数字人体研究的方法论

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数字人体研究的方法论

来源:中国医学影像技术 | 作者/编辑:毕思文 | 发布时间: 2003-01-01 | 2214 次浏览 | 分享到:

笔者主要从数字人体研究方法的哲学基础、还原论与整体论相结合、定性描述与定量描述相结合、局部描述与整体描述相结合、确定性描述与不确定性描述相结合、系统分析与系统综合相结合、模型与原型、数学模型和基于计算机的模型等 9 个方面介绍了数字人体研究的方法论。为深刻认识复杂的人体系统, 定量表达提供了基础。

　　人体是一个复杂的巨系统 , 要深刻地认识人体系统, 需要用复杂系统理论来研究。所以, 凡是用系统观点来认识和处理数字人体问题的方法, 亦即把对象当作系统来认识和处理的方法 , 不管是理论的或经验的, 定性的或定量的, 数学的或非数学的 , 精确的或近似的, 都叫做数字人体系统方法。在数字人体的不同学科分支之间 , 系统方法既有共同点,也有相异之处。本文拟对适用于数字人体不同层次和分支研究的系统方法作方法论的阐述。

1 数字人体研究方法的哲学基础[ 1]
　　任何科学方法都有它的哲学基础。系统科学第一批学科分支的开创者们 ,如一般系统论的创立者贝塔朗菲, 控制论的创立者维纳和阿什比(W .R .Ashby), 信息论创立者之一的韦弗 (W .Weaver), 运筹学创立者之一的丘奇曼(C .W .Churchman), 都很重视哲学思考 ,努力从哲学上论证本分支学科的方法论。20 世纪 60 年代以来建立的系统理论 ,如普利高津的耗散结构理论, 哈肯的协同学 , 托姆的突变论, 艾根的超循环论 ,费根鲍姆(M .J .Feigenbaum)等人的混沌学, 芒德布罗(B.M andelbrot)的分形学 ,钱学森的系统学 , 同样重视对方法论作哲学探讨。
　　数字人体研究的方法论的哲学依据 ,归根到底是唯物辩证法。多数系统科学大家明确承认辩正对系统研究的指导作用。贝塔朗菲(1972)承认马克思的辩证法对今天被称为一般系统论的理论观念的发展作出了自己的贡献。丘奇曼预言未来的系统分析必定会提出一种新的哲学, 其“主旨概念将是辩正的学习过程”[ 3](迈尔斯 , 1986)。普利高津(1998)主张 , “我们需要一种更加辩正的自然观”[ 4]。哈肯(1990)在谈到协同学的“哲学方面”是明确应用了对立统一、量变质变等辩正法规律[ 5]。钱学森更是不遗余力地宣传系统科学必须以马克思主义哲学为指导, 自觉地应用辩正法于系统研究[ 6]。笔者始终坚持以唯物辩证法来研究数字人体[ 7]。

　　辩证法的核心是对立统一。用之于系统研究, 就是强调还原论方法和整体论方法的结合, 分析方法与综合方法的结合, 定性描述与定量描述的结合 , 局部描述与整体描述的结合, 确定性描述与不确定性描述的结合, 静力学描述与动力学描述的结合, 理论方法与经验方法的结合 , 精确方法与近似方法的结合, 科学理性与艺术直觉的结合等等。这些结合是人体系统研究方法之精髓所在。

2 还原论与整体论相结合[ 1]

