复杂性科学.ppt
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现实生活中的复杂性科学
1、现代科学的 五大前沿
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线性与非线性
“线性”与“非线性”是两个数学名词。所谓“线性”是指 两个量之间所存在的正比关系。（例如y=kx+b）若在直角 坐标系上画出来，则是一条直线。由线性函数关系描述的系 统叫线性系统。在线性系统中，部分之和等于整体。描述线 性系统的方程遵从叠加原理，即方程的不同解加起来仍然是 原方程的解。这是线性系统最本质的特征之一。
宇宙科学：
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基本物质学
一起的中。子质 子组成。1964年美国发 所谓现非了基线本性粒科子-学---就夸克是，研究这
复杂性、非线性科学
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“非线性”是指两个量之间的关系不是“直线”关系，在直 角坐标系中呈一条曲线。 （例如y=kx2+b）
最简单的非线性函数是一元二次方程即抛物线方程。简单地 说，一切不是一次的函数关系，如一切高于一次方的多项式 函数关系，都是非线性的。由非线性函数关系描述的系统称 为非线性系统。
线性与非线性的区别 y y=kx+b
生命科学
夸克”、“底夸克”，1994年 又证实“顶夸克”的存在。20
地球科学
世纪发生两次物理学革命，相对 论和量子力学，弦论可能成为新
革命开始，人类目前空间和时间
复杂性科学
4.1 基于复杂性科学思想的团队建模
建模 运作 涌现 影响因素
第一种模型
第二种模型
Salas等人“团队高效模型(TEM)” 输入 个体：知识、技能、能力、内在动 机和态度、 团队：成员同质性、团结程度、权 力分布 目标任务：复杂性、类型 工作：工作结构、沟通、团队规范 转化 团队的培训、沟通和协调过程 输出 团队环节绩效
4.2 团队运作结构的变化方面
建模 运作 涌现 影响因素
复杂性科学认为,团队的运作结构就是团队个体成员为了完成团队目标 任务而相互依赖的行为机制,它决定了团队整体的行为特性和功能表现。
传统观点
复杂性科学观点
人为控制与设计的结果
团队系统(或其局部)与不确定性环境之间互动适应、 不断自发调整的过程,是一种自组织行为。
03
复杂适应系统理论：霍兰提出来的一个 复杂性理论分支。所谓具有适应性，就 是指它能够与环境以及其他主体进行交 互作用。
05
进化计算：一系列搜索技术，它以进化 原理为仿真依据，侧重于算法的研究， 主要有四大流派：遗传算法、进化规划、 进化策略和遗传编程。
02
自组织临界性理论：多种要素相互作用的 大系统能够自发地朝临界状态演化，这种 自组织临界状态，小事件会导致大事件乃 至突变。
1 团队绩效
2 团队文化
3 团队领导
4.4 影响涌现现象产生的因素
建模 运作 涌现 影响因素
有意义的差异性：成员主体间的差异,表现在个人知识、 技能、经验等方面存在多样性,可以形成有价值的非线 性作用关系。
内部沟通学习：理解团队的共同目标,促进团队学习和 合作,增强团队凝聚力和信任。
共同目标：团队存在的理由,为团队运行过程中的决策 提供参照物,判断团队进步的可行标准,为团队成员提供 一个合作和共担责任的焦点。
复杂性、复杂系统与复杂性科学
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。
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。
（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。
复杂性科学
复杂性科学复杂性是混沌性的局部与整体之间的非线形形式，由于局部与整体之间的这个非线性关系，使得我们不能通过局部来认识整体。
