1.2.2 复杂系统

1.系统

系统的概念最早可以追溯到20世纪30年代，不过，直到第二次世界大战前不久，一般系统的概念和一般系统理论才被提出，并逐渐被人们接受和认同。1957年，人们提出了系统工程的概念。如今，系统工程的概念和方法在航天、水利、电力、交通、通信等方面得到了广泛的应用。目前，系统工程的方法已渗入各个领域，甚至包括人们的生活。系统的概念是管理信息系统三大基础概念之一，因此，有必要对其做一些介绍。

系统是由一些部件组成的，这些部件间存在着密切的联系，通过这些联系可达到某种目的。从数学的角度讲，系统可以看成为了达到某种目的的相互联系的事物的集合。从生物的角度讲，系统是一些部件为了达到某种目标而有机结合成的一个整体。从机电的角度讲，系统可以看成设备单元有规律地连接在一起的整体。从软件的角度讲，系统可以看成计算机软件和硬件各个子系统有机组合的整体。

（1）特点

根据系统的定义，它应该有以下特点：系统是由较小的部件组成的，且各部件处于不断变化和运动状态中；系统中的部件是按照一定规则进行组合的，即只要系统确定，结构就确定；各个部件之间存在着有机和密切的联系；系统输出是系统目标的必然结果，系统各组成部分组合后的能力大于各组成部分能力之和；系统的状态是可以变化的；由于外界条件不同或输入不同，系统输出的结果也可能不同，换句话说，系统的状态是可以控制的。

（2）基本观点

为了对系统的定义有更深的了解，读者应首先理解以下5个基本观点。

① 系统必须实现某一特定的目标，如图1-1所示。系统各个部分是为了某个或某些目标而集中起来的，否则系统构建将失去任何意义。例如，建立工厂的目的是生产市场上需要的产品，创办学校的目的是培养学生。管理信息系统也一样，其目的就是管理企业、政府等单位的信息。

② 系统有明确的边界，并通过边界与外界进行物质或信息的交流。例如，一个企业会有明确的内外之分，而且这个企业为了生存，必须与外界交流，购买原材料，生产成品卖出。系统正是通过这种不断地输入、输出来完善和发展的，也可以称为“新陈代谢”，如图1-2所示。

③ 系统可划分成若干相互联系的部分，且这些部分可以分层。系统是可分解的，即使是最简单的系统。例如，太阳系由八大行星组成；分子是由原子组成的，原子又由更小的粒子组成。再如，一个大学由若干二级学院组成，二级学院又由若干系组成，其院系结构层次如图1-3所示。

④ 系统内部的各个部分之间存在着物质流或信息流，这种物质流或信息流称为系统的“血液”。系统通过“血液”将能量输送到系统的各个组成部分，然后将废弃物带走，实现各种物质或信息的交换。正是通过这些流，各个组成部分的功能才能充分发挥，并与其他部分互相配合，共同实现整个系统的功能。物质流或信息流的状况反映了系统的运行情况。如果这些流的运转出现问题，那么即使各个部分运转正常，整个系统也可能处于非正常状态。例如，二级学院的若干系之间会进行必要的交流；一个大学的若干二级学院之间也会有交流，比如不同课程的配合。

⑤ 系统是动态的、变化的和发展的。系统与外界环境进行物质或信息交换时，它的状态会随时发生变化，从一种状态变到另一种状态。不过，这种变化有两种可能：一是系统可能向好的方向发展，最后实现既定的目标；二是系统向不利的方向发展，最后可能无法实现既定的目标，这时就需要外部干预，使系统回到正常的轨道上来。系统的目标是驱动该系统变化、发展的内部动力。世界上的任何一个事物在不同的时刻呈现的状态是不同的。

2.系统分类

系统的分类方法有很多，从不同的角度看问题，就可能产生不同的分类方法。

（1）按复杂程度分类

按复杂程度，系统可分为物理系统、生物系统和社会系统，如图1-4所示。物理系统属于最底层，中间是生物系统，社会系统处于最高层，当然还可以细分。例如，信息系统是社会技术系统，属于最复杂的社会系统范畴。

