復(fù)雜系統(tǒng)綜述

1、復(fù)雜系統(tǒng)綜述1.關(guān)于系統(tǒng)的分類通俗的講系統(tǒng)可以分為三類：簡單系統(tǒng)，隨機(jī)系統(tǒng)，復(fù)雜系統(tǒng)。簡單系統(tǒng)，特點(diǎn)是元素?cái)?shù)目特別少，因此可以用較少的變數(shù)來描述，這種系統(tǒng)可以用牛頓力學(xué)去加以解析。簡單系統(tǒng)又是可以控制的，可以預(yù)見的，可以組成的。隨機(jī)系統(tǒng)：其特征是元素和變量數(shù)很多，但其間的耦合是微弱的，或隨機(jī)的，即只能用統(tǒng)計(jì)的方法去分析。復(fù)雜系統(tǒng)：特征是元素?cái)?shù)目很多，且其間存在著強(qiáng)烈的耦合作用。復(fù)雜系統(tǒng)由各種小的系統(tǒng)組成，例如在生態(tài)系統(tǒng)中，是由各個(gè)種群，各種生物組成的。生態(tài)系統(tǒng)是復(fù)雜系統(tǒng)的一個(gè)最好的例子。2.復(fù)雜系統(tǒng)復(fù)雜性科學(xué)是在20世紀(jì)80年代中期興起的，主要研究復(fù)雜系統(tǒng)和復(fù)雜性的一門科學(xué).目前雖然還處于木萌

2、芽狀態(tài)，但已被有些科學(xué)家譽(yù)為“21世紀(jì)的科學(xué)”。隨著復(fù)雜性科學(xué)的興起，對復(fù)雜系統(tǒng)的研究也越來越受到重視，國內(nèi)外許多學(xué)者正致力于這方面的研究1。2.1復(fù)雜系統(tǒng)的定義復(fù)雜系統(tǒng)(complexsystem)是具有中等數(shù)目基于局部信息做出行動(dòng)的智能性、自適應(yīng)性主體的系統(tǒng)。復(fù)雜系統(tǒng)是相對牛頓時(shí)代以來構(gòu)成科學(xué)事業(yè)焦點(diǎn)的簡單系統(tǒng)相比而言的，具有根本性的不同。簡單系統(tǒng)它們之間的相互作用比較弱，比如封閉的氣體或遙遠(yuǎn)的星系，以至于我們能夠應(yīng)用簡單的統(tǒng)計(jì)平均的方法來研究它們的行為。而復(fù)雜并不一定與系統(tǒng)的規(guī)模成正比，復(fù)雜系統(tǒng)要有一定的規(guī)模，復(fù)雜系統(tǒng)中的個(gè)體一般來講具有一定的智能性，例如組織中的細(xì)胞、股市中的股民、城市

3、交通系統(tǒng)中的司機(jī)，這些個(gè)體都可以根據(jù)自身所處的部分環(huán)境通過自己的規(guī)則進(jìn)行智能的判斷或決策。根據(jù)以上的描述，我們可以得到復(fù)雜性科學(xué)中對復(fù)雜系統(tǒng)的描述性定義：復(fù)雜系統(tǒng)是具有中等數(shù)目基于局部信息做出行動(dòng)的智能性、自適應(yīng)性主體的系統(tǒng)。復(fù)雜系統(tǒng)有以下特性：1.智能性和自適應(yīng)性這意味著系統(tǒng)內(nèi)的元素或主體的行為遵循一定的規(guī)則，根據(jù)“環(huán)境”和接收信息來調(diào)整自身的狀態(tài)和行為，并且主體通常有能力來根據(jù)各種信息調(diào)整規(guī)則，產(chǎn)生以前從未有過的新規(guī)則。通過系統(tǒng)主體的相對低等的智能行為，系統(tǒng)在整體上顯現(xiàn)出更高層次、更加復(fù)雜、更加協(xié)調(diào)職能的有序性。2.局部信息沒有中央控制在復(fù)雜系統(tǒng)中，沒有哪個(gè)主體能夠知道其他所有主體的狀態(tài)和