　　古代科学的方法论本质上是整体论(wholism), 强调整体地把握对象。近400 年来科学遵循的方法论是还原论(reductionism), 主张把整体分解为部分去研究。古代的整体论是朴素的、直观的,没有把对整体的把握建立在对部分的精细了解之上。随着以还原论作为方法论基础的现代科学兴起, 这种整体论不可避免地被淘汰了。还原论科学并非完全不考虑对象的整体性问题。作为还原论方法的奠基者之一笛卡儿(R .Descartes), 主要是从如何研究整体才算是科学方法的角度论证还原的必要性的。
　　还原论的一个基本信念是, 相信客观世界是既定的, 存在一个由所谓(宇宙之砖)构成的基本层次 , 只要把研究对象还原到那个层次 , 搞清楚最小组分即“宇宙之砖”的性质 , 一切高层次的问题就迎刃而解了。由此强调,为了认识整体必须认识部分, 只有把部分弄清楚才可能真正把握整体 ;认识了部分的特性, 总可以据之把握整体的特性。在这个意义上, 还原论方法也是一种把握整体的方法, 即所谓分析-重构方法。但居主导地位的是分析、分解、还原:首先把系统从环境中分离出来, 孤立起来进行研究;然后把系统分解为部分,把高层次还原到低层次, 用部分说明整体, 用低层次说明高层次。在这种方法论指导下, 400 年来科学创造了一整套可操作的方法 ,取得巨大成功。
　　数字人体 ———人体系统数字学[ 2],不同的是强调为了把握整体而还原和分析,在整体性观点指导下进行还原和分析,通过整合有关部分的认识以获得整体的认识。对于比较简单的系统 , 这样处理一般还是有效的。但是, 当现代科学把简单系统问题基本研究清楚 , 逐步向复杂系统问题进军时, 仅仅靠分析-重构方法日益显得不够用了。把对部分的认识累加起来的方法, 本质上适宜描述整体涌现性。愈是复杂的系统 , 这种方法对于把握整体涌现性愈加无效。

　　数字人体———人体系统数字学[ 2] 是通过揭露和克服还原论的片面性和局限性而发展起来的。朴素整体论没有也不可能产生现代科学方法, 但包含着还原论所缺乏的从整体上认识和处理问题的方法论思想 ,理论研究表明, 随着科学越来越深入到更小尺度的微观层次 , 我们对物质系统的认识越来越精细 , 但对整体的认识反而越来越模糊。现代科学表明 ,许多宇宙奥秘来源于整体的涌现性。还原论无法揭示这类宇宙奥秘, 因为真正的整体涌现性在整体被分解为部分时已不复存在。而社会实践越来越大型化、复杂化, 特别是一系列全球问题的形成 ,也突出强调要从整体上认识和处理问题。

　　世界是演化的, 一切系统都不是永恒的。宇宙的许多奥秘只有用生成的演化的观点, 才能作出科学的说明。基于还原论的科学是存在的科学, 无法研究演化现象。还原论就是既成论, 还原方法就是分析方法。涌现论把世界看作生成的。从生成论的观点看, 整体涌现性可以表述为“多源于少” , “复杂生于简单” 。生成论是涌现论表现形式之一。

　　总之, 研究人体系统不要还原论不行 ,只要还原论也不行;不要整体论也不行 ,只要整体论也不行。不还原到元素层次, 不了解局部的精细结构, 我们对人体系统整个的认识只能是直观的、猜测性的、笼统的、缺乏科学性。没有整体观点 ,我们对事物的认识只能是零碎的 , 只见树木, 不见森林, 不能从整体上把握事物、解决问题。科学的态度是把还原论和整体论结合起来。

3 定性描述与定量描述相结合

　　人体系统有定性特性和定量特性两方面, 定性特性决定定量特性, 定量特性表现定性特性。只有定性描述, 对人体系统行为特性的把握难以深入准确。但定性描述是定量描述的基础, 定性认识不正确, 不论定量描述多么精确漂亮 , 都没有用, 甚至会把认识引向歧途。定量描述是为定性描述服务的, 借助定量描述能使定性描述深刻化、精确化。定性描述与定量描述相结合 , 是数字人体研究的基本方法论原则之一。

　　成功应用定量化方法的系统理论告诉人们 , 首先要对人体系统的定性特性有个基本的认识 , 然后才能正确的确定怎样用定量特性把它们表示出来。即使被公认为最定量化的学科, 至少它的基本假设是定性思考的结果。要建立定量描述体系 , 关键之一是在获得正确的定性认识基础上如何选择基本变量。例如 ,普利高津经过长期观察思考非平衡态的物理系统 , 首先定性的理解了自然界的各种“活”结构或形态只能在系统远离平衡的条件下自发产生出来 , 而后进一步理解了这种大自然的创造性“必须以某种方式与距平衡态的距离联系起来” ,把这种距离看作描述自然的一个新的基本参量[ 4](普利高津, 1998), 最终找到定量的描述耗散结构形成演化的科学方法。

