1、城市與環境學院2009年度光城市系統工程學第1章 系統和系統思維nn基本概念nn系統是指相互關聯的要素的集合。系統（system）一詞出自希臘語：由syn（一起）histemi（裝置）兩部分組合而成。系統有各種定義。最基本的定義是：“系統是相互關聯的要素的集合。”1.1 基本概念一般系統論的創始人L. von Bertalanffy (1968)在General System Theory一書中對系統的定義是：“A system can be defined as a set of elements standing in interrelations. Interrelation means

2、 that elements, p, stand in relations, R, so that the behavior of an element p in R is different from its behavior in another relation,R. If the behaviors in R and R are not different, there is no interaction, and the elements behave independently with respect to the relations R and R.”（P55-56）nnnn1

3、.1 基本概念nn這里涉及幾個概念：要素（element, 元素）p， 關 聯 （ interrelation） 相 互 作 用（interaction），關系（relation）R和R。這 段話的意思是說，在不同的關系（relation）里， 要素的相互作用（interaction）的方式是不同 的 ， 從 而 系 統 的 結 構 不 同 ， 因 而 行 為（behavior）不同；如果在不同的關系R和R里，要素的行為居然相同，那就意味著要素彼此之間沒有相互作用，要素彼此是的。1.1 基本概念nn 系統概念的要點在于：要素集合、相互作用（關系運行）、結構和功能。簡而言之，就是由一定要素組成的

4、、具有一定結構和功能的有序集合。1.1 基本概念nn不同領域的對系統的理解有所差別，但大同小異。下面是地理學家對系統的認識。Susan Mayhew (1997)在理學詞典（第二版）中對系統的解釋是：nnSystem: Any set of interrelated parts（系統的一般理解）.1.1 基本概念nn系統論最初發展的時候，人們普遍猜想， 凡是系統都有某種屬性，正如凡是金屬都能導電，只是因為它是金屬一樣。但是，后來這種想法遭到否決。人們沒有找到系統的共同屬性。1.1 基本概念nn“系統”一詞曾經在美國激起乃，在于：一方面，由于美國政府在上個世紀60年代的過度宣傳（物極必反導致逆反

5、心理），另一方面，人們一度誤以為將系統思想用于某些領域具有“反人道”的性質。1.1 基本概念nn 然而，系統一詞的應用越來越廣泛。人們找不到一個更為一般性的詞匯，以便描述所要討論的問題的性質和有富生動的現象。nn 簡而言之，系統也許不是一個最好的詞匯，但是，迄今為止，人們的確未能發現一個更好的詞匯。1.1 基本概念nn系統普遍存在，R.M.Krone（1980）指出，一個辦公室，一個的機構，世界范圍的能源消費和生產，如此等等， 以視為一個系統。1.1 基本概念nn 系統和組織不同，某種組織必定是一個系統，但反之未必盡然一個系統不一定就是組織。組織比系統的要求更為嚴格。或者說，作為概念，組織的內

6、涵大于系統，而外延則小于系統。1.1 基本概念nn關于系統的基本概念組：nn（1）要素（element）邊界（boundary）環境（environment）1.1 基本概念nn（2）結構（structure）功能（function）漲落（fluctuation）nn結構要素的秩序和關系的總和。nn功能有秩序的行為及其后果。nn漲落對秩序的干擾，或者對平衡狀態的一種隨機偏離。1.1 基本概念nn結構是關系的集合。W.Pullan（2000）指出：提起結構，“人們立刻想起某些詞匯：組織、排列、連貫、傾向、構架，還有次序尤其是次序，它包蘊甚廣并稱為結構的根基。”nn城市：空間結構，產業結構，規模分

7、布的結構，如此等等。1.1 基本概念nn 與結構有密切關系的一個重要的概念是系統的功能。功能是刻畫系統行為、特別是系統與環境關系的概念。nn 具體說來，功能是指系統行為引起的、有利于環境中某些事物乃至整個環境的生存與發展的影響或作用。1.1 基本概念nn系統科學認為，系統的結構決定功能， 功能反作用于結構，結構功能漲落三者的相互作用導致系統的演進與發展。nn 一個新的認識是，系統的“結構”和系統與環境的“ 關系” 共同決定系統的“功能”。1.1 基本概念nn城市作為一，能， 不過職能譯成漢語以后， 兼含有“性質”一詞的某些涵義。1.1 基本概念nn與結構有一個重要的概念是組織，組織（organ