4、行為，每個(gè)主題只可以從個(gè)體集合的一個(gè)相對較小的集合中獲取信息，處理“局部信息”，做出相應(yīng)的決策。系統(tǒng)的整體行為是通過個(gè)體之間的相互競爭、協(xié)作等局部相互作用而涌現(xiàn)出來的。最新研究表明，在一個(gè)螞蟻王國中，每一個(gè)螞蟻并不是根據(jù)“國王”的命令來統(tǒng)一行動(dòng)，而是根據(jù)同伴的行為以及環(huán)境調(diào)整自身行為，而實(shí)現(xiàn)一個(gè)有機(jī)的群體行為。另外，復(fù)雜系統(tǒng)還具有突現(xiàn)性、不穩(wěn)性、非線性、不確定性、不可預(yù)測性等等特征。2.2復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展歷程研究復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展歷史首先要從復(fù)雜性科學(xué)(Complexityscience)的發(fā)展談起。2盡管復(fù)雜性科學(xué)這個(gè)范疇是在20世紀(jì)80年代才被提出的，但是關(guān)于復(fù)雜性的研究其實(shí)早在20世紀(jì)上葉就開

5、始了。復(fù)雜性科學(xué)的發(fā)展大致可分為三個(gè)階段。首先是研究存在階段，這一階段從20世紀(jì)40年代貝塔朗菲創(chuàng)立一般系統(tǒng)論開始。此期間的主要成就表現(xiàn)為:一般系統(tǒng)論，控制論和人工智能。第二階段是20世紀(jì)60一70年代的研究演化階段。在此期間產(chǎn)生的主要復(fù)雜性科學(xué)理論有：耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)、超循環(huán)理論、災(zāi)變(Catastmphe)理論、混沌(Chaos)理論、分形(Flac-tals)理論和細(xì)胞自動(dòng)機(jī)(CellularAutomate)理論。到了20世紀(jì)80年代復(fù)雜性科學(xué)進(jìn)人了綜合研究階段。進(jìn)人第三階段后，復(fù)雜性科學(xué)研究不再是分門別類地進(jìn)行，而是打破了以前的學(xué)科界線，進(jìn)行綜合研究3。20世紀(jì)80年代，蓋爾曼安

6、德森、阿諾等幾位美國的物理學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)等領(lǐng)域諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者認(rèn)識到復(fù)雜性科學(xué)的重要意義，并聚集了一批物理、經(jīng)濟(jì)、生物、計(jì)算機(jī)等方面的研究人員，在SantaFe成立了一個(gè)研究所，就是著名的桑塔費(fèi)研究所，并將研究復(fù)雜系統(tǒng)的學(xué)科稱為復(fù)雜性科學(xué)。桑塔費(fèi)研究所在復(fù)雜系統(tǒng)方面的研究內(nèi)容包羅萬象，幾乎包括傳統(tǒng)自然科學(xué)和人文社會科學(xué)的全部領(lǐng)域，其研究方面所涉及的主要內(nèi)容有:復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)，非適應(yīng)系統(tǒng)(如細(xì)胞自動(dòng)機(jī))，標(biāo)度，自相似，復(fù)雜性的度量等4。中國最早重視復(fù)雜性科學(xué)研究的是錢學(xué)森。他從20世紀(jì)80年代就洞察到這一科學(xué)新方向的重要性，以他為核心，聚集了一批力量，“以開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)(OCGS)理論為學(xué)術(shù)旗幟開創(chuàng)

7、了中國復(fù)雜性研究之先河”被稱之為錢學(xué)森學(xué)派5。2.3復(fù)雜系統(tǒng)的特點(diǎn)總結(jié)起來，復(fù)雜系統(tǒng)具有以下主要的幾個(gè)特點(diǎn)：6(1)自適應(yīng)性/自組織性(self-adaptive/self-organization)。系統(tǒng)是由時(shí)空交疊或分布的組件(有時(shí)也稱為主體)構(gòu)成的。這些組件具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自聚集、自組織等能力，組件能夠通過不斷地學(xué)習(xí)，調(diào)整自身的結(jié)構(gòu)和行為，以適應(yīng)外部和內(nèi)部的變化。組件之間、組件與環(huán)境之間會發(fā)生各種各樣的交互作用，正是組件的自主性，以及組件間交互的復(fù)雜性，使得整個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)呈現(xiàn)復(fù)雜性，同時(shí)也是復(fù)雜系統(tǒng)不斷演化的驅(qū)動(dòng)力。不確定性(uncertainty)。不確定性與隨機(jī)性相關(guān)，而復(fù)雜系統(tǒng)中

