科普-中华学生百科全书-第3部分
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“鱼网”的科学原理
——系统结构决定系统功能
大家知道，一张网是由许许多多的网孔（单洞）编织而成的。试想，如
果将一张大渔网分解成与网孔数量同样多的“单洞”，并用这一个个的“单
洞”去网鱼，还能捕捞到鱼吗？毫无疑问，单洞网鱼，将一无所获。只有将
这些许许多多的“单洞”编织、连接成一张大网，鱼儿即使有腿也难逃了。
这张网也是一个系统，它的元素就是那许许多多的“单洞”，只有当许
许多多的“单洞”有机地连接成一张网时，由单洞构成的系统才有了捕鱼的
能力。如果将这些单洞连接成一条链状的“网”或其他不成片状的“网”，
都是无法网上鱼的。在单洞有机连接之前，尽管有同样数量的“单洞”，但
无论如何也不具备捕鱼的功能。用系统科学的话来说，是“系统的结构决定
了系统的功能”。
系统的结构与功能是系统科学的基本概念。不管什么系统，自然系统、
社会系统或人造系统，无不具有一定的结构。系统的结构就是系统保持整体
效应及具有一定功能的内在联系，即系统内部各组成要素之间在空间和时间
方面的相互联系与相互作用的方式或顺序。
现在，让我们来看看人口系统的结构是什么。
人口系统，最简单的结构是其性别与年龄。如果说一个国家，或者一个
城市的人口中，男的占 51％，女的占 49％，那么这两个百分数就是这个人口
系统的“性别结构”；如果冉从年龄方面来考虑，将总人口划分为未成年人、
成年人和老年人三部分，未成年人与成年人和老年人分别占总人口的比重为
30％、60％、10％的话，这三个百分数就是这个人口系统的“年龄结构”。
是否所有系统的结构都能用百分数来表示呢？不是的。例如，一张网的
结构就在于“单洞”的连接方式，晶体的结构在于晶体内部原子或分子的排
列方向与顺序，化合后的结构则在于其化学键的结合方式。对于具体的物质
来说，它们所具有的特定的存在方式，就是物质的结构方式。从宏观天体到
微观粒子的一切层次的物质系统，由于其内部分子、原子结构的差异，无一
例外地存在着一定的系统结构特性，如固态、液态、气态等多种物质结构形
式。研究任何物质系统的这种组成关系，就是结构问题。
那么，什么又是系统的功能呢？
我们把系统与外部环境之间相互联系和作用过程的秩序和能力称为系统
的功能。系统的功能体现了一个系统与外部环境之间的物质、能量和信息的
输入与输出的变换关系。可表示为：
说明上述作用与原理的例子很多，就拿电视机来说，它由显像管以及许
多的电子元件依据一定的秩序构成其内部结构。一般人并不清楚电视机的内
部结构，只有专门修理人员、专家才知道它的工作原理与每一个零部件的具
体功能与作用。但我们都知道怎么使用一台电视机，只要在电视台播放电视
节目的时间里，给电视机通上电源，选择适当的电视频道，就可以收看经电
视机将无线电波转换成由“光”与“声”组合而成的电视节目了。这里，给
电视机的“输入”是电台发射的无线电信号（电波）、能源“电”，它的“输
出”则是我们喜闻乐见的电视节目。那么，一台电视机的“功能”就是将输
入的电视信号变换成丰富多彩的电视节目。
总之，系统的结构是系统由内部各要素相互作用的秩序，而功能则是系
统对外界作用过程的秩序。归根到底，结构与功能所说明的是系统的内部作
用与外部作用。系统功能揭示了系统外部作用的能力，是系统内部固有能力
的外部体现。换句话说，系统的功能是由系统的内部结构所决定的，即“系
统的结构决定系统的功能”。
为了说明“系统的结构决定系统的功能”这一系统科学原理，让我们来
看几个有趣的例子：
在有机化合物中，有两种物质，一种是石墨，另一种是名贵的金刚石（钻
石）。有趣的是，虽然这两种物质都是由碳原子组成，但由于其碳原子的排
列结构不同，两种物质的性质迥然不同。金刚石由于碳原子的排列组合方式
使得碳原子间分布均匀，结合紧密，成为一种无色透明、外形为八面体的十
分坚硬的硬质晶体；而石墨却因为碳原子的另一方式的排列组合使得碳原子
层与层之间的间距大，组合力弱，形成一种软质鳞片状晶体，其强度、塑性
和韧性都接近于零。两种物质虽然都是由碳原子组成，但由于碳原子的排列
