系統周界的一般理論（General Theory of a System Boundary）

 

界殼概念是大陸學者曹鴻興予1988年提出的，旨在研究系統周界的一般原理，稱之為界殼理論。界殼理論的目標是研究形形色色的邊界，從中歸納出共同的特徵和規律。界殼現象的研究可歸納為如下三個方面：

• 界殼的規律、功能與行為
• 界殼的數學描述，它的數學模型與計算機模擬
• 界殼論的應用

一般而言，我們將系統（S）劃分為周界（B）和系裡（I）兩部分。這意味著把周界當成一個專門的對象進行研究。這是周界具有雙重性，一方面它是系統的一部份，一方面它又是系統環境間的中界體，或者說是一個介面（interface）。系統通常由若干個子系統組成，現在將一般系統分為兩個子系統：周界及系裡，就有

                                S = B + I

要研究一個系統就必須將它從環境中分離出來，也就是必須確定系統的周界。但對多數系統來說，對它的周界的確定往往與研究的性質有關。一般來說，在系統周界不明確時，可以把系統周界定在位於環境因素對系統不再有影響或影響甚少的地方。有些周界的確定帶有任意性，因為系統與環境間缺乏清晰的介面。一旦確定一個系統，實際上也蘊含了該系統周界的可識別性，因為系統若不能與環境相分離，對系統的研究也無從進行。

設宇集合為U，記系統為S，環境為E，當不考慮界殼J時有：

                                      S + E = U

當考慮界殼時，系統分為系裡 I 和界殼 J，就有：

                                      I + J + E = U

如果系統具有：（1）護衛系統的生存和發展，（2）司行環境和系統間的交換，則稱這樣的周界為界殼。也就是說，所謂界殼即具有護衛（defence，D）系統以及和環境進行交換（exchange，E）等功能。就結構而言，界殼由界壁（wall，W）和界門（gate，G）或稱通道（passage，P）組成，界壁是界殼上護衛系統但無交換的部分，界門是界殼上進行系統與環境間交換的部分。

界殼的類型

從不同的角度可以把界殼分為如下類型：

• 物質型界殼
• 能量型界殼
• 信息型界殼
• 分離界殼與鄰接界殼
• 抽象界殼與實體界殼
• 開放界殼與封閉界殼
• 自然界殼與人工界殼
• 界殼的行為

由觀察的事物的共同性可以分為：

• 阻擋
• 攻擊
• 開關
• 變動界門
• 增減交換
• 隱蔽
• 擴散或滲透
• 吞食或外排
• 擴張與收縮
• 更換
• 界殼的總體特徵

歸納起來，界殼有如下總體特徵：

• 界殼的普遍性
• 空間的特殊性
• 對輸入、輸出的約束性
• 中界性
• 依附性
• 非任意性

一般性界殼理論

• 原理一：任何真實的系統必構築一個界殼，用以護衛它本身的生存。它闡述界殼存在的必然性，也就是界殼存在原理。
• 原理二：界殼將抵抗它不需要的異物量進入，阻止殼內原有物量隨意溢出，界殼要盡可能地封閉，即界殼的准封閉性。
• 原理三：為了系統與環境的交換，界殼上必須開有界門或通道，即界殼的可通性。

界門

系統與環境間的交換通過界門（或稱介面）來實現，從結構上講，它是系裡與環境間的交換場所。界門對系統的形成與發展都有者決定性作用。界門分為常開型及開關型。常開型是指界門永遠開者，無關閉之時；而開關型則會隨著時間和條件或關或閉。至於界門的類型可因物量的差別以及構造上的需要，可分為：

