複雜工程系統綜述_風聞

1984年，來自不同學科領域的24位科學家齊聚美國新墨西哥州的高原沙漠聖塔菲討論“科學中湧現的綜合”。這些人的目的是籌劃建立一個新的研究機構，致力於研究各種高度複雜和相互作用的系統，這些系統只有在交叉學科的背景下才能研究清楚，從而推動知識的統一和共擔責任的意識。於是，誕生了世界上第一個以複雜性研究為對象的研究機構—聖塔菲研究所。

約翰·霍蘭先生是美國密西根大學著名學者，是遺傳算法之父，曾多次在聖塔菲研究所交流工作。受中國科學院數學和系統科學研究所郭雷院士的邀請，霍蘭先生曾多次訪問中國，並與數學和系統科學研究院的朋友們討論研究適應性和複雜性的有關問題，極大地推動了我國學術界關於複雜性研究的工作。遺憾的是，這類談論和研究僅僅侷限在學術界，而沒有引起工程界的廣泛關注。

“蟻羣”或“蜂羣”的行為研究越來越熱，尤其是在智能技術進入各行各業的今天，在不存在中樞控制的情況下，大量簡單或低智能個體如何湧現出“智能”的複雜羣體，目前還沒有人知道其明確的機理，但這正是複雜性研究所關心的問題。

隨着信息技術的不斷進步，信息的交聯已經把工程系統的規模搞得越來越大、越來越複雜，同時也使得龐大的工程系統越來越找不到能勝任的指揮官。“海灣之後無名將”—海灣戰爭開啓了信息化戰爭，同時也消滅了能名垂青史的指揮名將。複雜系統採集的信息越多，需要能自主化處理的單元越多，而無須、也不能把所有的信息都交給一個決策者來處理，這使得過去由中央控制的工程系統逐漸向扁平化、弱控制的工程系統發展，隨着智能裝備的出現與廣泛應用，自組織的複雜工程系統也會成為現實。

一

複雜系統

1.理解世界的複雜性

諾貝爾物理學獎得主，“夸克之父”，同時也是聖塔菲研究所創始者之一的美國物理學家默裏·蓋爾曼是複雜性科學研究的重要先驅者，他在其著作《夸克與美洲豹》中用簡單的最小粒子夸克和複雜生命體中的傑出代表速度與力量的象徵者—美洲豹，來隱喻了世界從簡單到複雜的漫長進化演變過程。一下子把人們的視線定格在對世界複雜性的驚歎中。夸克是構成所有物質的基石，美洲豹當然也是由一堆夸克和電子組成的，但美洲豹卻表現出了驚人的複雜性，它矯健而又機敏，是哺乳類動物中的佼佼者。當然，智慧的人類才是這場漫長的複雜進化歷程的最頂端，因為人還進化出了精神世界，有了更為複雜的道德與文化系統。下面來系統性地梳理我們所處的複雜世界。

從規模橫向看，錢學森將世界按大小劃分為渺觀、微觀、宏觀、宇觀和脹觀五個層級，每個層級間的跨度是1019米。目前人類的理論認識尚處於微觀、宏觀與宇觀這三個層級。在微觀層級，夸克等基本粒子組成了電子、質子與中子，後者又組成了原子與分子。在宏觀層級，原子與分子組成了大千世界，生命特性又將宏觀世界分為有機世界與無機世界兩大類，複雜系統的層次與系統類型如圖1所示。無機世界是我們地球環境中的物理、化學系統，包括山川、河流、土壤、礦物等。從美國火星探測器發回的照片可以看出，宇觀層級的宇宙星系也都是由與地球類似的礦物組成的。在有機世界裏，品種多樣的動物與植物構成了我們的自然生態系統。而人類作為生物鏈的頂端，除個體的生理系統外，個體人的精神系統匯聚在一起，構成了我們的社會系統，社會系統裏又有道德、文化、法律和經濟等複雜大系統。人發揮主觀能動性，為改造客觀世界又建造出人造工程系統。以上就是我們所處的世界以及存在的系統類型。從時間縱向看，我們的世界無時無刻不處在動態演化過程中。無機世界中物理與化學的演化，造就了元素週期表中豐富的元素以及它們之間的化合物。有機生命從最初的蛋白質大分子，質變到單細胞生物，再逐級進化，形成了多姿多彩的植物和動物，乃至最高級的生命系統—人。於是便有了我們現在的複雜世界。

