开放的复杂巨系统的理论与实践

开放的复杂巨系统的理论与实践 赵生才 1997.1 开放的复杂巨系统的理论与实践 香山科学会议第68次学术讨论会于1997年1月6—9日在北京香山举行，会议主题为“开放的复杂巨系统的理论与实践”。会议由宋健和戴汝为两位院士担任执行主席。参加讨论会的有钱学森、许国志、曾庆存、陈能宽、周干峙、张钹、汪成为、赵玉芬等10位院士和来自系统科学、数学、物理、生物、化学、计算机、软科学、军事、经济、气象、石油、化工、建筑、材料、认知科学、人工智能、社会科学、哲学等领域的近50名专家学者。这是一次学科跨度很大的探讨2l世纪科学发展的讨论会。 开放的复杂巨系统的概念是我国著名科学家钱学森院士于80年代末总结和提炼出来的。以钱学森、于景元、戴汝为3人署名的论文《一个科学新领域—开放的复杂巨系统及其方法论》在《自然杂志》1990年第l期发表，首次向世人公布了这一新的科学领域及其基本观点：对于自然界和人类社会中一些极其复杂的事物，从系统学的观点来看，可以用开放的复杂巨系统来描述。处理这种开放的复杂巨系统，在目前只能用从定性到定量的综合集成法。1992年初，钱学森院士提出建立从定性到定量综合集成研讨厅体系，这就使得综合集成法有了一个可操作的具体系统。1992年底进一步提出“要把人的思维、思维的成果、人的知识、智慧以及各种情报、资料统统集成起来，可以叫大成智慧工程”。 一、开放的复杂巨系统的一般理论及其方法论进展 钱学森院士在他的书面发言中再次从科学方法论的高度论证了开放的复杂巨系统及其方法论的有效性，他说：关于开放的复杂巨系统，由于其开放性和复杂性，我们不能用还原论的办法来处理它，不能象经典统计物理以及由此派生的处理开放的简单巨系统的方法那样来处理，我们必须用依靠宏观观察，只求解决一定时期的发展变化的方法。因此对开放的复杂巨系统，只能作比较短期的预测计算，过了一定时期，要根据新的宏观观察，对方法作新的调整。这样说来，开放的复杂巨系统理论及方法有其局限性，但这样认识是实事求是的，这种理论和方法也是有效的，因为它比那些脱离现实的所谓“理论”更合乎实际。 宋健院士作了题为“对系统科学的挑战”的综述报告，旁征博引，从自然科学和社会科学多方面阐述了系统的开放性、复杂性以及系统的规模大小对系统的性质所具有的巨大影响等极其挑战性的科学问题。对于开放性，他从多个方面进行了阐述，指出在自然科学中，物理学、化学、生物学提供给我们一条基本的科学原理是：任何一个系统，只有在开放的环境下，不断地与外界交换能量、物质、信息，才能健康地发展壮大。相反，一个封闭的系统只能逐步走向衰亡。他还从社会科学方面进一步论述了开放性对于文明的延续和发展同样起着重要的作用。同时他认为，研究开放的复杂巨系统还需要创新，中国人在系统学的研究上应该能够作出贡献。 航天部710所于景元研究员作了题为“开放的复杂巨系统——一个正在发展的新领域”的评述报告，对开放复杂巨系统的内容作了系统的阐述，并对已有的一些结果作了介绍。他指出，开放的复杂巨系统在时间、空间以及功能上都存在层次结构。这些系统无论在结构、功能、行为和演化、进化方面都非常复杂，以致于今天还有大量的问题，我们并不清楚、需要进行探索和研究。他强调处理开放的复杂巨系统中的问题，需要用从定性到定量的综合集成方法论。 戴汝为院士作了题为“大成智慧工程(Metasynthetic Engineering)”的评述报告，从一个更加宏大的范围、更加深刻的层次高度上论述了开放的复杂巨系统以及从定性到定量的综合集成方法论。他指出，根据钱学森院士对复杂性的定义，复杂性问题是开放的复杂巨系统的动力学问题，或开放的复杂巨系统学的问题。对复杂系统的描述可以采用计算机建模的方法，也就是说，复杂系统的模型可以是程序表达的模型，而不局限于简单系统那样采用数学的方法进行建模。建模是综合集成方法的关键性环节，建立什么样的模型，以及参数如何调节都是以人为主，计算机为辅，是人机结合的产物，它的直接表现就是计算机程序。他在分析了人工智能的发展历程之后指出，现在人工智能的发展已经从传统AI转向非传统AI的研究。未来的人工智能研究将是人机结合的一项“大成智慧工程”，也就是通过综合集成法，把人的思维、知识、智慧以及各种情报、资源、信息统统集成起来，把人的“心智”(human mind)和机器的“智能”两者结合起来，进入“人机结合的大成智慧”的新时代。 对于综合集成方法的重要性，以及如何正确对待还原论、如何发挥数学作用等问题，专家学者以具体领域工作的经验交流了体会和见解。 