　　自牛顿(I .New ton)成功地用数学公式描述物体运动规律以来 , 定量化方法越来越受到重视 , 获得极大发展 ;定性方法被当作科学性较差的、在未找到定量方法之前的一种权宜方法。这在系统科学中也有反映。但随着系统研究的对象越来越复杂, 定量化描述的困难越来越严重了。人体系统数字学要求重新评价定性方法, 反对在数字人体系统研究中片面的追求精确化、数量化。就是说, 那种不能反映对象真实特性的定量描述不是科学的描述, 必须抛弃。
　　定量描述必须使用数学工具 , 定性描述也可以使用数学工具。由庞加莱(H .Poincare)开创的定性数学是描述系统定性性质的强有力工具。特别是研究人体系统演化问题, 我们关心的是人体系统研究未来的可能走向 , 而不是具体的数值 , 动力学方程的定性理论、几何方法、拓扑方法等是良好的方法。
4 局部描述与整体描述相结合

　　整体是由局部构成的 , 整体统摄局部, 局部支撑整体, 局部行为受整体的约束、支配。描述人体系统包括描述整体和描述局部两方面, 需要把两者很好地结合起来。在人体系统的整体观对照下建立对局部的描述, 综合所有局部描述以建立关于人体系统整体的描述 , 是人体系统研究的基本方法。突变论的创立者托姆认为, 用动力学法研究系统, 既要从局部走向整体, 又要从整体走向局部。对于从局部走向整体, 数学中的解析性概念是有用的工具;于从整体走向局部, 数学中的奇点概念是有用的工具。一个奇点可以被看作由空间中的一个整体图形摧毁成的一点,系统在这种点附近的行为是了解系统整体行为的关键。所以托姆认为:“在突变论中交替地使用上述两种方法, 我们就有希望复杂的整体情况作出动态的综合分析(托姆 , 1989)”原则上说 , 一切动态系统理论都需要交替地使用从局部到整体和从整体到局部两种描述方法[ 8]。

　　一种特殊而意义重大的局部描述与整体描述, 是所谓微观描述和宏观描述。简单系统的元素同系统整体在尺度上的差别还构不成微观与宏观的差别 , 如机器系统的元件与整机一般都属于宏观对象。但巨系统出现了微观同宏观的划分, 元素或基本子系统属于微观层次, 系统整体属于宏观层次。系统的最小局部是它的微观组分, 最基本的局部描述就是对系统微观组分的描述。任何系统,如果存在某种从微观描述过渡到宏观整体描述的方法, 就标志着建立了该系统的基础理论。对于简单人体系统 , 它的元素的基本特性可以从自然科学的基础理论中找到描述方法, 对元素特性的描述进行直接综合, 即可得到关于系统整体的描述。对于简单巨系统, 也具备从微观描述过渡到宏观描述的基本方法,即统计描述。复杂巨系统描述至今尚无有效的统计描述, 也许并不存在这种描述方法, 但局部描述与整体描述相结合的原则依然适用。

5 确定性描述与不确定性描述相结合

　　系统的不确定性有很多种类 , 如随机性、模糊性、信息不完全性、歧义性等。本文关于基础科学层次的内容只考虑随机不确定性 ,不涉及模糊性等不确定性从牛顿以来 , 科学逐步发展了两种并行的描述框架。一种是以牛顿力学为代表的确定论描述, 另一种是由统计力学和量子力学发展起来的概率论描述。

　　在系统理论的早期发展中两种方法都有大量应用, 但总体看是要么只使用确定论描述 ,要么只使用概率论描述 , 没有把两者沟通起来。采取确定论描述的有一般系统论、突变论和非线性动力学、微分

动力体系等。香农信息论是完全建立在概率论描述框架上的典范。在控制理论、运筹学等学科中 , 两种描述都使用,但通过划分不同分支来分别使用它们,仍然没有实现沟通。自组织理论试图沟通两种描述体系 , 取得一定进展 , 但步伐迈得还不够大。现代科学的总体发展越来越要求把两种描述框架沟通起来。混沌学等新学科的发展使人们初步看到希望。一种观点认为, 如果把有限性作为认识自然的基本出发点 , 承认自然的有限性 ,我们就有可能从这两种描述体系根深蒂固的人为对立中解脱出来。