8、ize）指的是“按一定目的、任務和形式加以編制”。系統的主要行為是演化，組織是系統的一種特殊演化過程，實際上就是系統結構的有序化過程。1.1 基本概念nn組 織 可分 為他 組織 和自 組織 （ self-organization） 。之外的組織者按照某種目標、根據一定的計劃、規則和方案對系統行為進行設計、和引導時，我們稱之為他組織系統；演化無需外界的特定干擾、僅依靠系統內部各要素的相互協調便能達到某種目標時，我們稱之為自組織系統。1.1 基本概念nn當然，這是一的對城市也進行和設計，但城市卻是自組織系統。這個問題我們今后要做具體的解釋。1.1 基本概念nn 需要明確的是組織與結構的關系。當組

9、織（organization）作為名詞時，它指的是一種特殊的結構：系統組分的關聯方式有“有序”和“無序”之分，組織乃是一種有序的結構。1.1 基本概念1.1 基本概念組織有序結構時間 運行結構時空結構系統結構無序結構空間 框架結構nn（3）運動（movement）目標（aim）反饋（feedback）nn反饋一種平衡機制：為了有效地趨近目標，通過測量輸出調整輸入。1.1 基本概念nn（4）狀態（state）行為（behavior）耦合（coupling）nn耦合關聯、。ììdu(t) = au(t) + br(t) + au(t)r(t)ììdu(t)

10、= au(t) + br(t)ïïïïdtdtíídr(t)íídr(t)ïï= cr(t) - du(t) - br(t)u(t)ïï= cr(t) - du(t)ïïîîdtïïîîdt1.1 基本概念nn（5）輸入（input）吞吐（throughout）輸出（output）nn輸入量、吞吐量（通量）和輸出量是系統處理的基本對象。1.1 基本概念nn（6）物質（mass）能量（energy）

11、 信息（information）nn系統的輸入、吞吐和輸出的內容包括物質、能量和信息。1.1 基本概念nn主要特性包括nn（1）整體性：整體不等于部分之和。這是系統思想的基石。1.2 主要特性nn 根據系統的整體性公理，整體不等于部分之和，在正常情況下整體大于部分之和。假定用W代表整體產出，Qi代表第i個要素時的產出，則在正常的競爭合作關系下，必有nn.W >åQii1.2 主要特性nn這里有一個前提：系統的結構是好的。否則，整體小于部分之和。nn整體性著非線性（nonlinearity），對于線性的系統，整體等于部分之和； 只有對于非線性系統，整體才不等于部分之和。1.2 主

12、要特性nn （2）層次性：系統存在階次。nn 一個系統，可以分出子系統（subsystem），子系統還可以分出一個個的部分，最后的基本單元是要素或者元素（element）。1.2 主要特性Mayhew (1997)在理學詞Susannn典中以橡樹為例，說明橡樹葉的系統是橡樹這個系統的一部分，而橡樹作為一個系統又是橡樹林系統的一部分， 如此等等。1.2 主要特性nnKrone曾經在服役，他根據自身的經歷指出，一架飛機，是由電子、氣動和機械等子系統的飛行系統，而飛機又和飛行員、維護和管理等組成人類系統飛機是這個人類系統的子系統。一個的是一個更大的系統。“這個例子最清楚不過地表明了系統的層次性。”1

13、.2 主要特性B.J.Berry（1964）曾經指出，對于城市， 區域城市體系是一個系統（ systemof cities），由城市和交通網絡組成；城市 又是一個系統（cities as systems），它是城市體系的要素，或者子系統。nn1.2 主要特性對于城市，科B. H. Kayenn分維漫步一書中進行了如下圖解：當我們走進某個城市扇形區（sector）的時 候 ， 我 們 可 以 看 到 居 住 用 地（ residential） 、 工 商 業 用 地（ commercial-industrial ） 、 開放空間（open space）和空閑地（vacant land） 等用地類

