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杨鸿智-后现代理论医学博客

《后现代医学》、《正反馈医学》、《自体原位器官重构技术》

 
 
 

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这是一个宣传后现代理论医学的博客.后现代理论医学是以系统理论为指导的新医学.该理论认为,在生命组织中干细胞是决定机体功能状态最基本的因素.通过调节机体内环境和为干细胞提供再生所需要的物质和能量,就可以使干细胞在患者体内原位再生,实现器官重构,使器质性病变得到治疗.现在,已经在北京医药信息学会内成立了后现代理论医学专业委员会,杨鸿智是主任委员.

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(8)控制论在科学史上的位置  

2013-07-23 16:11:20|  分类: 干细胞病 |  标签: |举报 |字号 订阅

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8)控制论在科学史上的位置

2009-07-27 23:30:37

http://wenda.tianya.cn/question/50174bbd5c673985

 

"在人们认识世界、改造世界的漫漫长夜中,不时闪烁着智慧的火花;在广阔的科学处女地上,遍布着开拓者们的足迹。环顾仰视,我们不难发现一座座人类科技史上的丰碑。

 

这里是牛顿等著名科学家建造的一座宏伟殿堂——经典物理学,它庄严、博大、精湛。那浑然一体的坚强柱石,那硕大的穹隆,无不令人肃然起敬。它不愧是一代科学之宫,领导了200多年的世界科学潮流,造成了以机器、轮船、铁路、电力、汽车和飞机等为代表的工业革命。

 

然而,较之本世纪初比肩崛起的另两座巍巍丰碑-量子力学和相对论来说,经典物理学之宫却显得低矮陈旧了一点。站在这两座丰碑之巅,人类的视野更加开阔,科学技术开始冲破传统范围,导致了本世纪整个自然科学在纵深方向的一场革命,形成了探测微观世界和洞察宏观宇宙的两个前沿阵地。

 

不过人们也注意到,量子力学、相对论领导的这场自然科学革命,尽管它的理论高度大大超过了经典物理学体系,却没有像经典物理学那样引起生产与社会文明的爆发性飞跃。

 

正当物理学家们步履艰难地迈着沉重步伐攀登之时,人们惊奇而又欣喜地发现:一个前所未有的科学技术与生产突飞猛进的新时代,就诞生在第二次世界大战的废墟之上。它并不直接来源于自然科学纵深方向的发展,而是来源于科学技术的横向突破。新时代的科学技术革命几乎深入到人类活动的所有领域,汇成了波澜壮阔的强大浪潮,并迅速构筑了那一片高耸入云的摩天大厦,而支撑这片大厦的擎天柱就是系统论、信息论和控制论,简称为三论。

 

无论是系统论、信息论,还是控制论,都与以往的任何学科不一样的,它们不是以客观世界的某种物质结构、属性和运动形式作为研究对象,而是一类别开生面的“横断科学”,就控制论而言,是似各种物质结构及其内部运动规律的共同特点——信息传递和变换为研究对象,即研究各种现实系统共同的控制规律。它既不限于自然科学,也不属于社会科学,而是横跨各个学科,超出了其他学科的局限性,为各门学科找到了共同的内涵。控制论揭示了机器与生物系统信息控制的共同规律,把反馈控制的原理扩展到生物、经济和社会系统,为后来控制理论在非工程系统中的应用提供了理论基础。究其本质而言,控制论是一门方法论学科,它是集当代哲学、社会科学、自然科学和数学之大成而产生出来的多学科综合体,即具有形成结构上的多学科性,研究方法上的综合性等显著特点。因此,控制论享有“交叉科学”、“边缘科学”和“横断科学”的美称。

 

我们可以看到,当今众多的学者和科技人员,都在他们自己的领域,如政治学、经济学、社会学、工程学、生物学、医学、教育学等方面,探讨和运用以控制论方法为主的现代科学方法。控制论与每门学科的具体方法有机地结合以后,又产生了一个又一个的边缘学科。

 

控制论的诞生

 

美国科学家维纳是世界公认的控制论的奠基人。他于1048年出版发行的《挖掘论》一书被认为是控制论学科诞生的重要标志。

 

说起维纳创立控制论学科的过程,还有一段传奇般的故事呢!

