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试论工程系统演化过程研究内涵(王来贵,朱旺喜)

已有 2889 次阅读 2014-8-24 11:07 |个人分类:王来贵教授论基金写作|系统分类:科研笔记| 国家自然科学基金, 演化过程, 工程系统, 研究内涵

 人类有目的、有组织地改造客观世界的活动形成了各式各样的工程。工程在形成过程及形成后的运行过程中,由各种分项要素、分项工程在时空范围内排列、组合及相互作用组成了工程系统。随着时间的推移,在内部动力、外部动力或内外联合、耦合动力的作用下,工程系统的结构、状态、特性、行为、功能等发生变化,这些变化统称为工程系统的演化。工程系统演化过程中,具有不可逆性、非均匀性、非线性等特性。工程系统结构在内动力、外动力或内、外动力联合或耦合作用下演化的基本原理就是工程系统的演化机理;工程系统演化机理是工程系统演化的核心问题。本文从系统科学的角度[1],在分析国家自然科学基金工程科学项目选题[2]、科学问题[3]、“机理”类项目研究内涵[4]、“模型”类项目研究内涵[5]的基础上,对工程系统演化过程中不同演化阶段及其对应的响应关系、演化趋向、演化标度等相关问题的研究内涵进行进一步探讨,以利于明确工程系统中的科学问题,有助于国家自然科学基金项目的申报、评审、管理及研究工作。

 1、工程系统的结构、边界与环境

 工程系统的结构是构成工程的各种不同要素或子系统结构、分项工程在时间、空间上排列、组合及相互作用构成完整的、相对稳定的整体构架,是工程系统构成要素组织形式的内在联系和秩序的本质,代表了工程系统的内因。工程系统(内因)结构包括工程的组分、结构形式及其相互作用方式,或者工程系统的三要素即组成部分、时空秩序、联系规则。

 在一定时空范围内研究工程系统的演化行为,必须包含足够研究信息所需要的最小界域,该界域就是工程系统的边界。工程系统边界之外的一切事物的总和即为工程系统的外界环境,是工程系统的外因。工程系统的内部结构、外界环境,均可能单独、共同承受如机械(力学)、物理、化学、生物、社会或综合等因素作用。

 工程系统从初态到终态,内部结构、边界是一个不断变化的动态过程,并且内部结构、边界的在时空范围内变化率一般不均等;通常工程系统的边界是开放的,外界环境与内部结构通过开放的边界有物质、能量和信息的交换、传递。在内部结构与边界模型分析中,边界的动态特性、开放性和非线性需在边界条件和初始条件中体现。

 2、工程系统的特性

 工程系统除了具有整体性、层次性、开放性、目的性、稳定性、自组织性、突变性及相似性等特性外,在演化过程中还包括以下特性。

 ⑴ 不可逆性

 工程系统在初始状态和演化过程中,内部结构在组成部分、时空秩序及联系规则等方面存在差异或不平衡,随着时间的推移而发生相应的调整和变化,同时工程系统的边界、外界环境也会随之发生变化;同时在演化过程中,工程系统要消耗内部能量,造成结构内部的调整,一般不可能自动回到工程系统的初始状态,即属于不可逆过程。

 ⑵ 非均匀性

工程系统在初始状态和演化过程中,系统内部结构在系统的组分、浓度、强度、温度、顺序或速度等方面存在差异,形成初始状态和演化过程的非均质性;或导致同一组分在演化过程中演化速率不同,或不同组分间演化速率差异,甚至发生组分结构间的非连续性。

 ⑶ 非线性

 工程系统在形成和演化过程中,非线性包含三方面含义。一是在形成过程中,工程系统的内部结构、边界及外界环境条件随时间均处在不断地动态调整、变化过程中,结构、边界、环境的动态调整、变化体现了组织形式上的非线性性质。二是工程系统形成后,在演化过程中系统结构就可能发生破坏。如果系统结构的破坏范围小、强度弱时,分析时可不考虑结构破坏引起的系统结构变化;如果系统结构的破坏范围较大、或强度较强时,结构破坏引起的系统结构调整、变化足以影响系统特性时,分析时必须考虑系统结构的调整。因此,工程系统在形成后,在系统结构、边界、环境等方面显现出演化过程的非线性特性。三是工程系统的结构通过边界与环境相互作用时,一般情况下体现外界激扰与内部相应的非线性响应特性。工程系统组成的非线性特性是工程系统复杂性的根源。