14、型。1.2 主要特性nn 每一種用地都不是純粹的一類用地，當我們走進以工商業用地為主的街區（district）的時候，我們還可以看到住宅用地、工商業用地、開放空間和空閑地。進一步地，從街區走進以開放空間為主的鄰里（ neighborhood ）， 從鄰里走進以空閑地為主的場所（site）時，看到的依然是上述各種用地類型的組合。1.2 主要特性相同的城市用地結構（住宅工商業 開放空間空閑地等）在扇形區、街區、nn鄰里和場所等不同的層次上重現，這就是自相似的基本思想。這種結構可以視為級聯結構（cascade structure，或譯“串級結構”、“遞階結構”、“層次結構”等）。1.2 主要特性1.

15、2 主要特性（3）關聯性：系統的各個部分或者基本nn元素都是相互的。關聯與結構有關。1.2 主要特性nn （4）目的性：凡系統都有目的、目標和理想。nn 目的是最具體的演化方向，是目標的具體化，目標的進一步抽象就是系統的理想。nn 有目標就有演化，有演化就有沿著時間方向的演變。1.2 主要特性（5）穩定性：或者叫做適應性。一個系統，如果沒有穩定性的保證，則要么隨nn時變異，要么隨時。1.2 主要特性nn以城市為例。美國著名科學家、遺傳算法的創始人、復雜性適應系統（ complex adaptive system, CAS）研究的開拓者霍（J. Holland）在其隱秩序一書的開篇就對城市的自組

16、織及其復雜性表示如下驚嘆。1.2 主要特性nn“我們觀察大城市千變萬化的本性時，就會陷入更深的困惑。買者、賣者、管理機構、街道、橋梁和物都在不停地變化著。看來，一個城市的協調，似乎是與人們永不停止的流動和他們形成的種種結構分不開的。正如急流中的一塊礁石前的駐波，城市是一種動態模式。沒有那個組成要素能夠市本身卻延續下來了。”地保持不變，但城1.2 主要特性nn系統分類nn 以下系統的類別都是大致的劃分，學習者不必嚴格地搞清每一種分類包含的具體系統，只需概略地了解即可。1.3 系統分類nn（1）根據復雜性：nn簡單系統如汽車nn復雜系統如城市1.3 系統分類nn（2）根據與環境的關系：nn孤立系統

17、如宇宙，沒有外界沒有任何交換。nn封閉系統如地球，與外界交換能量， 但不交換物質。nn開放系統如城市，與環境交換物質、能量乃至信息。1.3 系統分類nn（3）根據組織特征（變化、發展）：nn自組織系統如城市，自發形成秩序和模型nn他組織系統（非自組織系統）如機器，不能自發演化出某種結構。1.3 系統分類nn（4）根據作用關系：nn線性系統很少見，一般作為非線性系統在一定條件下的近似表示。nn非線性系統如城市。1.3 系統分類nn（5）根據運行狀態劃分：nn動態系統狀態參數隨時間而改變。nn靜態系統狀態參數為。1.3 系統分類nn （6）根據是否存在反饋環劃分：nn 開環系統不存在反饋環，如鐘表

18、。nn 閉環系統存在反饋環，如人和鐘表， 又叫反饋系統。鐘表走快了，調慢一點； 反之，調快一點。這個過程就是反饋。nn 教學系統反饋系統。1.3 系統分類nn（7）根據成因劃分：nn天然系統成因與人類無系如森林。nn人造系統人工建造的系統，如城鎮。1.3 系統分類nn（8）根據屬性劃分：nn自然系統自然界的各類系統，如森林、湖泊。nn人文系統/ 的系統，如系統與人類活動有關、高校。1.3 系統分類nn （9）根據是否抽象劃分：nn 實體系統具體的系統，如汽車、城市。nn 概念系統人類精神活動創造的一類系統，如制度系統、學科系統、軟件系統。1.3 系統分類nn（10）其他系統：nn人機系統如廣播

