1复杂性
从20世纪40年代起,科学界开始对复杂性进行了研究,复杂性的探索归功于现代系统研究的开创者们。
贝塔朗菲指出,现代技术和社会已变得十分复杂,以至于传统的方法和手段不再满足需求。“我们被迫在一起知识领域中运用“整体”或“系统”概念来处理复杂性问题”。
复杂性探索的真正高潮始于20世纪70年代产生的自组织理论。普利高津、哈肯、艾根断言复杂性是物质世界自组织运动的产物,坚持以自组织为基本概念揭示复杂性的本质和来源。
20世纪80年代以来,在西方的复杂性研究中,圣塔菲研究所的工作最引人注目。他们的目标是建立能够处理一切复杂性的一元化理论,主要手段是计算机模拟。但是是否存在这样的一元化理论,计算机模拟得到的结果是否能够真实反应客观世界,圣塔菲的学者之间一直存在激烈的争论。但是它们的研究深化了对复杂性的理解。
圣塔菲研究所
20世纪80年代以来,钱学森提出开发复杂巨系统,制定了研究开放复杂巨系统的可行方法,带领我国一批学者开展了多方面研究,取得了重要成果。
复杂性的基本定义极难达成一致的定义迄今有不下50种定义。有人将它们归结为信息类、熵类、描述长度类、深度类、复杂性类、多样性类、维数类和综合(隐喻)类等。以下列出典型的几类:
(1) 有效复杂性,指一个系统显示“规律性”(而不是随机性)的程度;
(2) 体系复杂性,指由一个体系结构体系不同层次所显示的多样性;
(3) 语法复杂性,指描述一个系统所需要的语言的普遍行程度;
(4) 热力学程度,指将一个系统组织在一起所需热力学资源的数量。
复杂性之所以为复杂性,在于它的实际表现具有无穷的多样性和异构性。普遍适应的复杂性定义也许并不存在。物理、生物、社会、意识这些现实世界的不同层次各有不同的复杂性,因此允许不同领域有不同的复杂性定义。
由于复杂性目前在科学界没有形成统一的定义,因此目前复杂性科学认为,可以先避开正面定义复杂性,从复杂性的产生根源入手,考察它从哪里来,在什么条件下产生形成复杂性,这样可以对复杂性的内涵形成具体的理解。
(1) 源于系统规模的复杂性。规模能够影响系统的复杂性,同类的组分,同样的结构模式,仅仅增加规模就可能导致系统性质上的易变,形成系统规模效应。规模大的系统可能带来复杂性。
(2) 源于多样性的系统复杂性。少样性难以产生复杂性,复杂事物一定具有多样性。系统组分种类多样化,组分互动方式多样化,系统可能行为状态多样化,功能目标多样化,评价指标多样化,系统与环境互动方式多样化,未来可能路径多样化,等等,是系统产生复杂性的重要根源。系统的多组分和组分多样性是产生复杂性的内因。
(3) 源于等级层次结构的复杂性。系统具有层次结构,是指系统的最小组分(元素)与整体之间至少存在一个中间层,从元素经过中间层的逐步过渡,才能到达整体层次。多层次系统的底层因素需要从低到高逐层整合而形成整体,这种层次结构使得复杂性因素增加。一般来说,中间层次越多,系统的结构越复杂,因此,系统的状态、行为和属性也就越复杂。
(4) 源于开放性的复杂性。开放性意味着削弱了系统边界作用,系统与环境进行物质、能量、信息等方面的不断交互。外部环境一般都具有多样性、差异性、易变性、不确定性,在开放条件下,它们都会通过系统跟环境的互动而反映到系统内部,进而影响组分之间的互动,形成复杂的结构;内部的互动又会影响系统跟环境的互动,甚至影响环境本身,使系统与环境的关系复杂化。
(5) 源于动力学因素的复杂性。易变性是复杂性的一种表现形式,也是复杂性产生的根源之一。时间对系统行为特性影响、系统状态随时间展开而发生变化的现象,形成了系统的动态特性,相应地成为动态系统(动力学系统),其行为呈现出动态的过程。动力学系统不仅从时间段的角度考察系统的行为和状态,还要从不同时刻,即系统的瞬态特性来分析系统的行为和状态,这构成了系统的动力学因素。这种时间上的差异,再加上空间上的差异,可能使系统具有丰富多彩的复杂性。
(6) 源于非平衡的复杂性。系统的演化离不开系统的非平衡性,在系统中,平衡总是暂时的,非平衡才是永恒的。当系统离开平衡态到下一个平衡态形成之前,系统的行为、结构和状态的变化具有很大的不确定性,从而形成了系统非平衡态的复杂性。耗散结理论为系统的这种复杂性提供了物理学的解释。
(7) 源于不可逆的复杂性。不可逆说明系统无法回到以前的状态,不能执行过去的行为等。如果一个过程能够反向进行,就不构成复杂性,复杂性只可能出现在不可逆的过程中。