秩序不同，则一“硬”一“软”，材料的功能与作用相去甚远。可见，物质、
材料的特征与功能，不仅与其化学组成要素有关，而且还与要素之间的结构
息息相关。
一本书如果一页一页拆开，然后打乱原有次序乱七八糟地重新装订，尽
管书的单元保留无余，但由于书的结构被破坏了，就成了一堆废纸。
由此可见，对于一切系统，系统结构决定系统功能，破坏其结构，就会
完全破坏系统的总体功能。
系统工程的研究对象
过去，一个泥瓦匠要建造一所住房，在弄到各种简单的建筑材料后，首
先一个人进行构思（如设想房子的式样），然后按照自己的想法来建造这所
房子，在建造之中可以随着不断出现的情况来修改自己原来的构思，直到房
子建好满意为止。在整个劳动过程中，他既构想这所房屋的总体结构，又从
每一个局部来实现房屋的建造；他既是管理者又是劳动者，两者是合为一体
的。后来生产进一步发展了，房屋越建越大，参加的人越来越多，于是出现
了分工。犹如一个单独的小提琴手可以自己指挥自己演出，而一个乐队就必
须有乐队指挥。因此，在一切规模较大的工程中，必须有一个“总工程师”，
由这个总工程师负责从整体、全局的角度来指挥、协调其他人的个人活动。
这就好比乐队指挥必须指挥乐队成员统一“步调”，才能奏出和谐优美的音
乐。
随着科学技术的不断发展，出现了更多庞大复杂的系统，例如联合生产
企业、现代化农场、纵横交错的铁路网、通讯网以及大型的水利工程等，它
们具有更加复杂的综合性的功能和目标，单纯从一门科学技术着眼已不能解
决问题，需要从结构组成、技术性能、经济效益、社会效果、生态影响等多
方面来加以综合考虑。从另一方面来看，由于工程装置复杂程度的不断提高，
涉及的人员与因素也更多。像美国研制原子弹的“曼哈顿”计划，参加人数
有 15000 多人，历时约 6 年，而参加“阿波罗载人登月计划”的各类工程技
术人员达 42 万多人，历时约 10 年。直接和间接参加我国第一颗通信卫星研
制和发射的有 20 个省市、30 多个部委、1000 多个单位、20 多万人，历时将
近 10 年。显然，要指挥规模如此巨大的社会劳动，涉及如此广泛复杂的科学
技术知识，单靠一个“总工程师”或“总设计师”的能力与知识是远远不够
的。因此，如何在最短的时间里，以最少人力、物力和资金，最有效地利用
科学技术的最新成就，来完成一项大型的科研、建设任务，这就是“系统工
程”所要解决的问题。
导弹武器系统是现代最复杂的工程系统之一，要靠成千上万的人大力协
同工作才能研制成功。研制这样一种复杂工程系统所遇到的基本问题是：怎
样把比较笼统抽象的研制要求逐步地变为成千上万个研制任务参加者的具体
工作，以及怎样把这些工作最终综合成为一个技术上合理、经济上合算、研
制时间短、能协调运转（命中率高）的实际系统，并使这个系统成为它所从
属的更大系统的有效组成部分。这样复杂的总体协调任务不可能单靠一个“总
工程师”来完成，它要求以一种组织、一个集体来代替这原属于“总工”的
工作，以对这种大规模社会劳动进行协调指挥。在我国，这种组织叫做“总
体设计部”。
总体设计部负责设计的是系统的“总体”，即研究制订系统的“总体方
案”以及实现这个方案的“技术途径”。总体设计部虽不承担具体部件的设
计工作，却是整体系统研制工作中必不可少的技术单位。总体设计部把系统
作为若干子系统有机结合成的整体来设计，对每个子系统的技术要求都首先
从实现整体系统技术协调的观点来考虑：总体设计部对研制过程中子系统与
子系统之间的矛盾、子系统与系统之间的矛盾，都首先从总体协调的需要来
选择解决方案，然后留给子系统研究单位自己去实践。总体设计部的工作，
体现了一种科学方法，这种科学方法就是“系统工程”。系统工程是组织、
管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所
有“系统”都具有普遍意义的科学方法。
系统工程是一门“工程”，而且是“好工程”。与以往其他工程（如土
木工程、水利工程等）相比，系统工程不仅限于“物”的建造或改造，还为
完成某项任务而提供决策、计划、方案、方法和工作程序。系统工程与传统