19、系統、導航系統、交通系統等。nn 對象系統如操作系統、管理系統、教育系統、醫療系統、商業系統、軍事系統、工程系統、農業系統等等。1.3 系統分類nn1.4 實例：作為系統的城市和nn城市是一，一種開放的、復雜的自組織系統。在另一個層面上，城市又作為要素區域系統或者城市體系。1.3 系統分類nn一般學者認為：nnurban system=city system.nn但西方的理論家認為不一樣：nnurban system= system of cities + hinterlandnncity system= a city as a system1.3 系統分類ììcity s

20、ystema city as a systemurban systemïïsystem of citiesííïïnetwork of cities + hinterlandîî1.3 系統分類nn系統科學的理論體系nn第二次期間，由于需要大型軍事行動，美國科學著手發展出一門叫做“ 系統理論（ theory ofsystem）”的數學分支學科。這門學科的發展目標是要解決尋找最優的工程進度、最佳的補給路線等問題。1.4 系統科學的理論體系順便說明：最佳的補給路線何以重要。三國演義：(1)官渡之戰，關鍵是補nnnn給之

21、戰。即將斷糧，先燒掉的糧倉。（2）北伐：主要敗于補給。北宋：前線士兵背后有一個極其龐大的后方補給隊伍。這就是宋代不愿意對外nn的根本標解決。變法的首要目財政問題。1.4 系統科學的理論體系話說回來。作為該研究的繼續，二戰結束以后，科學家開始探討是否可能存在一門“系統科學（science of system）”， 解決交通網絡之類的優化問題。經過復雜的發展歷程，系統理論形成一系龐大的科學群。過去有所謂“老三論”和“新三論”之分。nnnnnn1.4 系統科學的理論體系nn 老三論：系統論（System theory）、控制論（Control theory, Cybernetics）、信息論（Inf

22、ormation theory）合稱SCI 理論。nn 新三論耗散結構論（Dissipativity Structure Theory）、協同學（Synergetics）和突變論（Catastrophe theory），合稱DSC理論。1.4 系統科學的理論體系ìì系統論(L. Bertalanffy)üüììïï老三論ïïïï論(N. Wiener)性系統ííýýïïïïïï

23、ïï信息論(C.E.Shannon) ïïþþîîïïìì耗散結構論(I. Prigogine)üü從混沌到有序ïï新三論ïï協同學(H. Haken)ýýþþííïïïïïïííïïïïîî突變論(R. Thom)&#

24、236;ì混沌學(眾多學者) 從有序到混沌ïï分形論(B.B. Mandelbrot)ïïïï復雜性理論ïïíí細胞自理論(J. von Neumann)ïïïïïïïïîî理論(P. Bak) 自組織臨界性理論(SOC)ïïïïîî其他：如超循環理論(M. Eigen)1.4 系統科學的理論體系nn注意， 作為系統科學分支的突

25、變論（catastrophe theory）不同于生物學進化學說中的突變論 (mutationism)。后者又譯為驟變論，是生物進化的一種觀點。1.4 系統科學的理論體系nn 系統科學理論在城市研究中都有應用。今天人們關注最多的是自組織思想應用于城市理論建設的結果。1.4 系統科學的理論體系自組織理論包括耗散結構論、協同學、超循環理論、突變論、混沌理論、分形nn理論、細（元）胞自理論、理論等。這些理論如今了陣容強大的自組織學科群，當代城市科學的前沿領域正在與這些理論發生意義深遠的學術交融。1.4 系統科學的理論體系1.4 系統科學的理論體系nn系統思維nn1）基本觀點nn（1）系統有機的整體這

26、是系統最重要的特性，也是系統論最首要的觀點。nn如前所述，整體部分之和。不妨舉例說明。1.5 系統思維留克（Mameluke/Mamluk）人組成nn的在世界歷史上是非常剽悍的。根據一些歷史學家的考證， 當年歐洲“十字軍”東征和 陸，遇到的克星就是大軍亞歐大留克軍。13世紀末期，留克最終結束了歷時200年的歐洲十字軍東征；1314世紀之交，止了亞洲留克大敗的軍，最終阻。1.5 系統思維nn拿破侖在一則中留克騎兵之間的戰斗情形：“兩個留克騎兵絕對能打贏3 個法國兵；100個法國兵與100個留克兵勢均力敵；300個法國兵大都能戰勝300個留克兵，而1000個法國兵總能打敗1500個留克兵。”（參見

