钱学森的系统科学研究和影响

为纪念钱学森诞辰100周年而作

姜　璐

北京师范大学管理学院教授

今年是中国导弹之父、战略科学家钱学森教授诞辰100周年，钱学森教授晚年主要致力于对系统科学的研究，我们学习钱学森的学术思想，更多地应该了解他在系统科学方面的论述。这中间学习体会钱老是如何建立系统科学体系，如何不断深入研究系统科学的过程，对我们学习钱老思想，掌握系统科学理论的精髓是非常有意义的。

钱学森按照学科三个层次发展的客观规律，逐渐深入对系统科学的研究

钱学森教授多次提出科学技术体系的构想，他将所有知识分成11个学科门类，即数学科学、自然科学、系统科学、人体科学、思维科学、行为科学、社会科学、军事科学、地理科学、建筑科学、文学艺术。传统学科分类中的自然科学、社会科学，在这里仅是11个学科门类中的两个。钱老认为科学知识应该是一个平面的二维结构，不仅从横向看可以分成11个学科门类，从纵向看也是形成一定的结构。而在11个具体学科知识门类当中的学科知识也要分成3个层次，即基础理论、技术科学、实际应用。例如在自然科学物理学中，电动力学等四大力学（理论力学、统计力学、电动力学、量子力学）属于基础理论，研究电磁场在导体中运动规律的电工学，或者讨论高频电磁波的无线电电子学等属于技术科学。它们是以电动力学中讨论的电磁场运动规律为基础，是电磁场理论在导体内具体条件下的具体知识。讨论输变电、电动机的结构原理等方面的知识则是第三个层次——实际应用的层次。钱老所建立的科学技术知识体系不仅对原有的学科知识进行了梳理，明确了它们之间的关系，便于我们学习掌握，也为具体的学科知识探索研究，指出了目标，告诉我们某个学科中的哪部分知识还不完善，还需要进一步研究。

钱老不仅静态地将科学技术知识分成三个层次，即基础理论、技术科学、实际应用。而且从动态来讲，他还认为科学的发展一般是从实际应用开始，这个层次的知识发展最迅速，进而逐渐带动另外两个层次上知识的发展。而只有当基础理论层次的知识建立起来，才标志着该学科完全建立起来。钱老也正是按照这样一个思路来促进系统科学的发展的。我们通过分析钱老对系统科学的研究实践，可以充分看到这一点。

1．首先从实际应用层次入手

1978年下半年他和许国志、王寿云三人在文汇报发表《组织管理的技术——系统工程》一文，文章从系统工程所涉及的技术、工作程序、应用范围等各个方面进行了详细、科学的分析，大大地推动了系统工程发展。当时改革开放的浪潮席卷全国，钱老的这篇文章以及1979年与乌家培合写的文章《组织管理社会主义建设的技术——社会工程》，对将系统工程技术运用到实际中去起到了很大的作用，最明显的例子是各地兴起的关于区域发展规划的制定及实施，大量使用系统工程的技术。同时，也促进了系统工程技术研究的深入，不少从事控制理论研究的专家，转到面向实际问题的研究，一大批中青年学者进入系统科学领域，他们也从实际问题的研究开始，运筹学研究工作者在改革开放的经济问题上有了用武之地。

2．建立系统科学在技术科学层次上的学科

当时钱老大力提倡的系统工程在系统科学体系中属于实际应用的层次，还需要在技术科学层次和基础理论层次建立系统科学相应的知识，只有这样才能促进系统科学的发展，促进系统科学体系的建立。在各地系统工程实际问题研究开展起来以后，钱老及时提出要加强对理论问题的研究。在一定条件下，研究系统外界控制、约束、管理与系统演化的关系的学科——控制论、运筹学，自然构成了技术科学层次的知识，钱老将原来已经建立起来的控制论从侧重分析机器控制，面对工业系统，提升到系统科学的技术科学层次，使之成为面对更多系统的普遍的技术科学层次的知识。同时，运筹学过去偏重于数学技巧，偏重于理论证明的纯学术局面也大为改观，使之成为解决系统工程问题的有力工具，其使用的范围也更偏向社会系统。对于复杂系统，能量、物质的输运居于次要地位，信息传递在系统演化中凸显重要，单独研究信息对系统演化的作用，以及把对信息的探讨也放在技术科学的层次。随着进一步对信息研究的深入，不少学者认为信息论应处于基础理论的层次，我们认为信息论包括内容很多，一些讨论信息本质的内容，虽属于基础理论，但目前还不太成熟，这里在系统科学中技术科学层次所指信息论的内容应该是对信息与系统演化关系的讨论。

