從他組織走向自組織——關(guān)于制造哲理的沉思
作者：華中科技大學(xué)博導 師漢民 | 閱讀次數：2020 轉自：不詳 時(shí)間：2004年4月14日17:48
一、工業(yè)經(jīng)濟兩百年反思
在兩百多年前，發(fā)生了工業(yè)革命。此后，以電力、石油為代表的能源工業(yè)和以鋼鐵為代表的材料工業(yè)得以飛速發(fā)展。同時(shí)，交通運輸與通訊等基礎設施也發(fā)展起來(lái)。在此基礎上，制造工業(yè)獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，勞動(dòng)力大批地從農業(yè)轉向工業(yè)，人口集中，建筑工業(yè)飛快發(fā)展，大城市開(kāi)始形成。商業(yè)開(kāi)始與生產(chǎn)分離，健全的市場(chǎng)經(jīng)濟與完善的金融體系逐步形成。龐大的現代工業(yè)體系和工業(yè)經(jīng)濟得以確立。
與數千年漫長(cháng)的農業(yè)經(jīng)濟時(shí)代相比較，歷時(shí)僅兩百余年的工業(yè)經(jīng)濟發(fā)揮出了遠為巨大的開(kāi)發(fā)與利用自然資源的能力，創(chuàng )造出了驚人的社會(huì )財富和高度的現代物質(zhì)文明?？墒?，隱藏在這些輝煌成就背后的代價(jià)卻是對于自然資源的窮盡式的消耗和對于生態(tài)環(huán)的嚴重破壞。
人類(lèi)本來(lái)是自然進(jìn)化的產(chǎn)物，可是，當人類(lèi)進(jìn)化到工業(yè)經(jīng)濟時(shí)代以后，卻以一個(gè)人造的“文明”將自己包圍起來(lái)，使自己與大自然隔離，遠離自然，甚至站到與自然為敵的地位。人類(lèi)大規模的制造活動(dòng)對于其自身的生存環(huán)境造成了不可逆轉的影響，使物質(zhì)與能量的品質(zhì)降低，而低品質(zhì)的物質(zhì)和能量是無(wú)法再加以利用的。
工業(yè)經(jīng)濟的行為模式是對于自然過(guò)程的人為的、強制性的干預。這種模式的典型代表是制造業(yè)中的“福特模式”，其特點(diǎn)可以歸納為：標準化產(chǎn)品的大量生產(chǎn)、互換性原理的應用、流水作業(yè)和精細分工、剛性生產(chǎn)設備、專(zhuān)業(yè)分化和順序決策、集中領(lǐng)導與分級管理。福特模式是一種“機械的模式”，它把整個(gè)企業(yè)組織得象一架機器，而每個(gè)工作人員，無(wú)論是技術(shù)人員或操作工人，都像一臺機器中的零件，齒輪或螺絲釘，在那里機械地運轉。這種模式將制造系統及其組成單元視為“死的”、沒(méi)有任何主動(dòng)性的東西，強調從制造系統外部來(lái)對之加以設計、組織和控制。這種模式適應了當時(shí)的技術(shù)水平和經(jīng)濟發(fā)展的需要，可是卻泯滅個(gè)性，以犧牲個(gè)體的獨立自主性來(lái)成全整體的協(xié)調一致性。
二、急劇膨脹的復雜性
眾所周知，現代制造系統和制造過(guò)程日趨復雜。導致今天的制造系統復雜化的因素主要有三：
其一，現代產(chǎn)品的結構愈來(lái)愈復雜、功能越來(lái)越多樣，而制造工藝也要求越來(lái)越精細。復雜的產(chǎn)品、精細的工藝極大地提高了制造系統和制造過(guò)程的復雜程度。
其二，消費日趨個(gè)性化、多樣化。大批大量制造的標準化的、規格劃一的產(chǎn)品不再為顧客所青睞。制造企業(yè)不得不轉向多品種小批量的生產(chǎn)模式，而且必須加快產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度。“以產(chǎn)品為中心”的生產(chǎn)正在轉變?yōu)?#8220;以顧客為中心”的生產(chǎn)。這些要求都極大地增加了制造系統和制造過(guò)程的組織、運行與調度的復雜程度；
