第8章开放的复杂巨系统

管理学院2020年1月20日第1页第八章开放的复杂巨系统管理学院2020年1月20日第2页•关于复杂性•把复杂性当作复杂性处理•开放的复杂巨系统•从定性到定量综合集成方法•综合集成研讨厅体系介绍钱学森等提出的复杂巨系统理论。管理学院2020年1月20日第3页一、关于复杂性传统的理解，简单与复杂是相对的，一旦被认识就变得简单。现代科学技术的发展表明，不能把复杂性全部归结为认识过程的不充分性，必须承认存在客观的复杂性，即使已被人们认识并找到解决办法，它仍然是复杂的。复杂性研究必须注重各种特定的可以检验的机理，分门别类进行研究。但单纯用定量化、形式化方法描述和解决复杂性问题只是对传统还原论方法的修正，不可能使科学方法论实现革命性变革。反映出复杂性研究的不成熟，尚未找到真正克服现有科学方法论局限性的有效途径。1、定量方法的缺陷管理学院2020年1月20日第4页但有几项试图超越传统的思路，在复杂性探索中有重要启迪作用，值得稍加讨论。(1)分层复杂性概念西蒙的分层复杂性概念是1962年提出来的。1)把等级层次结构与复杂性明确联系起来，从4个方面给复杂性以系统阐述。2)从系统演化的角度讨论复杂性，论证复杂系统的结构是在演化过程中“涌现”出来的。3)按照层次结构组织起来的系统的动态性质，把复杂性与系统动力学特性联系起来。这些思想对其后的复杂性研究起了积极的推动作用。管理学院2020年1月20日第5页(2)自组织观点普利高津、哈肯等人用演化的、自组织的观点解释复杂性。普利高津提出，复杂性存在于一切层次，不同层次的复杂性既有差别，又有同一性，物理层次已经具备“最低限度的复杂性”。平衡态、线性关系、可逆过程只能产生简单性，远离平衡态、非线性关系、不可逆过程是产生复杂性的根源。复杂性是自组织的产物，在远离平衡、非线性、不可逆的条件下，通过自发形成耗散结构这种自组织而产生出物理层次的复杂性，在此基础上才可能通过更高形式的自组织产生出生命、社会等层次的复杂性。认为“物理学正处于结束‘现实世界简单性’信念的阶段”’，用复杂性科学表述正在兴起的新型科学。管理学院2020年1月20日第6页(3)有效复杂性概念1990年代，盖尔曼提出有效复杂性概念，把它“定义为用来描述其(指复杂适应系统)规律性的图式的长度”，仍然属于西方学术界用定量化、形式化方式刻划复杂性的传统方法，决定了这个概念只能应用于较窄的范围。原始复杂性和算法复杂性不能表示通常理解的复杂性(并批评它们与“复杂性”所指的意思没有多大关系)，反对就复杂性概念来研究复杂性，主张把复杂性研究同复杂适应系统的研究联系起来。盖尔曼围绕有效复杂性讨论所提出的种种议论，包含深刻的系统思想。上述工作都有助于从某个侧面理解复杂性，但总的来看，复杂性还不能算作一个严格的科学概念，人们也没有给出一个公认的复杂性定义。管理学院2020年1月20日第7页1990年代，钱学森在建立系统学的过程中，逐步认识到复杂性研究的重要理论和实践意义。(1)要跳出从几个世纪以前开始的一些科学研究方法的局限性。(2)凡是不能用还原论方法处理的或不宜用还原论方法处理的问题，而要用或宜用新的科学方法处理的问题，都是复杂性问题。从研究方法上区分简单性与复杂性，是一个很有价值的新观点。(3)主张把复杂性作为一类系统属性来对待。他对系统的分类就是基于复杂性的不同层次而给出的。2、复杂性研究的方法论管理学院2020年1月20日第8页(4)复杂性研究不能从严格界定复杂性概念开始，应从研究各种具体的复杂系统入手，寻找解决这些复杂系统的有效方法，不断积累经验和知识，待条件成熟后再作概括性研究，建立理论体系。(5)提出“所谓‘复杂性’实际是开放的复杂巨系统的动力学，或开放的复杂巨系统学”。从一开始就把复杂性研究明确纳入系统科学范围，这是钱学森有别于国外学者的一大特点。管理学院2020年1月20日第9页二、把复杂性当作复杂性处理科学研究对象从简单性和简单系统转向复杂性和复杂系统，要求在方法论上实现根本的转变。