第6

章復(fù)雜系統(tǒng)及其復(fù)雜性科學(xué)概述教學(xué)重點(diǎn)重點(diǎn)掌握幾個(gè)內(nèi)容：復(fù)雜系統(tǒng)基本概念復(fù)雜系統(tǒng)的分類復(fù)雜系統(tǒng)理論復(fù)雜性研究復(fù)雜性科學(xué)概念，分類以及研究方法非線性科學(xué)與復(fù)雜性科學(xué)6.1復(fù)雜系統(tǒng)的基本概念一般認(rèn)為，復(fù)雜系統(tǒng)是由眾多存在復(fù)雜相互作用的組分（或子系統(tǒng)）組成的，系統(tǒng)的整體行為（功能或特性）不能由其組分的行為（功能或特性）來獲得海斯描述復(fù)雜系統(tǒng)的公式復(fù)雜行為＝簡(jiǎn)單規(guī)則＋豐富關(guān)聯(lián)復(fù)雜系統(tǒng)不滿足疊加原理非線性是構(gòu)成非線性系統(tǒng)的必要條件，而非線性只是構(gòu)成復(fù)雜系統(tǒng)的必要條件，尚不是充分條件6.1.1什么是復(fù)雜系統(tǒng)6.1復(fù)雜系統(tǒng)的基本概念包括自然現(xiàn)象、物理現(xiàn)象、生物現(xiàn)象、生命現(xiàn)象、生態(tài)現(xiàn)象、社會(huì)現(xiàn)象、經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象不關(guān)系系統(tǒng)組分由哪些物質(zhì)組成，而只關(guān)心組分的功能、行為及組分間的相互關(guān)系盡管組分間發(fā)生相互關(guān)系的規(guī)則比較簡(jiǎn)單，但通過規(guī)則的迭代性重復(fù)，使系統(tǒng)整體產(chǎn)生復(fù)雜的行為組分與組分間非線性、并行、分散地相互影響著，因此作為整體會(huì)產(chǎn)生特殊的行為及現(xiàn)象，然后整體的行為再反饋給各個(gè)組分，稱這種情況為涌現(xiàn)特性系統(tǒng)的行為受每個(gè)組分及其相互作用的影響，不能獨(dú)立地描述整個(gè)系統(tǒng)，而且系統(tǒng)的行為也是不可預(yù)測(cè)的6.1.2復(fù)雜系統(tǒng)的研究對(duì)象6.1復(fù)雜系統(tǒng)的基本概念6.1.2復(fù)雜系統(tǒng)的研究對(duì)象從系統(tǒng)工程到復(fù)雜系統(tǒng)6.1復(fù)雜系統(tǒng)的基本概念6.1.3復(fù)雜系統(tǒng)的描述問題6.2復(fù)雜系統(tǒng)的分類多體系統(tǒng)（many-bodysystem）由少數(shù)幾類彼此之間僅由幾種關(guān)系耦合在一起的大量組分組成的系統(tǒng)廣泛存在于物理、生態(tài)、政治和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域組分的多樣性和錯(cuò)綜復(fù)雜相互作用的多樣性以及組分的數(shù)量都是多種復(fù)雜性的來源6.2.1多體系統(tǒng)、有機(jī)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)6.2復(fù)雜系統(tǒng)的分類有機(jī)系統(tǒng)（organicsystem）由許多高度特化的、相互聯(lián)系緊密的、不同種類的組分組成的系統(tǒng)有機(jī)系統(tǒng)易于進(jìn)行功能描述，其中組分的功能是通過在維持系統(tǒng)處于期望狀態(tài)中的作用加以定義和刻畫的典型的是生物體系統(tǒng)6.2.1多體系統(tǒng)、有機(jī)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)6.2復(fù)雜系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)（cyberneticsystem）把多體系統(tǒng)和有機(jī)系統(tǒng)結(jié)合起來的系統(tǒng)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人是一個(gè)如此復(fù)雜和統(tǒng)一的控制系統(tǒng)，以至于許多人都不愿意研究由人組合起來的系統(tǒng)對(duì)其他系統(tǒng)的刻畫用“行為”表示就足夠了，而對(duì)人的刻畫用“行為”表示就不成，因?yàn)槿擞幸庀蛐孕袨?.2.1多體系統(tǒng)、有機(jī)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