复杂性探索与控制论发展，本文主要内容关键词为：控制论论文,复杂性论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
控制论研究与复杂性探索有不解之缘。在某种意义上可以说，控制论和系统论一样，与现代复杂性探索相生相伴、共同发展。一方面，控制论产生于对复杂性的探索。由于对系统的各种复杂的因果反馈关系及其控制机制的研究，产生了控制论；另一方面，控制论又提供了研究复杂系统的有效方法。正如控制论创始人之一艾什比所说：“对于那些以复杂著称而其复杂性不容忽视的系统，控制论给出一种新的科学研究方法”，“研究复杂系统的种种方法里，控制论是数一数二的”[1]。因此，复杂性探索催生了控制论发展，而控制论发展又促进了复杂性探索。尤其是当今出现的复杂性研究的控制论转向趋势，值得引起我们高度重视。
1 复杂性视野中的维纳控制论
（1）控制论创始权的一段历史公案 在我国，学术界公认，控制论的创始人就是美国数学家N.维纳（Norbert Wiener）。以其1948年发表《控制论——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》为控制论的嚆矢之作。于是维纳即为控制论之父，控制论几乎就是维纳的别名。
事实上，早在20多年前的1978年8月，在阿姆斯特丹召开的第四届国际控制论大会上，就通过了一项决议，承认控制论的诞生时间应从原来认定的1948年提前到1938年，正式确认了罗马尼亚学者斯特凡·奥多布莱扎作为控制论的真正奠基者。[2]
1938年罗马尼亚学者奥多布莱扎在巴黎出版了第一部控制论方面的专著《协调心理学》，10年后的1948年维纳的《控制论》才在同一城市出版。除时间先后之外，在控制论的学科贡献上，学者认为奥多布莱扎也超过了维纳。1938年奥氏就阐明了控制论的9个原理（可逆性原理、平衡性原理、协调/失调原理、等值原理、补偿原理、循环性原理、反作用原理、变换原理、终极原理等），而维纳10年后的控制论所论述的只有一条反馈原理。且维纳“反馈原理”的内容跟奥氏的“可逆性原理”的说法，有相似甚至雷同之处。
问题还不仅仅在发现原理的多少，而在建立控制论的基本宗旨方面，奥氏控制论的出发点是面对整个世界，他要处理的是整个人类的思维活动和心理活动，以求揭示出一些普遍规律。而维纳控制论的主导理念还是技术问题和工程问题。1978年奥多布莱扎逝世后1个月出版的《协调心理学与控制论》，是一本阐明奥氏广义控制论学说的论著。据学术界公允的评论，奥氏最后所阐述的思想可以说是他的广义控制论的最杰出的代表，而且在其深度与广度上，都比维纳的控制论观点要更加全面和更具前瞻性。
（2）维纳控制论的历史贡献 维纳本人指出，应当把控制论核心观点的形成放在20世纪物理学革命的大背景下考察，所以钱学森认为，控制论是20世纪继相对论和量子力学之后又一次科学革命。我们认为，从复杂性探索的视角来看，维纳控制论具有开创性的历史贡献。
首先，维纳控制论的最大特点，就是把通讯概念和控制概念联系在一起。其奠基之作的书名就把控制论明确界定为“关于在动物和机器中进行控制和通讯的科学”。在此之前，“通讯”和“控制”这两个概念是互无联系、互不沟通的。“通讯”和“控制”的联盟，打开了系统研究和复杂性研究的广阔天地，被英国著名的系统科学家P.切克兰德（P.Checkland）列为系统科学的重要原理之一。