经典科学相信客观世界本质上是简单的，复杂性是披在简单性之上的面纱。因此，在面对复杂的问题时，总是设法把复杂性简化掉，即把复杂性当作简单性处理，这样处理必然把产生复杂性的根源简化掉，得到的结果不再能够反映对象的固有特性。把复杂性当作复杂性处理，是复杂性研究的方法论原则。这并非否定复杂性研究也需要简化，而是强调存在不同的简化路线或指导思想。复杂性问题要求性质不同的简化路线，即必须在保留系统产生复杂性之根源的前提下进行简化。普利高津提出“结束现实世界简单性”的命题，圣菲研究所要建立复杂性科学，目的都是强调把复杂性当作复杂性处理这个新的科学方法论原则。管理学院2020年1月20日第10页鉴于复杂性尚无统一定义，我们先就几类特殊的复杂性来分别说明这个原则。(1)把非线性当作非线性处理。经典的简单性科学包含许多非线性问题，基本的处理办法是把问题线性化。线性化无疑把问题大大简化了，但同时也就把非线性产生的许多非平庸特性(如自激振荡、分岔、突变、混沌等)给简化掉了。必须采取全新的简化方法，在保留非线性的前提下寻找描述非线性的简化方法。非线性科学就是把非线性当作非线性来研究的科学，也必须在把非线性当作非线性的前提下进行必要的简化处理。管理学院2020年1月20日第11页(2)把远离平衡态当作远离平衡态处理。经典科学视平衡态为系统的唯一正常状态，把非平衡态理解为干扰因素造成的非正常状态，力求将平衡态下获得的结论线性地推广于非平衡态。普利高津发现，系统在平衡态及其附近只能表现出简单的平庸行为，在远离平衡态时才能够表现出各种非平庸的复杂行为。突破平衡态物理学观点的束缚，把远离平衡态当作远离平衡态处理，创立了耗散结构论，给自组织现象以深刻的理论说明。管理学院2020年1月20日第13页(4)把分形当作分形处理。分形有两个基本特征，一是粗糙性(不规则性)，二是自相似性(部分与整体相似)。按照经典科学的方法处理，就是选定一个适当的尺度，把小于这个尺度的一切曲折性、不规则性忽略掉，化复杂的分形图形为至少是分段光滑的规整图形。这样做固然大大简化了问题，同时也就人为地消除了它固有的粗糙性和自相似性。芒德布罗反其道而行之，把粗糙性和白相似性当作这类对象的本质特征对待，即把分形当作分形来描述，创立了全新的分形几何学及其方法论。管理学院2020年1月20日第14页(5)把模糊性当作模糊性处理。事物类属的不分明性即亦此亦彼性，称为模糊性。对于模糊性，有两种截然相反的处理方法。经典的方法是强行划定界限，人为地使每个对象都有明确的类属，即把模糊性简化为精确性来处理。另一种方法是承认事物固有的模糊性，用元素对集合的隶属度逐步变化来反映事物从属于某类到不属于该类的逐步变化，以模糊集合作为模糊事物的基本数学模型。从方法论看，这就是把模糊性当作模糊性来处理。依靠这种科学方法论，札德(L.A.zadeh)创立了有深远影响的模糊理论。管理学院2020年1月20日第15页在军事系统工程和航天系统工程成功实践的基础上，从1970年代末开始，钱学森努力把系统方法推广应用于社会生活各方面，提出建立和发展社会系统工程。但组织管理社会系统的社会工程技术要比工程系统工程复杂得多，前者绝不是后者的简单推广。这里也需要在应用中坚持把复杂性当作复杂性来处理的原则，反对那种为建立漂亮数学模型而对实际问题作强制性简化的主观主义做法。从1986年春开始，在钱学森的倡议和指导下，组织了“系统学讨论班”的学术活动。围绕建立系统学这个中心目标，就与系统研究有关的学科理论，组织学术报告和讨论，分析这些理论的得失长短，同时还就方法论和方法问题进行了广泛探讨，努力寻找处理复杂性的可行方法。在这个讨论班上，钱学森发表了很多重要科学思想，提炼出很多重要概念，总结和概括出系统的研究方法，开放的复杂巨系统及其方法论就是其中之一。管理学院2020年1月20日第16页三、开放的复杂巨系统随着社会经济、生态环境等系统成为研究对象，人们发现还存在比大系统的规模大得多的系统。