《复杂性、复杂系统与复杂性科学（中科》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复杂性、复杂系统与复杂性科学（中科（40页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、复杂性科学研究现状与展望,宋学锋 中国矿业大学 经济与管理复杂性研究所,提 纲,复杂性 复杂系统 复杂性科学 复杂性科学研究现状 对复杂性科学研究的展望,1 . 复杂性,1.1 复杂性（Complexity）的基本概念 目前，关于复杂性的概念尚没有统一的说法。 因为复杂性涉及面很宽，在美国国会图书馆1975年至1999年2月15日的入藏书目中，标题里含复杂性(Complexity)一词的就有489种。其中涉及算法复杂性、计算复杂性、生物复杂性、生态复杂性、演化复杂性、发育复杂性、语法复杂性，乃至经济复杂性、社会复杂性，凡此种种，不一而足。 需要说明的是：社会科学领域中相当多数量的“复杂性”指的
2、是混乱、杂多、反复等意思，而并非科学研究领域中与混沌、分形和非线性相关联的“复杂性”。 总之，由于复杂性概念在不同的学科领域，研究对象和采用的分析方法不同，因而对复杂性概念的定义也不相同，所以，到目前为止，对复杂性还没有一个严格定义。,12 与复杂性相关的几个概念及其相互关系 （1）随机性：随机现象是系统内涵不确定而外延确定的表象。 近年复杂性研究的一条重要成果是：随机性并不复杂（虽然也有人说随机性是最大的复杂性），历史上不少复杂性的定义其实针对的是随机性，复杂性介于随机和有序之间，是随机背景上无规则地组合起来的某种结构和序。 有文献证明，一个同时包含混沌与随机现象的系统，随着时间的演化，对系
3、统起支配作用的将是非线性机制，而非随机因素。 （2）模糊性：模糊现象是系统内涵确定而外延不确定的表象，可以运用模糊数学的方法减少外延的不确定性。显然，这与复杂性科学的研究有本质区别。,（3）简单性和复杂性 简单性一向是现代自然科学、特别是物理学的一条指导原则。许多科学家相信自然界的基本规律是简单的。爱因斯坦曾是这种观点的突出代表者。虽然复杂现象比比皆是，但人们还是努力要把它们还原成更简单的组分或过程。当然的确有不少复杂的事物或现象，其背后确实存在简单的规律或过程。但是，另一方面也存在大量的事物和现象不能用简单的还原论方法进行处理。 另外，客观地定义和量度复杂性，与人们对自然界描述体系的复杂性是
4、两回事。这很像是“美”和“美感”的关系。前者应有客观定义，而后者涉及接受者的主观条件。,2 . 复杂系统 2. 1 复杂系统及其基本特征 目前关于复杂系统的定义也不统一，至少有30多种，代表性的有如下一些： （1）复杂系统就是浑沌系统（浑沌学派）。 （2）具有自适应能力的演化系统（Santa Fe）。 （3）包含多个行为主体（Agent）具有层次结构的系统。 （4）包含反馈环的系统（Stacey）。 （5）不能用传统理论与方法解释其行为的系统（John Warfield）。 （6）动态非线性系统。 （7）客观事物某种运动或性态跨越层次后整合的不可还原的新性态和相互关系（本体论的复杂性定义）。本
5、体论复杂性还可以分为：（突变论和混沌的两种）运动复杂性和（分形的和非稳定性的两种）结构复杂性。它们都具有跨越层次的特征。表现为嵌套、相互连结、相互影响和作用等。 （8）对客观复杂性的有效理解及其表达（认识论的复杂性定义）。认识论意义的复杂性概念也概括了自然科学和技术科学领域关于用描述长度定义复杂性的各种概念和涵义，特别是关于“有效复杂性”的涵义。,虽然目前关于复杂系统的认识与定义尚未统一，但是对复杂系统的基本特征的认识却比较一致。一般认为复杂系统具有以下特征： （1）非线性（不可叠加性）与动态性 非线性是产生复杂性的必要条件，没有非线性就没有复杂性。复杂系统都是非线性的动态系统。非线性说明了系