)6.2復(fù)雜系統(tǒng)的分類非平衡系統(tǒng)：由無生命子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)，每一個(gè)子系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單，子系統(tǒng)之間的相互作用也簡(jiǎn)單采用自組織理論（耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同學(xué)等）來討論系統(tǒng)演化討論此類系統(tǒng)的理論比較規(guī)范，有較強(qiáng)的數(shù)理基礎(chǔ)復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)：以生物體為背景建立的復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)模型具有一定的智能開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)：研究由人組成的最復(fù)雜系統(tǒng)演化問題的一類模型系統(tǒng)子系統(tǒng)為人具體采用人機(jī)對(duì)話的科學(xué)研討廳體系6.2.2非平衡系統(tǒng)、復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)、開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)6.2復(fù)雜系統(tǒng)的分類復(fù)雜自然系統(tǒng)：最早從研究自然界無生命系統(tǒng)中的復(fù)雜性開始貝納德對(duì)流、激光現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)振蕩等都是復(fù)雜自然系統(tǒng)復(fù)雜工程系統(tǒng)：根據(jù)某種復(fù)雜系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)制造出的工程系統(tǒng)或在設(shè)計(jì)過程中由于不確定因素所出現(xiàn)的預(yù)料不到的復(fù)雜性所產(chǎn)生的復(fù)雜工程系統(tǒng)具有一定的智能復(fù)雜社會(huì)系統(tǒng)：社會(huì)泛指由于共同物質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)條件、信息條件等而相互聯(lián)系起來的人群、集團(tuán)、公司、組織等人作為子系統(tǒng)參與其中6.2.3復(fù)雜自然系統(tǒng)、復(fù)雜工程系統(tǒng)、復(fù)雜社會(huì)系統(tǒng)6.2復(fù)雜系統(tǒng)的分類系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展是從研究復(fù)雜自然系統(tǒng)，到研究人造復(fù)雜工程系統(tǒng)，再到研究復(fù)雜社會(huì)系統(tǒng)，即從研究自然物，擴(kuò)展到研究人工物，再到研究人類社會(huì)發(fā)展過程6.2.3復(fù)雜自然系統(tǒng)、復(fù)雜工程系統(tǒng)、復(fù)雜社會(huì)系統(tǒng)復(fù)雜自然系統(tǒng)人造復(fù)雜工程系統(tǒng)復(fù)雜社會(huì)系統(tǒng)6.3復(fù)雜系統(tǒng)理論耗散結(jié)構(gòu)論和協(xié)同學(xué)都是研究開放的遠(yuǎn)離平衡條件下的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的自組織理論非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)再開放條件下，和外界有物質(zhì)、能量、信息的交換，當(dāng)系統(tǒng)在序參量的作用下，遠(yuǎn)離平衡，在大量微觀粒子自組織協(xié)同一致下，會(huì)在整體尚涌現(xiàn)出來新的有序結(jié)構(gòu)——耗散結(jié)構(gòu)非平衡非線性系統(tǒng)在一定條件下，可以通過漲落被放大，通常的微漲落被放大稱為巨漲落，系統(tǒng)得意實(shí)現(xiàn)從無序到有序的轉(zhuǎn)變，從低級(jí)有序到高級(jí)有序進(jìn)化6.3.1遠(yuǎn)離平衡的