控制论和信息论

第一节　系统论、控制论和信息论

整体大于部分之和。

——贝塔朗菲（美国）

20世纪以来，随着自然科学研究对象向广度和深度的发展及现代科技革命的兴起，20世纪40年代诞生了几门综合性横断学科，即系统论、信息论和控制论（简称“三论”），是科学横向整体化的具体表现。把研究对象作为整体来考察，从不同侧面揭示了对象之间的相互作用、相互联系，深刻反映了自然界的辩证图景。

（一）系统论

（1）系统论的产生与发展

系统的思想无论在中国还是在外国自然哲学中都早已有之，他们把自然看作是一个整体，看到了事物之间的相互联系和相互作用，但形成一门科学还是近几十年的事。美籍奥地利生物学家贝塔朗菲（Lon.Bertalanffy，1901～1971年）1945年在《德国哲学周刊》上发表重要文章《关于一般系统论》，是他建立一般系统论的宣言书。1968年，贝塔朗菲出版了《一般系统论——基础、发展、应用》一书，标志着这门学科已到了成熟的地步并有了新的发展。

广义的系统论除了一般系统论，还有系统方法和系统工程。60年代以后，无论是一般系统论还是系统工程、系统方法，都得到了迅速的发展，出现了许多新的理论分支，并且与控制论、信息论、自组织理论等紧密相连，组成现代科学的一个重要分支——系统科学。

（2）系统的基本概念

人们在日常生活中，经常称这样或那样的对象为系统。例如，称由口腔、食道、胃、肠、肝、胰等器官组成的具有消化食物和吸收营养等功能的有机整体为消化系统；把由“硬件”和“软件”组成的具有自动进行数学运算和信息处理等功能的有机整体称为计算机系统。仅从部分、整体和环境之间的关系来考察，不难发现系统具有以下几个共同点：第一，系统具有两个或两个以上的组成部分，即具有两个以上的因素；第二，各要素之间、要素与整体之间以及整体与环境之间存在着一定的有机联系，从系统内部和外部形成一定的结构和秩序；第三，系统整体具有不同于各要素的新功能。由此可见，所谓系统是指由两个以上相互联系要素组成的具有一定结构和功能的有机整体。

这里，要素是组成系统的各个单元、各个部分，而环境则是系统之外的其他事物。结构是系统内部各要素之间在时空方面的联系和相互作用的方式或秩序，而系统功能是指系统在与外部环境相互联系和相互作用过程中所具有的行为、能力和功效，它由系统的内部结构所决定。系统论、系统方法的基本思想就是研究系统结构与系统功能的关系，进行结构分析和功能分析，进而进行功能模拟，实现系统功能最优化。

（3）系统的基本性质

系统的基本性质是系统的最基本的性质。系统的整体性是指系统具有各要素所没有的“新的”的功能，也就是系统的非加和性原理所表述的内容——“整体大于部分之和”。霍普金斯通过研究把整体性原则概括为如下内容：整体是基本的，部分是派生的；整体是各个部分相互联系的一体化状态；各个部分按照整体的目的发挥作用；部分的性质是由它在整体中的地位所确定，其行为方式受整体和部分的关系所规定。

整体性的基本特征之一是有机性。存在于有机整体中的部分，一旦离开整体就会失去作为整体的部分的意义。比如，人的手一旦离开人体，就不成为手，就失去手的职能。系统整体的有机程度，也就是整体的组织化程度，系统的有机程度越高，整体的组织化程度就愈高；否则该整体是较紊乱的，甚至是无序的。

（4）系统方法

所谓系统方法，就是把对象放在系统的形式中加以考察的一种方法。系统方法所遵循的原则如下：第一，整体性原则。第二，关联制约原则。第三，目的性原则。第四，最优化原则。

（5）系统工程

所谓系统工程，是指在系统论的思想指导下，从整体上考虑问题，把复杂的对象作为一项工程技术来处理，协调这个工程体系里的各个部分的关系，使体系达到所要求的性能，发挥应有的作用。其领域内所关心主要问题来自怎样规划、组织一个系统，使之取得最佳效果。

（二）控制论

（1）控制论的产生与发展

控制论诞生于20世纪40年代，其创始人美国数学家维纳（N.Wiener，1894～1964年）。维纳等人把通讯和控制的各种复杂系统同某些有控制的有机体进行类比，研究机器和生物这两种有极大差别的事物在信息传输、变换、处理和控制等方面的理论——控制论。1943年，维纳和别人合作联合发表了《行为、目的和目的论》的名著，比较明确地提出了控制论的基本思想。1948年，维纳的《控制论》一书的出版，标志着控制论的诞生。

控制论的发展，大致分为三个时期：一是20世纪40年代末和50年代的经典控制论时期；二是20世纪60年代的现代控制论时期；三是20世纪70年代到现在的大系统理论时期。