葛家理教授认为，把开放的复杂巨系统的理论运用到具体问题中去是很实在的问题，因为当前最主要的竞争是决策竞争。中国社科院数量经济学研究所李京文研究员认为，国家在对非常复杂的系统作出决定、制定政策时，应当做综合集成的工作。浙江大学潘云鹤教授认为处理开放的复杂巨系统，应该注意到系统的开放性、分布性和交叉性，要推动基本理论的发展，应考虑整体性操作。国防科工委的何新贵研究员则从对系统的表示这样一个角度讨论了开放的复杂巨系统的具体应用问题。认为表示应该与模拟分开，表示只是主观对客观的一种模拟，而且表示应该可操作。中科院系统所许国志院士说，本来该用还原论去解决的问题，还是用还原论去解决。开放的复杂巨系统虽然具有模糊性，但很有吸引力。北京大学孙小礼教授说，历史上证明是很好的方法不需要打倒，几百年总结出来的简单性原则不能推翻，处理复杂问题还是要分析。北京大学力学系朱照宣教授非常简洁地澄清了一个认识，指出还原论与还原方法不一样，还原论指什么问题都用还原方法，它是一种哲学观点。许国志院士认为应该淡化数学，淡化逻辑思维。陈能宽院士以自已的切身经验表示了赞同。孙小礼教授则认为领导要加强逻辑思维。戴汝为院士说，中国的形象思维讲求的是只可意会不可言传，但是意会是通过比喻、通过立象以表意达到的。于景元研究员引用胡适说的“大胆假设，小心求证”来表示同意。而国务院发展研究中心马宾研究员就不同意“淡化”二字，认为不管什么情况，淡化二字都有一种负面的影响。成思危研究员认为淡化指的是防止数学滥用。 二、开放的复杂巨系统研究在具体领域的实践 这次香山科学会议上，一些来自于各个具体领域的专家学者结合他们的具体工作，从不同的角度讨论了开放的复杂巨系统的问题。 1．系统工程。中科院系统所顾基发研究员作了题为“系统工程的若干新趋向”的报告。当前在系统工程中，处理的问题已经从硬问题(problem)慢慢演化到软问题(issue)，再到堆题(mess)。堆题由于其完全无结构，要求自己找目标，具有开放性、易变性、不肯定性以及冲突性等特点，因此其处理过程应该是一个批判过程。顾基发研究员还介绍了40多种处理这些问题的系统方法，并列举了多个实例。 2．生命科学。生命科学是当前一个非常重要和活跃的领域，生命系统则是一个开放的复杂巨系统。生命科学的研究结果对处理其它开放的复杂巨系统极具有启发性。 清华大学化学系赵玉芬院士作了题为“生命起源的有关问题”的报告。赵院士在分子水平上作了大量有关N-phosphoamnio酸自聚集(self-assembly)的实验后，提出了蛋白质和核酸的演化(co-evoLution)模型。她提出生命系统进化要满足的4个条件是：一是能自我长大；第二是能自我复制；第三是能进行信息能量交换；第四是能自我完善。杭州大学计算机学院的周昌乐副教授作了一个“生物形态结构与非线性理论”的报告，认为生物形态结构的研究面临的基本问题是定量和模拟不够，只有如此才能发掘更深层次的规律，生物形态结构的研究没能成功定量化的重要原因是缺乏合适的数学工具。中科院生物物理所汪云九研究员认为，人的知识有很多是计算机不能处理的，现在用神经网络来模拟人的大脑，其实只能处理实验室中很简单的情况。他主张要研究意识，应从人的短时记忆与注意这两方面来考虑。 3．计算机互联网络——Internet。信息网络的发展正在改变着我们的工作、学习、生活等各个方面，但是极速发展的信息网络变得越来越复杂。 清华大学计算机系张钹院士作了题为“互联网——一个发展中的开放复杂巨系统”的报告。互联网的特点：规模大，与环境交互，且有大量人参与。从人工智能的角度来看待Internet，他认为Internet是一个不动的机器人，而且通过在Internet上工作可能使人工智能研究得以复兴。中科院自动化所人工智能实验室博士研究生李夏在“Intranet与复杂自适应系统，知识获醛的报告中，应用染色体的表示方法来表达Intranet的系统结构，然后采用Santa Fe Institute成员John Holland所提出的复杂自适应系统理论来考虑Intranet的系统设计。报告中讨论了在信息网络环境中如何获取有用信息的Data Mining和Web Mining研究状况以及未来趋势。国防科工委汪成为院士认为，21世纪我们应该具有与世界接口的能力。但是计算机和网络都不太合理，它们有3个限制条件：(1)形式化；(2)有算法；(3)要在具体的计算机上算出来。