1970年代末，钱学森在论述社会系统工程时指出：“这不只是大系统，而是‘巨系统’，是包括整个社会的系统。”强调这类问题的范围之大和复杂程度之高是一般系统所没有的。这是学术界第一次提出巨系统概念。按照上述定义，系统规模是一个模糊语言变量，它的基本变量可以取任何正整数，规模小、规模大、规模巨大等是基本语言值。按照规模得到小系统、大系统、巨系统三个基本类别，只是一种模糊的分类，彼此之间不存在截然分明的界限。大体上说，由几个、十几个元素或子系统组成的是小系统，由上百个、上千个元素或子系统组成的是大系统，如果元素或子系统数量极大，成万上亿，上百亿，万亿，那就是巨系统。1、巨系统管理学院2020年1月20日第17页组分数目多到巨型规模，就使系统的整体行为相对于简单系统来说可能涌现出显著不同的性质。巨系统通常有宏观与微观的层次划分，系统在这两个层次上的行为特性有性质上区别，这是不同于小系统和大系统的重要特点。巨系统是一个新的科学概念，代表系统思想的新高度，一种新的系统观点。对象性质的不同必然要求不同的研究方法。巨系统问题要求建立巨系统理论和方法。管理学院2020年1月20日第18页巨系统在客观世界中广泛存在。不同巨系统之间在规模上仍可能有显著差别。在巨系统这个等级上，再按照系统规模来分类已无实际意义，需要按照复杂性对系统进行分类。从系统结构看，一方面是系统组分和种类的多少，另一方面是系统组分之间关联关系的复杂程度和层次结构。在巨系统中，如果系统组分种类不多，相互关系又比较简单，应称为简单巨系统，如贝纳尔流和激光系统。简单巨系统，由于组分数量非常多，从组分间相互作用出发，直接综合成整个系统运动特性的处理方法是不行的。把亿万个分子组成的巨系统功能略去细节，用统计方法概括起来，取得了成功。这就是哈肯和普利高津建立自组织理论所用的方法，即从微观到宏观的统计综合方法。2、复杂巨系统管理学院2020年1月20日第19页在巨系统中，如果组分种类繁多(几十、上百、上千或更多)，并有层次结构，它们之间的关联方式又很复杂(如非线性、不确定性、模糊性、动态性等)，这就是复杂巨系统。这类系统无论在结构、功能、行为和演化方面都非常复杂，在时间、空间和功能上都存在层次结构。人脑系统，由于记忆、推理和思维功能以及意识作用，其输入一输出反应特性极其复杂。其微观结构在细胞层次上正在逐步研究清楚，但在宏观层次上却涌现出思维、意识等极为复杂的整体功能，它的机制至今尚未探明。应把人脑作为复杂巨系统，把微观与宏观结合起来进行研究。系统理论和方法是发展的，不同类型的系统要用不同的方法。大系统理论不能用来解决巨系统问题，简单巨系统理论不能用来解决复杂巨系统问题。管理学院2020年1月20日第20页系统研究强调系统对环境的开放性。控制论等技术科学把开放性表述为系统的输入、输出和干扰；自组织理论把开放性表述为控制参量数对系统的影响和涨落的作用。但随着系统研究的深入发展，随着人类对工业文明造成的环境污染、资源匮乏、生态破坏的严重后果的认识，人们发现关于系统开放性的现有表述还很不够，有必要重新认识系系统与环境的关系，进一步发展系统科学的开放性理论。为此，钱学森等提出开放的复杂巨系统概念，积极探索建立开放的复杂巨系统理论。“开放的”新的内涵：3、开放的复杂巨系统管理学院2020年1月20日第21页(1)具有主动适应和进化的含义“开放的”不仅意味着系统一般地与环境进行物质、能量、信息的交换，接受环境的输入和扰动、向环境提供输出，而且还具有主动适应和进化的含义。组成系统的个体或子系统，它们通过主动行为而获得信息，能够在行动中学习，积累经验，获得知识，主动地、适应地改变自己的行为，不断进步。这就使得子系统之间关系不仅复杂，而且随时间及情况不同有极大的易变性。在个体主动性适应基础上，形成整个巨系统在环境中的学习和适应性行为，因而系统的动力学特性也具有进化的含义，通过进化以更好地适应环境。管理学院2020年1月20日第22页(2)重视系统行为对环境的影响“开放的”还意