其次，提供了一套意义深远的概念，如反馈、调节、回路、因果性、目的性等等。这些概念今天看来十分普及，可在当时则是对传统思想的一次大冲击。正如维纳后来在回顾自己当初写作控制论时发表的感慨一样：“在我开始写‘控制论’的时候，我发现说明我的观点的主要困难在于：统计信息和控制理论的概念，对当时传统的思想来说，不但是新奇的，也许甚至是对传统思想本身的一种冲击。”[3]众所周知，自17世纪西方科学兴起以来，科学研究的对象主要是客观世界的物质（实体）运动，而控制论和系统论第一个将研究对象由实体性转为关系性，建立了自己的方法，进行了成功的操作并得到其他学科广泛的认同。控制论在研究对象上发生的革命性转变，为复杂性探索提供了新的科学理念和科学方法。
第三，维纳的控制论本身就蕴含着潜在的复杂性。众所周知，系统间的信息关联及其控制是产生复杂性的一个重要根源。由于具有多个子系统组合的系统的大量出现，会使得这一复杂性变得日益突出。因此“通讯”与“控制”才成为系统复杂性研究的一条核心原理。另外，“目的”和“反馈”的观点也让因果关系变得复杂起来，从而开创了通往“互为因果”，尤其是“递归因果”的复杂道路。
但是，正如法国学者E.莫兰（E.Morin）所指出的，维纳控制论的这一潜在复杂性一旦萌发出来，就会或早或晚地打开和炸碎由维纳自己创立的控制论框框。[4]
（3）维纳控制论的历史局限性 作为一个时代的产物，维纳控制论既有其历史贡献，也有其历史局限性。它开启了复杂性研究的一片新天地，但未能在这片天地中大显身手。
首先，维纳虽然把“控制”和“通讯”联系在一起，但在两者的关系上，他让通讯依附于控制，即通讯组织的建立必须通过伺服来进行。于是控制论变成了用通讯进行控制的科学，而不是关于“通讯组织”的科学。这样，控制就遮蔽了通讯组织的丰富性，也就无法展开和阐明“通讯”和“控制”两者在总体关系上的复杂性。
维纳及其以后传统控制论的技术转向，在客观上为技术至上论和技术统治论提供了理论依据，并滋生了一种普适观念：主体控制客体，人类控制自然，法律控制公民，国家控制社会等等。这样，企图达到普遍性的控制论不是跨学科的而是凌驾于学科之上的专制。用莫兰的话来说，“这种控制论是把工程师对机器的观感搬进宽广的人类社会。”“从工程师有限的实践过渡到了没有限度的帝国主义。”这就是“工程技术的简化主义和泛控制论的帝国主义。”[5]
其次，维纳控制论由于受时代的局限，同样未能彻底超越机械还原论的思维方式。即把所有自然和生物之存在都归结为人造机模式。尽管维纳同罗森勃吕特等神经生理学家有过广泛的合作，也尽管维纳把动物和机器联系起来，试图探讨人脑和动物对刺激的反应，但他受当时生物力学的影响，其出发点依然是机械论的。即只是将生物的器官当作无生命的对象，用力学方法进行分析，用死物力学的思维研究生物力学。依据传统控制论，生物被看做一架受到DNA内部“程序”控制和支配的机器。细胞核中的基因机制，机体中的脑神经器官，被看做是用来处理信息的机器。至此，生物与人造控制机一样，都属于高级机器。可以说控制论虽然给生物提供了一个组织骨架，但却抽去了它的生命。
第三，维纳控制论虽蕴含着潜在的复杂性，但缺少一个复杂的“组织”基座和一个明确的复杂性理念。如上所述，控制论在总体上没有超出人造机的工程轨道。维纳在把反馈、因果、目的、通讯等概念聚成一个有机集合方面，做了卓有成效的工作，但却未能尽展这些概念之间的复杂性。特别是对复杂的因果关系、环境和目的的不确定性等未能展开研究。
维纳控制论还短缺一个能容纳无序的复杂性原则。由于传统控制论倾向于把一切都简化为一种自动化的、清除了一切无序因素的机器，所以，面对那类无序度较高的生物、社会系统，它就显得苍白无力。可以说维纳控制论缺乏关于生命、生态、社会和组织的向度。
2 复杂性探索中的控制论发展
科学发展史表明，控制论研究和复杂性探索是一个相互促进的过程。维纳控制论开启了复杂性探索之先河，而它的局限性又限制了它对复杂性的深入研究。几十年来，人们正是在超越传统控制论中发展控制论，以新的控制论加深对复杂性的研究，不断取得可喜的研究成果。
