复杂系统层次的内涵及相互关系原理研究，本文主要内容关键词为：相互关系论文,内涵论文,层次论文,原理论文,系统论文，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。
中图分类号：N941 文献标识码：A 文章编号：1005-6408(2008)02-0034-06
层次是系统科学的重要概念，从某种意义上讲，系统科学就是研究层次之间相互联系、相互转化规律的。姜璐(1994)认为：系统性质主要由层次决定，一个系统内子系统是否存在层次结构是这个系统是否复杂的主要标志之一，系统科学对系统的分类也主要依赖它们的层次结构[1]。钱学森等人（钱学森、于景元、戴汝为，1990；颜泽贤，1993；王志康，1993）将只有一个层次或没有层次结构的事物称为简单的系统，而将子系统种类很多并有层次结构，它们之间关联关系又很复杂的系统称为复杂巨系统。[2,3,4]系统科学关于层次的研究主要集中于以下三个方面：(1)层次概念的探讨，(2)系统层次分类原则的探讨，(3)系统层次关系原理的研究。本文拟对层次的概念进行梳理，从而对系统层次关系原理进行更深入的研究，至于系统层次的分类原则将另文探讨。
1 关于层次概念的探讨
1.1 常用含义
“层次”在中文和英文中都早已有之，但它的广泛使用却是得益于系统论的传播。中文“层次”是由“层”（表示“重叠”）和“次”（表示“次序”）两个词组成的复合词，表示“重叠”、“次序”之义，《现代汉语规范用法大词典》定义“层次”为：“层次，事物的次序，多指说话、作文、画面的次序，有时也指相属的各机构”（周行健等，1997）[5]，这和英文中的level或hierarchy是相近的。在英文中，一般而言，层次这个词有两个含义，具体的、个别的层次（相当于英文level），或者完整的层次结构（相当于英文hierarchy）。《中国大百科全书哲学卷Ⅰ》(1987)对“层次”概念的界定是：“表征系统内部结构不同等级的范畴。任何系统内部都具有不同结构水平的部分，如物体可分为分子、原子、原子核、‘基本粒子’等若干层次；高级生命体可分为系统、器官、组织、细胞、生物大分子等若干层次，层次从属于结构，依赖结构而存在。系统内部处于同一结构水平上的诸要素，互相联结成一个层次，而不同的层次则代表不同的结构等级。层次依赖于结构，结构不能脱离层次，没有也不可能有无层次的结构。”[6]
1.2 自然辩证法中层次的含义
关士续(1989)等编写的《自然辩证法概论》对层次结构的界定是“层次结构指的是若干由要素经相干性关系构成的系统，再通过新的相干性关系而构成新系统的逐级构成的结构关系[7]。奉公(1999)认为，在自然辩证法中，层次的准确含义应该是“若干个下一级通过相干性关系构成具有新的性质的上一级的逐级构成性关系的等级结构”[8]。可见在自然辩证法中，层次的概念已经获得了比较清晰的界定。
1.3 系统科学中层次的含义
在系统科学领域，不同的学者从不同的角度给出了不同的定义：
张华夏(1987)认为物质层次是物质系统论的一个综合性概念，“系统层次的概念是直接从系统论的整体——部分概念以及组成元素经自会合自组织形成新系统的概念中引申出来的”。[9]
黄顺基(1991)等认为：“一种关系的系统是结构，所有关系的系统则是层次。层次表征系统内部结构的不同等级或水平。……天然自然的层次性是就有序关系而言的，即自反的、不对称的和传递的关系。”[10]
魏宏森、曾国屏(1995)认为，由于组成系统的诸要素的种种差异包括结合方式上的差异，从而使得系统组织在地位与作用、结构与功能上表现出等级秩序性，形成了具有质的差异的系统等级，即形成了统一系统中的等级差异性，层次概念就反映这种有质的差异的不同的系统等级或系统中的等级差异性。[11]