第三，在全球經(jīng)濟一體化的形勢下，跨行業(yè)、跨地區、乃至于跨國的制造企業(yè)和制造資源正在集結成一個(gè)龐大的、復雜的制造網(wǎng)絡(luò )。這個(gè)網(wǎng)絡(luò )每時(shí)每刻都在遭受動(dòng)態(tài)的擾動(dòng)，經(jīng)歷著(zhù)動(dòng)態(tài)的調整。這么一個(gè)龐大、復雜的系統，其組織和運行的復雜性是可想而知的。
以上是就制造業(yè)內部來(lái)說(shuō)。從外部環(huán)境來(lái)看，世界正在進(jìn)入知識經(jīng)濟時(shí)代 [1]。在知識經(jīng)濟成長(cháng)的過(guò)程中，制造業(yè)面臨著(zhù)嚴峻的挑戰，經(jīng)歷著(zhù)十分深刻的變化。其中最突出的變化是知識化、服務(wù)化及網(wǎng)絡(luò )化。同時(shí)，我國的制造業(yè)正在經(jīng)歷著(zhù)從計劃經(jīng)濟向市場(chǎng)經(jīng)濟轉變和從粗放型經(jīng)營(yíng)向集約經(jīng)營(yíng)經(jīng)營(yíng)轉變。所有這些變化都促進(jìn)了制造系統復雜化的進(jìn)程。
現代制造系統的復雜性首先表現在它的固有的非線(xiàn)性上；其次，表現在多自律單元的協(xié)同及其突現行為上；第三，表現在它的開(kāi)放性上；第四，是它的非平衡性；最后，制造系統是生存在一個(gè)隨機變化、難以預測的環(huán)境中，它必須具備“隨機應變”的能力。對于如此復雜的系統，以任何傳統的運行模式與控制方法都是絕對無(wú)法駕馭的，而必須更新思想方法與行為模式，尋求新的途徑與手段。
三、自組織的概念、特征和機制
許多天然的或人造的復雜系統都是由大量的單元構成的,例如：生命系統、生物群落、生態(tài)系統、人類(lèi)社會(huì )、消費市場(chǎng)以及制造系統等等。在如何組織、運行和優(yōu)化這類(lèi)由大量單元所構成的系統上，自然造化與人工經(jīng)營(yíng)之間存在明顯的分野：前述從外部來(lái)對系統加以設計、組織和控制的模式可稱(chēng)為是“他組織”的模式，迄今包括人類(lèi)的制造系統在內的幾乎所有的人造系統都是采用“他組織”的模式；而以生命現象為代表的自然系統則采取了完全不同的路線(xiàn)——自組織的路線(xiàn)。
1．自組織的概念
“自組織”是現代非線(xiàn)性科學(xué)和非平衡態(tài)熱力學(xué)[2,3,4]的最令人驚異的發(fā)現之一?；趯ξ锓N起源、生物進(jìn)化和社會(huì )發(fā)展等過(guò)程的深入觀(guān)察和研究，一些新興的橫斷學(xué)科從不同的角度對“自組織”的概念給予了界說(shuō)：
從系統論的觀(guān)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，“自組織”是指一個(gè)系統在內在機制的驅動(dòng)下，自行從簡(jiǎn)單向復雜、從粗糙向細致方向發(fā)展，不斷地提高自身的復雜度和精細度的過(guò)程；
從熱力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，“自組織”是指一個(gè)系統通過(guò)與外界交換物質(zhì)、能量和信息，而不斷地降低自身的熵含量，提高其有序度的過(guò)程；
從統計力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，“自組織”是指一個(gè)系統自發(fā)地從最可幾狀態(tài)向幾率較低的方向遷移的過(guò)程；
從進(jìn)化論的觀(guān)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，“自組織”是指一個(gè)系統在“遺傳”、“變異”和“優(yōu)勝劣汰”機制的作用下，其組織結構和運行模式不斷地自我完善，從而不斷提高其對于環(huán)境的適應能力的過(guò)程。C. R. Darwin的生物進(jìn)化論的最大功績(jì)就是排除了外因的主宰作用，首次從內在機制上、從一個(gè)自組織的發(fā)展過(guò)程中來(lái)解釋物種的起源和生物的進(jìn)化。
