协同学（Synergetics）

风花雪月 · 发表于 2005-7-17 16:14

马上注册，结交更多好友，享用更多功能，让你轻松玩转社区。

您需要登录才可以下载或查看，没有账号？我要加入

x

协同学亦称协同论或协和学，是研究不同事物共同特征及其协同机理的新兴学科，是近十几年来获得发展并被广泛应用的综合性学科。它着重探讨各种系统从无序变为有序时的相似性。协同论的创始人哈肯说过，他把这个学科称为“协同学”，一方面是由于我们所研究的对象是许多子系统的联合作用，以产生宏观尺度上结构和功能；另一方面，它又是由许多不同的学科进行合作，来发现自组织系统的一般原理。 客观世界存在着各种各样的系统；社会的或自然界的，有生命或无生命的，宏观的或微观的系统等等，这些看起来完全不同的系统，却都具有深刻的相似性。协同论则是在研究事物从旧结构转变为新结构的机理的共同规律上形成和发展的，它的主要特点是通过类比对从无序到有序的现象建立了一整套数学模型和处理方案，并推广到广泛的领域。它基于“很多子系统的合作受相同原理支配而与子系统特性无关”的原理，设想在跨学科领域内，考察其类似性以探求其规律。哈肯在阐述协同论时讲道：“我们现在好象在大山脚下从不同的两边挖一条隧道，这个大山至今把不同的学科分隔开，尤其是把‘软’科学和‘硬’科学分隔开。” 协同学的创立者，是联邦德国斯图加特大学教授、著名物理学家哈肯（H旽aken）。1971年他提出协同的概念，1976年系统地论述了协同理论，发表了《协同学导论》，还著有《高等协同学》等等。 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，这种系统会研究内容，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，类比拓宽于其它学科，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。 哈肯在协同论中，描述了临界点附近的行为，阐述了慢变量支配原则和序参量概念，认为事物的演化受序参量的控制，演化的最终结构和有序程度决定于序参量。不同的系统序参量的物理意义也不同。比如，在激光系统中，光场强度就是序参量。在化学反应中，取浓度或粒子数为参序量。在社会学和管理学中，为了描述宏观量，采用“测验”、调研或投票表决等方式来反映对某项“意见”的反对或赞同。此时，反对或赞成的人数就可作为序参量。序参量的大小可以用来标志宏观有序的程度，当系统是无序时，序参量为零。当外界条件变化时，序参量也变化，当到达临界点时，序参量增长到最大，此时出现了一种宏观有序的有组织的结构。 协同论指出，一方面，对于一种模型，随着参数、边界条件的不同以及涨落的作用，所得到的图样可能很不相同；但另一方面，对于一些很不相同的系统，却可以产生相同的图样。由此可以得出一个结论：形态发生过程的不同模型可以导致相同的图样。在每一种情况下，都可能存在生成同样图样的一大类模型。 协同论揭示了物态变化的普遍程式：“旧结构不稳定性新结构”，即随机“力”和决定论性“力”之间的相互作用把系统从它们的旧状态驱动到新组态，并且确定应实现的那个新组态。由于协同论把它的研究领域扩展到许多学科，并且试图对似乎完全不同的学科之间增进“相互了解”和“相互促进”，无疑，协同论就成为软科学研究的重要工具和方法。 协同论具有广阔的应用范围，它在物理学、化学、生物学、天文学、经济学、社会学以及管理科学等许多方面都取得了重要的应用成果。比如我们常常无法描述一个个体的命运，但却能够通过协同论去探求群体的“客观”性质。又如，针对合作效应和组织现象能够解决一些系统的复杂性问题，可以应用协同论去建立一个协调的组织系统以实现工作的目标。协同论应用于生物群体关系，可将物种间的关系分成三种情况：1，竞争关系；2，捕食关系；3，共生关系。每种关系都必须使各种生物因子保持协调消长和动态平衡，才能适应环境而生存，协同论应用于生物形态学，提出形态形成的基本途径是，通过某些化学物质的扩散与反应形成一种“形态源场”，由形态源场支配基因引起细胞分化而形成生物机体。由于协同论强调不同系统之间的类似，因此它试图以远离热动平衡的物理系统或化学系统来类比和处理生物系统和社会系统，所以协同论除设计了许多物理、化学的模型外，还设计了许多生灭过程、生态群体网络和社会现象模型。象“社会舆论模型”、“生态群体模型”、“经络模型”、“人口动力模型”、“捕食者----被捕食者系统模型”、“形态形成模型”等等。协同论还探讨了人的大脑中化学图样的形成和求知过程与脑细胞之间的联系模型等。 此外，哈肯提出了“功能结构”的概念。认为功能和结构是互相依存的，当能流或物质流被切断的时候，所考虑的物理和化学系统要失去自己的结构；但是大多数生物系统的结构却能保持一个相当长的时间，这样生物系统颇象是把无耗散结构和耗散结构组合起来了。他还进一步提出，生物系统是有一定的“目的”的，所以把它看作“功能结构”更为合适。 自然，协同论的领域与许多学科有关，它的一些理论是建立在多学科联系的基础上的（如动力系统理论和统计物理学之间的联系），因此协同论的发展与许多学科的发展紧密相关，并且正在形成自己的跨学科框架。协同论还是一门很年轻的学科，尽管它已经取得许多重大应用研究成果，但是有时所应用的还只是一些定性的现象，处理方法也较粗糙。但毫无疑问，协同论的出现是现代系统思想的发展，它为我们处理复杂问题提供了新的思路。