简介复杂性科学(Complexity Science)兴起于20世纪80年代的复杂性科学(complexity sciences)，是系统科学发展的新阶段，也是当代科学发展的前沿领域之一。
复杂性科学的发展，不仅引发了自然科学界的变革，而且也日益渗透到哲学、人文社会科学领域。
英国著名物理学家霍金称“21世纪将是复杂性科学的世纪”。
复杂性科学为什么会赢得如此盛誉，并带给科学研究如此巨大的变革呢?主要是因为复杂性科学在研究方法论上的突破和创新。
在某种意义上，甚至可以说复杂性科学带来的首先是一场方法论或者思维方式的变革。
尽管国内外学者已经认识到研究复杂性科学的重要意义，然而要想找出一个能够符合各方研究旨趣的复杂性科学的概念还有困难。
虽然当代人们对复杂性科学的认识不尽相同，但是可以肯定的是“复杂性科学的理论和方法将为人类的发展提供一种新思路、新方法和新途径，具有很好的应用前景”。
黄欣荣认为尽管复杂性科学流派纷呈、观点多样，但是复杂性科学却具有一些共同的特点可循：(1)它只能通过研究方法来界定，其度量标尺和框架是非还原的研究方法论。
(2)它不是一门具体的学科，而是分散在许多学科中，是学科互涉的。
(3)它力图打破传统学科之间互不来往的界限，寻找各学科之间的相互联系、相互合作的统一机制。
(4)它力图打破从牛顿力学以来一直统治和主宰世界的线性理论，抛弃还原论适用于所用学科的梦想。
(5)它要创立新的理论框架体系或范式，应用新的思维模式来理解自然界带给我们的问题。
复杂性科学是指以复杂性系统为研究对象，以超越还原论为方法论特征，以揭示和解释复杂系统运行规律为主要任务，以提高人们认识世界、探究世界和改造世界的能力为主要目的的一种“学科互涉”(inter—disciplinary)的新兴科学研究形态。
发展阶段复杂性科学研究主流发展的三个阶段主要是指：埃德加·莫兰的学说、普利高津的布鲁塞尔学派、圣塔菲研究所的理论。
复杂性科学及其方法论意义(文科博士生学位课讲座)课件.
12
探索复杂性运动
【耗散结构论】 Dissipative
• structure theory 创始人：[比利时]物理化学家,普利 高津(获得1977年化学诺贝尔奖金)。 中心思想：也称为非平衡系统自组 织理论。一个开放系统在达到远离 平衡态的非线性区时，一旦系统的 某个参量的变化达到一定的阈值， 通过涨落，系统可能发生突变,即 非平衡相变。 由原来无序的混乱状态转变到一种 时间、空间或功能有序的新状态。 从化学研究中发现了“非平衡是有 序之源”、“通过涨落而有序”的 重要原理。
• • • • • • 创始人:苏波格丹诺夫。奥地利理论生物学 家贝塔朗菲(相片) 中心思想:任何事物都可以视为系统,从整体 的角度看待和处理世界上的一切事物。 所谓系统,是由相互联系相互制约的若干部 分,按一定规则组成,具有一定功能的整体。 系统可概括为:组织起来的整体; 输入;输出; 为了一个目的。 突出事物的: 整体性、有机性、动态性、有 序性。 系统论后来发展成为一大类横断性综合性 的学科,硬的成为系统科学:有系统工程等。 软的称为系统哲学:有软系统方法等。 系统论为复杂性探索奠定了一个基本的思 想框架。颠覆了自伽利略到牛顿创立的经 典科学的轨道。
5
引子/问题
【复杂性问题】 • 天气预报、地震预报 • 三体问题 • 股市、金融危机 • 社会文明方式的兴衰(苏东解体;世界大战突然爆发) • 宇宙起源、万物创生 • 生命起源、物种多样性的产生、灭绝和进化 • 细胞繁殖 • 大脑神经运动的机制和意识的产生 • 医学上不明原因的病变(心律;失调性疾病;癌细胞 增长;组织的死亡和再生)
8
•
探索复杂性运动
【控制论】 Cybernetics • 创始人:[罗马尼亚]奥多布来扎 (1938《协调心理学》)和 [美] 数学家维纳(《控制论―动物和 机器的控制和通讯》)(照片) • 中心思想:一切都是控制,一切事 物及过程都可以从控制的角度 来认识。认为,控制就是信息变 换和能动的过程。 • 提供了一套新概念和方法:调节 回路、 因果性、 目的性；方框 图、黑箱、传递函数等。
