二、基于熵分析的工程演化熵流模型

熵（Entropy）概念的提出和热力学第二定律的确立，不仅标志着人们开始对复杂的对象作整体的研究，而且为系统演化的方向和过程提供了科学判据。“熵”概念最初是德国物理学家克劳修斯在描述热力学第二定律时提出的。普利高津曾说：“熵概念的引出是对19世纪科学思想的非常重大的贡献。与那种将注意力放在把研究对象分解成许多小单元的发现上的情况相比，热力学反其道而行之，表现出一种可贵的进步倾向。热力学是对复杂对象作整体研究的开端。”^[1]

普利高津将熵概念应用到非平衡热力学系统（特别是远离平衡态系统）的研究中，提出了耗散结构理论。基于熵概念，对开放的、远离平衡态系统的耗散结构特性进行了分析，他认为，开放系统（如图4.1所示）的总熵变（Entropy Transition）方程式为

dS=diS＋deS

其中，diS——系统内部的不可逆过程引起的熵变，不可能为负（即熵增原理）；

　　　deS——系统与外部环境进行能量和物质交换时引入的熵变（或熵交换），可正可负。

图4.1　开放系统及其与孤立系统、封闭系统的区别

依照总熵变方程式，不同的系统由于deS情况不同，其结论也不一样。

第一，如果是封闭的孤立系统，由于没有熵交换，deS＝0，而diS＞0，则dS＞0，系统总是趋于熵增，其无序度增大。

第二，如果是非线性、不可逆的近平衡态封闭系统，deS≤0，而diS≥0，由于在近平衡态的封闭系统中deS（deS＜0）的值一般较小，而dis的值相对较大，则deS＋diS≥0，系统终究抵制不了总熵的增大，最终将趋于平衡，仍然趋向无序化。因此，非线性、近平衡态的封闭系统不可能形成有序结构。

第三，如果是远离平衡的、具有非线性作用机制的开放系统，那么deS＜0，尽管diS＞0，但deS＋diS＜0，即dS逐渐变小，系统有序化程度增加，因而系统具有动态有序的耗散结构，具有自组织的特性。(www.daowen.com)

从熵变方程式的讨论中可知：系统只有从外部引入负熵（deS＜0），且满足deS＋diS＜0时，才可能获得自组织的特性。也就是说，一个开放系统从无序向有序演化，必须有外界负熵输入（deS＜0），且从外部输入的负熵必须与系统内的熵增抵消后，使系统总熵为负，才能使系统形成具有生机与活力的耗散结构。

依照上述结论，与外界环境有熵交换，即有负熵输入只是一个开放系统形成耗散结构，进行自组织演化的必要条件，而不是充分条件。耗散结构的形成还有其他条件，即系统需要开放、远离平衡、系统内相关单元具有“涨落”性和相关单元之间发生非线性作用。

类似地，工程系统形成具有生机与活力的耗散结构，获得自组织的特性也必须具备上述条件。在开放性的、远离平衡的、具有非线性作用和存在“涨落”性的前提下，工程系统还要从外界环境中不断引入负熵，并使工程系统的总熵为负，才能促使工程系统自组织演化的实现。在上一节已经从历史的角度对整个工程系统具有开放性、远离平衡、非线性以及“涨落”性等共性特征进行了论述，下面只根据“熵”的分析来论述工程作为系统的自组织特性。

第一，工程系统是一个技术集成系统，它是开放的，其开放性在工程系统的熵变中得以体现。工程是改造自然、服务社会的实践活动，反映着人与自然、人与社会（人）的关系，必然与自然环境、社会环境等密切相关。工程系统的外界环境是指与工程的产生和发展有关联的其他外在条件组成的集合，主要是自然环境和社会环境（包括科技环境和文化环境）。工程系统的形成、运行和演变都处于社会环境中，同自然环境也存在着作用和影响。工程总是通过集成相关技术形成的具有“活结构”性质的系统，与自然环境之间既有物质、能量的输入，也进行着物质和能量的输出；同样，工程系统与社会环境系统也进行着物质、能量和信息的交换（如人力流、物流、资金流和信息流等），而且还受着科技环境与文化环境的影响与制约。

另外，工程作为直接的生产力，是社会经济系统的一部分，同其他经济活动有着密切的联系。从总体趋势来看，我国正处于社会主义市场经济和工业化道路的转型时期，无论是工程活动的数量还是规模都在不断变化，导致工程发展不断变化和扩展，这个过程是不可逆的过程。另一方面，随着科技的发展，不同产业内部，企业的工程活动的规模也在不断变化，变化的速度也在加快。技术进步了，虽然总存在diS＞0，但是diS的绝对值较之deS的绝对值要小，工程系统的总熵也可能相对变小，从而工程系统在一定环境条件下趋于有序化发展。

第二，由于工程系统处于远离平衡态、工程系统内部相关单元具有“涨落”性和相关单元之间的非线性作用，从而促使工程系统的有序化。工程系统内存在多种竞争和合作关系，物质要素之间、物质要素与非物质要素之间，以及非物质要素之间都存在非线性相互作用。非线性作用力会促使工程系统保持远离平衡态；在远离平衡态，工程系统内部相关单元的“涨落”性会使系统在定态的稳定性不能得到保证，当形成“巨涨落”时发生工程系统失稳；在这一过程中反馈作用的存在，以及当输入负熵达到一定的阈值时，通过系统内部相关单元的非线性耦合，促使其产生新的稳定性有序结构。

第三，工程系统从外部环境获得负熵输入，而且只有当外界负熵输入大于内部熵增，使开放系统处于总体熵减状态时，工程系统才能稳定、有序演化和发展。依据耗散结构理论中对于系统熵产生的分析，系统耗散结构的形成基于开放系统总熵为负，由于系统内部熵增，所以只有通过与外界环境进行物质和能量交换，即必须引入足够的负熵系统才可能形成耗散结构，获得自组织特性。否则，如果没有负熵的输入或没有足够（一定阈值内）的负熵输入，根据熵增原理或最小熵原理，系统将演化到近平衡态，进而达到平衡态，平衡态意味着系统的“死亡”。若得到负熵输入的“补充”，而且负熵输入大于系统内部熵增，则系统有足够的能量来激励“巨涨落”的产生，改变系统自身的结构向更高层次演化和发展。工程系统的自组织演化必须不断地从外部环境输入足够的负熵，以抵消系统内部的熵增，这样才能确保形成更高层次的、稳定有序的耗散结构。否则，工程系统越来越无序，走向“热寂”平衡，直至崩溃或消亡。基于“熵”分析的工程系统耗散结构的熵流模型如图4.2所示。

图4.2　基于“熵”分析的工程演化熵流模型

一般来说，工程系统中各个子系统（或组元）之间的异质性及其矛盾是系统内部熵增的原因。工程系统不断接受外部环境足够的负熵输入，有利于消除或缓解系统内部的各种矛盾，促使内部各个子系统（或要素）之间的非线性作用与协调、竞争与协同，促进各个子系统（或组元）之间的非线性耦合，从而总体上促使工程系统的总熵为负，这样有利于工程系统自组织的发生。

依据熵的耗散结构分析，工程作为由许多子系统通过集成而组成的复杂开放系统，具备耗散结构形成的条件和特点，具有自组织演化的特性和发生自组织过程的能力。耗散结构理论关于系统自组织演化与熵流之间关系的分析方法，在许多领域（如人力资源管理、产业结构体系等）得到成功应用。本书将熵流分析方法用于工程演化的研究中只是做初步的探索和尝试，很显然这方面的研究还有待于开拓和深入。