6、统的整体大于各组成部分之和，即每个组成部分不能代替整体，每个层次的局部不能说明整体，低层次的规律不能说明高层次的规律。每个子系统具有相对独立的结构、功能与行为。各组成之间、不同层次的组成之间相互关联、相互制约，并有复杂的非线性相互作用。 动态性说明系统随着时间而变化，经过系统内部和系统与环境的相互作用，不断适应、调节，通过自组织作用，经过不同阶段和不同的过程，向更高级的有序化发展，涌现出独特的整体行为与特征。,（2）非周期性与开放性 复杂系统的行为一般是没有周期的。非周期性展现了系统演变的不规则性，系统的演变不具有明显的规律。系统在运动过程中不会重复原来的轨迹，时间路径也不可能回归到它们以前所
7、经历的任何一点，它们总是在一个有界的区域内展示出一种通常是极其“无序”的振荡行为。 系统是开放的，与外部是相互关联、相互作用的，系统与外部环境是统一的。开放系统不断的与外界进行物质、能量和信息的交换，没有这种交换，系统的生存和发展是不可能的。任何一种复杂系统，只有在开放的条件下才能形成，也只有在开放的条件下才能维持和生存。开放系统还具有自组织能力，能通过反馈进行自控和自调，已达到适应外界变化的目的；具有稳定性能力，保证系统结构稳定和功能稳定，具有一定的抗干扰性；在同环境的相互作用中，具有不断的演化能力；受到自身结构功能和环境的种种参数的约束。,（3）积累效应（初值敏感性） 初值敏感性，即所谓的
8、“蝴蝶效应”或积累效应，是指在浑沌系统的运动过程中，如果起始状态稍微有一点改变，那么随着系统的演化，这种变化就会被迅速积累和放大，最终导致系统行为发生巨大的变化。这种敏感性使得我们不可能对系统做出精确的长期预测。 （4）结构自相似性（分形性） 所谓自相似是指系统部分以某种方式与整体相关。分形的两个基本特征是没有特征尺度和具有自相似性。对于经济系统，这种自相似性不仅体现在空间结构上（结构自相似性），而且体现在时间序列的自相似性中。一般来说，复杂系统的结构往往具有自相似性，或其几何表征具有分数维。,2.2 复杂系统的分类 复杂性的种类很多，从不同的角度可以进行不同的分类。以下是两种分类： （1）物
9、理（自然系统）复杂性、生物复杂性、社会复杂性（成思危）； （2）主观复杂性与客观复杂性。,3 . 复杂性科学 3 .1 复杂性科学的定义 复杂性科学就是运用非还原论方法研究复杂系统产生复杂性的机理及其演化规律的科学。 3 .2 复杂性科学的研究对象 安德森指出，复杂性研究不应像一般语义学或一般系统论那样是“早熟和轻率地”企图建立包罗万象的构架；而应当注重特定的、可以检验的机制和概念。 圣达菲（Santa Fe）研究所，把诸如对称破缺、局域化、分形和奇怪吸引子等“各种新性质怎样冒出来”的种种思想贯穿起来，作为复杂性科学的研究对象。 而几本90年代初出版的标题类似的通俗读物，都把复杂性研究作为介于
10、有序和混沌边缘的科学。 复杂系统是复杂性科学研究的对象。,3.3 复杂性科学的基本原理,(1) 整体性原理。由于复杂性科学的研究对象是非线性经济系统，传统的叠加原理失效，因此，不能采用把研究对象分成若干个小系统分别进行研究，然后进行叠加的办法，而只能从总体上把握整个经济系统。这一点也很符合系统科学的思想。 (2) 动态性原理。复杂系统必然是动态系统，即与时间变量有关的系统。没有时间的变化，就没有系统的演化，也就谈不上复杂性规律。因为“事物总是发展变化的”。,(3) 宏观与微观相统一的原理。复杂性科学认为，系统的宏观变量大的波动可能来自于组成系统的一些元素的小变化。因此，为了探讨复杂系统宏观变量
11、的变化规律，必须研究它的微观机制。但由于非线性机制的作用，又不能将系统进行分解，所以说必须将宏观与微观相统一。 (4) 确定性与随机性相统一原理。复杂性科学理论表明：一个确定性的经济系统中可以出现类似于随机的行为过程，它是系统“内在”随机性的一种表现，它与具有外在随机项的非线性系统的不规则结果有着本质差别。对于复杂系统而言，结构是确定的，短期行为可以比较精确地预测，而长期行为却变得不规则，初始条件的微小变化会导致系统的运行轨迹出现巨大的偏差。而对于具有外在随机项的非线性经济系统，系统的演化规则每时每刻都不确定，因此，无论是长期行为还是短期行为都无法界定。,3.4 复杂性科学研究方法 （1）理论