 

那是在本世纪30年代末期,美国马萨诸塞州府波士顿市附近的剑桥,一家装修并不豪华的小酒店里,每月都可看到一群年轻人在这里围着了一张大圆桌饮酒、交谈。有的衣冠楚楚、西装革履,有的衣衫不整、不修边幅,让人猜不透这群人的真实身份。他们偶尔轻言细语偶尔又争论不休。交谈和争论的话题也是海阔天空、相当广泛,涉及数学、物理、生物、医学、工程、机械、社会、经济等。他们的思想和观点,在当时是非常新颖而略显出格的,但听了使人耳目一新。

 

别以为这是一群年轻人在发酒疯、过酒瘾,其实是哈佛医学院的神经生理学家阿托罗·罗森勃吕特博士领导的关于科学方法论的午餐讨论会。讨论会的成员包括许多学科的年轻科学家,大都在本专业和其他科学领域有着广博的知识,思想异常活跃,具有独特的科学见解。该讨论会的一些积极成员,后来都成为名闻遐迩的大科学家,如诺伯特·维纳(创立控制论)、冯·诺依曼(V·Neuman)(计算机科学之父)、C.E.申农(Shannon)(信息论的奠基人)等。

 

正是因为积极参与这个讨论会,维纳的思想受到极大的影响。首先,维纳认识到,在科学发展上可以得到最大收获的领域,是已经建立起来的各门学科之间容易被人忽视的科学边缘(维纳称之为“科学处女地”)。控制论的创立正是他在这块“科学处女地”上辛勤耕耘的结果。其次,讨论会集中了大批的各种学科的杰出人材,讨论中往往是从不同科学领域的不同角度去谈论问题,同时也从本学科的角度去理解别人提出的问题。这使维纳极大地开阔了眼界,增长了见识,活跃了思想,融汇贯通了他自己过去在许多领域中的独特见解。再加上他本人渊博的知识,以及与几位合作者(如罗森勃吕特、别格罗以及当时在麻省理工学院任教的中国学者李郁荣博士等)的共同研究,最后才形成了控制论的基本思想。

 

诺伯特·维纳不仅勤奋好学,还十分聪慧。正如他自己在自传《昔日神童》中写的:“我曾经是个名副其实的神童。因为我不到十二岁就进入大学,不到十五岁就获得学士学位,不到十九岁就成了哈佛大学的哲学博士。”他又是一位数学家,曾经在赫赫有名的英国数学家罗素教授的影响下专攻数学,在纯数学理论上取得了很大进展。但是他成长为一个著名的数学家却相当缓慢。他从小无书不读,家庭教育过分苛刻,使他成为一个性格奇特的人。他对数学、物理学、博物学等许多学科都有着浓厚的兴趣,加上他严谨的科学态度、孜孜不倦的探索精神和敢于创新的意识,使他成为一个对社会、对人类大有贡献的杰出人物。

 

钱学森与控制论

 

与控制论其他分支比较起来,工程控制论是最早形成的一门学科,其研究方法也最为成熟。而其他控制论分支大多是借鉴工程控制论的分析方法,在各自领域内开展研究。工程控制论,也就是人们通常说的控制理论,是我国著名科学家钱学森创立的。他于1954年出版的专著《程控制论》,标志着这门学科的诞生。该书从技术观点出发对各种工程控制系统的自动控制原理作了全面总结和探讨,奠定了工程控制论的基础,指出了工程控制论的发展方向,推动了自动化技术在工程中的广泛应用,是世所公认的工程控制论经典著作。