 3、工程系统的演化动力

 从作用类别上分析,工程系统的演化动力可分为机械(力学)、物理、化学、生物甚至社会等各种因素独立或联合、耦合作用;从工程系统的层次性分析,演化动力包括内动力、外动力或内外耦合动力的作用,使得工程系统发生了功能、行为、特性、状态等属性的变化,从而分别形成了内部机制、外部机制与内外耦合机制。

 ⑴ 内动力。指在同一层次的工程系统中,由工程内部各组分之间由于在组分、浓度、强度、温度、顺序或速度等方面存在差异而引发工程系统内部的合作、竞争、矛盾等相互作用,导致工程结构在规模、组分、关联方式等方面的改变,进而引起工程系统功能或其他性质的改变。例如岩土工程系统在外力不变时,由于内部结构的不均匀性,导致岩土工程系统随时间推移而发生蠕变变形

 ⑵ 外动力。如果从工程系统的层次性、开放性分析,工程系统高层次子系统间的内部作用,在低层次子系统间相互作用就为外部作用。即对一个特定的子系统A来说,另一个子系统B对子系统A的作用就为外部作用。因此一般情况下,工程系统演化动力多考虑适当层次的外动力作用,也就是外部环境的改变或环境与工程系统的相互联系、作用方式的改变,引起工程系统内部结构组分、联系方式和规则的广义变化。

 ⑶ 内外联合、耦合动力。对特定的工程系统,除了内部在组分、浓度、强度、温度、顺序或速度等方面存在差异外,系统同时承受外部环境的联合作用,甚至是内外相互耦合作用。

 4、工程系统的演化阶段

 工程系统从初态到终态,由于内动力、外动力或内外耦合动力等因素作用下,处在不断地演化过程中,经历了孕育、潜伏、发生、爆发、持续、衰减直至终止等不同演化阶段。因此研究工程系统的演化,必须深入了解什么原因,即什么内因(工程系统的结构)与什么外因(工程系统的环境)相互作用并导致工程系统处于哪一个演化阶段。

 工程系统从孕育到潜伏、潜伏到发生、发生到爆发、爆发到持续、持续到衰减、衰减到终止等过程中,各个阶段演化特性一般是不同的;各个阶段之间可以发生转化(换),也可能出现终(中)止或突跃。因此,要描述工程系统演化特性,就要在确定工程系统所处的演化阶段的基础上,描述该阶段的演化特性与演化进程中不同阶段的转化(换)、突变或终(中)止条件。

 5、工程系统的演化趋向

 在内动力、外动力及内外联合或耦合动力作用下,工程系统演化趋向一般可分为三种,一是工程系统由初始剧烈变化逐渐趋向静态或动态平衡,使工程系统趋于“静止”状态。如果在内部动力作用下,随着时间的推移,工程系统逐渐消除了在组分、浓度、强度、温度、顺序或速度等方面的差异,趋于均衡;在内、外动力共同作用下,工程系统内部结构与外部环境相互影响达到动态平衡,趋向稳态。此时工程系统处处、时时处于稳定平衡状态。

 二是工程系统处于缓慢变化的过程中,即工程系统发生“量变”或“渐变”。在内部动力作用下,工程系统在组分、浓度、强度、温度、顺序或速度等方面的差异随时间推移变化相对很小,或影响缓慢;在内、外动力共同扰动作用下,工程系统内部结构与外部环境相互影响势能相对较小,导致工程系统变化率很小。此时工程系统可以承受、调节这种扰动作用,处于稳定变化状态。

 三是工程系统处于从缓慢到快速剧烈变化的过程中,即工程系统发生从“量变”或“渐变”到“质变”或“突变”过程。在内部动力作用下,工程系统在组分、浓度、强度、温度、顺序或速度等方面的差异随时间推移变化相对很大,或影响剧烈;在内、外动力共同作用下,工程系统内部结构与外部环境相互影响势能相对较大,导致工程系统变化率很大。此时工程系统处于非稳定变化状态,在内部或外界扰动下,工程系统出现加速变化状态,能量释放率大,可能发生工程系统失稳。

