复杂系统及其方法论

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1、 复杂系统及其方法论 中国航天科技集团公司710所于景元 主要内容q现代科学技术的发展 q系统与系统科学 q综合集成思想与综合集成方法 q综合集成理论与综合集成技术 q综合集成工程现代科学技术的发展呈现出高度分化与高度综合两种趋势这两者是相辅相成，相互促进的.复杂性研究的兴起复杂性科学处于高度综合这个趋势中，在这个 方向上还有系统科学、管理科学、软科学、非 线性科学等.现代科学技术的发展方法论的发展 还原论方法、整体论方法、系统论方法从人脑思维到人机结合思维人类更加聪明了，有能力去认识更加复杂的事物.创新方式的转变，由个体为主向以群体为 主的转变，创新体系的出现。主要内容q现代科学技术的发展

2、q系统与系统科学 q综合集成思想与综合集成方法 q综合集成理论与综合集成技术 q综合集成工程系统与系统科学系统科学和已有的其它科学不同，它是从事物 的整体与部分，全局与局部以及层次关系的角 度来研究客观世界的。客观世界包括自然、社 会和人自身。能反映事物这个特征最基本的重 要概念就是系统，所以系统也就成为系统科学 研究和应用的主要对象。这与自然科学、社会 科学、人文科学等不同，系统科学能把这些科 学领域研究的问题联系起来作为系统进行综合 性整体研究。这就是为什么系统科学具有交叉 性、综合性、整体性和横断性的原因，也正是 这些特点使系统科学处在现代科学技术发展的 综合性整体化的方向上。 系统与系

3、统科学所谓系统是指由一些互相关联、互相作 用、互相影响的组成部分所构成的具有某 些功能的整体，这是国内外学术界普遍公 认的科学概念。这样定义的系统在自然界 、人类社会包括人自身是普遍存在的。根 据系统结构的复杂性，可将系统分为简单 系统、简单巨系统、复杂系统和复杂巨系 统以及特殊复杂巨系统社会系统。系统与系统科学系统的一个重要特点，就是系统在整体 上具有其组成部分所没有的性质，这就是 系统的整体性。系统整体性的外在表现就 是系统功能。系统的这个性质意味着，对 系统组成部分都认识了，并不等于认识了 系统整体，系统整体性不是它组成部分性 质的简单“拼盘”。系统与系统科学系统科学研究表明，系统内部结

4、构和系 统外部环境以及它们之间的关联关系，决 定了系统整体性和功能。从理论上来看， 研究系统结构与环境如何决定系统整体性 和功能，揭示系统存在、演化、协同、控 制，管理与发展的一般规律，就成为系统 学，特别是复杂巨系统学的基本任务。国 外关于复杂性的研究，正如钱学森指出的 是开放复杂巨系统的动力学问题，实际上 也是属于这方面的探索。系统与系统科学另一方面，从应用角度来看，根据上述性质，为了使 系统具有我们期望的功能，特别是最好的功能，我们可 以通过改变和调整系统结构或系统环境以及它们之间关 联关系来实现。但系统环境并不是我们想改变就能改变 的，只能主动去适应。而系统结构却是我们能够改变、 调整

5、和设计的。这样，我们便可以通过改变、调整系统 组成部分或组成部分之间、层次结构之间以及与系统环 境之间的关联关系，使它们相互协调与协同，从而在整 体上涌现出我们满意的和最好的功能，这就是系统控制 、系统干预（Intervention）、系统组织管理的基本内 涵，也是控制工程、系统工程等所要实现的主要目标。系统与系统科学对于系统科学来说，一个是要认识 系统，另一个是在认识系统基础上， 去改造、设计和运用系统，这就要有 科学方法论的指导和科学方法的运用 。 主要内容q现代科学技术的发展 q系统与系统科学 q综合集成思想与综合集成方法 q综合集成理论与综合集成技术 q综合集成工程综合集成思想与综合集

6、成方法对于简单系统和简单巨系统都已有了相 应的方法，也有了相应的理论与技术并在 继续发展之中。但对复杂系统和复杂巨系 统（包括社会系统）却不是已有科学方法 所能处理的，需要有新的方法论和方法， 这是一个科学新领域。综合集成思想与综合集成方法从近代科学到现代科学的发展过程中， 自然科学采用了从定性到定量的研究方法 ，所以自然科学被称为“精密科学”。而 社会科学、人文科学由于研究对象的复杂 性，通常采用的是从定性到定性的思辨、 描述方法，所以这些学问被称为“描述科 学”。当然，这种趋势随着科学技术的发 展也在变化，有些学科逐渐向精密化方向 发展，如经济学、社会学等。综合集成思想与综合集成方法从方法