• 單界門
• 雙界門
• 多界門
• 無形界門
• 可變界門

系統理論是1940年代起所興起的一門綜合性科學，並取得偉大的成就。它包含了一組相關的學科群：系統論、控制論、資訊理論、協同論、耗散結構理論、突變論、超循環理論等等。它為人們提供了一套嶄新的科學思維模式，優化工作方法和定量數學工具，從而極大地增強了人類認識自然和改造自然的能力，使人們對複雜系統的研究，控制變為可能。它推進了科學技術進步和生產力的發展，促進了資訊時代的來臨以及自然與社會科學兩大領域的交流。它在物理科學與生命科學之間建立了橋樑，並為計算機在各領域中創造必要的理論和邏輯前提。它具有強烈的方法論性質和橫向科學色彩，在研究複雜系統和促進多學科相互結合上有其公認的獨到之處，因而它被稱為改變了當代世界科學圖像和當代科學思維方式的新興科學。雖然其理論體系很晚才完備，但是，有關系統的思想早在遠古就已經產生。

 
美籍奧地利生物學家貝塔郎菲，在1920年代就認識到"當時流行的機械方法，忽視或否定生物作為一個整體或系統來考慮"隨後，他提出了一般系統論。系統的主要特點在於它的整體性、結構性、有序性、目的性及系統與環境的適應性。從整體與局部、局部與局部、整體與外部環境的相互聯繫中考察對象，以獲得正確的認識及處理問題的最佳方案。

 

1948年美國數學家維納發表了[控制論]一書，標誌著這一門學科的誕生。維納指出，控制論就是研究生物系統與機械系統中的自動控制的通訊規律的科學。它突破了生物與機械之間的界限，找出它們的共同點。控制論是研究對系統實行控制的理論。控制論是通過訊息反饋進行的，通過訊息反饋實現系統的有目的行為。 由於一個系統在運動中，總要受外界環境的干擾而偏離預定目標，因此必須通過訊息反饋加以校正。任何控制系統都是由指揮系統和被控系統組成。

 

美國數學家申農於1948年發表[通訊的數學理論]，奠定了信息論的基礎。所謂信息，就是由消息、資訊、符號、聲音…這些概念中抽象出來的一個概念。可以把信息描述為人類所能感知的一切有意義的東西。信息是事物之間建立聯繫的一種形式。信息論是研究控制和通訊系統中信息傳遞、交換、儲存、計量的新興學科。信息論的特點是：從系統出發，把整個系統的運動過程，抽象為一個信息轉換過程，這個轉換過程是通過信息輸入、信息加工、信息儲存、信息輸出及信息反饋來實現。根據信息傳輸的特性來把握系統。 

 

系統論的基本概念 :

1.系統

系統是指諸種要素按一定的層次結構方式相聯繫所構成的具有特定功能的有機整體。

系統是系統論的最基本概念。具有普遍的適用性，一切物質都能構成系統，一切觀念也能構成系統。客觀世界中存在著各式各樣的系統。

系統主要的內涵有：要素、層次、結構、聯繫、功能、整體等。

 

2.要素 

要素是指構成系統的不可缺少的必要成份。要素有一般要素，基本要素和最基本要素之分。如物質、能量、信息就是構成世界系統的三個最基本要素，也是任何系統都不能缺少的要素。

要素和系統是兩個相對應的概念，都具有相對的含義。它們之間可以相互轉化。任何一個系統都是高於它一級系統的要素；而任何一個要素又是低於它一級要素的系統。由於不同的系統是由不同的要素構成，因此當我們討論要素時，一定要指明它是那一級系統的要素。

 

3.聯繫

聯繫是指要素構成系統的媒介。這個概念與哲學上的聯繫概念基本上一致，不過在系統論中比較注意耦合聯繫，甚至把聯繫與耦合相互通用。 聯繫可指任何一種相互作用，而耦合僅指兩個以上的要素或系統形成一個新系統的相互作用。因此，由於耦合的作用，系統中任何一個要素的變化都會影響其他要素的變化。

在系統論中，聯繫已成為要素與要素、要素與系統、系統與環境之間發生相互作用的必然原因。它也是系統呈現整體性的根源。

系統聯繫，從耦合的觀點看，除了相互聯繫外，還有層次聯繫和過程聯繫。因此，系統聯繫既反映著多層次相互作用的特點，又反映著多因素，多變量的複雜關係，而且隨著系統的發展變化，這種關係更複雜多變。系統聯繫，實質上都表現為非線性關係。