圖1 複雜系統的層次與系統類型

認識和理解系統及其複雜性為什麼重要，可從以下兩點去考慮。

一是我們的世界無不由系統組成，而複雜性是系統的本質屬性。我們知道，系統之所以成為系統，不僅僅是由其組成決定的，更重要的是組成之間的關聯關係，這種關聯關係湧現出來的整體屬性使之成為系統。在對系統進行還原分析時，系統組成之間的內部規律是極其複雜的。即使是簡單的氫原子，我們將組成它的質子、中子和電子按任意的方式排布，也可能得不到一個氫原子，更何況複雜的生命系統。正是因為系統科學研究的是系統的一般性的組成與演化規律，而各學科的研究對象要麼本身是系統，要麼從屬於某一個系統，因此用聯繫的和動態的系統科學思維來指導各學科的研究就非常有意義。

二是人們的研究工作歸根到底是為了更好地指導對客觀世界的適應與改造，即構造人造工程系統，這是系統工程的研究範疇。錢學森在其構建的系統科學體系中，包含了工程技術、技術科學、基礎科學與哲學四個層次，如系統工程屬於工程技術層級，運籌學、控制論與信息論屬於技術科學層級，錢學森構建的科學技術體系體現了理論對工程實踐的指導意義，我們研究系統科學，就是為了更好地指導系統工程實踐，並藉此改造客觀世界。但是，隨着技術的進步以及改造客觀世界需求的越來越深入，人造工程系統的規模也越來越大，複雜程度也越來越高，人造工程系統的不確定性和異常狀態給人類帶來了很大的困擾。歷史上的切爾諾貝利核電站事故和日本的福島核電站事故都屬於複雜的人造工程系統運行中出現不可控問題，而造成了人類的大災難。

2.複雜系統理論

縱觀複雜系統的發展歷程，有兩條主線，其中一條以“複雜性”科學的發展歷程為主線，另一條以系統科學為主線。國外對於複雜系統的研究主要沿着“複雜性”科學的路線，經歷了3個階段：一般系統理論階段、系統自組織理論階段和複雜性系統科學理論階段。在此過程中，湧現出一批具有開創性眼光的英雄人物，推動了複雜性系統科學的發展，圖2所示。

系統科學是伴隨着人類對外部世界的認識，即自然科學的發展而發展的。在人類科學發展史上，以1900年為界，有着截然不同的狀態。1900年前的西方科學界，到處洋溢着大事已定的自信氛圍，特別是在物理學上，人們認為已經達到相當完美、相當成熟的程度，一切物理現象似乎都能夠從相應的理論中得到滿意的解答。正如同物理學家邁克爾遜1894年説的那樣：“大部分大的基本原理似乎已經被明確建立起來了，今後的進展主要是將這些原理嚴格應用到值得我們注意的一些現象中去。”此時在空間觀上主要以歐幾里得三維幾何空間認識為主；時間觀上認為時間只是標量，宏觀物體的運動在時間上是可逆的；動力學原理上以牛頓的力學三大定律為依據；而因果觀上，還原論與機械決定論佔統治地位。1900年以後，隨着量子力學、統計物理學和相對論的相繼問世，“系統”所處的時空觀、因果觀和動力學原理都發生了鉅變。固定的時空觀被彎曲的時空觀取代；系統所處的範圍被劃分為宇觀、宏觀與微觀三個世界，動力學原理上按不同世界範圍，適用不同的動力學原理，宇觀適用相對論、宏觀適用牛頓三定律、微觀適用量子力學；因果觀上，決定論由不確定性和概率論取代。雖然此時“系統”的概念尚未形成，卻對後續系統科學的發展產生了深遠影響，啓迪着那些思考世界本質的研究者們。

圖2  複雜性系統科學發展羣英譜

1）20世紀20—60年代  一般系統理論階段

貝塔朗非的一般系統論、維納的控制論和香農的信息論是這個階段的代表性成果，標誌着系統科學的興起。雖然整體的、系統的思維歷史上一直都存在，亞里士多德曾説過“整體大於部分之和”，但是直接提出系統的概念，並從一般意義上去探求系統的屬性與規律，還是從貝塔朗菲的一般系統論開始的。他提倡運用整體論的觀點，用邏輯與數學的方法來研究和描述系統的一般性規律，研究的系統是一個包含物質的、心理的和社會文化的分層次的系統集合，而非僅是自然界的物理、化學系統。同時期發展的系統科學理論還包括維納的控制論和香農的信息論。維納從工程和生物醫學中獲得靈感，他參與過防空火炮的研究工作，設計防空火炮的自動控制裝置，並從中領悟出了反饋機制，反饋是控制論的精髓，他也提出了學習與繁殖的概念，認為機器不僅能夠通過信息與通信達到控制和反饋，還能夠自我學習和自我繁殖，他的最終目的是實現所謂的“智能機”。香農是信息論的奠基人，主要有以下兩點貢獻：一是他提出了信息的定義，明確地把信息量定義為隨機不定性程度的減少，或定義為信息是確定性的增加；二是他提出了信息的度量公式，為信息論和數字通信奠定了基礎。