3．同时提出对系统科学基础理论研究的必要性

与一般学科一样，基础理论是一个学科中最重要、最基础的学科内容，只有建立了基础理论才能说该学科已经建立起来。钱老特别重视系统科学基础理论的建设，他将基础理论学科的名字定为系统学，亲自主持为建立系统学而开展的讨论班活动，并在讨论班的第一次活动就给出系统学的英文名词Systematology。为了建立系统学，十多年来，钱老一致坚持在系统学研究的第一线，对系统学的建立做了大量开创性的工作。

4．对系统进行新的划分，提出了系统学建设的方向

钱老在系统科学里，对其研究的对象——系统，按照相互作用及其结构分成了简单系统、简单巨系统和开放的复杂巨系统三类。对于简单系统，其子系统之间相互作用简单，子系统与系统之间满足叠加原理，可以采用牛顿力学体系的方法进行研究，这实际上就将过去所有按照还原论方式进行研究的对象都划归到简单系统的范围，其相应的理论，如机械力学、电动力学等理论都是研究简单系统的理论。传统的控制论以及采用分解方式进行的系统工程方法也都应是对简单系统的技术科学知识和实际应用的知识。

在20世纪中叶兴起的协同学等研究多子系统整体演化的理论，在钱老建立的系统科学中是适用于简单巨系统的演化理论。它所研究的对象虽然数量很多，但是它们之间的相互作用仍然很简单，而且相互作用不随时间改变，我们仍能建立系统的演化方程，通过定性理论求解方程，给出系统演化的规律。当前对于非线性问题的研究，如混沌、分形的相关理论，应属于对简单巨系统研究的理论。另外很多针对系统演化状态的物理量的时间序列，采取一些数据挖掘方法，从中设法找出它们的演化方程，即所谓时间序列分析，也是研究简单巨系统演化的理论。

另一类更复杂的系统，无法通过对演化机制的分析建立系统的演化方程，也无法利用状态变量的时间序列通过规范的数据挖掘方法，建立系统演化的方程。以前对于这类问题的研究多停留在思辨的定性分析，或是通过典型事例来说明。即使要进行定量分析，也仅仅给出对静止状态的描述，或是根据统计数据对统计曲线作外推，进行“预测”。这类系统包括的范围很广，人体系统、大脑系统、生物系统、生态系统、社会系统等都属于这类系统。钱老认为这类系统的共同特点在于：系统具有开放性，系统与环境的联系非常紧密，外界环境在物质、能量，特别是在信息上与系统有作用；系统具有层次性，组成系统的子系统具有结构，微观子系统之间的相互作用不是平权的，一些子系统相互作用紧密，另一些则相互作用松散，形成一个一个集团，不同集团之间相互作用再形成较大的集团，经过多层次组合最后才组成系统整体；系统具有涌现性，子系统之间存在着非线性的相互作用，系统的任何一个层次的整体性质不可能由下一个层次的性质线性叠加得出来，所以传统科学的还原论方法失效。钱老在总结多个实际案例分析的基础上，将这类系统定义为开放的复杂巨系统，并给出解决这类系统演化的研究方法——从定性到定量的综合集成法。

5．亲自主攻开放的复杂巨系统

对于系统中比较简单的两类——简单系统、简单巨系统，实际上已经有了解决问题的方法与相应的理论，因此系统学所要解决的主要是如何处理开放的复杂巨系统，创建系统学也主要是建立对于开放的复杂巨系统的系统学。这是创建系统学的难点。另外，在我党拨乱反正，把党的中心工作重新确定在经济工作上以后，如何在市场经济条件下，发挥我国社会主义制度的优越性，尽快把国家经济建设搞上去，是当时面临的大事。钱老从国家经济建设的实际出发，在创建开放的复杂巨系统演化理论的同时，把更多的精力放在研究整个国家经济建设的实践上。钱老将国家作为一个系统，研究它的发展演化规律，提出设立总体设计部的构想，将决策部门与咨询部门分开，总体设计部作为国家的咨询部门，采用综合集成研讨厅的形式进行工作。研讨厅包括专家系统、数据资料系统、运算系统三部分，采取人机结合、以人为主的工作方式，针对国家需要解决的问题进行工作。钱老不仅为建立国家总体设计部进行了大量的宣传和具体的准备工作，而且在他所熟悉的领域和部门——军队系统，进行了实际的运作。