 

4.功能

功能是指系統所具有的活動能力以及系統在達到預期目標的過程中對環境所產生的功效。系統的功能表達著系統與環境的特定關係。

功能是通過系統與環境的相互作用而表現出來的。系統從環境接受物質，能量和信息(這個過程對系統而言稱為輸入)，經過系統變換之後，便形成另一種形態的物質，能量和信息(這個過程對系統而言稱為輸出)。輸入-變換-輸出是任何一個開放系統的基本功能。系統的功能既與系統的結構密切相聯，又與系統的運動機制有關，還與環境條件密切相聯。這三方面因素均對系統的輸入和輸出功能有直接影響，而且前兩者對系統的變換功能起著決定性的作用。

 

5.結構

結構是指系統諸要素統一組合的方式。也就是說系統的結構表示著系統的存在方式。系統的不同特性，首先決定於系統的不同組成成份。而結構的不同是導致系統有別的根本原因之一。

結構具有空間和靜態的特徵；而功能還具有時間和動態特徵。兩者是有所區別的，兩者之間不具有一一對應的絕對關係。同一種功能可以用不同結構表現出來。 結構決定著不同功能的產生。

 

6.環境

環境是指系統以外與系統發生關係，存在著相互作用的客觀事物或事物組成的整體。環境也是個相對概念，它與系統相對而存在。一個系統的環境，就是一個更大的系統。在大系統中，各個子系統可互為環境。

系統必須依賴環境而存在和發展，環境是系統存在和發展不可缺少的基本條件。系統只有不斷與環境進行物質，能量和信息交換，系統才能得以穩定存在和持續發展。系統在依賴環境的同時，還要適應和改造環境，才能更好地利用環境。

ConferenceXP

ConferenceXP is an initiative of Microsoft Research. We’re exploring how to make wireless classrooms, collaboration, and distance learning a compelling, rich experience by assuming the availability of emerging and enabling technologies, such as high-bandwidth wireless devices, Tablet PCs, and the advanced features in Microsoft® Windows® XP.

 

Classroom Presenter

Classroom Presenter is a distributed presentation system for the Tablet PC. As a distributed system, the synchronized versions of the presentation are shared across multiple machines. The Tablet PC is used as the presentation device because of the high quality ink that it provides. A basic goal of Classroom Presenter is to provide an integration of computer generated slides and ink in a manner that allows instructors flexibility in delivery and interaction with the audience.

 

InkBoard

InkBoard is a network-sharing Tablet PC sketching application. It is targeted for design teams interacting with each other using real-time ink strokes. It also supports video/audio conference through Conference XP APIs.

除了一般常用的 下拉式選單 及 彈出式選單 之外, 為了加強軟體操作的便利性, 研發人員想出了幾種不同操作方式的選單系統. 這些選單系統適合用於筆式運算的環境當中.

Pie Menu
"Pie menus are a naturally efficient user-interface technique — directional selection of pie slice-shaped targets. The cursor starts out in the inactive center region of a pie, and all target slices are large, nearby, and in different directions. Pie menus are quite easy for new users. You simple follow the pop-up directions to use them. They are also extremely efficient for experienced users. Once you know the directions, you can quickly and reliably ‘mouse ahead’ without looking. Fitts’ Law explains the pie menu advantage — their fast selection speed and low error rate is due to their large target size and the small distance between each item."

 

Flow Menu
"The FlowMenu is a command-entry system for interactive display surfaces with pen-based input. It was designed for the Interactive Mural, a custom-built, large, high resolution, wall-mounted display, but FlowMenu can be used with any device that accepts stylus input (direct or indirect). The FlowMenu integrates capabilities of previously separate mechanisms such as marking menus and Quikwriting, and facilitates the entry of multiple commands. While using this menu, the pen never has to leave the active surface so that consecutive menu selections, data entry (text and parameters) and direct manipulation tasks can be integrated fluidly."