貝塔朗菲的一般系統論提出從系統的視角構建了系統的架構並指出了系統的屬性，維納的控制論描述了系統內部達到穩定的控制規律，而香農的信息論是系統進行控制的度量與依據。三者構成了一般意義上的系統適應外部環境，維持自身穩定的一整套理論依據，因此它們合在一起稱作“一般系統理論”。一般系統理論打破了還原論的統治地位，為科學研究提供了全新的系統視角，為工程領域的自動化與穩定控制提供了理論依據。此三論奠定了後續系統科學研究的基礎，開啓了系統科學研究的新思潮。正如馮·諾伊曼在提出計算機原理的過程中説的那樣：通過對“電腦”和人腦的比較認識了思維的複雜性；通過研究機器能否像生物那樣具有自複製能力，瞭解了生命現象的複雜性；通過把博弈論應用於經濟問題而瞭解了社會的複雜性。諾伊曼據此得出結論：“闡明複雜性和複雜化概念應當是20世紀科學的任務，就像19世紀的熵和能量概念一樣”。

2）20世紀60—80年代  系統自組織理論階段

普利高津的耗散結構、哈肯的協同論、託姆的突變論與艾根的超循環結構理論等自組織理論是這個階段的代表性成果，標誌着複雜性研究在自組織理論方面已經取得了比較明確的成果。耗散結構理論緊緊圍繞一個重要的物理概念—“熵”展開。熵由德國物理學家魯道夫·克勞修斯在1854年提出，用於度量內在混亂程度。熱力學第二定律有一個熵增描述，即在一個孤立系統裏，如果沒有外力作用，其總的混亂程度（熵）會不斷增大。基於此，克勞修斯提出了著名的“宇宙熱寂説”，宇宙最終將歸為一片死寂。普利高津從熱力學研究的角度，提出了耗散結構理論，指出開放系統在遠離平衡態時，在外界保持能量輸入的條件下可以保持暫時的穩態。耗散結構理論打破了克勞修斯消極的熱寂説，明確指出了系統遠離平衡態的耗散結構的存在，這對於系統科學的理論指導來説意義非常重大，熵增定律與耗散結構已成為宏觀狀態下系統狀態演變的普適性指導理論。協同學是哈肯在研究激光的發生過程中獲得的啓發，激光產生前是光波之間的競爭與選擇的過程，一旦確立選擇，所有的電子都受某種光波的支配，使得光波迅速得到加強而產生激光。哈肯從激光的理論模型出發，發現在系統從有序到無序的相互轉變中，都存在着穩定態與非穩定態在相空間中共存且呈現相互合作的現象。從而得出一個重要結論：大量性質完全不同的系統，在狀態發生變化過程中都存在着一種深刻的相似，即它們都是子系統相互協同合作的結果。而協同學的使命就是要探討是否存在支配生物界和非生物界結構和功能的自組織形成過程的某些普遍原理。哈肯的協同學的意義在於他解決了耗散結構理論並未回答的問題，即新的耗散結構是如何產生的，協同學指出系統內部子系統間的自組織協同產生了新的非平衡穩定結構。一般認為，數學進入某一領域，才代表該領域真正走向成熟。針對系統的狀態變化到底是通過漸變實現的還是通過“飛躍”實現的問題，託姆通過統一的數學模型來描述、預測和控制系統的突變現象，為系統科學的研究提供了數學手段。艾根的超循環結構理論關注的是生命的起源問題，即最初始的蛋白質大分子是如何從無機世界實現“非生命”到“生命”的飛躍的。艾根指出，在化學進化階段與生物進化階段之間還存在一個分子的自組織階段，在這個階段中，要求既能產生、保持和積累信息，又能選擇、複製和進化，以形成統一的細胞機構，從而保證生命從無生命中湧現出來。這種大分子的自組織過程就是超循環結構。超循環具有一種“一旦選擇便永恆”的選擇機制，且是一種自複製循環，從而確保進化的成果得到保存和累積。