强调应该承认它的不合理，但要突破这个现状。 4．决策系统。在实际的管理规划工作、企业经营、战争决策中，面对的问题往往都是来自于开放的复杂巨系统。 化工部成思危研究员在题为“论软科学研究中的综合集成方法”的报告中，探讨了综合集成方法在决策中的应用。他认为，软科学研究中运用综合集成方法时应当努力做到：(1)软科学专家与领域专家及决策者相结合；(2)定性分析与定量分析相结合；(3)专家经验判断与计算机辅助决策相结合，要注意发挥专家群体的作用。同时，综合集成方法应该贯彻到软科学研究的全过程。决策要尊重领导而不迎合领导，尊重事实而不迁就事实。决策的科学化、民主化关键在于领导。 建设部的周干峙院士以“寰宇处处皆系统，本性大小各不同，层层列列互牵引，永在发展变化中”这首诗为引言，作了题为“城市及其区域——一个开放的特殊复杂的巨系统”报告。石油大学“复杂性科学中心”葛家理教授在“我国石油工业经营管理复杂系统理论及应用”的报告中说，我国石油生产进入了复杂油气田开发阶段，通过把复杂性科学的理论应用于石油工业勘探开发以及采用开放型复杂智能经营管理模式后，取得了很好的经济效益。国防科工委的王寿云研究员作了一个“综合集成法用于国防系统分析的一些进展”的报告，介绍了他与汪成为院士在有关“从定性到定量的综合集成研讨厅体系”方面的一些工作，已安排在有关单位进行。此外，云南大学数学系的赵晓华教授作了“广义哈米尔顿系统理论及分叉与混沌”的报告，引起与会者较大的兴趣。 三、开放的复杂巨系统研究的未来发展 如何推进开放的复杂巨系统的研究，今后的发展方向是什么?与会专家学者热烈讨论，从不同角度提出构想和建议。大家对开放的复杂巨系统及其方法论、研讨厅体系、大成智慧工程等都有了进一步的理解和更深的认识，一致认为这是一个涉及基础理论、高新技术和有重大实际应用的新科学领域。 执行主席戴汝为院士在总结发言中指出，我国对开放的复杂巨系统的研究是和整个世界的科学发展并驾齐驱的。尽管开放的复杂巨系统这一门科学还要进一步发展和完善，但是提出这样一个科学思想是远见卓识的、有重大战略意义的和具有中国自己特点的。钱学森院士对“复杂性”进行了定义：复杂性问题是开放的复杂巨系统的动力学问题，或开放的复杂巨系统学的问题。我们研究开放的复杂巨系统，不仅包括了对复杂性的研究，而且对复杂性的研究方向有了清晰的把握。我们提出的开放的复杂巨系统的科学概念及方法论，正在进行的工作，是在进行一场科学革命，具有十分重要的意义。他强调，对开放的复杂巨系统的研究，其核心部分之一是人机结合的大成智慧工程。把人的“心智”和机器的“智能”两者结合起来，对系统和智能的研究来说，是一个带根本性的转折，从此我们将进入“人机结合的大成智慧”的新时代。 （香山科学会议 赵生才）  参会人员名单： 宋 健 院士 中国工程院 戴汝为 院士 中科院自动化所 周昌乐 副教授 杭州大学 周发强 教授 华东理工大学 顾国庆 研究员 上海理工大学 谭 民 研究员 中科院自动化所 何新贵 研究员 国防科工委系统所 于景元 研究员 航天710所 关士来 高工 航天710所 钱学敏 教授 中国人民大学 涂元季 高工 国防科工委 姜 璐 教授 北京师范大学 孙小礼 教授 北京大学 葛家理 教授 北京石油大学 周干峙 院士 建设部 曾庆存 院士 中科院大气物理所 陈能宽 院士 中国工程物理院 顾基发 研究员 中科院系统科学所 许国志 院士 中科院系统科学所 郭 雷 研究员 中科院系统科学所 林 泉 研究员 国家科委 赵玉芬 院士 清华大学 杨家本 教授 清华大学 陈玉祥 教授 中国21世纪议程管理中心 李京文 研究员 中国社科院数量经济所 郭爱克 研究员 中科院生物物理所 朱照宣 教授 北京大学 冯国瑞 教授 北京大学 高世楫 副研 体改委研究所 汪云九 研究员 中科院生物物理所 张 钹 院士 清华大学 李 夏 博士生 中科院自动化所 马 宾 研究员 国务院发展研究中心 邵立勤 研究员 国家科委基础研究高技术司 成思危 研究员 化工部 王寿云 研究员 国防科工委科技委 汪成为 院士 国防科工委科技委 赵晓华 教授 云南大学数学系 刘士焕 中科院自动化所 秦世引 副教授 西安交通大学 潘云鹤 教授 浙江大学 赵作权 副研 中科院政策局 赵生才 高工 香山科学会议 张 焘 研究员 香山科学会议 周春来 高工 香山科学会议 张 飙 高级记者 科技日报 杨永田 主任记者 中国科学报 韩玉琪 记者 科技日报