系统学——系统科学的基础理论

钱老建立系统科学，特别是对其基础理论——系统学的建立做了大量的工作。我们总结钱老在系统学方面的理论建树对于我们体会钱老的思想，对于系统学的发展有重要的意义。

1．系统分类的理论价值在于涵盖以前的科学研究成果，体现钱老学科分类思想

钱老认为不同学科研究的对象是统一的，都是客观实际，不同学科之间的区别是它们研究的角度与方法。在研究初期，在建立学科时，可以针对某一类对象进行讨论，但是学科建立以后，研究对象的扩大则是必然的。钱老创立的系统科学是从整体与局部的关系出发，研究整体的宏观状态如何由微观的组分和相互作用来决定，研究不同的微观结构能产生什么样的宏观性质。系统科学研究的对象被称为系统，系统包含的内容非常多，从排列整齐的晶体到杂乱无章的气体，从结构复杂的机械到具有自我复制能力的生物体，甚至人体、社会都可以作为系统进行研究。既要对差别如此之大的各种事物进行研究，又要将过去对其中部分系统研究已经得到的成熟理论包括在其内，是一件非常困难的事情。钱老提出按照子系统数量的多少，按照它们之间的相互作用性质来划分系统的原则，这样就把系统分成如前文所述的简单系统、简单巨系统、复杂巨系统等几类。抓住简单系统的线性特点，把传统学科的所有理论都包括在其内。

2．要对不同类系统建立不同的系统学

钱老不仅将系统科学研究的对象，分成不同类的系统，而且提出对每一类系统都应该建立相应的系统学，即要有简单系统的系统学、简单巨系统的系统学、复杂巨系统系统学，要建立一个系统学体系。钱老归纳了各类不同系统的不同性质与特点，进而根据所归纳系统的特点，建立这类系统的演化理论。从知识的结构来看，其理论是严格按照所给出的系统特点而建立的，因此按照其理论分析所得出的结论也应该是正确的，是符合该类系统的。当然实际系统是千差万别的，任何一个系统不可能完全符合理论体系所给出的某一类给定系统的限定。我们给出的几类系统实际上应该看成是模型，而理论是针对模型建立的，正如同牛顿力学有针对质点建立的质点动力学、有针对刚体建立的刚体动力学一样。用质点动力学研究某一个物体的力学性质，得到的结论是否符合实际，完全在于该物体在我们研究的问题里能否看成一个质点。我们用系统科学来分析某一个具体系统的性质，所得到的结论是否与实际相符，也完全在于该系统是否能用我们建立的模型来描述。在讨论实际问题时，我们可以将某一实际对象简化成某一类系统，运用相应理论得到某些结果，解释该对象的某些性质。也可以将其简化成另一类系统，运用该系统的演化理论又得出一些结论，解释该对象另一方面的性质。这就像对于飞机，物理学若将其简化成质点，讨论其航程、航速等性质；若将其简化成刚体，讨论其形状在空中的升力问题；又可以将其简化成弹性体，讨论其振动及被破坏等问题。从这个意义上来说，我认为钱老所建立的系统学可以说也是同物理学一样的被称为模型科学。(www.xing528.com)