7、论角度来看，在这个发展过程中，还原论方法 发挥了重要作用，特别在自然科学领域中取得了很大成 功。还原论方法是把所研究的对象分解成部分，以为部 分研究清楚了，整体也就清楚了。如果部分还研究不清 楚，再继续分解下去进行研究，直到弄清楚为止。按照 这个方法论，物理学对物质结构的研究已经到了夸克层 次，生物学对生命的研究也到了基因层次。毫无疑问这 是现代科学技术取得的巨大成就。但现实的情况却使我 们看到，认识了基本粒子还不能解释大物质构造，知道 了基因也回答不了生命是什么。这些事实使科学家认识 到“还原论不足之处正日益明显”。这就是说，还原论 方法由整体往下分解，研究得越来越细，这是它的优势 方面，但

8、由下往上回不来，回答不了高层次和整体问题 ，又是它的不足一面。综合集成思想与综合集成方法所以仅靠还原论方法还不够，还要解决由下往上的问 题，也就是复杂性研究中的所谓涌现问题。著名物理学 家李政道对于21世纪物理学的发展曾讲过“我猜想21世 纪的方向要整体统一，微观的基本粒子要和宏观的真空 构造、大型量子态结合起来，这些很可能是21世纪的研 究目标”。这里所说的把宏观和微观结合起来，就是要 研究微观如何决定宏观，解决由下往上的问题，打通从 微观到宏观的通路，把宏观和微观统一起来。 同样的道理，还原论方法也处理不了系统整体性问题 ，特别是复杂系统和复杂巨系统（包括社会系统）的整 体性问题。从系统角

9、度来看，把系统分解为部分，单独 研究一个部分，就把这个部分和其他部分的关联关系切 断了。这样，就是把每个部分都研究清楚了，也回答不 了系统整体性问题。综合集成思想与综合集成方法意识到这一点更早的科学家是彼塔朗菲，他是一位分 子生物学家，当生物学研究已经发展到分子生物学时， 用他的话来说，对生物在分子层次上了解得越多，对生 物整体反而认识得越模糊。在这种情况下，于20世纪30 年代他提出了整体论方法，强调还是从生物体系统的整 体上来研究问题。但限于当时的科学技术水平，支撑整 体论方法的具体方法体系没有发展起来，还是从整体论 整体、从定性到定性，论来论去解决不了问题。正如钱 老所指出的“几十年来一

10、般系统论基本上处于概念的阐 发阶段，具体理论和定量结果还很少”。但整体论方法 的提出，确是对现代科学技术发展的重大贡献。综合集成思想与综合集成方法20世纪80年代中期，国外出现了复杂性 研究。所谓复杂性其实都是系统复杂性， 从这个角度来看，系统整体性，特别是复 杂系统和复杂巨系统（包括社会系统）的 整体性问题就是复杂性问题。所以对复杂 性研究，他们后来也“采用了一个复杂 系统的词，代表那些对组成部分的理解 不能解释其全部性质的系统。” 综合集成思想与综合集成方法国外关于复杂性和复杂系统的研究，在研究方 法上确实有许多创新处，如他们提出的遗传算 法、演化算法、开发的Swarm软件平台、以 Age

11、nt为基础的系统建模、用数字技术描述的人 工生命等等。在方法论上，虽然也意识到了还 原论方法的局限性，但并没有提出新的方法论 。方法论和方法是两个不同层次的问题。方法 论是关于研究问题所应遵循的途径和研究路线 ，在方法论指导下是具体方法问题，如果方法 论不对，再好的方法也解决不了根本性问题。综合集成思想与综合集成方法20世纪70年代末，钱学森明确指出 “我们所提倡的 系统论，既不是整体论，也非还原论，而是整体论与还 原论的辩证统一”。钱老的这个系统论思想后来发展成 为他的综合集成思想。根据这个思想，钱老又提出将还 原论方法与整体论方法辩证统一起来，形成了系统论方 法。在应用系统论方法时，也要从