 6、工程系统演化过程的本构及响应关系

 工程系统在内动力、外动力单独、联合或耦合作用下,在不同的演化阶段,体现出不同的演化特性。如果工程系统承受机械(力学)作用,须建立工程系统中力学本构及响应关系;如果工程系统承受物理作用,须建立工程系统物理学本构及响应关系;如果工程系统承受化学作用,须建立工程系统中化学本构及响应关系;如果工程系统承受生物作用,须建立工程系统中生物学本构及响应关系;如果工程系统承受社会作用,须建立工程系统中社会学本构及响应关系。

 实际工程系统,往往是机械(力学)、物理、化学、生物甚至社会等几种因素的联合或耦合作用。因此多因素作用的复杂工程系统,除了研究单一因素的本构及响应关系外,更要研究多因素独立、联合或耦合作用的本构或响应关系。

 对于同一工程系统,同一大类例如在机械(力学)作用下,不同种类的机械(力学)作用方式如拉力与压力、单轴与多轴、静力与动力、高速与低速等,不同的作用历程如加载与卸载、进程与回程等,不同作用阶段如弹性与塑性、损伤与断裂等,不同的存在状态如稳态与动状、平衡态与非稳态等特性一般是不同的。与机械(力学)作用类似,不同类型、不同阶段、不同历程、不同状态的物理、化学、生物以及社会等各种因素的作用也是如此。

 7、工程系统演化的标度与控制变量

 工程系统演化过程中,内部结构、对外属性及边界形态均会发生变化,但能否发生根本性变化是衡量工程系统演化趋向的标准。工程系统内部结构的演化标度主要包含组成部分、时空秩序、联系规则等三要素的演化,具体指工程系统在组成物质成分、几何尺度、形态、种类、结构顺序、浓度、强度、内部性质等方面是否发生根本性改变;对外属性演化是指工程系统与外界环境包括关联度演化即在数量、性质、强度、种类等发生的改变,或信息交流量的演化及响应性演化即在灵敏度、选择性、稳定性等特性的改变;边界形态演化一般包括工程系统在边界在外形、构型及工程系统轨迹演化的改变。

 工程系统演化过程中的内部结构、对外属性及边界形态,在每一个演化阶段,均可能有一个(组)连续、缓慢变化,主宰着工程系统演化过程,决定着工程系统演化方向和演化结果的变量,这一个(组)变量就是控制变量。工程系统的控制变量是工程系统演化标度中最敏感、最主要的影响因素,研究中最终的目的找到控制变量,寻求控制变量对工程系统的控制作用,掌握控制原理;并通过调控控制变量,达到控制工程系统向人为目的而演化的目的。 

 无论是内部结构还是对外属性及边界形态的演化,可以采用能量守恒方程、广义力平衡方程、质量守恒方程等进行描述,同时采用组分、温度、位移、应力、应变、浓度、强度、温度、顺序或能量、质量等作为变量,利用能量变化率、变量的变化率或变量的变化加速度等对工程系统运行状态进行判别。

 8、结语

 人类面临的各类工程,实质上是非常复杂的巨系统,因此须用系统科学的研究思路进行分析,即在掌握工程系统的结构、边界、环境构成的基础上,具体分析不同工程系统的不可逆性、非均匀性、非线性等特性。工程系统结构在内动力、外动力或内、外动力联合或耦合作用下,不同的演化阶段具有不同的演化机理,须充分了解工程系统演化趋向并建立工程系统不同演化阶段的本构与响应关系与标度,完整地描述、分析工程系统及其演化过程。

  参考文献

[1] 陈忠,盛毅华编著.现代系统科学学[M],上海科学技术文献出版社,2005.5.

[2] 王来贵,朱旺喜.探讨国家自然科学基金工程科学项目的选题[J],中国科学基金, 2011, 4,244-246.

[3] 王来贵,朱旺喜.以科学问题为主线申报国家自然科学基金项目[J],中国科学基金,2007, 1,39-42.

[4] 王来贵,朱旺喜.浅析国家自然科学基金“机理”类项目的研究内涵[J],中国科学基金,2009, 1,47-49.

[5] 王来贵,朱旺喜.探析国家自然科学基金“模型”类项目的研究内涵[J],中国科学基金,2010, 3,175-178.

论文下载:

试论工程系统演化过程研究内涵_王来贵.pdf




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