不够稳定 , 容易受到环境的干扰和破坏 。 这就是系统要选择层次结构的内在原因 。 任何系统从 简单到复杂 、从低级到高级的发展过程都是分阶段 、分层次的 。 系统愈复杂 、愈高级 ,发展的阶 段和层次愈多 。 由于事物具有层次结构 , 所以 , 人们在实际工作中 , 常用层次分析 、层次综合和 层次管理的方法来解决问题 。 3 . 选择开放性结构 。 因为系统不能孤立地存在于系统中 , 必须与环境交换物质 、能量与信 系 统 辩 证 学 学 报 1 9 9 6 年 息才能生存 , 这就趋使系统的结构是开放性结构 。如果进一步间 : 系统为什么不能孤立地存在 ? 那么 , 四种基本相互作用 (引力相互作用 、 电磁相互作用 、强相互作用 、弱相互作用)可以从根本 上给予回答 。 我们知道 , 一切物质系统都是由四种基本相互作用产生的 。 四种基本相互作用尽 管性质不同 , 但都表现为场量子物质的交换 。 从微观上看 , 一切物质系统都在输入与输出场量 子 。 如具有质量的系统在输入与输出引力子 (引力波 ) ;带 电的系统在输入与输出光子 (电磁 波 ) 。 既然一切物质系统都有输入与输出 ,这就说明它们的结构是开放的 。 开放性结构既可从 环境输入有用的物质与能量 , 也可将自身 已经异化了的 、或无用的物质与能量向环境输出 。 所 以 , 开放性结构是有生命力的结构 ,是系统优化的重要保证 。 4 . 选择协同性结构 。 即这种结构不仅内部协调 , 而且与环境也协调 , 能发挥协同作用 (后 面讨论 ) 。 由此可见 , 一个合理的结构应具备稳定性 、层次性 、开放性以及协同性等特征 。 (三 )合适的环境—系统优化的贡要条件 要素与结构是系统具有功能的内在根据 。但是系统表现出哪些功能 , 却是系统本身与它的 环境共同决定的 。 因为现实中的系统都是开放系统 , 它与环境有物质 、能量与信息的交换 。 在 交换中 , 环境通过改变系统物质 、能量 、信息的流通构成 ,从而改变系统的要素状态及要素之间 的关系来实现对系统的影响 。 例如 , 工厂有输出产品的功能 ,它是由外界环境向工厂输入原材 料经过加工得到的 。 没有输入就没有输出 。 当输入的原材料减少 , 产品也会减少 。 因此 ,选择 合适的环境是系统优化的重要条件 。 环境是系统的输入来源和输出场所 。 凡能满足系统的输入与输出要求的环境即为合适的 环境 。 地球能满足生物的输入与输出的需要 , 所以 ,地球是生物的合适环境 。 月球不能满足生 物的输入与输出要求 ,所 以 , 月球上没有生命 。 同样 , 非生物系统也要与环境保持合适的输入与输出的关系 (即交换关系 )才能存在 。如地 球要与它的环境 (太阳及太阳系的其它成员)交换引力子 , 即引力相互作用 , 才能存在于太阳系 中 。 太阳上没有化合物 , 是因为温度太高 , 使化合物分解 。 特定的环境造就特定的系统是 由于 创门之间存在特定的输入与输出的关系 。 可见 , 系统是从输入与输出两个方面寻求合适的环境的 。 (四 )竞争—系统优化的动力 系统之间 (或系统内各要素之间)若存在共同的输入来源或共同的输出场所 , 则可能构成 争输入来源或争输出场所的竞争关系 。 在市场经济中 , 企业之间的竞争就是如此 。 竞争能推动系统优化在于它的以 下功能 [5j : 1 . 激活的功能 。 即竞争能刺激系统向高水平运行 。 当一个系统处于高水平运行时 , 必然刺 激其他系统去追赶 , 也使自己处于高水平运行 , 从而将各个系统激励起来 , 实现结构与功能的 优化 。如发达国家实现工业化富裕了 , 发展中国家不甘落后 , 不愿被历史所淘汰 , 也要改革产业 结构实现工业化 。 2 , 辫别优劣的功能 。 竞争是实践活动 , 它能客观地区分系统的优劣 。 3 . 汰劣留良的功能 。 在竟争中 , 劣的系统被兼并 , 或被淘汰 , 从而为优良的系统提供更大 的发展空间劫生存机遇 。 