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1、复杂系统与综合集成方法,于景元中国航天科技集团七一O所,复杂系统与复杂巨系统的理论与应用研究，反映出现代科学技术发展的一种新趋势，这就是不同学科、不同领域之间相互交叉、结合以至融合，向综合性整体化的方向发展。其中不仅有同一领域内不同学科的交叉、结合，还有不同领域之间，如自然科学、社会科学、人文科学之间的相互结合以至融合，这已成为现代科学技术发展的重要特点。在这个方向上既有科学理论问题，也有技术与实践问题，还有方法论和方法问题。这里有很大的创新空间，也需要具有跨学科、跨领域能力的复合型创新人才。 钱学森综合集成体系（综合集成思想、综合集成方法、综合集成理论、综合集成技术、综合集成工程）就是在这个
2、方向上科学思想和科学方法的体现。 下面从五个方面进行一些讨论。,一、从系统整体性到综合集成 二、综合集成方法 三、综合集成的系统理论与系统技术 四、综合集成工程 五、综合集成思想,一、从系统整体性到综合集成,首先介绍一下系统科学。系统科学和已有的其它科学不一样，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是系统。所以系统也就成为系统科学研究的基本对象。这与自然科学、社会科学、人文科学研究对象不同，它能把这些对象联系起来作为系统进行综合性研究。这也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
3、。 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。通常将相互关联、相互作用、相互影响的组成部分称作系统结构。系统以外的部分称为系统环境。根据系统结构的复杂程度，可将系统分为简单系统、简单巨系统、复杂系统、复杂巨系统、特殊复杂巨系统社会系统。,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。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，系统整体性并不是组成部分性质的简单“拼盘”。我们常说“三个臭皮匠凑成个诸葛亮”，三
4、个臭皮匠所构成的系统，在整体上是诸葛亮水平，而它的组成部分只是臭皮匠水平，两者相差很大。后面我们将会看到，研究和运用系统整体性这一特点，具有重要的理论和实践意义。 在系统科学中，有一条很重要的原理，就是系统结构和系统环境以及它们之间关联关系，决定了系统整体性和功能。也就是说，系统整体性与功能是内部系统结构与外部系统环境综合集成的结果，也就是复杂性研究中所说的涌现（Emergence）。 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、发展与控制的一般规律，就成为系统学，特别是复杂巨系统学的基本任务。国外关于复杂系统的研究，也是属于这方面的探索。,从应用角度来
5、看，根据这个原理，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。但是系统环境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、调整和设计的。这样，我们便可以通过改变和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，从而使系统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。 对于系统研究和应用来说，一个是要认识系统，另一个是在认识系统的基础上去改造和
6、运用系统，这就要有正确的方法论指导和科学方法的运用。,二、综合集成方法,对复杂系统、复杂巨系统（包括社会系统）的研究，是系统科学中的核心问题，也是系统工程应用中难以处理的问题。对于简单系统、简单巨系统均已有了相应的方法论和方法，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、复杂巨系统（包括社会系统），首先遇到的是方法论和方法问题。它不是已有科学方法所能处理的。 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、描述的方法，所以这些学问被称为“描述科学”。但这种
7、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，例如经济学、社会学等。,从方法论角度来看，在这个发展过程中培根式的还原论方法发挥了重要作用，特别是在自然科学中取得了很大成功。还原论方法是把所研究的对象分解成部分，以为部分都研究清楚了，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。但是现实的情况却告诉我们，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。这些基本事实使科学家们认识到“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
8、解，研究得越来越细，这是它的优势方面，但由下往上回不来，回答不了高层次和整体问题，这又是它的不足一面。所以仅靠还原论方法还不够，还要解决由下往上的问题，也就是前面提到得所谓涌现问题。著名物理学家李政道曾讲过“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，把宏观与微观统一起来。,同样的原因，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的整体性问题。从系统角度来看，把系统分解为部分，单独研究一个部分，就把
9、这个部分和其它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。 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，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，解决不了问题。但整体论方法的提出却是对现代科学技术发展的重要贡献。,20世纪80年代中，国外出现了所谓复杂性研究和复杂性科学。实际上，他们所说的复杂性问题就是用还
