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1、自组织理论与网络信息的自组织,覃泽宇,一、自组织理论,（一）自组织理论的历史背景 （二）自组织理论的核心概念 （三）自组织方法论简述,（一）自组织理论的历史背景,自组织领域涉及的是事物自发、自主形成结构的过程，在这种过程中存在特有的自组织特征、条件、环境和动力学规律。 德国哲学家康德（Kant）最早提出自组织的思想。 第一批自组织理论出现于19世纪中叶：英国生物学家达尔文（Charles Robert Darwin）的进化论是生物学的自组织理论，其自然选择原理就是一种自组织原理；马克思的五种社会形态演进理论是关于社会历史的自组织理论；相变理论是物理学的自组织理论。 这三者都是某个特定领域的自组
2、织理论，但均未提出和使用自组织概念。,20世纪中期以来，当代自然科学的前沿出现了“耗散结构论”(Dissipative Structure Theory)、“协同学”(Synergetics)、“突变论”(Morphogensis)、“超循环论”(Hypercycle Theory)、“混沌理论”(Chaos Theory)和“分形理论”(Fractal Theory)等一批新兴学科。,耗散结构论：耗散结构论是伊里亚普里戈金(Ilya Prigogine)教授于1969年在“理论物理学和生物学”国际会议上正式提出。 耗散结构是一个远离平衡态的非线性的开放系统通过不断地与外界交换物质和能量，在系
3、统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。 这种有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构”(dissipative structure)。,协同学：1977年，德国科学家哈肯出版了协同作用学导论一书，创立了协同学。 协同论是一门专门研究系统进化普遍规律的科学。它研究子系统构成的系统是如何通过协作从无序到有序演化的规律。“协同”思想有两个最基本的观点：“协同效应”是核心概念。即“协同导致有序”；“自组织”是协同思想的硬核。,突变论：突变论作为现代数学的一门新兴分支
4、学科，是20世纪70年代由法国数学家勒内托姆提出的。 突变论指出系统的熵可以增加也可以减少。这种熵增熵减可以在宏观无限小的时间内突然发生。突变熵减少产生的有序性，可以抵消、战胜自然界某些自发熵增趋势，有可能造成有序性的发展。,混沌论：“混沌”一词最初是一个哲学概念，源于古中国的”混沌初开无所不包”的意思。目前主要指在确定性系统中出现的“无序性”、“无规性”和“不可预测性”，是描述复杂性和不能根据初始状态预知其未来的运动状态的动力学系统的理论。 在近阶段，混沌理论标志了人类对客观世界的认识已进入了一个新阶段：不仅对“非此即彼”的明晰形态，而且对“亦此亦彼”的过渡性形态都能进行研究。,超循环论：2
5、0世纪70年代德国化学家艾根(Manfred Eigen)提出了“超循环”概念。并于1977年出版了超循环：自然的自组织原理一书。 “超循环”(HyPercycle)理论，是一门研究生物信息起源的理论，是直接建立生命现象的数学模型。艾根他们观察到生命现象都包含许多由酶的催化作用所推动的各种循环，而基层的循环又组成更高一层次的环，即“超循环”也可以出现再高层次的超循环。,尽管它们研究的对象不同，但是它们的研究具有共同特征，即都是针对非线性的复杂系统，或非线性的复杂的自组织形成过程，因而被统称为自组织理论。 从此，自组织系统或自组织过程成为引人注目的焦点，并且研究发现，自组织系统和自组织过程极为普
6、遍，而且与人类社会关系极为密切。,（二）自组织理论的核心概念,1、系统与组织 关于系统的定义，不同学科由于研究范围和重点的不同，常常给出不同的定义。 在技术学层次上，通常采用我国科学家钱学森的定义：系统是由相互制约的各部分组成的具有一定功能的整体。 在基础科学层次上，通常采用美籍奥地利生物学家贝塔朗菲（Luduig Von Bertalanffy）的定义：系统是相互联系、相互作用的诸元素的综合体。 不论是哪种定义都指出，系统是由部分构成且具有整体特性的一类事物。,组织既指按照一定规则构成或存在某种秩序的事物，又指事物形成一个空间、时间或功能上的有序结构的过程。前一种情况是组织作名词解，后一种情
7、况是作动词解。 系统和组织是描述事物同一种存在方式的两个不同概念，二者的着眼点不同。系统是从整体性和相关性的立场上把握事物，而组织是从结构和有序化的立场上把握对象。,2、自组织与他组织,自组织是系统科学的一个重要概念，它是复杂系统演化时出现的一种现象。我们根据一个组织是否是按照外界特定干预而形成的，又可以把组织分为自组织和他组织系统。 组织力来自系统内部的是自组织，组织力来自系统外部的是他组织。 就整个自然界及其发展史来看，自组织是基本的，他组织是在宇宙自创生后的发育过程中逐步出现的。最典型的他组织是人工设计、制造、操纵、控制的系统。人工创造任何事物的过程都是他组织过程，人造事物都是他组织系统