2．自組織的特征
自組織現象是包括生命系統在內的許多天然系統中，最引人入勝而又發(fā)人深思的一種行為。與“他組織”相比較，自組織系統的行為模式具有以下突出的特征：
信息共享 系統中每一個(gè)單元都掌握全套的“游戲規則”和行為準則，這一部分信息相當于生物DNA中的遺傳信息，為所有的細胞所共享；
單元自律 自組織系統中的組成單元具有獨立決策的能力，在“游戲規則”的約束下，每一個(gè)單元有權決定決定它自己的對策與下一步的行動(dòng)；
短程通訊 每個(gè)單元在決定自己的對策和行為時(shí)，除了根據它自身的狀態(tài)以外，往往還要了解與它臨近的單元的狀態(tài)，單元之間通訊的距離比起系統的宏觀(guān)特征尺度來(lái)，要小得多，而所得到的信息往往也是不完整的、非良態(tài)的；
微觀(guān)決策 每個(gè)單元所作出的決策只關(guān)乎它自己的行為，而與系統中其它單元的行為無(wú)關(guān)；所有單元各自的行為的總和，決定整個(gè)系統的宏觀(guān)行為；自組織系統一般并不需要關(guān)乎整個(gè)系統的宏觀(guān)決策；
并行操作 系統中各個(gè)單元的決策與行動(dòng)是并行的，并不需要按什么標準來(lái)排隊，以決定其決策與行動(dòng)順序；
整體協(xié)調 在諸單元并行決策與行動(dòng)的情況下，系統結構和游戲規則保證了整個(gè)系統的協(xié)調一致性和穩定性；
迭代趨優(yōu) 自組織系統的宏觀(guān)調整和演化并非一蹴而就，而是在反復迭代中不斷趨于優(yōu)化；事實(shí)上，這類(lèi)系統一般無(wú)法達到平衡態(tài)，而往往處在遠離平衡態(tài)的區域進(jìn)行永無(wú)休止的調整和演化；一旦靜止下來(lái)，就表示這類(lèi)系統的“死亡”。
3．自組織的機制
物種起源、生物進(jìn)化和社會(huì )發(fā)展等自組織過(guò)程的發(fā)展方向是從混亂走向有序，可是熱力學(xué)第二定律卻斷言一個(gè)孤立系統必然從有序走向混亂。這曾經(jīng)是一個(gè)長(cháng)期使人困惑的問(wèn)題，在學(xué)術(shù)界引發(fā)過(guò)激烈的爭論。宗教界人士甚至據以“證明”上帝這一角色的必要性。本世紀最后30年對關(guān)于自組織機制的研究從不同的角度對于這一使人困惑的問(wèn)題給出了理論上的解釋?zhuān)?div style="height:15px;">
耗散結構理論[2,3] 認為一個(gè)遠離平衡態(tài)的非線(xiàn)性、開(kāi)放系統通過(guò)與外界交換物質(zhì)和能量，可以提高自身的有序度，降低熵含量。這一理論認為“非平衡”是有序之源。
協(xié)同學(xué)[4] 認為由大量微小單元組成的系統，在一定的外部條件下，通過(guò)各單元的相互作用，可以自發(fā)地協(xié)調各個(gè)單元的行為，從而產(chǎn)生宏觀(guān)的空間結構、時(shí)間結構與功能結構。這一理論認為在臨界狀態(tài)（分叉點(diǎn)）上，偶然的漲落經(jīng)過(guò)放大，將起到推進(jìn)有序化的作用。
元胞自動(dòng)機[5] 以計算機建模和仿真的方法，研究由類(lèi)似于生物細胞的大量并行個(gè)體所組成的系統的宏觀(guān)行為與規律。在研究方法上多采用離散的空間布局和時(shí)間間隔。一個(gè)典型的元胞自動(dòng)機是所謂“生命游戲”，它形象地表明，隨機的初始布局是如何經(jīng)過(guò)單元之間的短程通訊、微觀(guān)決策、并行協(xié)調和反復迭代，最后演化成為穩定、有序的空間結構。
人工生命[6,7] 以計算機建模和仿真的方法研究生命或生態(tài)系統的組織結構、功能及其主要的行為特征，包括遺傳、個(gè)體復制、發(fā)育和自組織等等。人工生命的研究認為生命的真諦在于其組織結構和行為特征，而不必拘泥于這些結構與特征所依托它的物質(zhì)材料。人工生命的研究表明，在秩序與混沌的邊沿存在一片孕育生命的神奇的綠洲，自組織現象就在此發(fā)生。