多情清秋 · 发表于 2005-9-27 20:19

协同学 Synergetics 协同学一词是来源于希腊文，意思是协同作用的科学，即关于系统中各个子系统相互协同作用的科学。协同学对我们掌握全面协调、整合协同发展的思维观念与方法，从多个立场、多维、多元地协调看待问题处理事情，有着特别重要的指导意义。 一、协同学发生的历史背景 1、协同学是由原西德斯图加特大学理论物理学教授哈肯（H.Haken）创立，他从1960年起就研究激光理论，激光是一种远离平衡态时，由无序向有序转化的现象。他以激光理论为基础，通过类比归类，形成完整的理论，1970年，他最初提出协同学，又用了7年时间，哈肯于1970年出版了＜协同学导论＞，创立了协同论。立即引起了国际理论物理、理论生物、化工、医学、工程应用，以及社会学界的极大兴趣。1976年，英国物理研究院和德国物理协会授予他玻恩奖。1981年美国富兰克林研究院鉴于他在协同学方面的开创性工作，授予他迈克尔逊奖章。 2、理论背景 哈肯在他的讲演中曾经举过几个简单而有趣的例子来说明协同学所依据的一般原理。我们先来看一看系统在相对孤立情况下的普遍情况： 在一个封闭的盒子中，一半是冷空气一半是热空气，它自然而然地就会弥漫混合到均匀一致，而不会一头更冷一头更热。那么有没有与此相反的趋势、相反的过程了？有的，这就是自然系统的各式各样的有序化现象、自组织现象和有机化现象。我们来举几个典型的例子： 第一个例子是我们在耗散结构理论中所举的贝纳德不稳定性，从底部加热液体，热量在液体中传导，当温差超过某一临界值时，液体就出现了宏观对流，表明了存在分子间的相互作用范围，而且该范围要比分子本身的大小尺度大得多。 第二个例子是哈肯多年研究并经常谈到的激光。在输入的功率较小时，激光器激活的原子彼此独立地错杂混乱发生电子的跃迁和光子的发射，此时的激光器就象是普通的电灯。而当输入的能量超过某一个阈值时，各个激活了原子在相干作用下变成同相震荡，消除了干扰和衰减，而形成了位移相等、运动方向相同的、同一个震荡剧烈的波源，发出了相位和方向统一的节律（频率）一致的单一脉冲单色光――激光。 哈肯有趣地把激光比拟为在水波上站着的许多人，在一个老板的指挥下，统一运动。但是，事实上又不存在这样一个下命令的老板，产生共同整齐划一的行动人命令或信号来自这些人自己，就象是一个教室里自发地趋向统一的节奏的鼓掌声、吆喝声一样。也就是说，是系统内部自发产生了相干信号，而导致了统一节律的产生和能量、状态、性质的改变。 因而，研究系统内部元素的相干作用、协同作用的机制和规律，就是协同学的任务了。协同学就是要找到自然事物自发地从无序谈为有序的那些关节点，并找到发生这种转变的作用过程和作用机制。 3、与耗散结构理论的联系和区别 第一、出发点、内容与数学方程式不同。 耗散结构理论主要是从热力学和非平衡的统计物理学出发，主要数学方程式是熵变方程和热力学方程；协同学是从激光、固体物理学出发，研究那些结构复杂、因素众多的大系统和生物有机系统。其主要数学方程式是系统运动的非线性方程。 第二、研究的前提不同。 耗散结构理论的前提是非平衡态和远离平衡态。协同学既适用于非平衡态中发生的有序结构和功能形成，也适用于平衡态中发生的相变过程。协同学有着更为宽广的应用领域并且具有更为数学化的特点。 第三、研究的视野不同。 耗散结构理论主要研究系统与外部环境之间的边际效应，而协同学主要研究的是系统内部关系，内部和子系统之间、分子之间的关系，它们的相互作用方式、机制和整体效应。 二、协同学概念和基本思想 定义协同学是研究系统中各个子系统之间相互协同作用下，系统从无序向有序转变的科学。 