12、系统整体出发将系统 进行分解，在分解后研究的基础上，再综合集成到系统 整体，实现1+12的整体涌现，最终是从整体上研究和 解决问题。由此可见，系统论方法吸收了还原论方法和 整体论方法各自的长处，同时也弥补了各自的局限性， 既超越了还原论方法，又发展了整体论方法。这是钱学 森在科学方法论上具有里程碑意义的贡献，它不仅大大 促进了系统科学的发展，同时也必将对自然科学、社会 科学等其它科学技术部门产生深刻的影响。综合集成思想与综合集成方法20世纪80年代末到90年代初，钱学森又先后提 出“从定性到定量综合集成方法”以及它的实 践形式“从定性到定量综合集成研讨厅体系” （以下将两者合称为综合集成方法）

13、，并将运 用这套方法的集体称为总体部。这就将系统论 方法具体化了，形成了一套可以操作的行之有 效的方法体系和实践方式。从方法和技术层次 上看，它是人机结合、人网结合以人为主 的信息、知识和智慧的综合集成技术。从应用 和运用层次上看，是以总体部为实体进行的综 合集成工程。综合集成思想与综合集成方法综合集成方法的实质是把专家体系、信 息与知识体系以及计算机体系有机结合起 来，构成一个高度智能化的人机结合与 融合体系，这个体系具有综合优势、整体 优势和智能优势。它能把人的思维、思维 的成果、人的经验、知识、智慧以及各种 情报、资料和信息统统集成起来，从多方 面的定性认识上升到定量认识。综合集成思想与

14、综合集成方法钱老提出的人机结合思维体系是综合集成方法的理论基 础。从思维科学角度来看，人脑和计算机都能有效处理信息 ，但两者有极大差别。关于人脑思维，钱老指出“逻辑思维 ，微观法；形象思维，宏观法；创造思维，宏观与微观相结 合。创造思维才是智慧的源泉，逻辑思维和形象思维都是手 段”。今天的计算机在逻辑思维方面确实能做很多事情，甚 至比人脑做得还好还快，善于信息的精确处理，已有许多科 学成就证明了这一点，如著名数学家吴文俊的定理机器证明 。但在形象思维方面，现在的计算机还不能给我们以任何帮 助。至于创造思维就只能依靠人脑了。然而计算机在逻辑思 维方面毕竟有其优势。如果把人脑和计算机结合起来以人为

15、 主的思维方式，那就更有优势，思维能力更强，人将变得更 加聪明，它的智慧和创造能力比人要高，比机器就更高，这 也是1+12的道理。综合集成思想与综合集成方法信息、知识和智慧是三个不同层次的问题。有了信息 未必有知识，有了信息和知识也未必就有智慧。信息的 综合集成可以获得知识，信息和知识的综合集成可以获 得智慧。人类有史以来是通过人脑获得知识和智慧的。 现在由于以计算机为主的现代信息技术的发展，我们可 以通过人机结合以人为主的方法来获得信息、知识和 智慧，在人类发展史上，这是具有重大意义的进步。综 合集成方法就是这种人机结合获得信息、知识和智慧 的方法，它是人机结合的信息处理系统、人机结合 的知

16、识创新系统、人机结合的智慧集成系统。按照我 国传统文化有“集大成”的说法，即把一个非常复杂的 事物的各个方面综合集成起来，达到对整体的认识，集 大成得智慧，所以又把这套方法称为“大成智慧工程” 。将大成智慧工程进一步发展，在理论上提炼成一门学 问，就是大成智慧学。综合集成思想与综合集成方法从实践论和认识论角度来看，与所有科学研究一样，无论是复杂 巨系统（包括社会系统）的理论研究还是应用研究，通常是在已有 的科学理论、经验知识基础上与专家判断力（专家的知识、智慧和 创造力）相结合，对所研究的问题提出和形成经验性假设，如猜想 、判断、思路、对策、方案等等。这种经验性假设一般是定性的， 它所以是经验性假设，是因为其正确与否，能否成立还没有用严谨 的科学方式加以证明。在自然科学和数学科学中，这类经验性假设 是用严密逻辑推理和各种实验手段来证明的，这一过程体现了从定 性到定量的研究特点。但对复杂巨系统（包括社会系统）由于其跨 学科、跨领域、跨层次的特点，对所研究的问题能提出经验性假设 ，通常不是一个专家，甚至也不是一个领域的专家们所能提出来的 ，而是由