（2）按产生的方式分类

按产生方式，系统可分为自然系统与人造系统。自然系统也称天然系统，是大自然在其发展进化的过程中靠自然力量形成的，是宇宙系统中亿万年来天然形成的各种自循环系统。例如，生物系统、生态系统、大气系统、天体系统、地球系统、海洋系统等都是自然系统，其组成部分是自然物质，其特点是自然形成。人造系统也称人工系统或人为系统，它是为达到人类的某种目的，由人所建立起来的系统，通常是指存在于自然系统中通过人类劳动设计制造出来的系统，包括生产系统、交通系统、人造卫星系统、机械设备系统、运输系统等。例如，管理信息系统是人造系统。

（3）按抽象程度分类

按抽象程度，系统可分成实体系统、抽象系统和逻辑系统。实体系统又称物理系统，是最具体的系统，其组成部分是完全确定的存在物，如矿物、生物、能量、机械、人类等实体。因为实体系统是已经存在或完全能实现的系统，所以又称为实在系统。抽象系统是最抽象的系统，它是人们根据系统目标和以往的知识构思出来的系统雏形，虽然不是很完善，也有可能不能实现，但它表述了系统的主要特征，描绘了系统的轮廓。逻辑系统介于实体系统与抽象系统之间。

（4）按与环境间的关系分类

按与环境间的关系，系统可分为开放系统与封闭系统。开放系统是指与环境之间有物质、能量或信息交换的系统。例如，一个工厂就是一个开放系统，从外界吸收能量，生产产品。封闭系统是与环境没有物质、能量和信息交换的系统。实际上，绝对封闭的系统是不存在的，它只是在某一段时间内，与周围的环境暂时没有物质、能量或信息交换。开放系统与封闭系统是一个相对的概念，因此，对系统的开放性和封闭性的理解不能绝对化。一般来说，人们在谈论开放与封闭时，似乎比较注意系统的边界，例如，封闭系统具有不可贯穿的边界，而开放系统的边界具有可渗透性。人们有时习惯性地称“没有围墙的大学”为开放式大学。当然，大学的开放程度不能仅用是否有围墙来判断，还要取决于办学理念的开放程度。如果一个大学或一个企业思想僵化，闭门造车，不愿与外界交往，有时也称它是一个自我封闭的系统。封闭系统的概念来源于克劳修斯的热力学第二定律，开放系统的概念来源于普利高津的耗散结构论。

3.系统的特征

根据系统的含义可以得到系统的如下特征。

（1）目的性

任何一个系统都是为了完成某一特定目标而构造的。在进行系统的构思、设计、分析与控制、运转前，必须弄清其目的性，否则无法构成一个良好、有序的现实系统。例如，学校的目标是培养人才；工厂的目标是生产出高质量、适销对路的产品，提高经济效益。因此在建设系统的过程中，首先要明确系统的目标，然后考虑运用什么功能来达到这个目标，而功能是通过组织机构来实现的。

（2）整体性

系统应由两个以上的要素或部分组成，各要素或部分之间存在着联系，从而构成一个有机的整体，以实现其目的和功能。从系统的含义中可以看出，系统内部的各个部分是为实现某一特定目标而联系在一起的。因此，系统的各个组成部分不是简单地组合在一起，而是有机地组合成一个整体，每个部分都要服从整体，追求整体最优，而不是局部最优，这就是所谓的全局的观点。一个系统中即使每个部分并非最完善，但通过综合、协调，仍然可使整个系统具有较好的功能；反之，如果每个部分都追求最好的结果而不考虑整体利益，也会使整个系统成为最差的系统。系统科学家贝塔朗非指出：系统整体能力大于其各部分能力之和。

（3）层次性

一个系统可以分解成若干个组成部分，如果将这些组成部分看成是一个个子系统，那么还可以进一步将这些子系统划分成更小的部分，以此类推，可以将一个系统逐层分解，体现出系统的层次性。例如，把一个企业看成一个系统，它可以分解为财务子系统、生产管理子系统、供销子系统、库存管理子系统、厂长办公管理子系统等。