第七节 复杂性科学-现代
简单巨系统
• 子系统数量多，相互作用简单；使用统计平 均，N趋于无穷 • 两个层次问题，存在涌现，实际无法解决 • 重点研究非平衡统计（外界控制下系统形成 有序结构）
复杂巨系统I （复杂适应性系统）
• 子系统有学习、适应能力；整体有序结构呈 现某种分布，用数学式子难以表达；层次之 间存在涌现 • 计算工具采用计算机程序，分析子系统之间 相互作用 • 信息作用突现
系统论的奠基人是美籍奥 地利生物学家贝塔朗菲 （1901～1971年）。
2、系统论的基本概念 系统论是研究系统的模式、原则和规律，并对其功能 进行数学描述的一门学科。 所谓系统，是在某一环境中互相联系的若干元素所组 成的集合体。 • 一定数量的元素 • 一定的结构 • 整体具有目的性 系统的结构 ——系统内部各要素之间相互联系和相 互作用的方式，也可以理解为系统内部要素的秩序。 系统的功能 ——系统在与外部环境相互联系和相互 作用的过程中所具有的行为、能力和功效。
系统科学学科结构
• 简单系统（牛顿力学体系） • 复杂系统 简单巨系统（非平衡统计物理） 复杂巨系统 复杂适应性系统（生物生态系统） 开放的复杂巨系统（社会系统）
简单系统
子系统数量少，相互作用简单（计算机使用， 子系统为几十个） • 可以解决问题测度为零（线性谐振子、二体 问题、氢原子），近似方法大量应用 • 线性体系，叠加原理
三、系统科学产生的社会历史条件
• • • • • 社会实践对象的复杂化 社会实践活动的信息化趋势 杜会实践活动的自动化趋势 社会实践的组织化趋势 科学技术的应用化趋势
三、系统论
1、系统论的产生和发展 20世纪20年代，奥地利学者贝塔朗 菲在研究理论生物学时，用机体论批 判并取代当时广为流传的机械论，形 成有机体系统概念，建立机体论生物 学。从30年代末起，贝塔朗菲转向于 建立一般系统论，1945年在《德国哲 学周刊》上发表重要文章《关于一般 系统论》，是他建立一般系统论的宣 言书。1968年，贝塔朗菲出版了《一 般系统论──基础、发展、应用》一 书，标志着这门学科已到了成熟的地 步并有了新的发展。
复杂系统及其复杂性科学概述
具有一定的智能
➢ 复杂社会系统：社会泛指由于共同物质条件、经济条 件、信息条件等而相互联系起来的人群、集团、公司、 组织等
人作为子系统参与其中
第6章
6.2 复杂系统的分类
6.2.3 复杂自然系统、复杂工程系统、复 杂社会系统
➢ 系统科学的发展是从研究复杂自然系统，到研究人造 复杂工程系统，再到研究复杂社会系统，即从研究自 然物，扩展到研究人工物，再到研究人类社会发展过 程
➢ 有机系统（organic system）由许多高度特 化的、相互联系紧密的、不同种类的组分组 成的系统
有机系统易于进行功能描述，其中组分的功能是 通过在维持系统处于期望状态中的作用加以定义 和刻画的
典型的是生物体系统
第6章
6.2 复杂系统的分类
6.2.1 多体系统、有机系统、控制系统
➢ 控制系统（cybernetic system）把多体系 统和有机系统结合起来的系统，如神经网络
启示：组织管理者要减少计划和控制，激发自组织
➢ 了解相干环境
组织管理者要了解相干环境，应创造自组织产生的条件，创 造信息凝聚而非仅仅是兴趣共享
➢ 了解产生凝聚的能力
组织管理者最重要的不是组织的集体的力量而是个人产生凝 聚的能力
第6章
6.5 复杂性科学
6.5.3 复杂性科学思想方法的启示
➢ 整体和部分的共同进化
人是一个如此复杂和统一的控制系统，以至于许 多人都不愿意研究由人组合起来的系统
对其他系统的刻画用“行为”表示就足够了，而 对人的刻画用“行为”表示就不成，因为人有意 向性行为
第6章
6.2 复杂系统的分类
6.2.2 非平衡系统、复杂适应性系统、开 放的复杂巨系统
➢ 非平衡系统：由无生命子系统组成的系统，每一个子 系统非常简单，子系统之间的相互作用也简单