12、分析方法 理论分析是研究复杂系统的必不可少的重要途径。主要包括对复杂系统进行事前、事中和事后的理论分析。对混沌或复杂系统的判定是事前理论分析的重要内容。 （2）复杂系统的模型分析方法 目前有重要影响的模型方法有： （i）混沌动力学模型法（Chaos Dynamics） （ii）符号动力学方法（Symbolic Dynamics） （iii）结构解释模型法（ISM） （iv）系统动力学方法（System Dynamics） （v）复杂适应系统方法（Complex Adaptive System）,（3）复杂系统的数值计算与模拟方法 有关的数值计算方法主要有： （i）遗传算法； （ii）演化计算方
13、法； （iii）胞映射方法等。 模拟方法主要有： （i）系统动力学（System Dynamics）方法； （ii）元胞自动机方法； （iii）SWARM方法等。,4.复杂性科学研究现状,4.1复杂性科学的起源与分类 国外比较规模化的有关复杂性科学方面的研究一般认为是在20世纪70年代末或80年代中期开始的。 经过20多年的发展，复杂性科学取得了长足的进步，目前已经初步形成了以下几个学派：,4.2 混沌学派,混沌理论的起源： 1913年Poincare对微分方程解的灵敏性问题的研究； 1963年Lorenz的实验错误导致初值敏感性的发现； 1975年李天岩（Li）与约克（York）给出了著名的
14、Li-York定理，正式定义了混沌的概念。 之后，混沌研究掀起了高潮：R. M. May(生物), Ruelle和Takens, R. Day等等。,4.3 结构复杂性学派,（1）起源与发展：美国Warfield教授1975年开始研究，1990年出版了A Science of Generic Design: Managing Complexity Through Systems Design，1994年出版了：A Handbook of Interactive Management。 （2）复杂性科学的定义：复杂性是指当人们在处理系统问题由于对所研究问题缺乏足够了解而受挫时，在人脑中所产生的一
15、种的感觉。 那些认为复杂性只是所研究系统的一种特性的人们将会面临找出众多不同待研系统的共同特性的挑战。即使能找到这种特性，也还会遇到诸如他们如何去处理这些系统而不是仅仅考虑一下，比如：所设计的系统或模型没有任何可观测的特性，那么，他们将不得不解释为什么对有些系统有的人能够搞明白而有些人却一筹莫展。,（3）结构复杂性科学由以下几部分构成： （i）结构复杂性的20条定律：复杂性定律能帮助我们鉴别那些为了避免无用劳动而必须克服的障碍，并指出提高效率的途径； （ii）复杂性的度量方法（Metrics）：可以将待研问题的境况（problematic situations）赋予数值，以便比较不同的境况；
16、（iii）解释结构模型（ISM）。 换句话说，SBSC是具体描述复杂的组织行为的基本性质、揭示复杂性的规律、提供可以在复杂境况下进行决策的实用方法、和指导解决复杂性问题的科学。,4.4 系统动力学派,（1）起源： 系统动力学(System Dynamics，简称SD)是系统仿真模拟阶段研究系统动态行为的一种计算机仿真技术。它是福雷斯特于20世纪70年代初期创立的。之后，得到了广泛应用。 （2）新发展： 在系统动力学基础上，皮特圣吉于1995年出版了著作：第五项修炼（The Fifth Discipline），开启了系统动力学发展的新阶段。,4.5 复杂适应系统学派,（1）CAS理论的产生 复杂适应系统理论是在1994年圣塔费研究所成立十周年时，由享有盛名的J霍兰德教授，在题为“隐藏的秩序”（Hidden Order）报告中提出的。在这个报告中，霍兰德在多年研究复杂系统的基础上，提出了关于复杂适应系统的比较完整的理论。 复杂适应系统(CAS)理论是系统科学中引人注目的一个新领域。现代系统科学经历了三个发展阶段：以控制为主要考虑的“老三论”阶段，以自组织现象为主要研究对象的“新