 

FishEye Menu
"Fisheye menus which apply traditional fisheye graphical visualization techniques to linear menus. This provides for an efficient mechanism to select items from long menus, which are becoming more common as menus are used to select data items in, for example, e-commerce applications. Fisheye menus dynamically change the size of menu items to provide a focus area around the mouse pointer. This makes it possible to present the entire menu on a single screen without requiring buttons, scrollbars, or hierarchies.

隨著 LCD 製造技術的進步, 未來的螢幕解析度會變得越來越大, 超越現在常用的 1024 * 768. 如此一來, 就會出現下列問題:

• 螢幕裏的視窗及文字圖形相對變得很小並且難以辨認
• 因為可視空間的加大, 可放置的物件增多, 管理起來相對不易
• 桌面上的物件之間相對距離加大, 利用滑鼠及鍵盤難以操作

針對這些問題, 漸漸有一些解決方案:

• 例如微軟針對下一代的作業系統 Longhorn 設計新的顯示引擎 Avalon ;利用向量繪圖的方式, 可動態調整使用者介面的大小.
• Drag and Pop
  This fully interactive prototype was used for quantitative user studies — testing the efficacy of this "long-distance" target assignment metaphor. Grab the icon surrounded by outward facing arrows and start dragging it toward the other highlighted icon. To show the highlights again, press the "space bar." To try different conditions, click on the "Start" button.
• Scalable Fabric
  This interactive mockup lets you play with windows that snap to monitor boundaries (in this case a dual monitor setup). Windows also shrink near the edges of the desktop to supplant iconification. In general, grab windows by their title bar and drag them around.
• PostBrainstorm
  PostBrainstorm integrates several new interaction techniques into a visual brainstorming tool for direct pen-based interaction on the Interactive Mural, a large high resolution (64 dpi) display. Its “interactive wall” metaphor for interaction has been guided by several goals: to support both freehand sketching and high-resolution materials, such as images, 3D models and GUI application windows.

有一種是使用 Zoomable User Interface (ZUI) 的方式 :

"A ZUI is a new kind of interface that presents a huge canvas of information on a traditional computer display by letting the user smoothly zoom in, to get more detailed information, and zoom out for an overview."

另外就是利用 FishEye 的觀念 :

"a way of representing data visually such that more important information is represented larger than less important information. For instance, a map could be displayed as if through a fisheye lens, distorting the focal point to be extremely large."

至於實際應用, 一個在 Pocket PC 上有名的例子是 Datelens :

"a novel calendar interface that supports not only PDAs, but a range of devices, from desktop computers to Tablet PCs. It supports users in performing planning and analysis tasks by using a fisheye representation of dates coupled with compact overviews, user control over the visible timer period, and integrated search. This enables users to see overviews, easily navigate the calendar structure, and discover patterns and outliers. "

另一個則是在 SmartPhone上由微軟做的研究 SmartPhlow :

"SmartPhlow accesses information from the Washington State Dept. of Transportation. The application downloads a relatively small file, usually on the order of 230 bytes, and expands it to populate a Seattle area traffic map on a Microsoft powered smartphone"

手持設備使用上所面臨的問題:

• 輸入不易 – 可利用 [筆式運算] 來解決
• 螢幕太小 – 可利用 [智慧型使用者介面] 來改善

筆式運算的優點:

• The user can use handwriting characters for text input.
• The user can use gestures for quick access to command operations.
• The user can use a pen when a keyboard is not available
• Sketching is a casual interaction and is thus useful in supporting creative activities.
• Drawing strokes using a pen is the best way to draw pictures.

筆式運算的技術:

• Inking
• Handwriting Character Recognition
• Fast Text Input Methods
• Gesture and Shape Recognition
• Fast Command Input Methods
• Freeform User Interfaces

"*目前微軟的 Tablet PC 只做到前四項"