（4）相关性

科学已经证明了现实世界普遍联系的观点。系统中相互关联的要素或部件形成了整体，各部件或要素的特性和行为相互制约、相互影响，正是这种相关性确定了系统特有的整体形态与功能。由于系统是由内部各个互相依存的组成部分按照某种规则组合在一起的，因此，各个组成部分尽管在功能上相对独立，但彼此之间是有联系的，即具有相关性。例如，教育系统中的学生与老师之间有联系，也有相互作用。系统的相关性告诉人们，在实现一个系统的过程中，不仅要考虑如何将系统分解成若干个子系统，而且要考虑这些子系统之间的相互制约关系。

（5）适应性

任何一个系统都不是孤立存在于社会环境之中的，它与社会环境有着千丝万缕的联系。例如，无论是学校还是工厂，不仅要受到国家计划、政策法规的制约，还要受到地方和有关单位（系统）的影响，即环境影响。如果它要生存，就必须快速适应千变万化的周围环境，否则就要被淘汰，这就是达尔文的适者生存的理论。其道理非常简单，系统与周围环境之间通常都有物质、能量和信息交换，即从环境中获取资源，吐故纳新。环境的变化要求系统特性随之改变，系统内部各要素或部分之间的相互关系与功能也会发生改变。因此，结构良好的系统必须具有反馈系统、自适应系统和自学习系统，以保持对客观环境的适应能力。

（6）复杂性

现代系统一般是多结构、多目标、多功能、多参数、多层次、多输入、多变化的系统。系统通常处在一个多变的环境之中，其输入具有多个参数，且表现为时间、空间或数值的随机性和不确定性。系统本身往往具有多结构层次，只有进行一系列运算分析和比较，才能权衡出较优的方案。

（7）动态性

系统的动态性是指其状态与时间的关系。由于物质与运动的不可分离性，各种物质的特性、结构、形态、功能及其规律都是通过运动表现出来的，因此要认识系统必须研究系统的运动。开放系统因与外界的物质、能量和信息交换，系统内部结构也会随时变化。系统的发展是一个有方向的、有周期的动态反馈过程。

4.系统复杂性

复杂科学已被一些科学家誉为“21世纪的科学”，目前还处于萌芽状态。它包括控制论、信息论、系统论（简称“老三论”）和耗散结构论、突变论、协同论（简称“新三论”），以及相变论、混沌论、超循环论等其他新的科学理论。这些理论主要研究和揭示复杂系统的有关特性，如非线性、混沌、突现、自组织、非还原性等。复杂科学的特点是：研究对象是复杂系统，如植物、动物、人体、生命、生态、企业、市场、经济、社会、政治等；研究方法是定性判断与定量计算相结合、微观分析与宏观综合相结合、还原论与整体论相结合、科学推理与哲学思辨相结合；所用的工具包括数学、计算机模拟、形式逻辑、后现代主义分析、语义学、符号学等；研究深度不限于对客观事物的简单描述，而更着重于揭示客观事物构成的原因及其演化的历程，并力图尽可能准确地预测其未来发展。虽然至今人们还没有对复杂性概念有一个统一的界定，复杂科学理论的构建也尚未完成，但是复杂科学的出现不仅重新构建了现代科学的研究体系，而且改变了人们的思维方式，为现代科学技术的发展提供了新思路、新方法，对各类学科具有普遍的指导意义。

5.系统按复杂性分类

按复杂性，系统可大致分为3类：多体系统（Many Body System）、有机系统（Organic System）和控制系统（Cybernetic System）。

多体系统这一名称来自物理学，是由少数几类彼此之间仅由几种关系耦合在一起的大量组分组成的系统。一个多体系统不是一堆散沙，其组分之间存在相互的关系，这样就有足够的整体性使之成为一个更大系统中的个体，就如一根铁架成为建筑物的一部分。多体系统很有意义，因为它们无处不在，而且易于进行理论上的处理。多体理论可能是复杂系统和大尺度结构形成的最高深的理论。