其基本思想可概括为如下方面： 1、从系统内部寻找有序源泉。协同学既从系统内部的非平衡态，也从平衡态始终点寻找有序之源。非平衡态特别是远离平衡态系统中存在着宏观运动，向某一方向，统一均匀地宏观流动，产生有序的位移。例如自来水管中的水流在压差下，向用户方向流动。在任何人员群体中，如企业班组、科研小组方向明确、宗旨正确、正气抬头、公正公开公平，就能形成向组织目标共同努力有序运行的局面。反之，若是方向不明、宗旨错误（如目前我国事业单位的宗旨由单位自己随心所欲地制订）、用人奖励等不公，好人受气，歪风邪气作为聪明有能力而嚣张，这个群体或单位必定是混乱萧条倒闭。在国外，一个人只要有能力，努力肯干，确有成就，就会得到提升重用。而我们在一种肮脏龌龊乃至反动的用人制度下，努力工作有成绩的人得不到表扬重用。而所谓吃政治饭、政治可靠听话、跟着领导转的人，或是有背景的人飞扬跋扈，所以怨气日积月累，单位一天天萧条。这个祸国殃民的用人制度疽痈，我们反而当作艳若桃花的国宝要坚持下去，所以企业成片地坚持倒闭了。 2、协同学认为系统的行为并不是其子系统行为的迭加，而是由子系统的相互作用调节和组织起来的。系统的宏观性质和宏观行为是它的各个子系统的合作效应。用系统论中的水桶理论来说，即由几块木板组成的水桶，其装的水的多少是由最矮的一块所决定的。拿一个来说，他从小长到大，不是一个部分起的作用，而是所有的器官都在起作用，都在生长。而不是只有等头长好了，可以思维了，才长心脏、四肢等。同样的道理，一个社会的进步，必然需要政治经济文化教育科技各个子系统同步进步、同时发挥应有的功能作用。而不是等经济发展了再去办科技教育文化，再进行政治进步。这个道理很清楚，当局之所以不谈教育文化，是因为在政治滞后的情况下，经济已养不活文化教育和科技，如果再提投资文化教育，则财政拿不出资金来，就要显示出经济窘态和腐败无能的真实面孔，只好压缩科技文化教育经费，以维持其穷途末路。而且，腐败分子关心的是如何捞票子，象科技文化教育这些吃力又要点真功夫和本事的事，当然也就绕着走了。 协同学立足于系统各部分之间的相互作用的思想是其基本原则，用数学公式来表示就是： 设系统 Q ＝ Q1 ∪Q2∪。。。，则 F（Q）≦F（Q1）＋F（Q2）＋。。。∧ F（Q）≧F（Q1）＋F（Q2）＋。。。 系统发挥出的功能，可以大于，也可以小于或等于子系统发挥功能的和。 当各子系统相互共生、相互协调利好；整个系统发挥的功能就可能大于或等于子系统各自发挥功能的和。反之，则可能小于或等于各个子系统各自发挥的功能和。一幅好的画要多种颜色的协调搭配，复方多味药治病，也是多味药的药性互补发挥作用。一个社会的进步，也是社会多元、多维演化合作的联合效果。 3、涨落导致有序 定义：系统自发地偏离某一平衡态（点）的现象，称为涨落。 三棱锥稳定地放在桌面上 涨落是偶然的、随机的、杂乱无章的、甚至于是无规律的。在正常情况下，涨落相对于系统的平衡值是很小的，即使偶尔有大的涨落也会立即平息掉，系统又回到平均值附近。三棱锥稳定地放在桌面上， 小的涨落不会改变这种稳定状态。 而在临界点附近，情况就不一样了，这时很可能出现大的涨落(巨涨落)。而这种涨茖可能不被耗散；相反，它甚至可能被放大，而导致系统发生宏观的变化。三棱锥不稳定的放置 三棱锥不稳定的放置，任何小涨落，都会决定性地改变系统状态。当然在临界点，系统也处于一种极浑沌的状态，系统内外的各种力量和因素，都会左右系统向不同的方向和位置改变。何去何从，仅存乎一心；此时此刻，两军相逢勇者能者胜。一切弱者、仁者和无谋略无胆识者，都将作为败者被无情地逐出历史的舞台，而后悔哀叹。