6 系统分析与系统综合相结合

　　要了解一个人体系统, 首先要进行人体系统分析 :一要弄清人体系统由哪些组分构成 ;二要确定人体系统中的元素或组分是按照什么样的方式相互关联起来形成一个统一整体的;三要进行环境分析 , 明确人体系统所处的环境和功能对象, 人体系统和环境如何互相影响 ,环境的特点和变化趋势。

　　如何由局部认识获得整体认识, 是人体系统综合所要解决的问题。分析-重构方法用于人体系统研究, 重点在于由部分重构整体。重构就是综合。首先是信息的综合 , 即如何综合对部分的认识以求得对整体的认识 , 或综合低层次的认识以求得对高层次的认识。综合的任务是把握系统的整体涌现性。从整体出发进行分析 , 根据部分的数学描述直接建立关于整体的数学描述, 是直接综合。简单系统就是可以进行直接综合的系统。简单巨系统由于规模太大, 微观层次的随机性具有本质意义, 直接综合方法无效, 可行的办法是统计综合。复杂巨系统连统计综合也无能为力, 需要更复杂的综合方法。

7 模型与原型

　　给对象实体以必要的简化, 用适当的表现形式或规则把它的主要特征描绘出来, 这样得到的模仿品称为模型, 对象实体称为原型。模型也有结构, 模型结构与原型结构是不同的两码事, 但两者又有直接或间接的联系。原型中必须考虑的结构问题都应在模型中有所反映 ,能以模型的语言描述出来。标度模型(scale model)要求具有与原型相同或相似的结构 , 但尺度大大缩小 , 如模型船舶、模型飞机等。地图模型(map model)要求具有与原型相同的拓扑结构。数学模型是抽象模型 , 不能要求它直接反映系统原型的结构 , 但必定与原型结构有内在联系 , 原型中的结构问题在模型中用数学语言描述 , 能用数学方法分析和解决。例如, 原型的结构稳定与否可以转化为模型中数学结构的稳定与否。模型方法是数字人体的基本方法, 研究系统一般都是研究它的模型, 有些系统只能通过模型来研究。

构造模型是为了研究原型, 客观性、有效性是对建模的首要要求 , 反映原型本质特性的一切信息必须在模型中表现出来, 通过模型研究能够把握原型的主要特性。模型又是对原型的简化 , 应用压缩一切可以压缩的信息(标度模型表现为缩小规模), 力求经济性好 , 便于操作。没有简化不成其为模型 , 同原型比较未能显著简化的模仿品不是好模型。

　　按照构造模型的成分, 有实物模型和符号模型两种。数字人体的兴趣在于由纯信息而非实物构成的符号模型。符号模型又包括概念模型、逻辑模型和数学模型 , 它们都在数字人体中有所应用。但最重要的是数学模型, 通常所谓研究系统的模型化方法, 就是指为系统建立数学模型, 通过分析模型来解决问题的一整套方法和程序。

　　按照模型的功能 , 有解释模型、预测模型和规范模型的划分(卡斯蒂, 1998)。模型的首要功能是提供一个框架 , 能够恰当地整理和组织观察数据、资料、信息,对原型系统的行为特性和运行演化规律作出解释, 所以一般说来, 模型首先是一种解释模型。基于系统的组分、结构、环境和现在的行为 , 能够对系统的未来行为特性作出预测的模型 , 是预测模型。预测模型也是解释模型 , 预测是特殊的解释。规范模型的功能在于提供按照一定目的影响和改变系统行为特性的思路和方式。

8 数学模型

　　所谓数字人体的数学模型 , 指的是描述元素之间、子系统之间、层次之间相互作用以及人体系统与环境相互作用的数学表达式。原则上讲, 现代数学所提供的一切数学表达形式, 包括几何图形、代数结构、拓扑结构、序结构、分析表达式等, 均可以作为数字人体的数学模型。

　　大量的数学模型是定量分析人体系统的工具。用数学形式表示的输出对输入的响应关系, 就是广泛使用的一种定量分析模型。技术科学层次的数字人体理论和人体系统工程, 都主要使用数学模型作为定量分析工具 ,以便给出设计、操作系统所必须的定量结论。但数学模型同样可以作为定性描述系统的工具 , 对于描述人体系统演化现象来说 , 人们关心的主要是人体系统定性性质的改变与否, 定性分析是更基本的。