（1）控制论在探索复杂性中发展 控制论诞生近70年来，其发展大致经历了经典控制论和现代控制论两个历史阶段。具体的控制理论也从通常的反馈控制到最优控制、随机控制，再到自适应控制、自学习控制、自组织控制等。在研究相对复杂的控制系统中取得一个又一个的成就。特别是从上世纪70年代以来，人们开始探索将人工智能用于控制系统的智能控制以及非线性控制、混沌控制等，为复杂系统控制问题提供了新的解决途径[6]。
在传统控制论时期，控制理论的主要任务是提供一种理论与方法使其能根据预期要求设计控制器。由于控制对象和控制系统相对简单，所涉问题一般可用线性模式进行解决。但随着现实的需求和科技的发展，控制论所研究的系统，无论其复杂程度，还是其控制要求，都使得原有的理论和方法失效。于是人们就把在控制科学中遇到的种种难题归结为复杂性，诸如模式的无法或难以确定；问题的难以研究与给出解答；用计算机难以计算等等。总之，控制论面临着复杂性的挑战！
（2）发展和超越传统控制论的理念与进路 造成上述这些问题的原因主要在于非线性、非定常性与不确定性、高维数和系统模式的非单一性等。控制论所面临的难题，既是一个挑战，也是一个很好的发展机遇。有学者认为，建立在数学、计算机科学、系统科学、智能科学等学科之上的新复杂控制科学将可能是21世纪所要建立的新的体系[7]。这就有必要明确发展新控制理论的理念和进路。
首先，真正树立各种控制系统的复杂性观念。重视“通讯”与“控制”两者之间相互作用关系的复杂性，明确“通讯”是组织和生命引入的新向度，不是控制的简单工具，而是一种复杂的组织共生形式。只有这样，才有可能真正用通讯/控制的关系来考察复杂的生物系统和社会系统。
其次，把单一的“反馈回路”观念拓展成为复杂的“因果互动”和“递归组织”观念。用层级控制的思想展现现实世界的复杂性。
再次，面对复杂控制系统的不确定性、高度非线性、半结构化与非结构化、可靠性等问题，发展控制理论，拓展控制论方法，如模型方法等等。
3 复杂性探索的新视角——系统进化控制论
美国Los Alamos国家实验室系统科学家C.约翰逊曾指出，上世纪70年代产生了两个伟大的控制论的元理论，这就是W.鲍威斯在《行为：感知的控制》（1973）和图琴在《科学的现象》（1977）中分别以不同形式提出的新控制理论：感知控制论和元系统跃迁理论。
我们认为，美国系统科学家、物理学家和心理学家W.鲍威斯（W.T.Powers）的感知控制论和美籍苏俄学者V.图琴（V F Turchin）的元系统跃迁理论，作为一种新控制论，旨在探讨系统的复杂进化问题，故可称为系统进化控制论。它们在以下几个方面发展和超越了传统控制论，为研究复杂系统及其进化问题提供了一个独到的视角。
（1）控制论研究的复杂性定位 图琴的合作者F.海里津（F.Heylighen）等人认为：“从特别意义上说，控制论可以理解为研究复杂系统组织的一个一般性原则”。[8]这是对“控制论”的一种新理解和复杂性定位。他们利用控制过程这个核心原理来研究复杂性，运用它来解释诸如耗散结构理论、协同学、混沌、分形研究以及管理与行为科学等各系统科学领域研究的复杂性问题，力求在控制原则的基础上建立一个统一的理论模型和概念框架。所以我们必须从复杂系统及其进化的新观念来研究控制论，又要从控制机制的视角来研究复杂系统。
他们力图将工程控制论和理论生物学重新结合起来，提出了更加完整的生命控制模型。鲍威斯特别指出，系统科学发展几十年以来，研究伺服机器的工程控制论丢失了生物学，而理论生物学（包括M.艾根的超循环、I.普利高津的探索复杂性以及F.华里拉的自创生理论）却丢失了作为生命本质的基本控制机制，他们的任务就是要将二者结合起来创建新的控制理论。因此感知控制论比之维纳的控制论来，具有更加普遍的方法论意义。鲍威斯认为，不仅动物世界到处存在着与伺服机器相同的控制机制，而且一切生命都是层级地组织起来的负反馈系统，生命行为在所有时间里都是按特定目的对某种变量的控制，控制机制是生命的本质，“是一切行为的中心的和决定的因素”或生命的“基本原则”。
