一、工程进化系统及其特性

自人类诞生以来，各类工程形成了一个复杂的巨系统。每一历史阶段、每一类型的工程是其不同层次的子系统，而每一种类型的工程又分为次级子系统。各种类型的工程之间、同一类型工程不同层次子系统之间的交叉与综合，使得这一巨系统更加复杂。如土木工程、机械工程、化学工程、生物工程、电子工程、能源工程等都是复杂巨系统的工程子系统，而石油工程、煤炭采掘工程、核能工程、新能源工程等则是能源工程的子系统，新能源工程又包含生物能源工程、化学能源工程等次级子系统。而生物能源工程、化学能源工程又是生物工程、化学工程与能源工程的交叉、综合的结果。

人类所有工程所形成的复杂巨系统在不同历史阶段、不同国家和地区的发展演化，形成动态的、非均衡的工程演化系统。在工程演化系统中，工程是以类似于生物界所有物种的形式而存在的。所有不同“物种”类型的工程共同组成大的系统（类似于生物界），其环境包括自然环境和技术—社会环境。

相对于静态的、结构的特性描述，关于工程的动态特性、过程特性描述尚显不足。一般来说，静态的或结构的特性可归结为建构性与实践性、集成性与创造性、科学性与经验性、复杂性与系统性、社会性和公众性、效益性和风险性等^[29]。而从动态的、过程的特性来看，人类的工程历史是系统的、自然的演化过程。正如汪应洛提到的，“一部工程活动发展的历史，就是工程系统演化的历史；而当我们从宏观角度梳理工程活动的诸要素演化过程的时候，工程演化的历史是一幅呈现在后代人面前的斑斓画卷，是一个自然的演化过程。”^[30]

工程系统演化的这一自然过程，具有整体性与层次性、开放性与动态性、非平衡性与非线性、“涨落”性与耦合性、选择性与适应性等特性。

1.整体性与层次性

系统的整体性是指系统由多个相互区别的要素组成的有机整体。组成系统的要素之间的相互作用由系统整体规定，并为实现整体目的服务。系统的整体性不仅在于结构上是有机的统一体，而且在于其功能不是各类要素性质或功能的简单叠加，而是具有各个要素不同时具备的新的整体功能。系统的层次性是指由于组成系统的诸多要素之间的异质性而使系统出现结构和功能上的等级秩序，呈现出异质性的子系统结构。工程系统的整体性体现在它是由多种类型的工程组成的复合体，而又由于各类工程之间的异质性，整个工程系统又分为诸多层次的子系统。

2.开放性与动态性

系统有封闭系统和开放系统之分。能够与环境进行能量和物质交换的系统称为开放系统。依据热力学第二定律，封闭系统因其不能与其外在环境进行能量和物质交换，系统趋于熵增，最终进入“热寂”。开放系统则因具备与外在环境进行能量和物质的交换能力，系统获得负熵，使得系统持续生存和演化。一旦系统丧失熵交换能力，就会转变为封闭系统。因此，系统能与外在环境之间进行物质、能量交换的属性，称该系统具有开放性。开放性是系统得以存续、演化的必要条件。

工程作为动态演化的有机系统，也具有开放性。这是由于工程系统的运行、演化过程中不仅与环境进行能量和物质交换，而且还有信息的输入和输出。否则根据热力学第二定律，一个与外界环境没有能量和物质交换的系统是一个处于平衡态的系统。这样的工程是不存在的。这里的环境所指处于系统之外并与系统的运行和演化有着能量和物质交换的各种外界条件的总和。工程系统的环境是指与工程的产生和演化有关联的各种外界条件的总和，它主要包括自然环境、社会环境、经济环境、科技环境和文化环境等（如图3.1所示）。任何工程总是与自然环境之间有着物质、能量和信息的输入，还存在着最终消耗物的排放；与社会、经济环境也进行着物质、能量和信息的交换（人力流、物流、资金流和信息流等）；同时，还受科技环境与文化环境的影响与制约。只有不断地与环境进行能量和物质交换，工程系统才能持续地获得负熵，才能够从无序向有序、从低级向高级演化。

图3.1　工程系统与环境之间的交换

除了对环境具有开放性以外，工程系统内各个子系统也应是开放的。从不同的角度划分，工程系统有知识结构、过程结构、信息结构和价值结构等^[31]。这些子结构系统也是开放的。从知识子系统结构看，与工程（项目）相关的工程理念、科学知识、技术知识、管理知识等也总是与外界的知识系统存在知识流动。从过程子系统结构看，与工程（项目）相关的立项、规划设计、施工、评价等过程也是不断根据各方面的变化而调整的。从信息子结构系统和价值子结构系统来看，同样也存在信息流动和价值（如有效性、时效性、安全性、经济性、审美性等）的交流与协商等。(www.daowen.com)

