科学研究与学术论文发表——科学研究系统整体优化方法

(1） 系统整体优化方法的概念和特点

系统整体优化方法是指从系统总体的 立场出发 ，通过自然选择或人为的技术手段 ，综合地掌握系统内部之间以及系统与外界 环境之间的关系 ，使系统达 到最佳状态 ，并费力最小 ，即最优 化。整体优化是自然系统发展的 一种趋势 。以生物系统为例 ，在 长期生物进化过程中 ，各种生物都形成了最好的适 应周围环境的 精巧完善的系统结构和优化的整体功能 ，瞠娜在 1/20 秒钟内便能 确定昆虫飞过的速 度 、距离与方向 ，并能准确无误地 、迅速地捕 获 ，这是现代化火炮跟踪系统 望尘莫及的 。海豚的游泳速度每小时可达100多千米 ，远远超过了现代潜艇的航速 。响尾蛇的热定 位器能在相当远的距离测到 1/1 000 摄氏度的温度 变化 ，这是 “ 响尾蛇导弹” 红外跟踪系统难于达到的 。这些都说明了整体优 化是自然系统发展要达到的目标 。系统整体优化方法作为现代化的科学方法 ，它的发展主要是 由于现代科学技术和现代化生产发展的结果 。现代科学的发展日 益出现整体化趋 势 ，在不断分化的各门科学之间日 益互相渗透 、 紧密联系成为统 一的整体 ，“使我们能够依靠自然科学本身所提 供的事实 ，以近乎系统的形式描绘出 一幅自然界联 系的 清晰图 画” （ 马克思语） 。贝塔朗菲正是适应了这种发展趋势 ，于 1925 年前后着手研究 “机体系统理论” ，1947 年又 进一步创立了 “ 一 般系统论” ，有力地推动了系统整体优化方法的发展 。

现代科学的发展又日益出现数学化趋势。立o 世纪以来 ，不仅在物理学 、化学和技术科学中 ，而且在生物学和社会科学中 ，也越来越多地运 用数学方 法。生物学和社会科学的问题比较复杂 ，需要运用系统 整体优化方法才便于数学描述 ，这也是推动系统整体优化方法发 展的重要原因 。特别是现代化生产和 工程技术越来越复杂 ，促使 了从设计 、施工到管理等应用系统的发展 。1940 年 ，美国贝尔实验室在发展微波通讯网络时 ，首创系统工程学的名称 ，井初步运 用系统工程的方法进行研制 。此后陆续发展出各类系统工程 。系 统整体优化方法的基本原则正是从各类系统工程中概括出来的一 般方法论原则 。现代科学技术和现代化生产的发展 ，不仅使系统整体优化方 法成为必要 ，而且使其发展成为 可能 。随着现代科学技术的发 展 ，运 筹学等数学理论应运而生 ，为系统整体优化方法提供了理 论基础 ，使系统整体优化方法成为具有一套数学理论 ，能够定量 地处理问题的科学方法 。电子计算机的产生 ，则为 系统整体优化 方法的发展提供了强有力的计算工具 ，而这两方面的成就都是 20 世纪 40 年代取得的 。有了这两方面的成就 ，系统整体优 化方法 的发展就如虎添翼 。到了 20 世纪 50 年代 ，系统方法 、系统理论 和系统工程的研究 ，同时在许多地区和各个领域迅速发展 ，表明 系统整体优化方法的形 成已 瓜 熟蒂落。1957 年美 国学者高 德 (H .Goode） 和迈克尔 （ R .E . Machol ） 写出了第一本 《系统工程 学》 专著 ，标志着系统整体优化方法已作为独立的科学方法而出现。

科学在古代 ，是以个体研究为特征的 。但到近代后期出现集 体研究以来 ，研究的规模越来越大了 。1942 年 ，美国的 “曼哈顿 工程” ，动员了 15 万科技人员，耗费 23 亿美元 ，研制成功了第一 批原子弹 。到了 1961 年 ，美国为实现 “阿波罗登月计划” ，共组 织了 400 多万人 ，耗费 300 多亿美元。基于这种情况 ，美国耶鲁 大学科学史教授 D?普赖斯第一次提出了 “大科学” 的命题。随着 现代科学技术的进 一步发展 ，现在科学研究的规模 ，从一 国性的 研究发展到多国性 、国际性的联合研究 。如被人们称为 “ 东西方 联系的桥梁” 的 “国际应用系统分析研究所” 就有 17 个国家的 科学家参加 ，他们共同研究世界所关心的科学技术进步 、社会经 济发展的预测 ，能源、人口 、污染和环境生态等重大问题 ，并取 得了显著成效 。至于自然科学的国际性研究机构和团体就更多了。如世界气象组织发起的 “ 全球大气研究计划” ，第一 次就有 100 多个国家和地区的科学家参加 ，我国也参加了这 一规模 巨大 的国际性科研活动 。对于这样一些规模大 、内容庞杂的研究如何 进行合理设计 、组织管理 、安排人力 、物力 ，以期最经济、最有 效地达到预定目标 ，是任何一种传统方法都不能胜任的 。所 以必 须要运用 “系统整体优化方法” 才能解决 “大” 问题。

系统整体优化方法 ，始终是从整体与部分 ，系统内部与外部 环境的相互联系 、相互作用 、相互制约的关系中进行综合分析 、 考察 ，以达到最佳地处理问题的一种科学方法 。例如 ，卫星通讯 网、航天飞机 、．世界经济典型 、国家的经济管理体系 、人脑的组 织系统 、环境生态系统等等 ，都要运用到系统整体优化方法 。