另外，他们发展了控制论中的目的性思想，强调复杂系统的目的性和层级进化。突出了复杂系统，特别是生命控制系统的内在目的性，并用“基准信号”这个科学概念来表示系统的目的，建立了一个控制论的目的性公式。他们所建立的控制关系的新图式，比维纳的控制论更精确地解释了控制过程，特别是它解释了生命系统以及其他复杂系统的层次突现进化。
（2）对控制和控制系统的新诠释 首先，鲍威斯定义了控制的概念：“A称作控制B，仅当对于所有作用于B的干扰影响，A总要产生一种行动，它倾向于强烈地抵消这种干扰影响B的效应”[9]。鲍威斯的合作者马肯（R.Marken）则干脆将控制定义为变化中的稳定性。从能量的观点看，一个系统能够成为控制系统，它必须是一个耗散结构；而任何复杂系统都必须通过控制机制才能达到适应性自稳定和适应性自组织以保持自己的有序结构，所以控制论以及它的这个定义从功能和机制上概括了范围广大的系统科学和复杂性研究的领域。
其次，按照他们对控制的界定，给出了一个控制系统的运作过程，可以概括为图1：
图1 控制系统与环境
这是一个负反馈回路图，其中有五个k函数，包括输入函数K[，i]，输出函数K[，o]，环境函数（反馈函数）K[，e]，干扰函数K[，d]以及比较函数K[，c]。有六个变量：r，p，e，a，q，d，在带箭头的线中传递。
在这些变量中，有两个重要的关系式：
a=K[，o]（e）=K[，o]K[，c]（r－p）（1）
e=K[，c]（r－p）
P=K[，i]（q）=K[，i]（K[，e]a－K[，d]d）（2）
（1）式表明，系统输出的行动a是基准信号（reference signal）即目的信号与感知信号（perceptual signal）之间的偏差的函数，这个偏离越大，为纠正这个偏离所需要的行动变量就越大，（2）式表明，感知信号是干扰变量与行动变量加权差（weighted difference）的函数，它报告了行动抵消干扰以达到基准信号所指示的稳定性的情况。
必须指出，感知控制论不同于传统控制论的一个基本原理，是控制者与被控制者的不同。按照鲍威斯的定义，所谓控制就是尽可能抵消某个变量所受的干扰，使其保持某种基准的动态稳定性。由此可见，不是感知信号控制行动，而是系统的行动控制感知信号，使感知信号尽可能与目的信号相符。
再次，图琴等人也对控制及控制系统作了新的诠释。图2为控制系统的最一般图式。
图2 控制系统图
该图说明了控制系统的组成和机制。如图所示，控制系统由控制者系统C′与被控系统S组成，这里，被控系统划分为两个部分：A—Agent，是行动者，起主动的作用；R—Representation，是表现，代表着多少带有某种被动性的客体或现象。控制者系统，也是由行动者与表现组成，附加第三个子系统G—Goal，代表控制者系统的目标。
控制系统的机制可理解为，控制系统C′中行动者A′施加一种作用约束着或影响着被控系统S中行动者A活动，而S有一种作用加于R′，R′是S的一种表现。这个表现R′又作用于A′，这样便构成了一个因果环，它就是控制论中所说的一种反馈。需要注意的是：这个因果环是不对称的，A′对S的影响是直接的，是动力学的，而S对A′的影响是间接的，是通过过滤器R′进行的，R′许可到什么程度，S对A′的影响就到什么程度。