8、的隨機(jī)因素不僅影響狀態(tài)，而且影響組織結(jié)構(gòu)和行為方式7。而復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)性使得組件可以自學(xué)習(xí)，能記住這些經(jīng)歷，并“固化”在自己以后的行為方式中。不確定性還與混沌相關(guān)，混沌簡單地說可以把它看作為“確定的隨機(jī)性”。“確定”是因?yàn)樗蓛?nèi)在的原因而不是外來的噪聲或干擾所產(chǎn)生，即過程是嚴(yán)格確定的；而“隨機(jī)性”指的是不規(guī)則、不能預(yù)測的行為?；煦绨驯憩F(xiàn)的無序與內(nèi)在的決定論機(jī)制巧妙地融為了一體，在表現(xiàn)的有序背后隱藏著一種奇異的混沌，而在混沌的深處又隱藏著一種更奇異的秩序。(3)涌現(xiàn)性(emergence)。肩負(fù)不同角色的組件間通過多種交互模式、按局部或全局的行為規(guī)則進(jìn)行交互，組件類型與狀態(tài)、組件之間的交互以及

9、系統(tǒng)行為隨時(shí)間不斷改變，系統(tǒng)中子系統(tǒng)或基本單元之間的局部交互，經(jīng)過一定的時(shí)間之后在整體上演化出一些獨(dú)特的、新的性質(zhì)，形成某些模式，這便體現(xiàn)為涌現(xiàn)性。子系統(tǒng)之間的相互作用，可導(dǎo)致產(chǎn)生與單個(gè)子系統(tǒng)行為顯著不同的宏觀整體性質(zhì)。涌現(xiàn)是有層次的。不同的層次將產(chǎn)生不同的涌現(xiàn)效果，上一層次的涌現(xiàn)必由下面層次的涌現(xiàn)產(chǎn)生。涌現(xiàn)應(yīng)具備以下一些特征：一是必須由系統(tǒng)產(chǎn)生，該系統(tǒng)由多個(gè)組分(子系統(tǒng))組成；二是系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力，能夠通過不斷地學(xué)習(xí)，調(diào)整自身的結(jié)構(gòu)和行為，以適應(yīng)外部和內(nèi)部的變化；三是通過適應(yīng)改變了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為形成演化，具備了新系統(tǒng)的整體功能，從而產(chǎn)生了涌現(xiàn)。涌現(xiàn)的思想反映了宏觀和微觀的有機(jī)聯(lián)系，

10、是微觀行為展現(xiàn)的宏觀效應(yīng)。涌現(xiàn)性也體現(xiàn)為一種質(zhì)變8。主體之間的相互作用開始后，系統(tǒng)能自組織、自協(xié)調(diào)、自加強(qiáng)，并隨之?dāng)U大，發(fā)展，最后發(fā)生質(zhì)變，即發(fā)生了涌現(xiàn)。預(yù)決性(Finality)。復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展趨向取決于系統(tǒng)的預(yù)決性9,預(yù)決性是系統(tǒng)對未來狀態(tài)的預(yù)期和實(shí)際狀態(tài)限制的統(tǒng)一。事實(shí)上，任何有生命的物質(zhì)，都具預(yù)期或預(yù)測的能力,從而影響系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方向。演化(Evolution)。復(fù)雜系統(tǒng)對于外界環(huán)境和狀態(tài)的預(yù)期一適應(yīng)一自組織過程導(dǎo)致系統(tǒng)從功能到結(jié)構(gòu)的不斷演化。這種演化運(yùn)動(dòng)在物理系統(tǒng)中是不存在的。物理系統(tǒng)一般由多個(gè)已有的元素組成,功能和結(jié)構(gòu)都不會改變。而復(fù)雜系統(tǒng)一般是由簡單的元素組合,經(jīng)過不斷的演化而發(fā)展