 

纵观控制理论几十年的发展过程,人们习惯上把它分为经典控制理论、现代控制理论和大系统理论3个阶段,下面我们就分别加以叙述。

 

1.经典控制理论(4050年代末)

 

本世纪40年代,为了改善工业自动调节系统,特别是第二次世界大战中为解决军事装备自动控制系统的性能,逐渐形成了以分析和设计单变量(即一个物理量)控制系统的经典控制理论和方法。这期间,着重研究的是单机自动化或局部自动化。例如,用自动调节器来控制锅炉的水位、发电机的电压及电动机的转速。更为复杂的控制系统有大炮的自动瞄准、飞机、舰艇的自动导航和舵位控制系统等。经典控制理论应用于工程实践,最成功的例子是美国的陆军于1944年发明的自动防空火炮系统。该系统中包括雷达自动搜索和跟踪目标(敌机),同时控制高炮自动对准飞行中的敌机,自动计算出炮弹发射方向,自动装入定时起爆引信,炮弹自动上膛和发射,直到击落敌机或敌机逃跑为止。这样一个复杂的作战过程,居然能够全部自动化,而且比人操作更灵巧,命中率也高得多,在当时看来,的确是个奇迹。

 

2.现代控制理论(60年代初~现在)

 

50年代以来,控制理论在航空航天部门的应用进展很快,许多更复杂、更精密的自动控制系统相继出现,如自寻目标导弹、人造卫星、登月飞行、火星着陆、载人飞船等。与此同时,随着电子计算机技术的发展和普及,许多重要的工业生产部门也逐渐由局部自动走向综合自动化,因为这样可以最大限度地提高劳动生产率和产品质量,节约原材料和能源,从而实现现代化生产的最优化。

 

随着自动化水平的不断提高,控制系统本身也日渐复杂,系统中的控制变量数也随之增多,对控制性能的要求也逐步提高,很多情况都要求系统的性能是最优的,如时间最短,误差最小、燃料最省、产量最高、成本最低、效益最大等,而且要求对环境的变化有较强的适应能力,但现在所依据的稳定性、快速性和准确性等设计指标难以满足新的控制要求。为了适应航空航天事业和生产综合自动化的需要,1960年出现了以状态空间描述为基础,以最优控制理论为核心的现代控制理论。现代控制理论这一概念,最早是在1960年由美国著名科学家、控制理论界权威人士卡尔曼(R.E.Kalman)(时年仅27岁)提出的。其主要标志是卡尔曼提出的能控性和能观测性的新概念,还有贝尔曼的动态规划和庞特里亚金的极大值原理和卡尔曼滤波器。

 

3.大系统理论(70年代初~现在)

 

70年代以来,控制理论向深度和广度进一步发展,进入了所谓的“大系统理论”阶段。因为大系统理论可以用来解决大系统最优设计、最优管理和最优控制等问题,所以在国际上受到了日益广泛的重视。一方面,许多国家的研究机构、大学、军事部门,都在积极进行各种大系统的研究、分析、设计等工作;另一方面,国际上相继成立了跨国的大研究机构,如1972年在维也纳成立的国际应用系统分析研究所(ⅡASA),旨在专门研究涉及全世界范围的大系统问题,如地球资源问题、能源问题、人口问题、世界模型等。

 

但是,什么是大系统呢?因为它尚处于不断发展和完善之中,很难给它下一个确切的定义。通常所说的大系统,指的是包括工程技术、社会经济、生物、生态等各个领域的复杂系统。如各类文献中提到的大型钢铁厂、化工厂的多级计算机控制与管理系统;区域性火力电网的动态稳定、自动保护与最佳运营系统;水源供应系统、农田水力灌溉网、输油、输气管道系统;铁路、航空、城市交通管理与控制系统等等。

 

现代经济控制论

 