苗东升(1998)认为“层次是从元素到系统整体质的根本质变过程中呈现出来的部分质变序列中的各个阶梯，是一定的部分质变所对应的组织形态”[12]
许国志(2000)认为“复杂系统不可能一次完成从元素性质到系统整体性质的涌现，需要通过一系列中间等级的整合而逐步涌现出来，每个涌现等级代表一个层次，每经过一次涌现形成一个新的层次，从元素层次开始，由低层次到高层次逐步整合、发展，最终形成系统的整体层次。层次是系统由元素整合为整体过程中的涌现等级，不同性质的涌现形成不同的层次，不同层次表现不同质的涌现性。”[13]
董春雨、姜璐(2001)认为层次的产生即“新质”的产生，首先是一种新的整体关系或关联的确立[14]，系统在形成之后，还有其发展与衰亡即演化的过程，这实质上是系统的部分与部分之间、部分与整体之间、系统与环境之间关系的进一步调整，因此系统的演化才会呈现出不同的阶段性及其特点，并显示出更加丰富的层次性。可见，层次与进化有着密不可分的联系，只有在进化的图景中，我们才能更清楚地看到层次的本质及其意义。所以孙志海(2004)认为，所谓层次，从进化动力学的立场看，是对系统进化的阶段性的一种称谓。系统进化是一个逐级上升的过程，先产生的为下级层次，后产生的为上级层次。[15]
1.4 本文对层次含义的理解
综上所述，在系统科学中，关于“层次”的定义还没有能够得到普遍的认同，我们并不想对“层次”再进行一次定义，而是尝试着将“层次”的含义归纳为以下几个方面：
(1)任何一个复杂系统都是一个具有层次结构的系统。
(2)从静态结构看：层次反映的是系统内部所具有的不同结构等级，系统内部处于同一结构等级上的诸要素，互相联结成一个有机的整体，这一整体具有各要素都没有的新的性质（结构的、功能的），这一整体结构就构成了一个新的层次，不同的结构等级形成了不同的层次，系统层次的概念，揭示了系统之间的纵向有序关系。
(3)从动态过程看：层次是系统内诸要素整合为整体过程中的涌现等级，每一个涌现等级都是诸要素间通过不断地竞争与合作，形成了较为稳定的相互关系，表现为一种相对稳定的结构（既可以是静态结构，也可以是动态的耗散结构），不同性质的涌现形成不同的层次，不同层次表现出不同质的涌现性。
(4)从发生机理看：新层次产生的方式即是涌现，涌现是指系统内的组成元素经自组织形成了新的结构，出现了新的质。涌现的机理主要遵循超循环理论（M·艾根，1990）所揭示的“一旦——永久”选择评价原理[16]，层次的产生即“新质”的产生，它是一种新的整体关系的确立。
(5)从各层次运动形式看：一个高级系统包含着不同层次的运动形式，这些不同层次的运动形式之间不是包含关系，而是遵循着复杂的系统层次关系原理（下文将详细讨论），但一个系统整体和构成它的各个层次之间则是包含关系。
(6)从演化特点看：层次反映了系统进化的阶段性，系统进化是一个逐级上升的过程，先产生的为下级层次，后产生的为上级层次，系统的层次性表现出来的是系统在发展演化中连续性和间断性的统一。
(7)从功能的角度看：层次既是系统结构的承担者，又是系统功能的承担者。
(8)层次观念的精髓是：当从较低层次进入较高层次时，涌现出新的质[17]。（陈禹2000）
2 层次关系原理的探讨
层次的概念包括层次之间的关系，层次之间的过渡，层次关系的协调与控制（陈禹2000)[17]。《中国大百科全书·哲学卷Ⅰ》(1987)将层次之间的关系概括为“系统内部的层次是客观存在的，而同一系统内部各层次之间界限又是相对的。每一层次都有自身的质和量的规定。不同层次有不同的质，它们相互之间不可归约、不可还原、不可代替。另一方面，高一级的层次对于次一级层次又具有依赖性，并在一定意义上具有包含关系。层次作为对结构整体的‘解剖’，表现着结构的有序性及结构整体所包合的差别性和多样性；而这种差别和多样性又处在统一的有规律的联系之中。”[6]