27、反杜林論）1.5 系統思維1.5 系統思維nn英國諺語（見于）分之和nn一個英國人，一個呆子；nn兩個英國人，一場足球；nn三個英國人，一個大不列顛。1.5 系統思維中國有關諺語（眾所周知）：整體小于部分之和一個和尚挑水吃； 兩個和尚抬水吃； 三個和尚沒水吃。曾經借助這兩個諺語比較中英文化差異。nnnnnnnnnn1.5 系統思維nn用一個事例說明什么叫做整體性思維。nn南宋紹興十年七月，首都臨安城中失火， 大火蔓延半個城市。nn有一個富商，在鬧市中開了一個當鋪和珠寶店。nn正常情況下，他應該怎么半？1.5 系統思維nn他，對當鋪、珠寶棄之不顧，店伙、仆役盡行撤出，迅速趕往江邊采購木材、毛竹、

28、磚瓦、價收購。nn第二天火滅， 部免稅。材料。無論多寡優劣，全部平頒旨：商賈經售營造用材全nn都城重建，建材價格驟漲。轉手獲利數倍，遠遠超過失去的當鋪、珠寶的價值。1.5 系統思維nn我們說一個人眼界狹窄，乃是“只見樹木，不見森林”。nn這個人看到的不是一家一戶的損耗，也不是一時一地的得失，而是當時的整個。1.5 系統思維nn 任何一個系統都有自身最關鍵的約束條件。我們說“萬事俱備、只欠東風”， 這個“東風”就是最關鍵的約束條件。最薄弱的環節是決定系統未來發展最重要的因素。nn 木桶公理：木桶裝水量取決于最短板。nn鏈：鏈條的承載能力取決于最薄弱的環節。1.5 系統思維nn北宋熙寧二年，官（副

29、宰相），推行新政。nn當年頒布“農田水利法”。nn歷史上大規模的興修水利、開墾荒地和圍湖造田運動。nn有人建議：“若將湖水排出，可得良田八百里，其利大矣。”1.5 系統思維nn這樣愚蠢事情“”時期經常發生。nn一方面圍湖造田，消滅天然水庫。nn另一方面攔河筑壩nn總體上經常得不償失。人工湖。1.5 系統思維怦“此策甚善，然不知湖水排往何處？”提建議的人無言以對。他遇到了約束條件裝水的地方。一個叫劉攽（ban）的，建議說：“可于近旁另鑿八百里湖泊，以盛梁山泊之水。”（開玩笑）然大悟。nnnnnnnn1.5 系統思維nn （2）系統是普遍存在的。nn 自然和人造系統廣泛地存在于我們周圍。nn 我們

30、的班級就是一個系統，一個大學當然更是一個系統，一個城市則是一個非常復雜的巨系統。1.5 系統思維nn （3）系統必須是開放的。nn 嚴格地講，應該是：任何發展的系統都必須開放。nn 任何一個孤立的系統都有自發趨向熵最大的、最無序的狀態（最自然、最可幾的狀態）的傾向。亦即趨向于均衡、同一、低能態。nn 封閉的系統也是沒有前途的。1.5 系統思維nn（4）系統是有目標的（明顯的或者隱約的目標）。nn系統的行為過程乃是追求目標的過程。1.5 系統思維（5）系統趨向目標的行為是通過信息反饋在一定的、有規律的過程中進行的。nn1.5 系統思維系統因果反饋環（正環、負環）組nn成。反饋在日常生活和工作中無

31、處不在。例如一個人學習騎自行車，他就反復體驗和觀察自身的動作與車子平衡的情況： 一些動作有助于車子平衡，就繼續發揚； 另一些動作不利車子平衡，就回避。這是一種反饋調節過程。這樣反復練習， 直到可以駕馭自行車為止。練習游泳的過程與此類似。nn1.5 系統思維nn教師上課，要通過課題提問和課下批改作業的過程了解學生的聽課情況，調整的教學方式和講授內容。這個過程也是反饋調節過程。nn反饋有正、負之分。1.5 系統思維nn例如，考慮一個城市，假定就業的機會增加，需要招工，從而遷入人口增加；人口多了，需要的商業服務，商店增加，于是就業機會增加。這就是一個正的反饋過程。當然，導致良性循環的正反饋在時間是有