对于一个家庭而言,每个月的经济总收入是有限的,而要消费和支出的项目又很多,如衣、食、住、行,购买书籍、文具和其他娱乐消费等。如何合理安排和控制各项开支,做到既满足生活要求,又能略有节余以应不时之急需,乃是家政管理的一大学问。

 

对一个家庭是如此,对一个企业、一个地区乃至一个国家,更是如此。国民经济发展水平,是衡量一个国家综合国力的重要依据。而对国民经济的宏观遥控和微观搞活,就正如一个善于理财、精打细算的好管家对于一个家庭一样,是国民经济适度增长的必要保证。

 

经济学,作为一门完整的学科,已有数百年的历史。发展到今天,就像是一棵大树,深植在社会经济活动的土壤中,其粗壮的主干上分枝丛生,花繁叶茂,色彩缤纷。近几十年来人们尝试用控制论的思想和方法给这棵古老的参天大树嫁接上一枚并不显眼的新芽。在斗艳争芳的盛况中,在绿叶浓荫的掩映下,这枚嫩芽默默地成长着。通过母体发达的根系吸收土壤中的养分,以自己强大的生命力,迅速成长壮大起来。短短时间里,崭露头角,成了经济学这棵大树上独树一帜的新分支——经济控制论。特别是近十几年来,这一新的分支更是奇葩竞放,硕果累累,令人刮目相看。

我们说,控制论与经济学的结合产生了新的边缘学科经济控制论。但这并不意味着是先有控制论,而后才有经济控制论。事实上,早在控制论诞生之前,从古典经济学起,就有大量的经济学者在研究经济系统的调节、反馈、控制及稳定性问题,只是他们还没有上到控制论的高度来分析罢了。很明显,无论是古典政治经济学家还是现代经济学家,都在一定程度上认识到价值规律对经济发展起着重要的“调节器”作用,任何一种社会经济过程中都存在着某种自动调节与控制现象,用控制论的术语来说,就是“负反馈调节”。

 

经济控制论的最终形成是建立在现代自然科学和社会科学基础上的。1952年在法国巴黎召开的世界控制论大会上,与会学者首先提出了“经济控制论”一词。19511953年间,美国加利福尼亚大学史密斯教授运用电子模拟装置模拟资本主义经济体系,分析体系的稳定性和各种干扰影响的反应,指出了资本主义危机的必然性与周期性。1953年,英国电子工程学教授A.图斯丁(A·Tustin)发表了《经济系统的机制》,把二次世界大战中发展起来的经典控制理论应用于进行控制的问题上,1954年和1957年,美国数学家A.菲利甫斯(A.Phillips)在《封闭经济中的稳定政策》和《稳定政策与滞后反应的时间形式》等文中,开始用二次常微分方程来描述宏观经济系统,讨论了它的开环控制与闭环控制问题,并提出了一种新的控制方案来改进经济政策的稳定性。

 

随后,运筹学、系统工程、现代控制理论、大系统理论、微分对策理论等新的现代科学理论被陆续引用到经济学的研究领域,极大地推动了经济控制论进一步向前发展。

 

现代经济控制论的一个主要内容,是将控制论与数量经济学、管理学、经济系统学、运筹学等学科相结合,对具体的经济过程实现控制与管理。这类经济控制论问题把人和物及各种参数均视为被动的受控对象。典型的应用包括:宏观经济的最优控制、建立最优经济增长模型、最佳消费投资比例、最佳广告费用、有价证券选择、金融市场最优控制、基本建设投资优化问题等等。

 

现代经济控制论的另一方面是由对策论发展起来的。在这里,经济控制论把人视为其内在的动力因素,人与人之间的关系是既协作又竞争的,这种关系形成社会经济的唯一主动结构,从而形成了经济系统的控制功能,简单地说,这类经济控制论问题研究的是人的积极性、主动性,涉及到物质刺激、责任问题、竞争的控制功能等等。所谓“小智善于治事,大智善于治人,睿智善于立法”,就可喻指为控制的几个不同层次。

