协同的基本概念与原理

2.2.1　协同的基本概念与原理

1.协同的基本概念

协同这一词汇是其创立者德国物理学家哈肯教授20世纪70年代从希腊语中引入的，意思是合作、协调^［5—8］。协同学作为一门学科，是在哈肯教授多学科研究的基础上形成的。它是一门关于系统内诸子系统相互合作、相互作用的规律的科学，它从统一的观点处理一个系统的各部分之间的关系，导致宏观水平上的结构和功能的协作。所谓“协同”指的是复杂系统中各组成要素之间，各子系统之间在操作运行过程中的合作、协调、同步。在宏观上这一概念表现为整个系统的有序化。

哈肯教授在对激光理论的研究过程中，逐步形成了“协同学”的基本概念与理论。他在吸收了平衡相变理论、激光理论、信息理论和控制论等重要理论的基础上，于20世纪70年代出版了《协同学导论》一书，系统地论述了协同理论。1983年，哈肯出版了《高等协同学》一书，以及他主编的近20本有关协同学专著，标志着协同学作为一门学科已经创立。协同学是一门关于系统内各子系统相互合作，相互作用、有效整合的规律的科学，它从统一的观点处理一个大系统的各部分之间的关系，促进宏观水平上的结构和功能的协作。协同学是相互协同和联系的科学，研究不同子系统之间的协作。所谓“协同”是指一个复杂大系统中各组成要素以及各子系统之间在运行过程中的合作、协同、整合。宏观层面上，这一概念表现为整个系统的有序化。协同学理论是一种系统理论，它接受了一般系统理论的基本观念，把一切研究对象看成是“由组元、部分或子系统构成的系统”，“这些子系统彼此之间会通过物质、能量或者信息交换等方式相互作用。通过子系统之间的这种相互作用，整个系统将形成一种整体效应或者一种新型的结构。在系统这个层次，这种整体效应（协同效应）具有某种全新的性质，而这种性质可能在微观层次是不具备的”。^［7，8］

协同学研究对象是由大量子系统组成的系统及其非平衡开放系统中的自组织及形成的有序结构。由子系统组成的大系统总有一个相对稳定的宏观结构，这个宏观结构是各个子系统相互竞争、作用而形成的模式，正是各子系统之间的协同作用与竞争决定着系统从无序到有序的演化过程，这正是协同学的精髓所在，也是协同学中“协同”一词的真正含义。协同论认为，千差万别的系统，尽管其属性不同，但在整个环境中，各个系统间存在着相互影响而又相互合作的关系。其中也包括通常的社会现象，如不同单位间的相互配合与协作，部门间关系的协调，企业间相互竞争的作用，以及系统中的相互干扰和制约等。协同论指出，大量子系统组成的系统，在一定条件下，由于子系统相互作用和协作，这种系统的研究内容，可以概括地认为是研究从自然界到人类社会各种系统的发展演变，探讨其转变所遵守的共同规律。应用协同论方法，可以把已经取得的研究成果，类比拓宽于其他学科，为探索未知领域提供有效的手段，还可以用于找出影响系统变化的控制因素，进而发挥系统内子系统间的协同作用。

作为协同学研究对象的系统，当外界的控制参量不断改变时，在一定条件下会经历一个从无序到有序、从有序到有序，从有序到混沌的演化系列，通常具有如下的共同特征^［7］：①系统均是开放的，且处于远离平衡的非平衡状态。②当某一参量增长到达一定阀值时，原定态失稳，出现临界状态，进而出现新的定态。过程是自发进行的，称为自组织，又称为非平衡相变。③新的定态相对于旧的定态更为有序，是无序到有序的突变，称为非平衡状态下的有序化转变。④通过临界点形成有序结构后，对称性降低，称为对称的破缺。⑤系统接近临界点时，因涨落而偏离定态后，恢复至定态所需时间（弛豫时间）无限增长，称为“临界减慢”现象。⑥新的有序结构靠能量流和物质流来维持。协同学在形成和发展过程中，引用与推广了一些重要的概念^{［6—8，22］}，如表2－4所示。

表2－4　协同的基本概念及其含义

2.协同的相关原理

协同学提出了3个主要的基本原理，即不稳定性原理、序参量原理和役使原理。不稳定性在新旧结构转换中起重要的媒介作用，由此产生序参量，序参量又取作用于役使原理。役使原理是协同学中的核心，它是说明系统在临界点附近的竞争和协同的动力学理论。协同学的相关原理及其主要内容^{［5—7，22］}如表2－5所示。

表2－5　协同相关原理及其主要内容