（3）提出了元系统跃迁及其控制层级理论 图琴是这样界定元系统跃迁（the metasystem transition）的：设任何一类系统S，假定有某种方式产生出它的许多复本或变体S[，1]，S[，2]……S[，n]。这些S类变体作为子系统在某种机制下组成新系统S′，并且也有一套附加的机制控制S类子系统的行为与生成，则S′称作对于S的元系统，这个创生、跃迁或转换的过程就叫元系统跃迁（S→S′）。简称MST。S称为原初系统，它是MST的作用范围，n是被整合的原初系统的数量，是MST的规模[10]。同时，元系统跃迁还创造出新的控制形式，称为元控制。
由图3可知，所谓元系统，就是由被控系统S与控制者系统C′组成的新系统S′。即S′=C′[*]S[，o]这里S通常是有一种方法复制自己，所以S是一个系统的类，由n个系统S[，1]，S[，2]…S[，n]组成。C′代表一种控制机制，不但能控制S[，i]的功能，而且能控制S[，i]的繁殖。S′则是一个新的突现系统，不但创造了新的结构，而且创造了一种新的活动类型和作用方式A′，它不同于S的活动类型。A′叫做突现的新层次的活动，叫做倒数第二层活动。因此，元系统的精确具体定义为S′=C′[*]（S[，1]+S[，2]+…+S[，n]）。
图3 元系统跃迁
所谓元系统跃迁，就是由S转变到S′，即S→S′，或S→[S′=C′[*]（S[，1]，S[，2]，S[，3]……）]，这叫做结构上的跃迁。
其行为方式的跃迁为：A′=A的控制。这叫做功能上的跃迁。
持续的元系统跃迁，便创造了控制的层级，有S′→S″等等，这就产生了多层次控制系统。如图4所示
图4 元系统跃迁的控制层级
在这里控制者在跃迁中被控制，于是C′控制S=R+A，C″控制C′，等等。其中有两个信息流：①向上发生的表现信息流。R是环境的表现，R′是R的表现，R″是R′的表现，等等。②由上往下进行的行动信息流。A″控制着行动者A′，A′控制着A以图实现G′。行动信息流包括层次目标控制子层次目标，创造一个目标体系。每一个控制层级都有其最高层次C[（t）]，在这个层次里，表现R[（t）]是存在的最高级的抽象表现，目的G[（t）]是最终极的目的。
在《关于元系统跃迁的对话》[11]一书中，图琴通过一系列“逐步形式化”（progressive formalization）的方法，把元系统跃迁意义上的进化看作世界的一个不可剥夺的特征；把元系统跃迁范式看作是观察世界的进化和预言它的有效途径。
元系统跃迁理论在解决层次突现或层次跃迁问题上有新的突破。它同时从结构与功能两个方面分析了复杂系统层次的突现，用它解释了几乎所有的进化层次，从生命的起源直到科学的出现和科学认识的现象。例如诸多单细胞生物通过元系统跃迁成为多细胞，再进一步通过多次元系统跃迁而专门化，成为组织、器官、有机体。另外，人类大脑的突现，个人组成社会，军队的出现等等都是元系统跃迁的结果。
（4）提出了一种建构主义控制观，发展了广义进化论观点 维纳及传统的控制论可以说是行为主义控制观，认为是外部刺激控制了行为反应。而感知控制论则是建构主义控制观，认为是行动者（agent）及其行动控制了环境及其传感表现，表现出生命系统或复杂适应系统的那种自主性，以及行为过程、认知过程的主观能动性与观察者在其中的作用。
对于广义进化论原理中波普尔首创的盲目的变异与选择的保存原理[12]，图琴是接受的，他将系统的进化与自组织也看作是依照盲目的变异与选择的保存规律进行。并明确地将元系统跃迁作为进化基本过程或进化的“量子”，将进化过程描述为是一个带着某种目的性的多层次控制等级结构和阶梯序列。
可见，感知控制论和元系统跃迁理论为系统复杂性研究提供了一个独到的视角，特别是其层次控制和目的性的理论为复杂性的突现提供了一个机制，对于控制论的发展，对于生命科学、行为科学、管理科学等的研究都具有很大的意义。