➢ 复杂社会系统：社会泛指由于共同物质条件、经济条 件、信息条件等而相互联系起来的人群、集团、公司、 组织等
人作为子系统参与其中
第6章
6.2 复杂系统的分类
6.2.3 复杂自然系统、复杂工程系统、复 杂社会系统
➢ 系统科学的发展是从研究复杂自然系统，到研究人造 复杂工程系统，再到研究复杂社会系统，即从研究自 然物，扩展到研究人工物，再到研究人类社会发展过 程
➢ 有机系统（organic system）由许多高度特 化的、相互联系紧密的、不同种类的组分组 成的系统
有机系统易于进行功能描述，其中组分的功能是 通过在维持系统处于期望状态中的作用加以定义 和刻画的
典型的是生物体系统
第6章
6.2 复杂系统的分类
6.2.1 多体系统、有机系统、控制系统
➢ 控制系统（cybernetic system）把多体系 统和有机系统结合起来的系统，如神经网络
启示：组织管理者要减少计划和控制，激发自组织
➢ 了解相干环境
组织管理者要了解相干环境，应创造自组织产生的条件，创 造信息凝聚而非仅仅是兴趣共享
➢ 了解产生凝聚的能力
组织管理者最重要的不是组织的集体的力量而是个人产生凝 聚的能力
第6章
6.5 复杂性科学
6.5.3 复杂性科学思想方法的启示
➢ 整体和部分的共同进化
人是一个如此复杂和统一的控制系统，以至于许 多人都不愿意研究由人组合起来的系统
对其他系统的刻画用“行为”表示就足够了，而 对人的刻画用“行为”表示就不成，因为人有意 向性行为
第6章
6.2 复杂系统的分类
6.2.2 非平衡系统、复杂适应性系统、开 放的复杂巨系统
➢ 非平衡系统：由无生命子系统组成的系统，每一个子 系统非常简单，子系统之间的相互作用也简单
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2.国内外复杂性科学研究现状
2.3 复杂性科学研究方法(续) (3)复杂系统的数值模拟
遗传算法(Genetic Algorithm) 、 系统动力学 (System Dynamics)、 元胞自动机(Cellular Automata)、 SWARM方法、胞映射方法等。
2.国内外复杂性科学研究现状
2.4 当前复杂性科学研究的热点问题 （1）研究主题：
自组织行为、系统相变、涌现现象 （2）系统建模：
相互作用粒子系统的相变适应模型 （如金属磁化模型）、自组织临界模型 （如砂堆模型）、人工股票市场模型、 人工生命（如元胞自动机模型）、群体 智慧（如神经网络模型）等。
2.国内外复杂性科学研究现状
2.4目前复杂性科学研究的热点问题(续) （3）复杂性研究的统一框架？
2.2 国内研究历史与现状(续)
(2）在自然科学领域： 郝柏林（1990年出版英文《Chaos Ⅱ》
，涉及物理学中的混沌、湍流等问题）、谢和 平（1996年出版《分形岩石力学导论》）、 魏一鸣（1998年发表论文“自然灾害复杂性 ”）、於崇文（2001年发表论文“成矿动力 系统在混沌边缘分形生长－一种新的成矿理论 与方法”）等。
2.国内外复杂性科学研究现状
2.3 复杂性科学研究方法(续) (2)复杂系统的模型分析
混沌动力学模型(Chaos Dynamics), 系统动力学模型(System Dynamics), 自适应系统(Self-adaptive System), 复杂适应系统(Complex Adaptive
System)等等。
2.国内外复杂性科学研究现状
2.2 国内研究历史与现状(续)
（3）在社会经济管理学科领域： 金融市场复杂性； 混沌经济学； 非线性经济学等等。
（4）在生物学领域： 一些国家自然基金项目，如蛋白质复杂
性表征、基因组重组进化复杂性、细胞信号转 导复杂性等。
2.国内外复杂性科学研究现状
2.3 复杂性科学研究方法 (1)理论分析，即考察一个系统是否具有 “复杂性”：系统规模巨大、内在差别 显著、层次众多、与外部环境密切、动 态发展、具有分形结构、出现涌现现象 或出现混沌现象或出现远离平衡的均衡 等等。