3．几类系统的系统学特点

对于模型科学，不仅要关心它的模型条件，同样要关心其理论特点。面对简单系统是线性理论，根据系统演化的特点，可以列出方程描写其演化规律，不论是对于熟悉的自然系统，从我们以往发现的规律列出演化方程，还是对于暂时不了解的系统，考虑线性化以后列出演化方程，对于系统的演化方程进行求解，得到系统的演化轨迹。对于简单巨系统，在宏观层次列出的演化方程，一定是非线性的，只能用定性理论进行讨论，得到系统稳定状态的性质，以及系统演化的稳定性与控制参数的关系；若探讨其宏观与微观之间关系，则需要用随机微分方程来讨论。但对于这两类系统来讲，它们的演化机制不随时间改变，而且其演化机制可以用函数描述。对于复杂巨系统，一般我们无法找到其演化机制的函数形式，也无法列出一个微分方程来反映它的演化。我们更容易分析的是复杂巨系统的行为，通常是用计算机程序反映系统的演化行为。复杂巨系统内的子系统之间相互作用的数学关系（定量的、由函数表示的相互关系）不存在，它们之间可以找到逻辑关系，这种逻辑关系经常不是机制上的而是行为上的。正是由于有了计算机作为工具，使我们可以利用逻辑关系很容易分析系统的演化，至于系统的一些学习功能，也能通过计算机实现。

开放复杂巨系统演化理论——系统学核心内容

钱老提出来的开放的复杂巨系统概念及其建立的演化理论，是全新的一套理论体系，根据个人学习的理解，我认为应该明确以下几个问题。

1．系统包含的范围广

钱老在谈到开放的复杂巨系统的内容时，多次列举其理论适用的范围，人体、人脑、环境、社会可以运用开放的复杂巨系统理论来处理。而对于另一些问题如天体、低温核聚变、历史等，钱老也认为是开放的复杂巨系统，其原因在于，对这些问题无法使用传统的方法，即建立系统演化方程、求解系统演化性质，而需要按照开放的复杂巨系统的研究方法来分析它们的性质。而对于哈肯所建立的协同学，钱老将其划归为简单巨系统演化理论，认为用它讨论复杂的社会问题是不适当的。

我们认为钱老所建立的系统科学既然是一门模型科学，就不会有任何实际系统完全满足某一类模型的条件。对于一个实际系统，我们将其简化，使之基本符合某一模型，就利用该模型理论进行分析，得到相应结果，就能解释在该具体系统简化到这种程度上所具有的性质，而对于该系统不满足简化条件的性质则不能解释。应该说协同学对社会系统的讨论，是将社会简化成简单巨系统，讨论在这样的简化条件下的特点，这虽然不能说明很多社会现象，但协同学给出的结论，也从定量的方面对社会进行了部分解释。

而对于像低温核聚变这样按照当前所了解的自然规律无法进行讨论的问题，钱老将其看成是开放的复杂巨系统，从分析系统的行为入手，用计算机描写其演化的逻辑关系，采取人机结合、以人为主的综合集成法，将会对这些问题有新的认识。

在研究开始阶段，钱老列举开放的复杂巨系统包含的众多实际系统是恰当的，它可以帮助我们建立开放的复杂巨系统的演化理论。实际上，只存在对某一个具体系统，讨论某些具体问题更适宜选用哪个模型，而不存在某个模型包括哪些实际系统的问题。

2．处理系统演化的方法新颖

正如钱老自己讲述的一样，对于开放的复杂巨系统，现在还没有一套完整的、规范的数学方法，来统一处理系统的演化问题。关于处理问题的具体方法，在不同的时候，处理不同的问题，钱老强调过不同的侧面。学习、理解钱老关于开放的复杂巨系统演化理论的论述，对掌握复杂巨系统的系统学是非常必要的。钱老在论述不能通过微分方程来描述系统演化规律，不能通过求解方程，哪怕是定性的分析来解释系统演化的性质，而要通过计算机这一新的工具进行分析时，又针对社会上部分科学工作者过分迷信计算机的功能，甚至企图造出代替人思维的计算机，以解决复杂巨系统的演化问题，钱老强调这里的方法是：人机结合，以人为主。让机器做其擅长的统计、储存、计算等繁琐而相对简单的工作；而人利用自己的形象思维、集体思维，控制、操纵计算机的运行，来解决问题。在强调现在不能像过去分析系统演化的机制，找出规律，建立模型时，钱老提出对于这类系统要按照系统的演化行为建立模型，提出解决问题的方法要适应系统演化新的特点，即不仅系统状态会随时间变化，其演化机制、系统结构也会随时间变化，因此建立的模型也应随时间不断变化。在谈到现在的方法与传统的自然科学、社会科学解决问题方法的联系与区别，自然科学过分强调定量方法，只相信定量方法得出的结果，而社会科学又只能对问题进行思辨性的分析时，钱老强调这里的方法是从定性到定量的综合集成方法。我认为：实际上钱老对开放的复杂巨系统演化所提出来的这三种提法，即强调“人机结合，以人为主”、“按照系统的演化行为建立模型”、“从定性到定量的综合集成方法”是一致的，是对该方法不同方面特点的分析，或者说是一个问题的三种说法。我认为只有这样才能对钱老所提出的方法有全面、准确的理解。