 

现代经济控制论作为一种管理过程的科学的基本工具,在社会主义经济中有着巨大的潜力。经济控制论的重要性表现在两个方面:一是它提供了一种关于使经济管理有效、准确和可靠的精确分析工具;二是它发展了一种处理和解决问题的合适的思想方法,我们称之为“控制论思想”。其实,经济控制论的原理和方法并非高深莫测,全部思想方法也都是辩证唯物的。大家都来学点经济控制论知识,对我们的国家、对我们的企业、对我们的人民,都将是有百利而无一害的。

 

 

控制论、信息论和系统论三者之间是什么关系

2009-12-20 19:10:09

http://wenda.tianya.cn/question/715845b65266e122

 

1,系统分析

 

系统分析是管理信息系统的一个主要和关键阶段,负责这个阶段的关键人物是系统分析员,完成这个阶段任务的关键问题是开发人员与用户之间的沟通。

 

系统分析从系统需求入手,从用户观点出发建立系统用户模型。用户模型从概念上全方位表达系统需求及系统与用户的相互关系。系统分析在用户模型的基础上,建立适应性强的独立于系统实现环境的逻辑结构。分析阶段独立于系统实现环境,可以保证建立起来的系统结构具有相对的稳定性,便于系统维护、移植或扩充。在系统分析阶段,系统的逻辑结构应从以下三方面全面反映系统的功能与性能:

 

1)信息。完整描述系统中所处理的全部信息;

2)行为。完全描述系统状态变化所需处理或功能;

3)表示。详细描述系统的对外接口与界面。

 

2.系统工程

 

用定量和定性相结合的系统思想和方法处理大型复杂系统的问题,无论是系统的设计或组织建立,还是系统的经营管理,都可以统一的看成是一类工程实践,统称为系统工程。

 

第二次世界大战以后。为适应社会化大生产和复杂的科学技术体系的需要.逐步把自然科学与社会科学中的某些理论和策略、方法联系起来.应用现代数学和电子计算机等工具.解决复杂系统的组织、管理相控制问题,以达到最优设计、最优控制和最优管理的目标。系统工程是一门高度综合性的管理工程技术,涉及自然科学棚社会科学的多门学科。构成系统工程的基本要素是:人、物、财、目标、机器设备、信息等六大因素。各个因京之间是互相联系、互相制约的关系。系统工程大体上可分为系统开发、系统制造和系统运用三个阶段,每个阶段又可划分为若干小阶段或步骤。系统工程的基本方法是:系统分析、系统设计相系统的综合评价。具体地说,就是用数学模型和逻辑模型来描述系统,通过模拟反映系统的运行、求得系统的最优组合方案和最优的运行方案。70年代以来,系统工程已广泛地应用于交通运输、通讯、企业生产经营等部门,在体育领域亦有应用价值和广阔的前景。它的基本特点是:把研究对象作为整体看待,要求对任一对象的研究都必须从它的组成、结构、功能、相互联系方式、历史的发展和外部环境等方面进行综合的考察.做到分析与综合的统一。最常用的系统工程方法,是系统工程创始人之一霍尔创立的,称为三维结构图:①时间维。对一个具体工程,从规划起一直到更新为止.全部程序可分为规划、拟定方案、研制、生产、安装、运转和更新七个阶段。②逻辑维。对一个大型项目可分为明确目的、指标设计、系统方案组合、系统分析、最优化、作出决定和制定方案七个步骤。③知识维。系统工程需使用各种专业知识,霍尔把这些知识分成工程、医药、建筑、商业、法津、管理、社会科学和艺术等,把这些专业知识称为知识维。

 

3.系统科学

 