第 3 期 曾广容 系统优化的哲学 思考 4 . 为系统的综合进化创造条件 。 通过竞争所幸存的都是优 良系统 , 在相持不下的长期竞 争中 , 会通过合作即协同作用 , 形成更高级的新系统 。 可见 , 竞争也为系统的协同提供好的基 础 。 竞争虽能推动系统的优化 , 但要在协同的背景下进行 。无论系统之间的竞争还是系统内部 各要素之 间的竟争都是如此 。 在系统内部 , 如果竟争不以协同为指导 , 那么竞争的内耗就会削 弱 系统的功能甚至瓦解系统 。 “在协同学中虽不否认竞争 , 但更强调协同 ,要素间的竞争或斗争 是为了趋 向协同 。没有协同的主导作用 , 系统的质及其演化是难以想象的 ” 。困系统之间的竞争 也是发生在广泛的合作背景之下的 。这是因为任何系统的存在都要依赖于其他系统的存在 。尽 管系统之 间有竞争 , 但仍要在竟争的基础上求得协同 , 才能共存 。 (五 )协同作用—系统优化的根本原因与途径 系统只有从整体出发 ,把要素 、结构 、环境 、竟争等因素藕合起来 , 使之发生协同作用 , 才能 实现优化 。 所谓协同作用 , 是指系统在开放的条件下 , 系统内各子系统间以及系统与环境间产生的协 调 、同迷络、默契的非线性作用 ,协同作用是系统本身固有的 自组织能力 。协同学认为 , 无论原子 、 分子 、植物 、动物以至人类社会等各种系统 , 都具有协同作用 。 协同作用对于系统优化的贡献在于 : 1 . 创造结构与功能 。 协同作用使系统内部要素丧失独立性 , 使它们相互制约 、协调同步又 使系统与环境协调同步 , 从而显示出一种整体效应 。 这就必然导致系统结构与功能的产生 。 如 激光是各个光子协同作用的结果 , 贝纳德花纹是各 一 !、液体分子协同作用的产物 。 没有协同作 用 ,就没有系统的结构 , 也就没有系统的功能 。而改变协同作用的形式 ,就可改变系统的结构和 功能 , 即获得新的结构和新的功能 。 当今人类可以在分子水平上设计新材料 , 实质上是改变分 子之间的协同作用方式 , 从而使新材料层出不穷 。 2 . 高级的协 同作用 , 导致高级的结构与高级的功能 。 如手工业作坊的简单协作与大生产 的自动化协作 , 由于协同的水平悬殊 ,故其劳动生产率有天渊之别 。 自然界最高级 、最复杂的协 同作用创造了最高级 、最复杂的结构—人的大脑 。大脑在 1 5 0 0 毫升的小体积内 , 容纳上千亿神经元 (细胞 ) , 每个神经元与其他神经元又有成千种联系 (协同) , 而消耗能量不过 20 瓦 。正是 这种高密度 、低能耗 、难以想象的复杂有序的协同作用 , 产生了奇特的思维功能 , 使得现代任何 精密的电子计算机相形见细 。 3 . 使系统的功能放大 。 由于系统内外的协同 , 协调了各方的矛盾 , 求得了整体的同一性 , 不仅减少或避免了内耗与外耗 , 调动了各方的积极因素 , 而且使各方面产生互补效应 , 从而把 系统整体功能放大 , 使整体功能大于各组成部分功能之和 。 因此可以说 , 协同导致优化 。 例如 : 在经济系统中 , 由于协同作用 , 可以用小的“投入”获得大的“产出” , 使劳动生产率大大提 高 。亚当 · 斯密在《国富论 》中指 出 ,分工协作使手工工场的制针效率比分工前的单干提高了几 千倍 。 这是协同产生放大效应的典型事例 。 在系统中(社会系统亦然 ) , 即使它的各个部件是先进的 , 但 由于协调不好 , 整体性能 仍然低下 ;相反 , 人们使那些一般化的部件通过协同作用 , 实现了工程系统的最优化 。曾经被誉 为世界上最先进的战斗机—米格 25 飞机 , 就其单个零件和部件来看 ,并不是先进的 。但由于设计时考虑到使系统的各个部分很好地协调起来 , 因此 , 飞机的整体性能 , 如爬高能力和飞行 速度等都是当时世界上第一流的水平 。 