11、在為功能和結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的系統(tǒng)。從低級到高級,從簡單到復(fù)雜,不斷的演化,是復(fù)雜系統(tǒng)最本質(zhì)特性。開放性(opening)。系統(tǒng)與外部環(huán)境以及子系統(tǒng)之間存在能量、信息或物質(zhì)的交換,就系統(tǒng)與環(huán)境的關(guān)系而言,開放表現(xiàn)為最復(fù)雜與最常見的不確定的、動(dòng)態(tài)連續(xù)的環(huán)境類型。復(fù)雜性不僅體現(xiàn)在系統(tǒng)本身,而且體現(xiàn)在環(huán)境。系統(tǒng)的無序度是用熵來描述的,熵的變化大于零,因此一個(gè)孤立系統(tǒng)的內(nèi)部熵將隨時(shí)間不斷增加,最終熵達(dá)到最大值,此時(shí)系統(tǒng)趨向于無序。開放系統(tǒng)與孤立系統(tǒng)不同,它與外界環(huán)境之間不斷的進(jìn)行著能量、物質(zhì)和信息的交換。這種交換使它可能從外界環(huán)境輸入負(fù)熵,從而使系統(tǒng)的總熵減小,或控制在某種緩慢的增長速度,其結(jié)果是增加了系統(tǒng)

12、的有序性(這種自發(fā)的增加系統(tǒng)有序性的性質(zhì)就稱為自組織性),這正是開放性的價(jià)值所在?？梢?開放性使得復(fù)雜系統(tǒng)具有自組織性。3研究復(fù)雜系統(tǒng)的方法面對這樣的復(fù)雜系統(tǒng)，人們是如何進(jìn)行分析和研究的呢？一種方法是利用計(jì)算機(jī)仿真的方法通過模擬復(fù)雜系統(tǒng)中個(gè)體的行為，讓一群這樣的個(gè)體在計(jì)算機(jī)所營造的虛擬環(huán)境下進(jìn)行相互作用并演化，從而讓整體系統(tǒng)的復(fù)雜性行為自下而上的“涌現(xiàn)”出來。這就是圣塔菲(SantaFe)研究所研究復(fù)雜系統(tǒng)的主要方法。我們不妨稱這種方法為自下而上的“涌現(xiàn)”方法。另一方面，人腦面對復(fù)雜系統(tǒng)可以通過有限的理性和一些不確定信息做出合理的決策，得到滿意的結(jié)果，因此，研究人腦面對復(fù)雜系統(tǒng)是如何解決問題的

13、則是另一種“自上而下”的解決問題的方法，我們不妨稱這種方法為“控制”方法。下面我們用經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)舉例說明這兩種方法的差異。我們知道，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，每一個(gè)人就構(gòu)成了系統(tǒng)的元素，他們根據(jù)自己的決策規(guī)則選擇合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行買賣經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。按照“涌現(xiàn)”的方法來研究這樣的系統(tǒng)，就是要在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)模擬的交易市場，并且創(chuàng)造若干相互買賣的虛擬“人”，每個(gè)“人”都用計(jì)算機(jī)編好的規(guī)則進(jìn)行買賣的決策，雖然現(xiàn)實(shí)中的人用到的決策規(guī)則遠(yuǎn)遠(yuǎn)比計(jì)算機(jī)模型中的“人”的模型復(fù)雜的多，但是這樣的近似還是有意義的，因?yàn)楫?dāng)若干這樣的個(gè)體組合在一起構(gòu)成系統(tǒng)的時(shí)候，宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的一些現(xiàn)象就會自下而上的“涌現(xiàn)”出來，這些涌現(xiàn)出來的現(xiàn)