四、新的哲理與新的制造體系
如何適應經(jīng)濟發(fā)展和社會(huì )進(jìn)步的需要，如何駕御后工業(yè)時(shí)期制造系統和制造過(guò)程的不斷膨脹的復雜性，作為萬(wàn)物之靈的人類(lèi)從他們自己身上找到了解決問(wèn)題的鑰匙——從生命現象中學(xué)習組織與運行復雜系統的方法和技巧，是解決今天制造業(yè)所面臨的種種難題的一條有效的、甚至是必然的出路。這是因為，地球上的生物在漫長(cháng)的進(jìn)化歲月中所積累的種種優(yōu)良品性,為解決人類(lèi)制造活動(dòng)中的各種難題提供了范例和指南[8]。生物系統,從細胞到組織、到個(gè)體、直到群體(社會(huì )),都具有極其復雜的結構。一個(gè)小小細胞的復雜程度甚至也不亞于一個(gè)社會(huì )。大自然卻自有一套絕妙的方法來(lái)組織與運行生命系統，這就是自組織的方法。今天,人們所正在研究與推行的分布式網(wǎng)絡(luò )化制造系統、Multi-Agent系統[9]、敏捷制造系統和仿生制造系統[8]等等,其實(shí),是在不同程度上、有意或無(wú)意地學(xué)習與借鑒他們自身內秉的自組織的結構與運行模式。
人類(lèi)的制造系統正在從傳統的“他組織”走向自組織。其中當然包含技術(shù)上的進(jìn)步與升級，但首先是一種觀(guān)念上的轉變、哲理上的轉變，這是一種世紀性的轉變。
下一個(gè)世紀的制造必然是自組織的。自組織的制造系統將不再是一堆死的、被動(dòng)的設備和物料的集合，而是由一系列具有自身利益界定和自主決策能力的單元（Agent）所組成的整體[9]。生產(chǎn)設備將不再是被動(dòng)地被操作、被調度，而能夠按照其所采集到的周?chē)男畔?，根據當時(shí)的實(shí)際情況，自主地采取正確的對策與行動(dòng)。在“游戲規則”許可的限度內，每一臺設備都最大限度地爭取其自身的“利益”，同時(shí)，也為整體作出一份貢獻。物料或毛坯也不再是簡(jiǎn)單地被加工，而能夠根據零件或產(chǎn)品生產(chǎn)的要求，主動(dòng)地選擇最合適的加工路線(xiàn)、加工設備及工藝參數。生產(chǎn)任務(wù)與生產(chǎn)設備之間甚至還可以仿照人類(lèi)的社會(huì )行為，舉行“招標和投標”，簽定“合作協(xié)議”。這種制造系統可以表現出極其復雜的行為和特性，但它們并不需要技術(shù)人員從外部來(lái)加以調度。人類(lèi)專(zhuān)家所需要做的是設計好“游戲規則”，并準確定義每個(gè)單元的“自身利益”和行為策略。
不能把“自組織”的概念與“自動(dòng)化”或“智能化”混為一談，后兩者是對已經(jīng)存在的、確定的系統而言的，而前者著(zhù)眼的則是從無(wú)到有、從小到大、從粗到精和從劣到優(yōu)的進(jìn)化過(guò)程或各種復雜的突現（emerging）行為。
與人為的“他組織”系統比較起來(lái)，按照自組織原則構建和運行的制造系統具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：
更強的駕馭復雜性的能力 非常復雜的行為模式可以由按自律原則組織起來(lái)的、大量相互作用的、相對簡(jiǎn)單的單元來(lái)實(shí)現；
更強的適應環(huán)境的能力 各自律單元可以自作主張，見(jiàn)機行事，而不必待命于或聽(tīng)命于某個(gè)指揮中心，因此，對于環(huán)境的隨機變化和突然擾動(dòng)，具有更為靈活機動(dòng)的響應特性；由于自組織系統的運行和演化是基于大量單元各自的微觀(guān)決策，而少量單元的決策失誤或者損毀，并無(wú)關(guān)宏旨，因而這類(lèi)系統具有更強的魯棒性和更強的適應環(huán)境擾動(dòng)的能力；
更強的自行趨優(yōu)的能力 自組織系統一旦開(kāi)始運行，它就具有一種“自提升”的功能，能夠、而且必須在內部機制的作用下，不斷地優(yōu)化其組織結構，完善其運行模式。