8、，但不论是构建何种人工系统，都要遵循一定的自组织规律，都是仿照自组织系统而进行的。,（三）自组织方法论,自组织理论主要研究客观世界中自组织现象的产生、演化等，关注系统在内部结构和复杂性增加的相变期间内所表现出来的行为。,清华大学的吴彤教授认为： 耗散结构理论是解决自组织出现的条件环境问题 协同学基本上是解决自组织的动力学问题 突变论则从数学抽象的角度研究了自组织的途径问题 超循环论解决了自组织的结合形式问题 分形和混沌理论，则是从时间序与空间序的角度研究了自组织的复杂性和图景问题。 在这样的定位下，不同的方法论不存在逻辑冲突，它们是一个序列，是一个研究自组织各个方面和全过程的方法论集合体，它们
9、各自在整体的自组织方法论中有自己的“生态龛”。,综合的自组织方法论： 1、对于一个开放系统，可以通过创造条件，加强物质、能量与信息输入使得自组织过程得以产生； 2、激励系统内部子系统的非线性相互作用，通过竞争、合作推动系统产生整体新的模式和功能； 3、通过循环耦合，突变渐变途径，使得系统得以维持自组织并且发展演化的多样性，增强有序程度和关联程度， 4、通过自相似构建和寻求混沌临界点或域，将系统的演化推进到最大的复杂性可能空间，创造演化有序发展的良机。 通过自组织的方法论，在自然界中纯粹自发的自组织的发展，在人类演化中成为一种自觉的行为。,自组织方法论重视环境条件 没有条件，就没有演化，重视条件
10、，就是重视演化的个性，多样性。无论是耗散结构理论的方法，还是分形理论和混沌理论，它们都对初始条件、过程条件在演化过程中的重要性给予极端的、高度的重视。,自组织方法论也是重视相互作用的方法论。把交互作用放置在演化中，交互作用于是从线性相互作用发展为非线性相互作用，从对称的相互作用发展成为不对称的相互作用，演化成为循环的、超循环的相互作用；小的相互作用逐渐被放大，或大的相互作用被缩小；于是事物自组织起来，发展起来，复杂起来，组织起来。 因此，自组织方法论把相互作用看成是推动系统自组织的根本动力，并且把这种非线性相互作用细致分成竞争、协同两种相反相成的互补对立性机制。,自组织方法论不追求固定演化结局
11、，但认为演化具有一定意义的确定性。 它并没有完全否认预测的科学性，只是承认预测要受到一定的条件的限制。这是因为演化的信息将随距离条件起点的时间长度而逐渐丧失。自组织的方法，犹如道家所说的“无为”，佛教常说的“随缘”。无为并不等于无所作为，随缘也要对“机缘”有所认识，有所把握。“无为”是不刻意的“为”，即不去他组织。无为，即遵循规律而为。,二、网络信息的自组织,（一）网络信息自组织的条件 （二）网络信息自组织的特性,（一）网络信息自组织的条件,网络信息自身的成熟条件： 网络技术的发展及信息自身运动的特点。 从网络技术看，互联网使信息的交流一下子发展到了光速水平，信息系统复杂程度大为增加，使其具备
12、了自组织的条件。HTML技术的应用大大扩展了信息存储和利用的空间性，实现了非线性地组织管理信息，信息通过这种非线性的相互作用，产生相干效应和协调作用，并由此趋向于结构和功能的有序化。,从信息运动的特点看： 第一，信息在时间运动中的单向性。信息的扩散与分布在本质上都是不可逆的。第二，信息在空间分布上绝对不均匀性。绝对均匀性在现实世界上只能是一种理想状态。第三，信息运动的绝对性。信息是动态的，一直处于发展变化之中。第四，信息运动中有序无序的辨证性。 信息运动的这些特征使得信息自组织能够广泛存在。,网络信息自组织 是指网络中的信息由于用户与用户之间、用户与网络其它要素之间的交互性、相关性、协同性或默
13、契性而形成特定结构和功能的过程。也就是指信息网络无需外界指令而能自行组织信息，自我走向有序化的过程。它是根据信息网络自身运动的变化规律和特定条件而自发形成的。,（二）网络信息自组织的特性,开放性自组织的必要条件。 一个与外界有物质、能量交换的开放系统，才具有系统通过自组织从无序向有序进化，孤立系统的熵随着时间增至极大值，系统达到最无序的平衡态，也就不可能出现自组织现象。 网络信息系统与外界环境进行物质与能量交换，引入足够的负熵，使系统的总熵增量为负值，从而减少系统总熵，使系统进入相对有序的状态。,涨落和突变自组织的动力和方式。由于系统内外随机因素的干扰，系统的状态、属性在其平均值附近的波动称为
14、涨落。 对于平衡态系统而言，涨落会被自动收敛，但在临界点附近，涨落则可能被放大，形成巨涨落，从而促使系统发生突变，导致有序。网络信息系统也正是通过涨落和突变使看似杂乱无章的信息变得“有序”。如BBS最初是些杂乱无章的话语，但随着发言者们的“默契”，最终便形成了特定某个话题，达到突变。,非线性自组织的根本原因。非线性相互作用使子系统相互制约、协调同步，又使系统与环境协调同步，从而显示出一种整体效应，使系统从杂乱无章变为井然有序。 网络信息系统是一个复杂的自组织系统，它具有海量分散的信息及非线性的信息结构，这种非线性的信息结构表现为超文本链接。,远离平衡态自组织之源。在平衡态或近平衡态都不会出现有序结构，只有远离平衡的系统，才有可能从杂乱无章的初态跃到新的有序状态，非平衡态是有序之源。 网络信息系统中信息在时间运动中的单向性、空间分布上不均匀性及信息运动的绝对性使网络信息系统远离平衡态成为可能。,谢谢,