14、象在很多方面還是客觀反映真實(shí)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的。按照“控制”的觀點(diǎn)，我們可以通過找到幾個(gè)宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的指標(biāo)量，比如GDP、價(jià)格指數(shù)、失業(yè)率等等，然后根據(jù)這些經(jīng)濟(jì)指標(biāo)累計(jì)學(xué)習(xí)系統(tǒng)運(yùn)作的規(guī)律，通過一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的運(yùn)作，我們不難積累一些經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)就可以構(gòu)成描述經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)運(yùn)作的規(guī)則。然后，我們就可以按照找尋出來的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的規(guī)則對經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，例如通過政府的政策來改變經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中每個(gè)個(gè)體的決策環(huán)境和制度環(huán)境來改變個(gè)體的行為規(guī)則，從而改變整個(gè)宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。在這里需要指出的是，宏觀經(jīng)濟(jì)規(guī)律的把握并不破壞復(fù)雜系統(tǒng)中局部信息的性質(zhì)，因?yàn)閷τ诮?jīng)濟(jì)系統(tǒng)的規(guī)律把握是在高于經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)個(gè)體層次的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。我們可以

15、認(rèn)為政府具有這種高層次的性質(zhì)，也就是說它不是嚴(yán)格意義上的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的主體。我們看到上面兩種方法都可以有效的對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行把握，然而他們用的方法是完全不一樣的。目前，大部分復(fù)雜性科學(xué)研究復(fù)雜系統(tǒng)的時(shí)候都用的是“涌現(xiàn)”的方法。而對于“控制”的方法實(shí)際上在人工智能學(xué)科誕生的時(shí)候已經(jīng)開始使用了，例如專家系統(tǒng)的實(shí)踐，各種邏輯系統(tǒng)的仿真都是使用這種自上而下的方法完成的，而將這種方法用于復(fù)雜系統(tǒng)的研究則很少提及。4復(fù)雜系統(tǒng)的研究方向目前，復(fù)雜系統(tǒng)的研究方向大致可分為三個(gè)方面：復(fù)雜系統(tǒng)一般共性研究;復(fù)雜系統(tǒng)輔助仿真方法的研究;具體的復(fù)雜系統(tǒng)研究10,11。復(fù)雜系統(tǒng)一般共性研究有:復(fù)雜系統(tǒng)一般性質(zhì)和行為規(guī)律(如

16、自組織、自加強(qiáng)、自協(xié)調(diào)等)；復(fù)雜系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)，特別是復(fù)雜系統(tǒng)演化規(guī)律的研究；復(fù)雜系統(tǒng)微觀元素的智能判斷、推理與決策；復(fù)雜系統(tǒng)個(gè)體之間關(guān)聯(lián)性與宏觀行為的關(guān)系，復(fù)雜系統(tǒng)中的策劃與調(diào)控;有關(guān)一些哲學(xué)問題的研究等。對復(fù)雜系統(tǒng)輔助仿真方法的研究主要集中在復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)與建模方法(如細(xì)胞自動(dòng)機(jī)、基于Agent的建模與仿真等)；復(fù)雜系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)建模與仿真；人一機(jī)結(jié)合的綜合集成等。具體的復(fù)雜系統(tǒng)的研究工作往往和具體的應(yīng)用研究結(jié)合在一起。例如特定復(fù)雜系統(tǒng)的建模與仿真、特定復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)果評價(jià)等。復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展歷史并不長，發(fā)展也不成熟，還沒有形成統(tǒng)一的模式，人們對它的研究也依然是探索性的。但是復(fù)雜系統(tǒng)必將成為未

17、來科學(xué)的一個(gè)重要的研究方向。因?yàn)樵谝庾R、生命等許多問題上人類仍然存在未知領(lǐng)域，復(fù)雜系統(tǒng)在許多難題的解決上能夠有用武之地。雖然今天人們對復(fù)雜系統(tǒng)的研究還只是一個(gè)開始，但是人們有理由相信，隨著更多的科技工作者的辛勤工作，復(fù)雜系統(tǒng)必將以美好的景象展現(xiàn)在人們面前。參考文獻(xiàn)：殷光偉,鄭丕諤.復(fù)雜系統(tǒng)建模綜述.管理科學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究新進(jìn)展.吳志偉，袁德成.關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)研究的發(fā)展情況.控制工程.2005.LiX,deSouzeGE.Delay-dependentrobuststabilityandsta-hilizationofuncertainlineardelaysystem;alinearmatrix

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