3．深入理解钱老所提出解决开放的复杂巨系统演化问题方法上的变化

如何解决开放的复杂巨系统的演化问题，钱老最先提出的方法为“定性、定量相结合的方法”，后来将其修正为“从定性到定量的方法”。这里的变化我体会在于，钱老强调的是发展。原来讲定性、定量相结合的方法，是指研究过程中两种方法交替使用，两种方法互为补充，能定量的地方定量，能定性的地方定性。对系统的描述既有定量的部分，也有定性的部分，在分析其演化时，同样也是两种方法同时使用。这对此多数人是容易理解的。

我们研究的是一个演化的系统，是动力学的问题。我认为更能体现对这类系统研究在其研究方法上的特点，不在于研究过程中两种方法的结合，而在于强调在研究过程中，两种方法的侧重使用。开始对系统没有深入准确的认识，一定是从定性方法开始，先进行定性研究，最终是要得出定量的结果。得出定量结果，对系统的认识并没有结束，我们通过多个按照类似方法对不同问题得到的多个定量的结果，再总结，会得出定性的一般的结论（定性的结果），所得到的这个定性的结果，是对同一类系统的更高一个层次的认识。从思维过程来看，对于某一类事物的认识，比如对于经济规律的分析，钱老认为：不应该根据自己的感性认识，思辨考虑，近乎于猜想那样，提出对问题的定性的认识（这一过程的方法论是定性的思考方法，目前社会科学工作者还在采取这样的研究方法）；而是应以对大量具体系统演化的分析为基础，以大量的定量数据、定量结论为基础，进行归纳、总结、提高，从而得到对该问题定性的概括性的认识（这一过程的方法论应该是新的定性的思考方法）。

毛泽东同志在《实践论》一书中将人们的认识过程归纳为感性认识、理性认识、实践这三个阶段，这是人们认识某一个问题的过程。钱老将从定性到定量的综合集成的方法，也看成是人们认识问题的普遍方法，这中间既包含对某一个具体事物的认识，也包括从具体认识到普遍的概念的形成，我认为这也是人们在认识问题，探求真理，形成科学知识的一个方法。

4．准确了解系统学的现状

对于简单系统、简单巨系统，其演化理论，或称其为简单系统的系统学、简单巨系统的系统学，已经存在，需要我们按照钱老的思路进行梳理、完善。对于复杂巨系统的演化理论，或称为复杂巨系统的系统学还未建立。如果再细分，可以将复杂巨系统分成：现在国外一些专家研究的复杂适应性系统，和钱老强调的开放的复杂巨系统（社会系统）两类。对于复杂适应性系统，目前用计算机着重分析系统的学习、适应机制，提出的如遗传算法、人工神经网络算法等对这类系统的演化比较适用，现在不少专家研究的复杂网络应该也属于对这类系统的讨论。对于社会系统的研究，钱老认为现在应注重实例的研究，通过对实际具体复杂系统的分析，实际上也是建立对于社会系统的系统工程知识，建立社会系统的技术科学知识（社会系统的运筹学、社会系统的控制论）；另外目前钱老提出的从定性到定量的综合集成法，准确地说属于思维科学的内容，钱老认为应该先建立其他领域比如思维科学、社会科学相应的理论。有了上述两个方面的准备，即系统科学本身实际应用和技术科学两个层次知识的建立，再有思维科学、社会科学知识的建立，才有可能最后通过总结提高，建立起开放的复杂巨系统演化理论，即钱老心目中的系统学。

参考文献

［1］现代科学技术体系总体框架的探索，赵少奎编，科学出版社，2011年

［2］系统科学，许国志主编，上海科技教育出版社，2000年

［3］创建系统学，钱学森著，上海交通大学出版社，2007年

［4］简单巨系统演化理论，姜璐、李克强编，北京师范大学出版社，2002年

［5］钱学森论系统科学（讲话篇），姜璐编，科学出版社，2011年