有机系统是由许多高度特化的、相互联系紧密的、不同种类的组分组成的系统。有机系统易于进行功能描述，要定义和描述其中的各个组分，我们需要看它们在维持系统处于期望的状态时所起的作用。因此，这些组分从整体上就从属于这个系统了。有机系统的范式是生物体，生物体主要被当作进化中的物种的组分来处理，因此，它们是高度简化了的，各部分的功能仅在最优化模型中予以表述。

控制系统是把多体系统和有机系统的复杂性结合起来的系统。例如，人就是一个复杂和统一的控制系统。

尽管本书不讨论有机系统和控制系统，但是，在进行多体系统的讨论时，也将用到有机系统和控制系统的概念和方法，比如进化论、克隆、基因、生物、生态、心理学等。

6.软件系统复杂性

（1）多体系统的复杂性

实际上，多体系统的组分本身是复杂的，两组分之间的基本关系可以是紊乱的。在大多数理论中，组分及其基本关系都是高度理想化的，这样就使得组合问题变得容易处理。

假设组分及其基本关系非常简化，以至于人们能很好地理解组分数量少的系统的行为。在一个多体系统中，每一组分很可能与许多组分耦合，这种多边的相互关系会形成一个关系网，使系统变得高度复杂。

与不同层次上的实体相比，同一层次上的实体更容易相互作用，在某一层次内部因果规则性也更明显。因此，许多科学理论提出者将注意力放在单个层次中的实体和现象的描述上，而不考虑与其他层次的相关性。

多体理论在考虑并关联两个不同层次的实体方面有其特点，因为巨大数量的组分把多体系统推向了一个不同的层次。它们在单个模型中既包含“宏观”个体，又包含“微观”个体。通过清晰地处理组分及其相互作用，多体理论与将组合系统看成多个单位而不考虑其组分特性的理论是不同的。包含两个层次以上实体的理论具有一个特殊的困难，即在不同层次上刻画实体所使用的概念往往不一致。多体理论可以在几个不同的层次上，对同一个大组合系统进行概念化和刻画。

多体理论综合分析的宽泛框架构架了这些理论的概念统一性。由于组合呈现指数增长，一个多体系统有许多侧面特征，且这些特征会被隐藏或不易被观察到、需要在更广泛或更具体的尺度下才能被揭示出来，因此用一个“统一”理论将它们“大包大揽”是不可能的。为了研究多体系统，科学家们构造了简化的模型，从不同视角来捕捉一个大场景的各个重要方面。

（2）软件复杂性

进入20世纪，随着生物进化、热寂说、耗散结构论、自组织结构理论、协同学、突变论、超循环理论、混沌分形理论等非线性科学的发展，经典科学受到很大冲击。人们认识到，非线性是一切动力学复杂性之源，自然界和现实生活中的所有系统都是非线性的。正是由于非线性作用，人们才面临的是一个复杂的、不可逆的、随机性的、千变万化的现实世界。

软件复杂性问题的讨论很自然地被提了出来。软件系统的复杂性、软件过程的复杂性、开发管理的复杂性以及软件缺陷的复杂性等，都是人们关注的内容。

本书讨论的基础是多体系统，关注的内容是组分组成的系统内部的耦合关系。比如，由软件消费者和软件生产者形成的组织链，由多人组成的开发团队，由模块或子系统组成的软件系统等。

多体理论在经济学、进化生物学和统计物理学方面已经得到了广泛的应用。现在，人们把它用于软件领域，特别是软件质量方面，希望在这个领域内找到多体系统，并对它们进行研究。比如一个开发团队，如果把每个成员看作个体，那么它就形成一个多体系统；再如一个软件系统，如果把每个模块或子系统看作个体，那么它也形成一个多体系统。

将相同类型的组分通过相同类型关系耦合在一起的多体系统，并不意味着所有的组分及相互关系都是一样的。正如同样都是人，但每一个人都是独特的，以独特的方式与其他人发生关联。组分有其个体特征和关系，这些特征和关系可以很强烈地变化。进化（即软件开发团队的进步和发展）取决于某一软件开发团队中个体的变异（即软件开发团队成员之间的差异和创新），用户需要软件的繁荣与多样化，个体的偏差和变异是满足用户多样化需求的源泉。组分的变异对系统结构的多样性有很大的贡献，更多的多样性来自个体关系中的变异。