（2）控制论的概念和原理

控制论中最重要的概念是系统概念、信息和反馈原理。

控制论中所指的系统是指错综复杂、相互联系的事物中相对孤立出来作为研究对象的那一部分事物。为了研究的方面起见，常把外界对系统的影响概括为“输入”，而把系统对外界的影响概括为“输出”。

信息论在控制论中也很重要。从控制论的角度研究系统，首先必须注意其中信息的获取、传输、变换和处理。对机器或生物体系统实施控制，只能建立在信息处理和控制的基础上。

反馈原理在控制论中非常重要，大部分的控制系统都有反馈。所谓反馈，就是指系统输出的全部或一部分通过一定的通道反馈回输入端，从而对系统的再输入和再输出施加影响的过程。反馈分为正反馈和负反馈两种。在一定的条件下，使输出的目标值增强的为正反馈，反之则为负反馈。

（3）控制论的基本方法

①反馈方法：运用反馈概念来分析和处理问题的方法；②功能模拟方法：就是以功能和行为相似为基础，用来模仿原型的功能和行为的方法；③黑箱方法：指当不知道或根本无法知道一个系统的内部结构时，根据对系统输入和输出变化的观察，来探索系统的构造和机理的一种方法。

（三）信息论

（1）信息论的产生和发展

20世纪初以来，特别是20世纪40年代，通信技术的迅速发展，迫切需要解决一系列信息论问题，例如如何从接收的信号中滤除各种噪声，怎样解决火炮自动控制跟踪目标问题等。这促使人们开始对信息问题进行研究，以便揭示通信过程的规律和概念的本质。1948年，美国应用数学家申农（C.E.Shannon，1916～？年）在《贝尔系统技术杂志》上发表重要论文《在噪声中的通信》。在这篇论文里，申农提出了通信系统模型、度量信息数学公式以及编码定理和其他一些技术性问题的解决方案。

20世纪70年代以来，信息在两个方面有了新的进展。1971年，高艾斯等人提出了“有效信息”的概念。1978年，夏尔马等人提出了“广义的有效信息”等概念。此外，还有人提出“语义信息”、“相对信息”、“模糊信息”等概念。

信息科学是一门综合性学科。目前，信息科学包含有信息论、控制论、仿生学、人工智能、计算机和系统工程等方面的内容，并正在飞速发展。

（2）信息概念

关于信息的定义，不同的信息理论有不同的表述。以申农的信息论和维纳的控制论为代表的技术信息理论，则把信息概念区分为广义的和狭义的。狭义的信息是指具有新的内容、新知识的消息（如书信、情报、指令等）；广义的信息是指系统内部建立联系的特殊形式，是系统确定程度（即特殊程度、组织程度或者有序程度）的标记。

关于信息的本质，这仍是一个需要进一步探讨的问题。对信息本质的探讨使人们认识到：信息是用来表征事物的，是指事物发出的消息、情报、指令、数据、信号中所包含的东西。信息既不同于物质和能量，又与物质和能量有密切的关系。任何物质都具有作为信息源的属性，只要存在的东西是物质，它必然向外发送信息。信息的传递要依赖物质，信息的储存也只有借助物质才能实现。信息本身不等同于能量，但获取信息要消耗能量，驾驭能量又需要信息，二者紧密联系在一起。

（3）信息量与信息系统

在技术信息理论中，度量信息的基本出发点，是把信息作为用来消除“不确定性”的东西。由于熵在热力学中表示系统的无组织程度即不确定性程度，而信息量是表示消除不确定的量即反映系统的确定程度，因此信息是一种负熵。

图7-1　通信系统模型

申农在1945年提出的通信系统模型如图7-1所示。

实际的通信系统要复杂得多，但都有上述五个基本部分。申农的通信模型不仅适用于通信系统，还可以推广到其他非通信领域，推广到各种各样的信息系统，如遥测系统、遥感系统、计算机系统、控制系统、管理系统等等。由此可见，申农的通信系统模型可作为一般的信息系统模型。

（4）信息方法

所谓信息方法，就是运用信息的观点，把系统看作是借助于信息的获取、传送、加工、处理而实现其有目的性的运动的一种研究方法。这种方法的特点是“用信息概念作为分析和处理问题的基础；完全撇开对象的具体运动形态，把系统的运动过程抽象为信息的转换过程，信息概念向各门学科的广泛渗透，是同信息方法的推广应用联系在一起的。例如，当信息概念向生物学领域渗透时，用信息方法来说明遗传现象就取得了很好的效果。

进一步了解系统科学的内容，请登陆：

http://www.systemscience.org/persion/index.htm

【思考题】

1.什么是系统、要素、环境、结构、功能？

2.系统方法遵循的原则是什么？

3.举例说明什么是黑箱方法？

4.简述控制论的概念和原理。

5.何谓信息方法？其特点是什么？

6.何谓功能模拟方法？