32、限度的。1.5 系統思維1.5 系統思維nn正因果：因增大（或減小），（或者減小）；nn負因果：因增大（或減小），（或者增大）。增大減小1.5 系統思維1.5 系統思維nn正反饋就是趨向于“肯定”的過程，如果用函數表示，那就是：導數指數式增長或者，使得系統遠離現狀。用公式表示就是dy= aydt1.5 系統思維nn這個簡單的微分方程的解釋就是指數函數：nn.aty = y0 enn當參數a>0時，為指數增長；反之，當參數a<0時，為指數。1.5 系統思維如果正反饋是趨向于發展，那就是良性循環；反之，如果正反饋沒有目標，導致失控，那就是惡性循環。nn1.5 系統思維nn所謂負反饋，就

33、是趨向于“”的過程，它的作用就是使得系統（在時間方向上）保持平衡。nn系統發展都追求某種目標，將決策包含于目標之中。1.5 系統思維nn數學表類似于冷卻方程dy= l(Y - y)dtnn式中Y為程的，y在最終趨向于Y附近。方-lty = Y + ( y0 - Y )e1.5 系統思維nn如果尋找目標是一個過程，就表示存在一個“反饋結構”。nn反饋過程通常體現在相互作用過程中。nn產業的發展有一個俗諺，叫做“趕，丟”。目前看來形勢很好的行業若干年后未必很好，目前看來形勢不好的行業若干年后可能非常興旺發達。1.5 系統思維學中的蛛網模型描述的就是市場上供給需求的雙向互動關系，這種關系不nn僅可以

34、反映變動滯后較短的，如果瓜果、蔬菜，同時也可反映變動滯后較長的與家電、汽車。1.5 系統思維1.5 系統思維DSDSppnn（6）系統是可以分解的。nn系統分子系統，子系統分要（或者元素：element）。nn系統的基本行為模式有如下幾種。nn一是雙曲線式增長，增長有控。通常的雙曲線函數的數學表為1y1= a + b x1.5 系統思維1.5 系統思維yOxnn二是指數增長（增長）失控、正反饋。指數方程的一般數學表面已經給出，即y = aebx前1.5 系統思維1.5 系統思維yxO三是logistic增長（S形增長）從失控nn到有控。Logistic函數的數學表為ky =1 + ae -bx

35、1.5 系統思維1.5 系統思維yOxnn四是振蕩（趨向于平衡）有控。1.5 系統思維1.5 系統思維yxOnn（7）系統是反直觀的。nn在認識一個系統的行為之前，不必要由很多的反饋環，就要遇到較大的。nn系統越復雜，因與在時間與空間上彼此相距越遠。因此，處理系統時，決不能憑直覺的經驗。1.5 系統思維nn德國魯爾波鴻大學（Ruhr University Bochum）的Dietrich Braess教授 建立的Braess模型。1.5 系統思維nn假定一個區域，有一個村莊A，一個房屋或者聚落B，一座山C和一個城市D。在這些地物之間有兩條公路，這兩條公路分為四段：從A到C和從B到D是兩條高質量

36、的高速公路，無論有多少車輛以順利通過，且在50分鐘之內走完各段路程。1.5 系統思維1.5 系統思維50分鐘的行程城市小山CADB房屋村莊50分鐘的行程nn 但是，從A到B或者從C到D之間的路況較差，隨著車輛的增多通過的時間也線性增加：1000輛車需要10分鐘，2000輛車需要20分鐘，6000輛車需要60 分鐘。1.5 系統思維nn 為了提高通車效率，有人建議在BC之間建設一條新的高速公路這條高速公路10分鐘可以走完。nn 情況又會如何？1.5 系統思維1.5 系統思維50分鐘的行程城市小山CAD新高速公路(10分鐘)B房屋村莊50分鐘的行程關于反直觀的另一個例子。nn在大都市周圍修建城nn心城市的人口。然而，動力學分析表明：城