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)自組織理論6.3復(fù)雜系統(tǒng)理論自然界的復(fù)雜行為反映了有許多分支（子系統(tǒng)）的大型系統(tǒng)會(huì)朝著均衡的臨界態(tài)發(fā)展的一種趨勢(shì)，這種方式偏離了平衡，而且微小的擾動(dòng)可能導(dǎo)致大大小小的雪崩大多數(shù)的改變是通過災(zāi)難性的事件而不是通過遵循一種平和漸變的路線來實(shí)現(xiàn)的自組織臨界性是目前所知道的產(chǎn)生復(fù)雜性的惟一的普遍機(jī)制，可作為一大類標(biāo)度不變的復(fù)雜現(xiàn)象的普遍模型6.3.2復(fù)雜自然系統(tǒng)的自組織臨界理論6.3復(fù)雜系統(tǒng)理論1995年，霍蘭《隱秩序——適應(yīng)性造就復(fù)雜性》系統(tǒng)論述了復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部的個(gè)體是主動(dòng)、活的實(shí)體，具有適應(yīng)環(huán)境和其他個(gè)體的能力，這樣的個(gè)體主體稱為智能體（agent）復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的7個(gè)特性：聚集、非線性、流、多樣性、標(biāo)識(shí)、內(nèi)部模型和積木復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的模型——回聲模型6.3.3復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論6.3復(fù)雜系統(tǒng)理論以人機(jī)結(jié)合、以人為主、從定性到定量的綜合集成研討廳（錢學(xué)森）研討廳問題求解過程是通過研討廳成員之間及研討廳與外界的信息交換來完成的實(shí)質(zhì)是把專家體系、信息與知識(shí)體系及計(jì)算機(jī)體系有機(jī)結(jié)合起來綜合集成方法是以思維科學(xué)為基礎(chǔ)的6.3.4開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)綜合集成研討廳的理論框架6.3復(fù)雜系統(tǒng)理論主要是針對(duì)復(fù)雜工程系統(tǒng)和生物系統(tǒng)，研究復(fù)雜工程系統(tǒng)穩(wěn)健性與復(fù)雜性關(guān)系的理論HOT的思想本質(zhì)在于通過工程設(shè)計(jì)或者生物進(jìn)化構(gòu)造一個(gè)“精雕細(xì)作”的系統(tǒng)HOT中的高度最優(yōu)化強(qiáng)調(diào)通過高度結(jié)構(gòu)化、非通用的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，而容限則強(qiáng)調(diào)復(fù)雜系統(tǒng)中的穩(wěn)健性是一個(gè)約束和受限量6.3.5高度最優(yōu)化容限（HOT）理論6.3復(fù)雜系統(tǒng)理論HAHC系統(tǒng)指同時(shí)滿足高可靠性、高安全性、實(shí)時(shí)約束性、保安性、容錯(cuò)性等不同要求，而且還能對(duì)不同要求的動(dòng)態(tài)變化具有自適應(yīng)能力具有高可靠性和高安全的HAHC系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)具有3個(gè)基本特性HAHC系統(tǒng)是復(fù)雜和異質(zhì)的，即由不同類型的子系統(tǒng)構(gòu)構(gòu)成HAHC系統(tǒng)與其所處的環(huán)境持續(xù)不斷地交互作用系統(tǒng)行為本質(zhì)上具有動(dòng)力學(xué)特性，即動(dòng)態(tài)行為6.3.6高確信高后果系統(tǒng)（HAHC）研究6.4復(fù)雜性研究6.4.1復(fù)雜性的起源簡(jiǎn)單系統(tǒng)進(jìn)化復(fù)雜系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)退化低級(jí)系統(tǒng)傳統(tǒng)的進(jìn)化論無法分析大自然在進(jìn)化中所呈現(xiàn)處的復(fù)雜性非線性科學(xué)和復(fù)雜性科學(xué)正在揭示大自然和人類社會(huì)中不斷進(jìn)化過程中的各種復(fù)雜性進(jìn)化過程產(chǎn)生復(fù)雜性6.4復