张华夏(1987)将高层和低层之间的相互关系总结为以下三点[9]：
①高层次系统的结构、属性和运动形式是从低层次系统及其运动形式经层次突变而产生出来的，同时，高层次系统出现之后，产生它们的低层次系统并不因此而消失，而是作为高层次的一个组成因素包含于高层次的系统结构之中，成为它的基础和载体。这种低层次协同对高层次系统的根源作用、原因作用或影响作用，叫做物质层次结构的上向因果关系。正是因为高层次由低层次产生，并以低层次为基础和载体，所以低层次规律在高层次中仍然起作用，只不过起作用的条件发生变化，是在与高层次结构的条件下起作用罢了。②高层次一旦产生，就与低层次有本质的区别，因为从高层次看，虽然组成要素在低层次，但却产生了新的相互作用和结构，因而形成了新的实体，出现了新的规律，引起了新的属性。高层系统有自己特殊的结构、特殊的规律、特殊的属性和功能，这是不可能用低层次系统的结构、规律、属性、功能来代替的。③作为高层次系统组成要素的低层次系统与单独存在的低层次系统在性质上有所不同，它是以“改造过”的形态出现的。低层次系统明显地受着它所处在的高层次系统及其规律的制约、影响和支配，这种情况在社会生活中最为明显。这种高层次对低层次的支配和限制作用，被称为下向因果关系。
陈禹(2000)关于层次之间相互关系的基本要点为[17]：
①层次之间存在着质的差别。②层次的相对性。每一层次都有自身的特殊地位、特殊规律、特殊内容，它们之间是相联系的，但并不能相互完全包容，更不存在某一个特殊的层次，能够成为其他一切层次的基础。在一定的意义上是局部，在另一种意义上又是一个整体。③层次的无限性（它是质的无限性的一个重要体现）。④层次之间不同的联系方式：层次之间相互联系又相互区别，它们之间既不能相互分离，又不能够相互代替。⑤层次间的协调与平衡是复杂系统的管理与控制的关键要素。每一个层次都有自己的内涵、利益、目标和主动性。当我们立足于某一特定层次去想问题做事情，就必须考虑和尊重其他层次，其他个体的需求和利益。
孙志海(2004)对系统层次关系进行了较深入的研究，提出了系统层次关系原理[15]。转述如下：
①低层次是高层次产生的基础，没有低层次就绝无高层次。②低层次在系统中保持自己的独立性，某系统在向高层系统进化后，其旧的运动方式没有消失或消解，而仍然是高级系统多层次动力学机制中的一个层次，这叫低层自主，系统中各个层次都是自主的，叫分层自主性。③一个系统的最高层次是其本质层次，是作为高级系统的标志并将其与所有低级系统区分开来。④高级层次作为整个系统的本质层次，它一旦产生就会对系统的各个层次产生影响，使它们具体的行为方式产生相关的变化，这叫高层整合或高层控制。⑤系统的各个层次通过超循环的形成相互镶嵌在一起，在宏观上构成系统整体运动。
以上几位学者从不同的角度对系统层次的相互关系做了较深入的研究，但是只考虑了同一个系统内部的层次关系，没有考虑到各层次之间物质、能量、信息的交换关系，没有将熵值变化规律引入到层次关系的研究中，没有考虑到高层和低层的他组织——自组织之间的关系，更没有探讨过系统和外界系统相应层次之间的关系。本文从以下三个方面探讨系统层次关系原理：
2.1 系统内部同一层次熵值变化规律
姜璐(1994)认为熵是一个较适合描述复杂系统层次结构的概念，熵的变化可以反映系统的演化[18]。文献[19]（顾文涛，2006）探讨了I.Prigogine耗散结构理论中熵值变化公式的局限性，I.Prigogine熵值变化公式如下：
dS=d[,i]S+d[,e]S(1)