系统科学是以系统思想为中心的一类新型的科学群。它包括系统论、信息论、控制论、耗散结构论、协同论以及运筹学、系统工程、信息传播技术、控制管理技术等等许多学科在内,是20世纪中叶以来发展最快的一大类综合性科学。这些学科是分别在不同领域中诞生和发展起来的,如系统论是在30年代由贝塔朗菲在理论生物学中提出来的;信息论则是申农为解决现代通讯问题而创立的;控制论是维纳在解决自动控制技术问题中建立的,运筹学是一些科学家应用数学和自然科学方法参与第二次世界大战中的军事问题的决策而形成的,系统工程则是为解决现代化大科学工程项目的组织管理问题而诞生的:耗散结构论、协同论等则是理论物理学家为解决自然系统的有序发展的控制问题而创立的。它们本来都是独立形成的科学理论,但它们相互间紧密联系,互相渗透,在发展中趋向综合、统一、有形成统一学科的趋势。因此国内外许多学者认为.把以系统为中心的这一大类新兴科学联系起来.可以形成一门有着严密理论体系的系统科学。早在60年代至70年代之间,美国一些学者看到了系统工程的发展与有关的基础理论紧密相关、系统工程与控制论的大系统理论互相渗透的情况.就将系统工程称为系统科学。

 

 

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lonlian | 2009-12-20 19:20:58

信息系统是与信息加工,信息传递,信息存贮以及信息利用等有关的系统。信息系统可以不涉及计算机等现代技术,甚至可以是纯人工的。但是,现代通信与计算机技术的发展,使信息系统的处理能力得到很大的提高。在现在各种信息系统中已经离不开现代通信与计算机技术,所以所说的现代信息系统一般均指人、机共存的系统。信息系统是一个非常宽泛的概念,信息的载体是数据,数据的具体形式各种各样,如数字,文字,图像,声音等等都是数据的形式, 文件是数据的集合单位,数据库是更加复杂的数据文件,文件以某种格式存放在物理介质中。从哲学的角度来看,信息是世界一切事物状态,属性和变化的反映。世界万物联系与发展的过程在人脑中的反映就是信息获取,信息处理和信息传递的过程,它们的关系就是客观与主观的对立统一,当主观思维与客观事实一致时对应的信息便是真理。信息系统的理论基础是系统论,信息论和控制论。系统论研究的是系统内部各部分之间有机结合形成的整体,体现的是各部分之间的相互作用相互影响的存在。信息论研究的是信息的采集,存储,加工,输出,传递等过程中的规律。控制论与系统论和信息论紧密联系,三者是三位一体的关系,既相互联系,不可分割,又有所区别,无论是人的大脑还是计算机的CPU,处理的都是数据/信息,人类的语言是人类思维的载体,而语言的形式无非就是文字,数字等符号,而在人类的形象思维中,图形又是表象的载体,因此,人的思维(无论是逻辑思维还是形象思维)是数据/信息的采集,存储,加工,输出的过程,人的思维系统可以看作是一套信息系统,眼睛可以采集文字(如看书),图像(看图),耳朵采集声音,经过大脑编辑,处理,输出结果,如计划,观念,判断,没有信息,就无法输出结果,也就没有任何决策,行为活动也便变得混乱(大概只能靠潜意识了)。企业管理同样也是一个有机的系统,各部门,各员工之间组成一个有机的整体,也存在一个信息系统。可见,信息是思维过程的意义的体现,思维的过程也就是信息处理的过程,因此,在人与客观世界的关系中,尤其在认识世界的过程中,人在主观上能处理的只能是信息,通过反应客观世界的信息来认知客观世界,人的逻辑思维和形象思维的过程就是人脑信息系统运转的过程,企业管理活动的全过程也构成一套完整的信息系统,具体的信息以计划,文件,报表等形式体现。很难想象,如果没有信息,人类会如何。读书处理的是信息,工作处理的也是信息,每天面对的现实世界也自动向我们反馈信息,人类是如此的离不开信息,而信息系统无处不在。

 

 

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