1.引言
1.1 定义(续) （3）复杂性科学(Complexity science) －公认的看法是“复杂性科学目前还无确 切的定义，不知其边界所在”。有研究者 认为：复杂性科学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。
1.引言 1.2 复杂系统理论框架
信息论、系统论、 控制论
J.Holland对棋类游戏、数字系统、 神经系统、元胞自动机等进行了研究归 纳，提出了一个复杂性研究的普适框架 CGP（Constrained Generating Procedures）。
3.元胞自动机在矿业学科中的应用
3.1 元胞自动机 （1）发展历史。元胞自动机是1950年由冯· 诺依曼(Von Neumann)在计算机上模拟生 物繁殖时提出的，为一个时间、空间、状态都 离散，且空间上相互作用及时间上的因果关系 皆局部的网络动力学模型。美国数学家L.P. Hurd和K. Culik等人在90年代初，对元胞
复杂性科学
及其在矿业工程中的应用
北京科技大学土木与环境工程学院 蔡嗣经 教授
提要
1. 引言 2. 国内外复杂性科学研究现状 3. 元胞自动机在矿业学科中的应用 4. 需要进一步研究的问题 5. 主要参考文献
1.引言
1.1 定义 （1）复杂性(Complexity)－由于国内外研 究者在自然科学、社会与人文科学、工程技 术、管理科学中对“复杂性”的理解与研究 范畴有差异，目前尚无统一的严格定义。狭 义的可定义为：复杂性是指系统内部元素的 非线性相互作用而产生的行为无序性的外观 表象。
＊1990年代，Prigogine(诺贝尔化学奖
获得者)及其Brussels学派出版了著名的《 探索复杂性》一书。
＊在管理学科领域，目前形成了五个学
派 ( Based on Prof.John N.Warfield, George Mason University,USA):
2.国内外复杂性科学研究现状
突变论、分形理论、 超循环理论
系统科学
非线性科学
复杂巨系统理论复杂Fra bibliotek统理论元胞自动机
人工生命
复杂适应系统
群体智慧
1.引言
1.3 复杂性科学的一些基本原理 （1）整体性原理 由于非线性，叠加原理失效 （2）动态性原理 与时间变量相关的系统演化 （3）确定性与随机性相统一原理 系统结构确定、行为不规则
1.引言
1.3 复杂性科学的一些基本原理(续) （4）时间与空间相统一原理 系统在时间上、空间上都演化 （5）宏观与微观相统一原理 系统宏观演化起始于微观变化
2.国内外复杂性科学研究现状
2.1 国外研究历史与现状
＊1975年，Li-York(两位美国数学家
)定义了“Chaos”概念。
＊1984年，美国著名的研究复杂性科
1.引言
1.1 定义(续) （2）复杂系统(Complex system)－有 多达30余种的定义，如“混沌系统”、 “动态非线性系统”、“具有自适应能 力的演化系统”等。比较一致的看法是 复杂系统是具有如下特征的系统：非线 性与动态性、非周期性与开放性、初值 敏感性（累积效应）、奇怪吸引性以及 结构自相似性（分形性）。
2.1 国外研究历史与现状(续)
2.国内外复杂性科学研究现状
2.2 国内研究历史与现状 (1)1990年，钱学森、于景元、戴汝为 等发表“一个科学新领域－开放复杂巨 系统及其方法论”一文。
1999年，成思危等发起“复杂性科学 ”香山会议论坛，并编辑出版了《复杂 性科学探索》一书。
2.国内外复杂性科学研究现状
学的学术团体－Santa Fe（圣塔菲）研 究所成立。Brain Arther（经济学复杂 性），Murray Gell-mann（涌现） ，Chris Longton（人工生命），
2.国内外复杂性科学研究现状
2.1 国外研究历史与现状(续)
Fammer（关联主义） ， Per Bak 、 Kauffman（自组织临界理论）等人在各个 方向上的开创性研究工作。