式(1)中为系统总体的熵值变化（简称为熵流），为系统内部的熵流（i是inside的首字母），它描述了系统内部不可逆的熵增过程，永远大于零。d[,e]S为系统与环境进行能量、物质、信息交换时形成的熵流（e是exchanges的首字母），但在大多数文献中，d[,e]S被理解为外界对系统的熵流输入，d[,e]S＞0为输入正熵，d[,e]S＜0为输入负熵。但是该公式隐含了一个长期以来一直被忽视的假设前提：系统和外界的物质、能量和信息的交换是连续且均匀的。例如贝纳德花纹产生的条件必须是系统外部热量的连续输入，而激光的产生也需要泵浦能量的连续输入。事实上系统和外界进行能量、物质、信息交换的方式有多种，连续性交换仅是众多交换方式的一种，更多的交换是非连续、非均匀的，系统外界对系统的能量、物质、信息的输入与系统对外界的能量、物质、信息的需要之间存在着一个动态的平衡，系统层次越高级，对外界能量、物质、信息输入方式的要求就越宽松。I.Prigogine其实是忽略了对交换方式和交换过程的研究。进一步研究发现：系统内部只要有自组织存在，就会产生负熵，产生负熵的物质、能量、信息来源既可来源于系统内部，也可来源于系统外部。董春雨、许斌(2006)已经注意到了冗余普遍存在于各个层次的系统中并发挥着重要作用[20]，冗余其实是系统内的能量储存的一种有效方式。系统外部的能量必须通过有选择地吸收，转化为内部能量之后，才能参与到系统结构的改变，而系统外界负熵的输入是一个他组织过程。文献[19]建立了一个新的可反映开放系统不可逆熵增过程、自组织过程和他组织过程的熵值变化公式：
dS=d[,i]S+d[,s]S+d[,h]S(2)
式(2)中d[,i]S为系统总体的熵流，d[,i]S描述了系统内部不可逆的熵增过程，永远大于零，d[,s]S描述的是系统内部自组织过程产生的熵流（s是self-organization的首字母），如果为负，则有序增加，如果为正，则有序降低，而其自组织过程所需的物质、能量、信息来源有两种途径，既可来源于系统内部（用d[,si]S表示），又可来源于系统外部（用d[,se]S表示）。表示外界对系统的他组织过程产生的熵流（h是hetero-organization的首字母）。该公式表示开放系统的总熵流包括不可逆熵增过程、自组织过程和他组织过程共三种过程。它更加真实地反映了系统内部某一层次的熵值变化以及该层次与外界进行物质、能量、信息交换时的熵值变化。
但公式(2)只反映了系统中某一层次熵值变化规律，董春雨、姜璐(1995)认为，复杂系统不同层次应有不同的熵概念，比如对于人这个复杂系统，从身体本身而言，有生物学意义的结构熵，其减小可以通过摄入食物而达到；他在知识的获取方面可以用信息熵来表述，信息熵的减少则可以从学习中逐渐引入信息来达到；作为社会的一分子，根据他的行为的随机性可以定义某种“行为熵”，而这种熵则可以通过社会道德规范以及法律的制定来减少[21]。可见，不同层次的熵所反映的内容有质的区别，并且不同层次的熵值变化的方式也同其相对应的熵一样，有层次之分，相互之间一般也是不可比较的。
2.2 系统内部各层次之间关系
(1)系统的层次区分是相对的，不同层次之间既相互区别又相互联系。系统内低层是高层的物质基础，低层通过自创生涌现出低层没有的新特性——这就是高层的诞生，低层结构破坏则高层结构消亡。
(2)系统最高层是系统的本质层次，其序参量（H·哈肯，1984）往往是整个系统的序参量[21]，高层具有低层没有的特性，高层的性质不能还原为低层的性质或低层性质的线性叠加。
(3)高层对低层具有直接影响力——这对低层系统而言属于他组织。高层具有的影响力能控制低层结构重组——这称为高层控制，此时高层对低层的输入主要是信息，通过信息——功能转换机制[16]，使低层产生高层所希望的结构和行为，此时整个系统处于自维持状态。低层在一定的条件下也会发生自组织，从而形成新的高一层系统的有序结构，这就是自创生——称为低层自主或分层自主。低层和高层的交流主要以信息为主，但有时也有一定的能量、物质交流。