系统整体优化方法有以下显著特点：

一是整体性 ，这是系统整体优化方法的出发点和核心 。例如 它认为一个社会大系统 ，是由社会的生产力 、生产关系 、经济基 础 、上层建筑及其他各种要素有机组成的整体 ，其整体性的功能 要大于各孤立部分功能之总和 。又由于整体是由若干部分构成的 ，部分对整体起重要的影响 和作用 ，系统整体优化方法也不能忽视对部分的认识 和改造 。通 过对整体和部分相互关系的认识 ，使人们有可能 获得对社会这个 大系统改造的迅速发展 。

二是从大系统的成分 、结构 、功能 、联系方式 、历史发展 等 方面 ，进行综合性的考察 。就新技术来说 ，现代化的新技术几乎 都是一个技术的 综合 体 ，它可由一个平面的综合 变 为立体的 综 合 ，由单项技术的综合变成多项技术的综合 ，由单层次的综合变 为多层次的综合 。“综合就是创造” ，在现代的综合时代 ，综合的 技术越多 ，所产生的效应越大 。以综合国外技术见长的日本 ，就 是依靠 三分欧洲的技术 ，七分美国的技术” 综合成为自己的技 术 ，而由穷变富的 。综合有两方面的含义 。从纵的方面可以综合前人的成果 ，从横的方面可以综合今人的成 果。把今人和前人所创造的成果重新 组合 ，可以产生原有成 果所不具有的新的性能 ，达到大系统整体 性功能最优化的目标 。美国 “阿波罗号” 计划负责人韦伯说 ，阿 波罗宇宙飞船的技术 ，其中没有一项新的突破 ，都是 现成的技 术 ，关键在于能否运用系统 整体优化方法的 综合特点 ，把多种技 术精确无误地组 织成一个新的系统 ，构成 “ 物的重新组合” ，然 后在此基础上 进 一步发展到 “ 物 和人的重新组合” ，即从规划 、 设计 、生产 、试验到使用等一系列过程的科学 管理 ，从而产生大 系统的新的整体性功能 。

三是大系统整体是不断进行运 动 、变化和发展的 ，同时都有 它的形成 、发展和衰亡的过 程 。其发展变 化的形式 ，有的是直线 式的 ，有的是螺旋式的 ，有的是阶段式的 ，也有的是飞跃式的 。 就是在直线式的发展中 ，其发展的速度和方向也并非是 一成不变 的。如自然生态 领域 ，如果不考虑其他因素的 影 响 ，动植物的繁 殖是直线式的发 展。但是在自然生态的大系统中 ，由于各种因素 的因果联系 ，各个系统的目的 、利益不完全一致 ，必然在各自发 展过程中出现相互冲 突 ，从而束缚了它们的发展 ，以适应自然环 境的要求 。因此 ，我们运用系统整体优化方法研究大系统时 ，不 仅要研究大系统的 变化方向 、速度 、方式和发展趋势 ，而且要研 究它们变化发展的动力 、原因和规模 。从变化和发展中 ，把握大 系统的规律 ，使大系统的各 个部分充分发挥其 “ 自己运动” 的功 能 ，达到最佳化的预 定目标。

四是最佳性 ，是运用系统整体优化方法的最终目的 。它可以 根据需要用新的技术手 段 和处理方法 把整个系统分成不同的层 次、等级 ，并在动态中协调 整体和部分的关系 ，以达到整体的最 佳目标 。国外控制论专家认为 ，“ 一个最优系统包括人和机器 ， 应当保证在操作时不超出装置条件和人的生理条件的限制 ，最好 地发挥这些元件的潜力和优 点 ，以达到最大的效能” 。其最佳性 ， 只要求系统的 “性能尽可能的好” ，它可以指时间 、数量 、质量 、费用、可靠性等方面的目标 ，也可以包括规划 、研究 、设计 、调 试 、流通 、管理等各手段中的最优化 。如对一个大型的水利枢纽 系统的设计和控制 ，除了发挥其系统本身 “元件的潜力和优点” 外 ，系统整体优化方法还可以根据其所在地区的气候 、地质 、地 理等环境条件和系统的关系 ，确定 一个最佳目标 ，并应用电子计 算机技术 ，又快又好地提出可供选择的最优方案 。

(2） 整体优化方法的步骤及其创新意义

系统整体优化方法一般可按下列步骤进行 ：

第一步是提出问题 ，即应弄清楚要解决什么问题 ，明确达到什么目标 ，并提出评价的指标 ，作为衡量系统所达 到的标准 。同 时要考虑到这个目标所采用的途径和手段 。

第二步是收集资料 ，即根据所达到的目标 ，拟定调查研究的 提纲和调查方法 ，全面收集与欲达的目标和解决问题有关的历史 资料和当前动态 ，以便综合比较 ，找出各种可行方案 。

第三步是建立数学模型 ，即根据数据和参数 ，从解决问题的 角度 ，用数学模型加以计算和描述 。通过数学描述 ，全面把握大 系统中各要素之间的相互关系 ，为系统的协调作准备 。

第四步是分析和评价 ，即根据数学模型 ，对比各种可行方案 的利弊和得失 ，提出可供选择的最优方案 。

第五步是决策 ，即由决策部门从全局的角度选定一个或几个 方案 ，进行计划实施 。

第六步是行动实施 ，即根据最后选定的方案 ，进行具体实施 。

这里需要注意的是在最优方案提出后 ，如果方案经过评价比较满意 ，就进行决策和实施计划 ；如果最优方案问题较多 ，就必须返回到前面的第一步重新开始 。系统整体优化方法是一种立足整体 ，统筹全局 ，使整体与部 分辨证统一的现代科学方法 。需要有各方面的知识 ，它除了有本 专业的知识外 ，还要有工程医学 、建筑 、商业 、法律 、管理 、文 学艺术 、美学等方面的知识 ，只有这样 ，才能使系统整体优化方法在实际应用中发挥更大作用 。

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