(fù)雜性研究6.4.2復(fù)雜性研究的歷程1928年，奧地利生物學(xué)家貝塔朗菲整體論與還原論的關(guān)系1948年，美國數(shù)學(xué)家維納時(shí)間不可逆問題1969年，比利時(shí)科學(xué)家普利高津有序與無序的關(guān)系1969年，美國科學(xué)家司馬賀人工性和層次對(duì)于復(fù)雜性的關(guān)系1981年，中國科學(xué)家錢學(xué)森復(fù)雜巨系統(tǒng)1995年，美國霍蘭教授復(fù)雜性與適應(yīng)性的關(guān)系2002年，Carlson和Doyle復(fù)雜工程系統(tǒng)的復(fù)雜性與穩(wěn)健性的關(guān)系6.4復(fù)雜性研究復(fù)雜性必須依賴于它的建模系統(tǒng)所運(yùn)用的語言復(fù)雜性只存在于既不完全無序，也不是完全有序的中間狀態(tài)，“復(fù)雜性：誕生于秩序與混沌邊緣的科學(xué)”司馬賀：系統(tǒng)有多復(fù)雜或多簡(jiǎn)單，關(guān)鍵取決于我們描述它的方式復(fù)雜性是臨界性的結(jié)果，復(fù)雜性就是臨界性6.4.3復(fù)雜性的基本概念程序復(fù)雜性混沌6.4復(fù)雜性研究戴汝為院士指出，復(fù)雜性寓于系統(tǒng)之中，是系統(tǒng)復(fù)雜性。復(fù)雜性是一種矛盾的產(chǎn)物，是在宏觀和微觀之間、有序與無序之間、隨機(jī)與確定之間、指數(shù)分布與冪律分布之間突現(xiàn)的特定結(jié)構(gòu)6.4.3復(fù)雜性的基本概念6.4復(fù)雜性研究結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、功能復(fù)雜性、組織復(fù)雜性算法復(fù)雜性、確定性復(fù)雜性、集成復(fù)雜性物理復(fù)雜性、生物復(fù)雜性、經(jīng)濟(jì)社會(huì)復(fù)雜性6.4.4復(fù)雜性的分類6.5復(fù)雜性科學(xué)20世紀(jì)70年代以后，以耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同學(xué)、突變論、混沌學(xué)、分形理論、超循環(huán)理論、孤子理論等為代表的菲線性科學(xué)取得重大成就，動(dòng)搖了“確定論”（只要知道初始條件就可以決定未來的一切）20世紀(jì)30—40年代，提出研究方法的整體論20世紀(jì)80年代以來，伴隨著微計(jì)算機(jī)技術(shù)得發(fā)展，跨學(xué)科的交叉研究，試圖在生命系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、人腦系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等不同的復(fù)雜系統(tǒng)之間找出共性——復(fù)雜性（以圣菲研究所SFI為代表）6.5.1復(fù)雜性科學(xué)的創(chuàng)立6.5復(fù)雜性科學(xué)線性科學(xué)——系統(tǒng)論、信息論、控制論非線性科學(xué)——耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同學(xué)、突變論、混沌學(xué)、分形理論復(fù)雜性科學(xué)——研究復(fù)雜系統(tǒng)的理論探究復(fù)雜系統(tǒng)的復(fù)雜性（來源、表現(xiàn)），研究構(gòu)成復(fù)雜系統(tǒng)在眾多組分（子系統(tǒng)）之間及其與環(huán)境之間相互作用下，系統(tǒng)演化產(chǎn)生整體涌現(xiàn)性（特性、特征、行為、功能）的機(jī)理和一般規(guī)律的科學(xué)是一門多學(xué)科交叉的新興科學(xué)建立了菲線性、非均衡、復(fù)雜整體論的嶄新思維模式6.5.2復(fù)雜性科學(xué)的概念6.5復(fù)雜性科學(xué)把握整體將復(fù)雜事物不是分解為組成部分而是將其作為一個(gè)整體來理解其復(fù)雜性的方法了解涌現(xiàn)了解涌現(xiàn)作為一種世界觀，教我們不要試圖強(qiáng)調(diào)計(jì)劃或管理事情的重要性，而應(yīng)該強(qiáng)調(diào)激發(fā)自組織過程的方法啟示：組織管理者要減少計(jì)劃和控制，激發(fā)自組織了解相干環(huán)境組織管理者要了解相干環(huán)境，應(yīng)創(chuàng)造自組織產(chǎn)生的條件，創(chuàng)造信息凝聚而