系 统 辩 证 学 学 报 1 9 9 6 年 4 . 使系统穗定与发展 。这需要用反馈来说 明 。 从系统论的角度看 , 控制论中的反馈或反馈 调节 , 也是一种协同作用 。 “反馈是将系统与外界环境的相互作用 同系统内部的相互作用协同 统一的一种作用 。 系统 由于开放 ,使 自己处于内外矛盾之中 。 为了生存 、发展 , 必须将内外矛盾 同步协调统一 , 达到系统的结构 、功能与外界条件相适应 。 这就是反馈产生的内在原因 。 ”川反 馈是非常普遍的现象 , G · 克劳斯指 出 : “严格地说 , 只存在着具有反馈作用 、相互作用的过程 。 宇宙中的一切系统都是反馈系统 。只有在十分特殊的场合和十分特殊的方面 , 才有近似的直线 式因果序列 。 ’,[a 〕总之 , 只有协同着的矛盾才是系统稳定与发展的动力与源泉 。 ~ 由上可见 ,协同作用是系统实现优化的根本原因与途径 。 协 同导致优化 , 是通过对要素 、结构与环境的选择起作用的 。系统内部的协同 , 是选择合适 的要素与合理的结构 ;系统与环境的协同 , 是选择合适的外部条件 。只有内外同步协同 , 使合适 的要素 、合理的结构同合适的环境条件相统一 , 系统才能优化 。 竞争与协同是对立统一的 ,对于系统的优化来说 , 两者都不可缺少 。 如果只有竟争没有协 同 , 则竞争引起的内耗与外耗 , 必然削弱系统的功能 , 甚至使系统瓦解 ;反之 , 如果只有协同没 有竞争 , 则系统缺乏激励机制 , 容易诱发堕性 . 所以 , 协同是竞争基础上的协同 , 竞争是协同基 础上的竞争 。把协同与竞争有机地结合起来 ,使其成为互补的关系 , 各取其有利的积极因素 ,使 消极方面的作用尽可能减弱到最低程度 , 整个系统便呈现出整体优叱鱼发展趋势 。 参 考 文 献 「1」 乌杰 . 系统辩证论 . 呼和浩特 : 内蒙古人民出版社 , 1 98 8 . 7 7 , 1 18 [幻 舒炜光主编 . 自然辩证法原理 . 长春 : 吉林 人民出版社 , 1 98 4 . 5 05 [ 3 , 4」 张华夏 . 物质系统论 . 杭州 : 浙江人民出版社 , 1 9 87 . 31 9 ; 26 8 ~ 26 9 [ 5」 李建华 . 超循环 : 一个完整 的自组织原理 . 系统辩证学学报 , 1 9 9 5 ; (1 2 ) [ 6」 王雨 田 . 关于系统科学哲学探讨的 回顾与 问题 . 系统辩证学学报 , 1 9 94 ; (2) [ 7」 曾广容 . 略论非平衡态系统相互作用的模式 . 自然信息 , 1 9 89 ; (1) [ 8」 G · 克劳斯 . 从哲学看控制论 . 北京 : 中国社会科学 出版社 , 19 81 . 13 1 (本文作者为中共湘南省委党校教授 ) Philo s o Ph ic a l T h in k in g a b o u t S ys te m O Ptim iz a tion Z e n g G u a n g r o n g (T 入e P a勺 S c hoo l of P P C , H u ’ n a n P rov in e e ) A b s t r a C t T he e o n n o ta t io n a n d the r e a s o n o f sy s t em o p t im iz a t io n a r e t e n ta t iv e ly s tu d ie d in this p a - p e r w it h th e v iew o f sy s te m s th e o r y . A ls o s t u d ie d th e e o n d it io n s a n d the w a y s o f ho w t o r e - a liz e sy s t em o P t im iz a t io n .