多情清秋 · 发表于 2005-9-27 20:19

4、自组织是系统有序化的内在根据 1)、自组织的概念 所谓自组织就是系统在一定外界条件下(控制参量)，当其达到某一临界值时，系统中子系统间的关系，便能克服独立运动而自发产生协同的现象。一个系统的自组织性越强，当然是越好。 但需要注意的是，这种协同是使各子系统都能和谐完美的运行，而不是各个子系统受到强制和损害的情况下(除了战争需要和特殊情况下如泄洪等需要牺牲某个局部利益以保存全局的利益)，围绕某个中心或核心的运行。事实说明，强制性的围绕某个中心或核心的运行的系统，其自组织状态往往是不佳的，效果也是很不尽人意的。在一个家庭里，夫妻二人相敬如宾，心心相应，那是多美好甜蜜。若是大男子主义或是妻管严，必是同床异梦如同怨家，谈不到相互默契配合。 有人以激光为例，说明系统需要统一步伐才会发挥最大效能。我认为这需要看是大系统还是小系统，我认为在一个小系统内，单一频率会得到极大的效应和功能。例如一个企业某一产品各零部件以同速生产，才能同时组装。在小系统上施加三种以上的频率，是我国微观系统混乱的主要原因(如党政工团多种干扰和内耗)。但是大系统在非特殊情况下，同一频率造成的功率会使系统崩析。即使小系统如果在方向和路线错误的情况下，同一频率造成的损失是巨大的。因此我们认为从自组织并不能得出大系统，特别是社会大系统需要统一思想和步伐才会有最大效能，特别是思想的强求一律便是死亡；相反，我们认为还是同步协调子系统的各自多元频率，共生合作方会有整个系统的最佳效能。 非线性哲学系统的多元律也说明，大系统是不能以同一固定不变的频率运行的。从组合知识我们知道一个系统上的序可以有2n种，这里n是系统元素的个数。围绕某一中心的良序只不过是其中一种，系统上的序结构不断地在变化更新，有序化无序化、有序和无序之间的转换都在不停地变化，特别是社会大系统的序结构的确定，由多元律知道更需要不断更新，需要全民的民主抉择。 哈肯曾举例形象地说明自组织的概念，他说，如果有一群工人，他们在工长的统一指挥下工作，我们称之为(他)组织。如果没有外部命令，而是靠某种相互默契，工人们就能协同合作，各司其职来生产产品，这样的过程，就是自组织。 2)、系统自组织的特征 ① 系统是不断同外界交换信息的开放系统； ② 系统是由大量分子元素或小系统组成的宏观或无穷系统； ③ 系统有自己的演变历史，逐步协同的。作为一个团体达到自组织(意会)的状态，我们认为需要有共同组织目标，团体领导是组织目标的热心而又专业实践者，各成员的工作分工明确同步协调，具有公正的激励机制和宽容氛围，劳动纪律符合劳动的特点，经常进行员工的训练，并具有良好的外部环境。 3)、实现自组织的条件 哈肯认为，整体内各部分的协同性、同步性及其整体与环境的相互联系是整体实现自组织的条件。 这里对同步性不能仅仅理解为各子系统都同频率、同速运行，而是同时协调各子系统的频率得到相得益彰的效果。经济过度重视发展过速，而文化教育不为重视发展过缓，形成瓶颈，又将制约经济的发展。不过经济教育文化科技能以同速发展是为最好，但由于各自的规律各自只能以一定的速度发展，硬要同速是为不可能。再如行人以同速行走，当然最整齐划一。但是，除了行军，一般情况下是以不同速度行走的。所以，作为高明的交通管理者，是分而治之，保证各自以最佳速度和及时相互协调速度是上策。而绝无一个城市或国家的道路管理者，会要求以同速行走的。那种要求统一思想统一步伐和统一声音的口号或长期不合理地让某一子系统优先先行快行，某一系统停行慢行是不切实际的，有谁以协同论为依据，只能说是死搬硬套，或别有用心了。相反，这些人对同一规范和法律面前人人平等却讳之不及，执行时总是左顾而言他了。 同步，准确的理解应是保证各子系统或分子各自以最佳速度运行，又注意协调速度运行，使整个系统以最优速度和状态运行。即应有两个参数，xv, Rv, xv是x自身的最佳速度，Rv是x相对于系统的相关速度，有自行正常速度、自行转弯速度、刹车速度、协调拥挤慢速、疏通快速和超车速度或紧跟带队车的速度等等。正如电视机屏幕上的一帧帧画面上的象素，各以不同的频率运动着，有的图块快，有的图块慢，有的甚至相对不动，但整体画面都在同时刷新更换。 因此，我们从协调同步原则又是系统自组织的条件可以看出，协调同步的确是协同学的精髓，而同一频率只是其中的一个现象和协同学研究的一个侧面，注意系统内部元素的相干作用、协同作用的机制和规律，各元素如何以不同频率的运动相干合成整合的最优频率的整体，才是协同学的主要宗旨。

yycgy · 发表于 2005-10-6 11:11

我在做材料微结构的演化，里面也涉及协同和耗散的，期待更多地交流……

账号		自动登录	找回密码
密码			我要加入

[其他相关] 协同学（Synergetics）

马上注册，结交更多好友，享用更多功能，让你轻松玩转社区。

回复：（风花雪月）协同学（Synergetics）

回复：（风花雪月）协同学（Synergetics）

hi