10、原论方法处理不了而需要有新的方法论和方法来处理的问题。从这个角度来看，系统整体性，特别是复杂系统、复杂巨系统的整体性问题就是复杂性问题。所以对复杂性的研究，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”。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之处，如他们提出的遗传算法，开发的swarm软件平台，以Agent为基础的系统建模，用数字技术描述的人工生命等等。但在方法论上，虽然也意识到了还原论方法的局限性，但并没有开辟出新的途径，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路线，在方法论指导下是具体
11、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。,20世纪70年代末，钱学森提出把还原论方法和整体论方法结合起来，即系统论方法。应用这个方法研究系统时，也需要将系统分解，在分解后研究的基础上再综合集成到系统整体，实现112的涌现，达到从整体上研究和解决问题的目的。 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，这就是系统论方法的优势所在。 还原论方法、整体论方法、系统论方法都属于方法论层次，但又各具特色，各有不同。还原论方法采取了从上往下、由整体到部分的研究途径，整体论方法是不分解的，从整体到整体。而系统论方法既从
12、整体到部分由上而下，又自下而上由部分到整体。正是研究路线上的不同，使它们在研究和认识客观事物的结果上也不同。形象地说，可概括如下： 整体论方法 101 还原论方法 112 系统论方法 112,上个世纪80年代末至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”（以下将两者简称为综合集成方法），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。从方法与技术层次上看，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；从运用和应用层次上看，是以总体部为实体进行的综合集成
13、工程。 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。,综合集成方法是以思维科学为基础的。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。人脑思维一种是逻辑思维（抽象思维），它是定量、微观处理信息的方法；另一种是形象思维，它是定性、宏观处理信息的方法，而人的创造性主要来自创造思维，创造思维是逻辑思维和形象思维的结合，也就是定性与定量相结合、宏观与微观相结
14、合，这是人脑创造性的源泉。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先生的定理机器证明。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。但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主，那就更有优势，人将变得更加聪明，它的智能比人要高，比机器就更高，这也是1+12的道理。这种人机结合以人为主的思维方式和研究方式就具有更强的创造性和认识客观事物的能力，见图一。,机器,人 机结合以机器为主,人,人 机结合以人为主,认知能力,思维方式 研究方式,图
15、一,信息、知识、智慧这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、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知识和智慧的方法。 从认识论角度来看，与所有科学研究一样，无论是对复杂系统、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、经验知识基础上并和专家判断力（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
16、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。在自然科学和数学中，这类经验性假设是用严密的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特点。但对复杂系统、复杂巨系统来说，由于其跨学,科、跨领域的特点，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，而是由不同领域、不同学科专家构成的专家体系，依靠群体的知识和智慧，对所研究的复杂系统和复杂巨系统问题提出经验性假设与判断。但要证明其正确与否，仅靠自然科学和数学中所用的各种方法就显得力
17、所不及了。如社会系统、地理系统中的问题，既不是简单的逻辑推理，也不能进行实验。但我们对经验性假设又不能只停留在思辨和从定性到定性的描述上，这是社会科学、人文科学中常用的方法。系统科学是要走“精密科学”之路的，那么出路在哪里？这就是人机结合以人为主的思维方式和研究方式。机器能做的尽量由机器去完成，极大扩展人脑逻辑思维处理信息的能力（自然也包括了各种能用的数学方法和工具）。通过人机结合以人为主，实现信息、知识和智慧的综合集成。这里包括了不同领域的科学理论和经验知识、定性知识和定量知识、理性知识和感性知识，通过人机交互、反复比较、逐次逼近，实现从定性到定量认识，从而对经验性假设的正确与否做出明确结论，无论是肯定还是否定了经验性假设，都是认识上的进步，然后再提出新的经验性假设，继续进行定量研究，这是一个循环往复不断深化的认识过程。,