工程相比，是一门以“软”为主的技术，而传统工程则是一门以“硬”技术
为主的工程技术。
系统工程最显著的特点是，以“系统”为研究对象，追求系统目标的整
体优化并使实现系统目标的方法和途径最优。换句话说，即在最短的时间内，
以最少的人力、物力和资金来实现系统的最好目标。
总而言之，系统工程是一门总揽全局、着眼整体的方法性学科，它要求
综合运用已有学科的思想和方法处理系统内部各部分的配合与协调，并借助
数学方法与计算机工具来规划、设计、组建、运行整体系统，使系统的技术、
经济、社会效果达到最优。
“阿波罗”登月计划
──系统工程的成功典范
嫦娥奔月是中国人民家喻户晓、妇孺皆知的神话故事。自古以来，多少
人幻想着摆脱地球束缚飞奔月宫。这些神话和幻想在 20 世纪 60 年代末，终
于成为实现。1969 年 7 月 21 日，人类破天荒向月球表面迈出了具有历史意
义的一步。
阿波罗是古希腊神话中的太阳神。以阿波罗命名的载人登月航天飞船，
由运载火箭“土星” 5 号和阿波罗飞船本体两大部分组成，火箭有 85 米多
高，飞船有 25 米多高。总长有 110．640 米，差不多相当于 40 层楼那样高；
它们直径有 10 米；总重量有 3200 吨。飞船由登月舱、指令舱、服务舱和脱
险装置 4 部分组成。带有阿波罗宇宙飞船和发射支座设备的“土星” 5 号就
有零部件 1500 万个。
阿波罗载人登月飞船于 1969 年 7 月 16 日发射，4 天后飞到月球着陆。
两名宇航员在月球表面上活动长达 2 小时 21 分钟之久。呈现在宇航员面前的
是棕色的尘土、深黑的天空、满目荒凉、没有生命气息的一个死寂的世界。
25 日指令舱回地球，在太平洋西南部溅落。3 名宇航员飞行 153 万公里，安
然无恙地返回人间。
美国的阿波罗载人登月飞行计划，于 1961 年提出，其系统目标是：10
年内把人送到月球表面并且安全返回地球，并要求在最短的时间内，以最少
的费用，胜利完成登月计划。
阿波罗计划顺利实施，是现代系统科学研究的成功典范。此项工程组织
了 2 万多个公司、120 多所大学，动用了 42 万人参加，投入了 300 亿美元的
巨资，用了近 10 年的时间，终于实现了人类征服地球引力，遨游太空，登上
月球探险的梦想。
整体阿波罗登月计划之所以能如期完成，关键在于运用系统方法进行有
效的组织管理。
首先，建立强有力的管理组织，明其职责分工。其次，用系统方法加强
对阿波罗计划整体过程的管理工作，将其管理工作全过程划分为编制计划、
分析评价、控制指导及督促检查等阶段，创造性地运用了新的管理方法，推
广使用了电子计算机从事生产与科研的管理，从根本上保障了阿波罗计划的
顺利完成。
阿波罗计划的成功，充分显示了系统工程的作用与威力。例如在飞行设
计中，科学家陷入了大量的权衡工作中。这些权衡牵涉到运载火箭和宇宙飞
船的不同重量对推力的要求；每种可供选择的飞行方案所需燃料的数量（以
及燃料的重量）；此外，还牵涉到经费、人员的管理与协调，阿波罗飞船的
安全可靠性等等一系列问题。科学家运用系统科学的原理与方法，一一解决
了工程研究中所遇到的各类复杂问题。
阿波罗飞船的登月成功，还证实了系统科学一个重要的命题——“综合
即创造”。负责阿波罗计划实施的总指挥韦伯先生说过：“阿波罗计划中没
有一项新发明的自然科学理论和技术，全部工作都是现有技术的运用。关键
在于综合。”
日本一些专家参观了阿波罗计划中所采用的硬件设备和工艺后，均认为
日本没有造不出来的东西。实现阿波罗计划所要求的 4 个主要系统技术——
大型运载火箭，在宇宙空间飞行的飞船弹道线路分析，轨道测定系统以及通
讯系统——在 20 世纪 60 年代已达到成熟，但作为一种系统的思维方式和科
学方法以及把它作为一个整体来处理计划、设计和管理的技术——系统工
程，日本却不如美国。因此，即使日本政府作出登月计划的决策，也不可能
实现这一计划。
系统工程的一个重要任务，就是综合运用现代科学技术各个领域的学术
成果，如运用控制论、信息论以及工程技术、经济学、心理学等各方面的理
论与应用研究成果为己所用。系统方法通常只不过是平凡的常识，每个�
