科普-中华学生百科全书-第9部分
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之间的相互关系，即从整体性原则出发，强调系统的整体最优和全过程的最
优。例如，制定城市规划一定要有各方面的专家参加，诸如经济学家、建筑
工程师、系统分析师以及生态环境学家等等。各方面的专家对同一问题的看
法往往是不一致的，甚至分歧还会很大。经济规划师研究的主要是经济发展
问题，他们重点考虑工业、农业、商业以及各行各业之间经济结构的变化及
其发展速度与规模，注重社会生产力的发展和经济效益的提高；建筑规划则
往往从特定的空间影响出发，重视城市建设艺术布局的原则和设计方案，强
调生产力的合理布局与城市的外在形象；社会发展规划师往往注重人口社会
结构的变化，职业与生活方式的变化及相互影响，家庭收入及变动导致个人
和社会心理变化及原因，比较重视社会道德、社会风尚与精神文明建设等；
环境规划师则关注城市生态环境变化及环境与生产、生活之间的相互影响等
等。显然，不同的侧重面，就有不同的价值准则，不同的价值准则，又导致
认识上的差异。系统分析师的主要任务之一，就是要充分注意吸收各种规划
师的不同观点，协调其矛盾，最终提出一个各方面均能接受的较为满意的规
划方案。
城市系统工程是一门新兴的综合性学科，它的主要任务是从时间和空间
上研究城市的发展及其分布规律。要完成这一任务，必将涉及许多学科，需
要有一个相应的学科体系。
改革开放以来，虽说城市化进程有所加快，但伴随而来的住房拥挤、交
通不便、文化设施缺乏、犯罪率上升等现代城市病又在围绕着我们。在加速
城市化进程的同时，如何提高现代化城市的管理水平以充分发挥其城市功
能，实现各系统之间的协调运转，是当前摆在我们面前的一大难题。这一问
题的最终解决，有待于城市系统工程研究更进一步的深入与突破！
农业系统工程
生态农业是运用生态经济学原理和系统科学方法，把现代科技成果与传
统农业技术紧密结合建立起来的农业，它是具有合理生态、良性循环功能的
一种农业现代化体系。家庭生态农业以家庭为独立单位，以家庭具体条件为
出发点，运用生态经济学原理与系统科学方法，从种植业、养殖业到加工业，
按照食物链、加工循环模式进行综合经营，形成物质能量多形式多层次利用
的生态良性循环系统，从而实现农、林、牧、副、渔的协调发展，达到最佳
综合效益。
农业系统工程，就是要兼顾农业生产与环境保护两大目标。既充分利用
自然资源，发展农业生产，在较少的资源条件下获得质量好数量多的人类所
需要的农副产品，又要保护好生态环境，使有限的资源不断增殖更新，使生
态系统的物质循环和能量转化功能不断增强。
太阳能是我们这个星球赖以生存和发展的最主要能源。转化太阳能，分
为植物生产、动物生产和微生物分解三个过程。首先通过绿色植物的光合作
用，把从空气中吸收的二氧化碳（CO2），从土壤中摄取的水分和氮（N）、
磷（P）、钾（K）等无机物转化为有机植物质，这一过程称为植物生产；然
后通过草食动物将植物能和植物质转化为动物能和动物质，即动物生产；最
后由微生物将动植物分解转化为沼气——甲烷和二氧化碳，同时生产出绿色
植物能够吸收、利用的有机肥料，从而在生态系统中完成一次能量流和物质
流的循环过程。在这一循环过程中，生产的沼气，可以把储藏的生物能（含
动物能与植物能）转化为热能，其能量相当于植物所吸收的太阳能的 60％以
上，这样做可使太阳能的损失率降到 40％以下；而如果把植物秸杆等直接燃
烧，利用率不到 10％，太阳能的损失率高达 90％以上。上述循环过程不仅可
以最大限度地利用太阳能，而且在腐熟的有机质中保存原有的氮、磷、钾等
元素，提高了生态系统中能流与物流的质量，有效地保证了生态系统的良性
循环。这就是农业资源综合利用，生态农业多层增值的理论依据。
80 年代以来，由于系统科学和电子计算机的普及与发展，我国农业系统
工程研究进入了一个崭新的阶段。农业系统工程专家、学者从农业系统整体
出发，运用系统分析的观点，在研究区域农业发展战略、研究农业生态系统
与结构功能、调整农村产业结构等几个不同层次问题上进行了深入探讨。如
国家级大型研究项目“三江平原区域综合治理”、“黄淮海平原中低产区综
合治理”、“黄土高原综合治理”等，均是以获得大面积高产稳产、降低生
产成本、综合发展为目标，并取得了显著效果的研究项目。像由中国科学院
主持研究的黑龙江海伦县农业现代化试点研究，就是运用系统工程的理论与
方法，首先开展“海伦县自然资源的综合考察”，先后完成农业气候、地质、
地貌、土地利用、土壤、生物资源、水文以及农业区域规划、农业经济等方
面的系统调查，然后开展“海伦县社会经济生态技术系统总体设计及其模型
系列”的研究，制订了以种植业为主，以农、林、牧、副、渔全面发展和农
工商综合经济为两翼的所谓“飞鸟型”经济发展模式，以及到 2000 年的长远
发展规划。
总之，农业系统工程的任务是顺应自然，设计一个最佳的农村产业结构，
人为地创造一个高产、优质、低消耗的农业生产系统和一个稳定、合理、高
效的良性循环的农业生态系统。其显著特点是从整体出发，重视信息、数据
的收集加工与处理，建立数学模型实现系统的量化与优化，运用计算机进行
系统仿真（尤其是模拟田间试验，可以有效的延长农业科学的研究寿命）与
政策分析，然后运用决策分析的理论，制订、选择优化方案。
耗散结构论
耗散结构的概念，是对应于平衡结构而得出的。在此之前，人们一般总
认为倘若系统原先是处在一种混乱无序的非平衡状态中，是不可能在非平衡
状态下呈现出一种新的稳定有序结构的。但普利高津等人对此进行了 20 多年
的研究后指出：一个远离平衡态的开放系统（不管是力学的、物理的、化学
的、生物的，还是社会性的、经济性的系统），通过不断地与外界交换物质
与能量，在外界条件的变化达到一定的阈（临界）值时，量变可能引起质变，
系统能从原来的无序状态转变为在时间上、空间上或功能上的有序状态，当
外部条件继续改变时，还会出现一系列新的结构状态。这种在远离平衡态情
况下所形成的新的有序结构，普利高津把它称为“耗散结构”。
研究耗散结构的性质以及它的形成、稳定和演变规律的科学，称为“耗
散结构论”。
耗散结构论的建立使我们对自然和人类自身有了一个更加完整、深刻的
认识：在平衡态附近，系统发展过程主要表现为趋向平衡，并伴随着无序的
增加和结构的破坏；而在远离平衡的条件下，发展过程可以经过突变，导致
新的结构的形成和有序度的增加。普利高津由于对“非平衡态热力学”，特
别是对耗散结构论的研究而获得了 1977 年度的诺贝尔化学奖。
耗散结构论是一门正在发展中的新学科，其理论体系与有关概念也在不
断完善之中。现在，耗散结构论已广泛应用于力学、物理学、化学、地质科
学、生物科学、医学以及社会科学等领域，并取得了不少令人瞩目的成就。
正如普利高津所说：“我们正是站在一个新的综合、新的自然观念的起点上。”
突变论
在自然界有两种不同的变化方式。一种是光滑的、连续不断的变化，如
生命有机体的连续生长、地球绕太阳连续不断地旋转、流体（如水、油、气）
的连续流动、气温的连续变化等等。对这种光滑的、连续不断的渐变现象，
人们已较成功地建立了各种模型描述其发展规律。与此同时，自然界存在着
另一种大量的不连续的飞跃式的变化，如水沸冰融、岩石金属的突然断裂、
桥梁突然塌陷，以及火山、地震、山洪的突然爆发均属于这类变化。此外，
细胞的分裂、物种的绝灭、飞机的坠毁、战争的爆发、经济危机的产生、工
厂的倒闭、政权的变更等等都是事物的形态、性质、状态从一种形式突然地
跳跃到根本不同的另一种形式的不连续变化，我们将这种突然之间发生的变
化称之为“突变”，也有人称之为“灾变”，意指巨大的、灾难性的突然变
化。
对于由于这种突变现象而造成的具有不连续过程的系统，适用于连续系
统的传统分析数学已显得无能为力。那么，有没有用来描述和解决自然界和
社会现象中大量存在的各种飞跃和不连续过程的数学工具呢？“山重水复疑
无路，柳暗花明又一村”，以法国巴黎高级科学院著名的数学教授——1958
年国际菲尔兹数学奖（世界上数学最高奖）获得者雷内·托姆博士为酋首一
批科学家创建的“突变论”，为我们提供了一种新颖的思考方法。
突变论运用更为高深的数学理论为工具，来研究自然界和社会现象中的
各种形态、结构的非连续性突变，从而引起了数学家、哲学家、生物学家、
社会科学家以及系统科学家的广泛注意和极大兴趣，有人高度评价突变论是
“自牛顿、莱布尼兹以来，数学界的又一次最伟大的智力革命”。因为牛顿、
莱布尼兹用他们的理论——微积分解释了所有连续的、渐变的现象，而托姆
的突变理论则解释了所有不连续的、突变的现象。
在突变论中，把那些作为突变原因的连续变化因素称之为“控制变量”，
把那些可能出现突变的量称为“状态变量”。以水为例，给水连续不断地加
温、加压，其温度和压强都是连续变化的，但当这些连续变化的量一旦达到
某一临界点——沸点，即水在一个大气压下，温度达 100℃时便会引起不连
续的突变——水突然沸腾，转化为水蒸气。在这个水的相变（指水从液态转
变为汽态）模型中，“控制变量”就是由人们控制、掌握的两个量——温度
和压强，它们始终是连续变化的；而“状态变量”则是能表示水的不同形态
特征的密度（密度高的状态对应着液态，密度低的状态代表气态）。显然，
是控制变量温度和压强连续不断的变化，导致了状态变量密度的“突变”。
突变理论最初是由托姆在 60 年代中期发展起来的，他的意图是把数学这
个“硬”工具应用于生物学这门“软”科学。托姆论证说，生物学家不能根
据他们丰富的实验事实来构造一个综合理论，主要因为他们缺乏为完成这个
任务所需要的数学知识。
突变论发展至今，仍旧着力于数学基础的建立以及突变现象的解释，而
控制乃至预测突变难度还很大，其应用还处于初创阶段，这是因为突变论还
只是一门诞生刚 20 年的新兴学科，在理论上尚不够成熟完备，是一块有待开
垦的处女地。
目前，突变论已在物理、化学、地质学、医学、生态学、工程技术以及
社会科学、经济决策等方面得到了广泛的应用，并取得了一批卓有成效的成
果。显然，一种新理论的诞生与发展、一项新的发现从问世到成熟，不是一
蹴而就的事情，需要几代人的不断努力。“突变化”的最终“突破”，有待
于 21 世纪科学家们的共同努力。
协同学
协同学一词来自希腊文，其含义是“一门关于协作的科学”，或者说“一
个系统的各个部分（子系统）协同工作”。协同学是以研究完全不同的学科
间存在着的共同特征为目的的一门横断学科，它以信息论、控制论、突变论
等现代学科理论为基础，通过运用类比的方法，针对各学科广泛存在的无序
到有序的现象建立了一整套数学模型和处理方案，从而可把在一门学科中所
取得的研究成果，很快地推广到其他学科的类似现象上去。
协同学与耗散结构论一样，也是研究远离平衡态的开放系统在保证与外
界之间有物质流或能量交换的条件下，能够自发地产生一定的有序结构或功
能行为的一种理论。它以无序到有序的转变为主要内容，不仅包括非平衡态，
也包括平衡态中的相变。协同学力图揭示出各不同学科之间所存在的共同特
征和共同规律，并认为自