动态性是工程系统复杂性的表现之一。工程系统的演化是一个动态过程，体现为组成工程系统的各个子系统（或组元）之间的物质、能量和信息的频繁交换与流动。工程活动主体只有采取特定的集成方式和运行方式，将技术、资金、资源、劳动力等要素进行集成优化，在环境的促进或制约下，将各种相关要素集成起来，构建一种有序、有效且实现预期价值目标的系统。工程的演化与不断创新过程就是科学技术发展、市场需求、经济环境条件和其他社会条件等多种因素交互作用的过程。工程系统正是在其内部各子系统（或组元）的相互作用中，从外界环境中获得物质、能量的交换，获得反馈信息，以实现系统向高级有序进化。

3.非平衡性与非线性

非平衡是与平衡相对立的概念，了解非平衡态必须先说明平衡态。平衡与非平衡最初都是热力学意义的概念。在热力学中，“平衡态”指系统由于在空间上处于均匀无差异，系统内不存在任何宏观的迁移过程，如热平衡。非平衡态指系统由于在空间上存在某种不均匀或存在差异，系统内发生着某种宏观迁移过程。如由于温差而出现宏观的热对流。系统具有热力学平衡态、近平衡态和远离平衡态三种存在方式。近平衡态与远离平衡态都属于非平衡态。依据非平衡态热力学有关知识，在非平衡态中，系统通过做功产生熵，因有物质、能量交换而有熵变。

工程系统的形成总是人们为了特定的目的，将资源、技术、资金、能源、市场、管理，以及其他因素整合起来组成有序结构的过程，由于组成工程系统的要素（子系统）总是有输入—输出的，因而是动态的、变化的。特别是由于技术创新、管理创新使得工程不断引入负熵，促使工程系统的结构优化，使其结构由低级向高级演化。这种不断引入负熵的过程使得系统总是趋于非平衡态。另外，工程的不断创新使得工程系统总是处于远离平衡态，在涨落的作用下获得“突变”的可能，进而产生新的有序状态。

非线性是指系统的组成要素之间相互作用的一种数量特征及其不可叠加性。系统各子系统（或要素）之间相互作用的数量特征存在有两种类型，即线性作用和非线性作用。线性作用系统是指系统的整体作用或功能是各个子系统（或要素）单独作用的机械叠加，它满足数学的叠加原理。非线性作用系统是指系统的整体作用或功能有别于（超越）系统各个子系统（或要素）单独作用的数学和，不满足或不遵守叠加原理。

工程系统的非线性是指工程系统内各个要素（子系统）之间、各个状态量之间的相互作用是非线性的。正是非线性作用，才使得工程系统存在一定阈值内的“涨落”，涨落导致有序。工程活动中的非线性作用还体现在工程系统内部各个子系统（组元）之间的竞争与协同上。而各个子系统之间的竞争与协同是由于各个子系统（组元）在系统演化过程中的异质性、不平衡性产生的；同时也是各个子系统（组元）对外部环境的适应与反应不同而产生的。各个子系统（组元）之间竞争与协同的结果就是保持整个工程系统的有序演化。

4.“涨落”性与耦合性

涨落性是指工程系统在演化过程中各种要素、系统状态、性能等的起伏变化和工程主体行为、市场、资金投入、科技发展状况、文化观念等变化给工程系统结构或功能带来的影响。它分为系统的内部涨落和外部涨落。不同涨落对工程系统的作用不同。小涨落可能仅仅是对工程系统的一种小扰动，不足以改变工程系统的状态，但是巨涨落可能使工程系统状态失稳，进而通过自重组跃迁到一种新的稳定状态。由于不同工程系统存在整体性的差异，对涨落的反应也不同。工程系统性能较差时，涨落可能引起系统运行过程中的振荡，甚至造成系统的崩溃，产生严重的负效应。反之，工程系统如果具有良好的运行机制，则可能利用涨落促进系统演化。

耦合性是指工程系统内各个子系统（组元）之间通过相互作用而彼此影响的特性。工程是由资源、技术、资本、土地、市场、管理及其他子系统集成起来的动态系统，由于各个子系统的异质性，它们在运行过程中的系统状态也各异，但在整个工程系统内部非线性作用下，各个子系统之间发生非线性耦合，彼此之间相互作用与影响，从而实现工程系统内部的协同。

5.选择性与环境适应性

选择性是指工程系统的演化作为一个自然过程，受自然、社会、经济、产业、科技、文化等外界环境因素制约与影响，从而对工程活动中的集成方式、集成过程等进行选择、优化，促使系统涌现性的发生。选择的结果体现为一批新的工程系统的产生，或者是一批原有的工程系统的改进、改造；又或者是一批旧的、落后的工程系统被淘汰。

环境适应性是指在环境发生变化时系统通过改变自身的某些性质（结构及其运行方式），使其能更好地发挥其功能的特性。工程系统总是在一定的环境（即更大的系统）中存在和演化的，工程系统要维持运行状态需要与环境不断地进行能量、物质和信息的交换。然而，环境总是会发生改变的，这就要求工程系统必须具有适应环境的能力，要求依据环境变化对系统输入和输出的信息反馈做出结构或运行方式方面的调整，从而保证系统的正常运行。环境适应性强的工程系统其生命力较强，被淘汰的机会就较小，反之则可能会遭到淘汰。