第一章系统复杂性研究进展

第一节 复杂性科学与复杂系统

一、复杂性科学的发展

复杂性科学（Complexity Science）主要是指以复杂系统和复杂性为研究对象，专门研究自然界、社会经济以及组织、管理、思维、认知等各种复杂现象的共性^［1］。复杂性科学研究的主要任务为揭示和解释复杂系统运行规律，以超越还原论、经验论为方法论特征，主要目的为提高人们认识世界、探究世界和改造世界的能力^［2］，正在吸收系统论、理性论和人文精神而发展成的一门新学科。

对复杂性科学的探索起源于国外，1948年左右，沃伦·韦弗尔（Warren Weaver）发表了一篇名为《科学和复杂性》（Science and Complexity）的重要论文^［1］，开启了复杂性研究的大门。复杂性科学研究的三个主要发展阶段分别为埃德加·莫兰（Edgar Morin）的学说、普利高津（Progogine）的布鲁塞尔学派和圣塔菲研究所（Santa Fe Institute，SFI）的理论。

1.埃德加·莫兰的学说

埃德加·莫兰是把“复杂性研究”以课题形式提出的第一人。1973年，莫兰在他出版的《迷失的范式：人性研究》一书中正式提出“复杂性方法”。核心为“来自噪声的有序”原则，可作如下表述：将一些小的带有磁性的立方体混乱地放在一个盒子中，随意晃动盒子，最后发现这些小的立方体连成了一个有序的结构。随意晃动盒子表现为无序，小立方体具有磁性，是产生有序性的潜能。在这里，无序性是必要不充分条件，无序性必须和原有存在的有序性因子相配合才能产生有序性。这个原理打破了关于有序性与无序性是相互对立与排斥的传统理论，表明了它们在一定的条件下是可以相互为用的，是可以一同促进系统组织复杂性的增加的。

2.普利高津的布鲁塞尔学派

1979年，普利高津定义了“复杂性科学”。他认为，在经典物理学中，不可逆性和随机性正逐渐占据统治地位，所以，物理科学正在从传统的决定论的可逆过程走向随机和不可逆过程。事实上，普利高津没有明确定义“复杂性”，他的复杂性理论主要是揭示了这样一个理论——物质进化过程的理化机制的不可逆过程，也就是耗散结构理论。

3.SFI的理论

1984年5月，美国的几位物理学和经济学等领域的专家，马瑞·盖尔曼（Murray Gell-Mann）、肯尼思·阿诺（Kenneth Arrow）和菲利普·安德森（Philip Anderson）在认识到复杂系统的重要意义后，聚集了一批相关研究人员，在美国新墨西哥州的首府Santa Fe成立了著名的圣塔菲研究所，并将研究复杂系统的这一学科称为复杂性科学^［2］，此举宣告了复杂性科学的正式诞生，并奠定了复杂性科学的发展基石。SFI提出了分析复杂系统的一套方法，如自动机网络法（Automata Network，AN）和遗传算法（Genetic Algorithm，GA）。在一般系统论、控制论和自组织系统理论的启发下，SFI创办了全球独一无二的学术刊物——《复杂性》。盖尔曼认为复杂性科学研究的中心不是环境的或客体的复杂性，而是主体的复杂性，即主体复杂的应变能力及其相应的复杂结构。圣塔菲研究所几乎每年都要召开国际学术交流会、学术讨论会或讲习班。如1998年3月在俄勒冈州的Wilsonville举行了来自5个国家125位知名学者参加的学术研讨会、2000年8月召开了以“复杂系统仿真在中国”为题的学术研讨会^［3］。

在我国，科学家钱学森最早明确地提出探索复杂性方法论。20世纪80年代，首次兴起复杂性研究时，他就敏锐地意识到复杂系统的重要意义并提出要探索复杂性科学的方法论，分别于1980年、1987年、1989年提出了巨系统^［4］、复杂巨系统^［5］、开放的复杂巨系统^［6］的概念，1992年，又针对复杂系统的研究方法，提出了“从定性到定量的综合集成研讨厅体系”的设想，同时，戴汝为教授和于景元教授也致力于此^［2］，他们的工作使复杂性科学在国内逐渐发展起来。

由于在许多学科领域中都广泛地存在着复杂现象，如物理、化学、经济学、医学、信息科学、管理科学和社会科学等领域，因而复杂性科学成了一门近20几年发展起来的新兴交叉学科，它与其他学科相互渗透，有力地促进和推动着自身及其他学科的发展^［7］。著名的英国物理学家霍金曾称“21世纪将是复杂性科学的世纪”，处于发展之中的复杂性科学，不仅引发了自然科学界的变革，而且也日益渗透到其他科学领域，复杂性科学正以迅速而稳健的步伐前进着。

二、复杂系统的界定

所有事物存在的形式都是系统，所以事物都能够用系统的观点来考察和用系统的方法来表述。一般而言，系统有以下特征^［8］：①适应。每个系统都生存于物质环境之中，必须要适应外界环境的改化；②层次性。既有大系统又有小系统，一个大系统通常拥有子系统，而本身则是一个更庞大系统的子系统；③整体性。系统不是各系统要素简单相加，而是由不同要素的相互联系与作用组成的有机的整体；④相关性。系统内的各要素之间是相互联系和作用的，在这些不同要素之间具有相互依赖的特殊关系；⑤目的性。系统常常是有目的性的，要达到这个目的，系统一般是有一定的概念的；⑥集合性。系统肯定是一个集合，是两个及两个以上不同性质的系统要素构成的。可见，系统复杂性研究对于推进人类认识真实世界，揭示复杂行为本质并掌握其控制机制具有重大意义。

新英格兰复杂系统研究所的科学家们认为，复杂系统是指系统整体行为不能从组成单元的行为加以推断的系统。Michael R Lissack指出，复杂系统拥有以下特征：服从涌现、非线性、递归性、对原始状态的敏感性及依赖性、分形性。吴彤认为，具有混沌、分形、随机性、非线性、紧致、涨落与突变、组织性、动态性、适应性等特性的系统是复杂系统^［9］。钱学森认为系统是由一些相互关联、相互作用、相互制约的组成部分构成的具有某种功能的整体^［10］。他依据系统中不同子系统的性质，将系统划分成简单系统与巨系统两种类型。如果子系统的种类较多，同时，它们相互之间的关系又比较复杂，而且具有多种不同的层次结构，显然这样的系统是复杂巨系统。如社会系统、人体系统、生物系统和经济系统等，这些系统不仅在功能、行为、结构和演化方面都比较复杂，而且是开放的，那它们就被称为开放的复杂巨系统。

三、水土资源系统复杂性

水土资源系统是一个复杂的巨系统，是一个动态的非线性复合系统。其中，系统要素种类繁多并具有复杂的层次结构与关联关系，同时具有开放的性质，系统与系统要素之间、各系统要素之间、系统及系统要素与外部环境之间都在不断地进行着物质、能量和信息的传递与交流^［11］。当系统要素的复杂性经过量的积累增加到一定程度时，就会产生质的变化，使系统变成复杂系统。可见，系统的复杂性是由系统要素的复杂性产生的，所以，复杂系统的复杂性要通过系统要素的复杂性来体现^［12］。