(4)高一层可对低一层直接产生影响，而对更低一层的影响力则越来越小，越来越间接——这一性质称为逐层控制，其原因在于信息——功能转换机制的不同。
(5)同层系统的局部能量、物质、信息的分布是不均匀的，同时存在着大量的自由能，这为高层协调低层进行结构重组提供了能量，高层可通过协调使低层某局部能量更加集中，而在总体上不需要外界同层能量的输入。
(6)系统不同层次具有不同的熵概念，每一层次的熵值变化都遵循公式(2)所描述的熵值变化规律。
(7)尽管存在着逐层控制，但多个层次之间仍然具有一定的相互联系。当系统发生自组织产生新的层次时，系统中多个层次、多个要素会出现相干行为和协同作用，造成整个系统发生相变，进入新的状态。系统整体性质的涌现是所有子系统统一协同作用的结果（姜璐、谷可，2000），这种协同作用只有在一定阀值条件下才能出现[23]。
(8)突变往往是同层自组织，涌现出新质；高层控制低层的变化主要为渐变，具有目的性（环境适应性），对低层而言，属于他组织，但相对于外界而言，系统仍属于自组织。
(9)同一个系统中，层次越高，要素之间的结合强度越小。要素之间结合强度较大的系统，具有更大的确定性，反之则具有较大的灵活性。系统的确定性与灵活性是系统适应外界的一种能力表现，确定性大则灵活性小，确定性小则灵活性大。从较大的确定性到较大的灵活性，并非一步到位，而是要经过多阶段的发展才能实现的，这种阶段性的发展一经凝固下来，就表现为系统的层次性，形成了多层次的系统。
2.3 系统和外界相应层次之间的关系
(1)当系统某一层的基核形成之后，该层就会自动和外界同层进行能量、物质、信息的交流，从而对本层进行自扩张、自丰富。例如催化循环是由多个可产生催化剂的反应循环构成，催化超循环是由多个催化循环联合构成[16]，系统内外的能量、物质、信息交换基本遵循同层对应原则。
(2)尽管系统不同层次具有不同的熵概念，但各层和外界同层进行能量、物质、信息的交流都遵循公式(2)所描述的熵值变化规律。
(3)对外界能量、物质、信息只有选择性吸收才能促进有序，而选择性往往受到高层的命令和监督。
(4)如果系统某一低层受到来自外界同层的不利影响，能量、物质、信息的输入不利于系统，则高层会运用其支配力量对低层系统进行结构调整，从而使低层系统能够自维持、自发展，最终实现低层对外界同层能量、物质、信息的选择性吸收或抵御。
(5)如果系统某一低层受到来自外界同层的不利影响，高层亦可以直接向对方系统的高层输入能量、物质、信息，使对方高层对其低层进行调整，从而减少或消除对己方低层系统的不利影响。
对于一个系统的不同层次和另一个系统的不同层次之间复杂的相互关系，由于篇幅的关系，只能留待以后探讨。
3 结论
本文探讨了系统科学中关于层次研究的两个方面问题：(1)层次概念的探讨，(2)系统层次关系原理的研究。在层次概念的探讨中将层次的含义归纳为八个方面。本文的重点是系统层次关系原理的研究，以往的研究只考虑了同一个系统内部的层次关系，没有考虑到同一系统内部各层次之间物质、能量、信息的交换关系，没有将熵值变化规律引入到层次关系的研究中，没有考虑到高层和低层的他组织——自组织之间的关系，更没有探讨过系统和外界系统相应层次之间的关系。本文从三个视角对系统层次关系进行了分析：①系统内部某一层的熵值变化以及该层与外界进行物质、能量、信息交换时的熵值变化规律，②系统内各层次之间的相互关系，③系统和外界相应层次之间的相互关系。尤其是将熵值变化公式引入到系统层次关系的研究中，使得该领域的研究从定性研究向定量研究方面迈进了一步。从一定程度上弥补了前人研究的不足，但对不同层次的熵的概念的界定，对系统不同层次和另一系统不同层次之间复杂的相互关系等问题的研究，还有待于进一步努力。
收稿日期：2006-08-30
标签：自组织理论论文;