　　定量描述人体系统的数学模型必须以正确认识人体系统的定性性质为前提。简化对象原型必须先做出某些假设,这些假设只能是定性分析的结果。

　　描述人体系统的特征量的选择建立在建模者对人体系统行为特性的定性认识基础上。这是一切科学共同的方法论原则。数字人体讲的定性与定量相结合还有特别的含义。除了简单系统 , 都不能仅仅研究数学模型, 不仅建立模型必须定性与定量相结合, 还要大量使用半定性半定量的模型 , 甚至完全定性的模型。对于开放的复杂巨系统, 定性与定量相结合具有全新的意义。

　　一类用途广泛的定性模型是下列拓扑结构 :(1)链结构 :元素按照一定顺序排列成一个链条 ,首元同尾元不相连。(2)环结构 :元素相互联结形成某种闭合环形 , 称为循环结构。最简单的是首元同尾元重合的闭链。由基本的循环结构可以构成更复杂的循环结构 , 以至于所谓超循环结构。(3)树结构:树是一种由根、干、枝、叶组成的形式系统, 主要特点是有分叉,没有闭环。树中最简单的分支是链结构。树结构在人体系统分析中有广泛应用, 如决策树、语法树、演化树、家谱树等。(4)网络结构:同时可能包含链、环、树的复杂结构。
　　这类模型是描述人体系统结构的工具, 它可以给出各个元素、子系统的相对位置、前后次序、分布情况等。
　　另一类模型是用有关的量来表达的, 如函数、迭代、方程等。这种数学模型由两种量构成。一种是反映人体系统本身变化的量, 如输入变量、输出变量、状态变量等 , 人体系统的行为、特性、未来发展趋势都可以通过它们来刻划。输入-输出方法的定量化表述, 是给出输出变量对输入变量的响应关系的数学表达 ,通常是确定性响应函数。另一种是控制参量 , 它们一般反映人体系统与环境的依存制约关系 , 不能由人体系统本身获得, 以输入量、输出量和状态量的尺度看 ,这些量可以当作不变量(给定量),因而在数学模型中以常数形式出现。由状态变量和控制参量构成的某种数学方程形式称为状态方程(state equation), 是最常用的数学模型。代数方程不含时间变量, 用做静态人体系统的数学模型。动力学方程 , 主要是微分方程和差分方程 ,是动态人体系统的数学模型。状态方程的功能主要是描述人体系统状态转移的规律。
　　静态人体系统也须考虑控制参量变化带来的影响 , 但一般无需放在参量空间作整体的考察 , 通常的做法是引入灵敏度概念 ,分析参量的小扰动(称为参量摄动)给人体系统性能指标造成的影响 ,设法采取适当措施加以弥补。

9 基于计算机的模型

　　用计算机程序定义的模型, 称为基于计算机的模型(computer-based model)。首先明确构成人体系统的“构件” , 把它们之间的相互关联方式提炼成若干简单的行为规则, 并以计算机程序表示出来 ,以便通过在计算机上的数值计算来模仿人体系统运行演化 , 观察如何通过构件执行这些简单规则而涌现出人体系统的整体性质, 预测人体系统的未来走向。所有数学模型都可以转化为基于计算机的模型, 通过计算来研究人体系统。许多无法建立数学模型的人体系统 , 如复杂的物质过程, 特别是生物、社会和行为过程, 也可能建立于计算机的模型。
　　用方程组之类数学表达式定义的传统模型, 求解和处理往往需用复杂艰深的理论和技巧, 费时费力 , 可行性常常较差, 所得结果有时无法用实验检验。用计算机程序定义的模型, 可以做到既严格, 又可行, 使我们能够在计算机上研究和预测人体系统, 通过计算实验来检验结果。好的模型可以做到有可重复性。对于那些无法用真实的实验来检验的复杂系统, 计算实验是惟一可用的实验检验手段。

　　计算实验是一种新兴的实验形式,有许多科学和哲学的问题尚未解决。但它为研究数字人体复杂巨系统提供了惟一普遍可用的实验手段 ,意义是重大的。

[ 参考文献]