(8) 源于非线性因素的复杂性。非线性是产生复杂性的关键因素,非线性具有创造性、创新性,非线性因素在重复运作中会带来新特征或属性,通过量变的积累形成意想不到的质变。非线性有很多种不同的表现形式,能够产生性质不同的复杂性。特别当非线性和动态性交织时,复杂性就会产生和形成。
(9) 源于不确定性的复杂性。系统中存在各种各样的不确定性,如偶然性、随机性、混沌性、模糊性、灰色性、多解性等,都可能产生复杂性。
(10) 源于主动性、能动性、智能型的复杂性。具有主动性、能动性的agent为组分的系统,由于大量的agent相互激发、相互制约、相互适应、相互竞争,整体系统就会产生复杂性。复杂适应系统理论的研究对象就是大量行动者在多变的环境中相互适应,并在适应环境的过程中使系统变得更复杂。
(11) 源于人的主观因素的复杂性。人的感情、思想、意志和认知都是十分复杂,它们本质上无法还原到部分去解析,无法给出定量的描述。系统中有人的感情、思想、意志和决策等因素的作用,造就了系统的复杂性。
复杂神经网络或可为复杂系统建模带来曙光
在不同领域、不同科学背景下,所关注的复杂属性有所差异,因此需求具有针对性的视角和方法论来审视研究复杂性,例如从自组织、他组织、混沌、分型、模糊等视角来看待复杂性,形成了还原论、系统论、突变论、耗散结构理论等对不同领域、不同背景下对待复杂性的方法论。
2系统的复杂性
复杂性是复杂系统的基本属性。现在人们所提到的复杂系统与简单系统有着质的差别。主要体现在以下方面:
(1)多样性:系统总是由性质不同的要素组成的,完全相同的要素无法组成系统。这些要素以线性或非线性的关系组合在一起。这样的多样性不仅存在于系统内部,也存在于系统外部的环境以及内外联系之中。
(2)多层次性:任何复杂系统都由许多子系统按照一定层次组成,层次性使得系统或子系统的整体性能得以涌现,并且具有多种性能。
(3)整体性(涌现性):对于复杂系统来说,由于具有较多层次,各层的子系统具有由于下一层集成而涌现的新功能,而子系统向上集成又使得上一层涌现出新的性能,这些新的性能不但不是其组成部分性能的简单加和,而且汇聚有完全不同的特性。因为各层的子系统之间是既竞争又协作的,因此出现各种新的性质。整体涌现性只要是由组成单元按照系统结构方式相互作用、相互制约而产生的,结构不同,结果也不同,因此表现为结构效应。
(4)开放性:复杂系统是开放的系统,与环境有着密切的联系,这种联系是复杂的多样的。
(5)非线性:这是系统产生复杂性的主要根源。非线性意味着无穷的多样性、差异性、可变性、非均匀性、奇异性、创新性。只有在非线性的条件下才有可能出现不同状态产生相同的结果,同一系统在不同初始条件下产生不同的结果,正是非线性导致的多样性。
(6)动态演化性:复杂系统总是不断从一种状态变化到另一种状态。平衡和稳定是一种趋势,但不平衡、矛盾、波动才是系统的常态。复杂系统的结构、功能、行为是在不断变化的过程之中。有渐变也有突变,渐变是突变的基础。通过自适应、自组织作用,系统进行演化,总的趋势是进化,但是也有一些性能是在退化。
(7)不确定性:不确定性来源于某些因素的随机性。特别由于系统的非线性作用,系统的参数、环境、初始条件的微小变化会引起系统行为的巨大差异。由于系统的内外因素和条件都是在变化着,所以系统就呈现出多种形态。
(8)不稳定性:在新结构代替旧结构的突变过程中,只有旧结构失稳,系统才能经过一系列不稳定的中间态,进入新的稳定状态。
(9)自组织性:复杂系统作为开放系统,在大量子系统的合作下,不断调节适应,出现宏观上的新结构,这是自组织作用的结果。
上述的特性之间相互都是相互影响和相互关联的,这种影响和关联,形成了系统的复杂性。
3体系的复杂性与不确定性
体系具有组成系统行为的自主性与管理独立性、结构弹性与环境自主适应性等特征,导致其复杂性比系统的复杂性更高。体系可以分为自然体系和人工体系,按照不同领域划分,又可以农业体系、工业体系、环境体系和武器装备体系等。对于人工体系来说,它的一个重要目的是为了实现其应用目标;另外一个重要目的是在体系论证、研制、开发和维护过程中,实现各种组分系统的有序发展。
基于上述两个目的,体系(以下泛指人工体系)的复杂性主要有:
(1)弹性与伸缩性导致的体系复杂性:弹性是指体系中组成单元在发生故障、损伤、失效后能够自主恢复能力。伸缩性只要体现在两个方面,一方面它强调体系的组成单元在空间上分布广泛,具有独立的功能,可以独立运行、功能完整、过程闭环的完成相应任务。相对于系统而言,系统在空间上一般是一体的,其组成单元不能独立闭环的完成任务。比如航母编队就是一个典型应用体系,其组成单元的航母本舰、驱逐舰、护卫舰、潜艇和各型飞机都是可以独立运行完成警戒探测、跟踪定位、打击防御的相应作战任务。而雷达系统,作为一个系统,其发射机、接收机、信号处理器、显示设备等组成部分不能单独完成作战任务。所以说,体系的组分系统更加强调“活”,系统的组成单元则相对“死”。另一方它强调体系组成和功能上要具有弹性,指体系的边界不确定,可动态配置功能、资源以适应不同使用需要。而系统的功能、组成、性能都是固定的。体系的这种弹性和伸缩性相对于系统来说更加具有灵活性、可快速变动性,是形成其复杂性的重要原因。
(2)体系使用过程中突发涌现的能力或性能导致体系的复杂性:指体系组成单元通过交互协作实现其独立运行不具备的新的功能和特性。涌现性主要通过体系中各个单元之间的信息传递与融合、功能交互与传播,以及体系与环境的持续交融、演化而使体系具有使用过程中的涌现性。例如,A飞机作为探测节点,将目标信息传给C飞机,由C飞机发射导弹打击目标,实现远程超视距打击和协同打击。实际上系统和体系同样具有涌现性,他们不同涌现性的展现或实现方式的不同,系统的涌现性更多的是预设式(或可预期式),而体系的涌现性更多的是突发式、不可控性。对于体系而言,涌现性具有正向积极影响和负面消极影响两方面,正向积极影响是指体系涌现的功能和特性使体系的整体性能或能力得到大幅度提升,而负向消极影响则正好相反。上述这些特性都会导致体系的复杂性大大增加。
(3)体系动态演化性导致的复杂性:演化性具有静态演化性和动态自适应演化性。静态演化性指体系在非使用状态下随时间变化,新的组成单元加入、新系统的开发或部分系统的升级完善,来满足体系新的需求。动态自适应演化性是指在体系在使用状态下新成员的加入、退出而进行的结构优化、功能完善和性能提升等,在不确定使用环境中具有“自组织”、“自完善”、“自治愈”和“自优化”等特性。而系统的演化与体系的静态演化基本相似,主要依靠整体性的更新换代、部件更新来完成。然而体系在使用状态下的动态演化,要求在组成单元故障或失效、功能缺失、流程中断等情况下,通过在线实时动态的结构重置、功能重组和流程重构,实现体系生命力的延续和保障。这种动态演化特性极大增加了体系的复杂性。
从目前复杂系统理论的研究看,并不是所有复杂问题都得到较好的解决,复杂理论在很大程度上只是引导人们对复杂性及复杂系统行为的理解和认识,并不能从根本上解决复杂问题。对于体系来说,一方面,需要发展什么新系统、需要淘汰哪些旧系统、需要持续使用和保障哪些系统、需要什么样的新概念系统等,这是目前系统理论和系统工程方法尚不能解决的复杂问题;另一方面,如何有效地快速动态地选取并构建实施体系应用需要的系统集合,如何在极其复杂不确定性的环境下,有效地完成体系规定目标,并且在局部系统或组成单元出现故障、失效的情况下保持体系具有极强的生命力等,目前的系统工程与体系工程方法尚有缺陷。
由于体系的最终目的是在极其复杂不确定性的环境中实现预期目标,并达到期望的效果。因此,体系的不确定性很大程度上决定了其复杂性。体系在使用过程的不确定性,主要包括:
a.复杂物理环境对体系使用影响不确定性。例如复杂电磁环境对多种雷达及其组合的性能影响;复杂水声环境对声纳作用距离、多声纳联合探测识别的影响具有很大的不确定性;
b.使用过程中的不确定性。尤其对于武器装备体系对抗过程中,对抗双方零和博弈不确定性,对方的目的、行动、规划等往往在不断的变化。
c.体系使用过程中内部状态的不确定性。首先体系与环境边界交互十分复杂,要清晰区分体系和环境的边界十分困难;其次,体系内部行动、行为和认识等具有很大不确定性,尤其是包含人在回路过程的认知与决策的随意性、倾向性都具有很大不确定性;由此导致体系使用过程中内部状态具有很大不确定性。
d.各个组成单元不确定性传播导致复杂性。体系的各个组成单元通过复杂网络实现连接与交互,形成执行体系使命任务的一个整体流程。因此,体系内各个组成系统的不确定性也会在体系成员之间的交互而传播,这种不确定性联合传播关系的复杂性表现得尤其明显。
参考文献(略)
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创新体系工程基础理论和方法
推动系统工程理论再发展
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