如果説一般系統理論解決的是系統在某一時間剖面上的組成、結構與穩定控制問題，那麼自組織系統理論基本上解決的是系統在生命週期時間尺度內的動態演化問題。耗散結構理論明確了系統除平衡態的穩定結構外，還有遠離平衡態的耗散結構，並且指出了達到耗散結構的條件。協同學則研究了系統在結構上如何達到耗散結構，即通過系統內部的競爭與協同的促進。突變論則從數學的角度描述了系統狀態變化的一般規律，為自組織系統理論的發展提供了數學工具，提升了自組織系統理論的成熟度。而超循環結構理論則從分子生物學的角度，探尋了生命系統質變與進化的機理。上述四個理論對於理解我們所處的世界的系統自組織進化過程提供了理論指導。

3）20世紀80年代至今  複雜性系統科學階段

這是複雜性科學真正誕生的時代，它是在自組織理論和分形、混沌等非線性科學理論的基礎上發展起來的。人們一定驚歎於自然界中事物外在形態、幾何圖形的千變萬化，但在這變化之中有着一種神奇的性質—自相似性。無論是植物、動物、物理現象還是地形地貌，都能找到自相似對象，包括人體的血管、肺部、神經系統等的構造上也具有高度的自相似性。自相似概念被數學家們所發現並利用，構造出了令人驚奇的曲線，如科赫曲線和謝爾賓斯基三角形等。美國數學家曼德勃羅把這種幾何上的自相似性發展成一門新的幾何門類—分形。美國氣象學家洛倫茨在實驗室研究氣象預報模型時，稍微修改輸入的值，得到了變化非常大的輸出結果，洛倫茨敏感地抓住了這次機會，發現了混沌現象，即非線性的確定性系統對初值的敏感性現象。如果説量子力學打破了微觀世界的確定性，混沌則打破了人們對宏觀世界確定性的認識，隨着人們對混沌現象的不斷深入研究，更進一步確信了混沌才是我們所處世界的本質。而1984年聖塔菲研究所（Santa Fe Institute，SFI）的成立，讓複雜性科學成為一門專門的學科，極大地促進了複雜性系統科學的發展。聖塔菲研究所把計算機作為從事複雜性研究的最基本工具，用計算機模擬相互關聯的繁雜網絡，霍蘭提出了“適應性造就了複雜性”的論斷，並引入了複雜適應性系統（Complex Adaptive System，CAS）的概念。CAS成為聖塔菲研究所的主要研究對象，也是當前複雜系統研究的熱點之一。1985年Journal of Complexity創刊，對複雜性問題的研究起到了很大的推動作用。1999年4月2日出版的Science特別編輯了複雜系統專輯，足見當時國際上複雜系統研究的熱門程度。

分形與混沌一方面從幾何和代數的角度對非線性系統的演化進行了描述，為開展複雜系統研究提供了數學基礎；另一方面分形與混沌代表了自然界的普遍規律，為人們認識自然提供了全新的、客觀的視角。複雜適應系統理論在規模尺度上揭示了複雜系統適應外部變化，不斷演化的動力機制。而遺傳算法則從時間尺度上揭示了複雜系統代系演化過程中的動力機制。非線性與複雜性更加接近系統的本質，並將系統科學推進到了複雜性系統科學的新高度。

總結系統科學發展的歷史，我們可以從歷史唯物觀的角度回顧過去，從科學發展觀的角度展望未來，表1-1給出了系統科學發展的歷史唯物觀。在新技術迅猛發展的今天，系統科學的複雜性研究必將迎來新理論、新方法的黃金髮展期。

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3.聖塔非研究所與複雜性研究

提到複雜性理論研究，一定離不開聖塔菲研究所的身影。聖塔菲研究所是一間位於美國新墨西哥州聖塔菲市的非營利性研究機構。1984年，美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室主任（美國原子彈與氫彈誕生地）喬治·考温、諾貝爾物理學獎得主默裏·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）、菲爾·安德森（Phil Anderson）和經濟學獎得主肯·阿羅（Kenneth Arrow）等一批志同道合者的科學家們，致力於建立一所不設置任何院系的主要開展跨學科研究的研究機構，地點設在聖塔菲市，稱作聖塔菲研究所。喬治·考温作為第一任所長，默裏·蓋爾曼作為第一任主席。

喬治·考温在他的回憶錄《從曼哈頓計劃到聖塔菲研究所》中詳細記錄了聖塔菲研究所成立的經過。喬治·考温非常不認可當時的科學界將自然科學與社會科學割裂開來，而且兩個陣營之間輕視彼此的現狀。喬治·考温認為，自然科學家應該更多地參與到探索複雜的社會系統的非線性動力學當中來。默裏·蓋爾曼也一直夢想建立一所不設置任何學科的，專門研究學科間交叉科學的研究機構，可謂一拍即合。因此聖塔菲研究所成立的初衷便是打破傳統學科間的固有界限，但在開始時如何打破沒有一個明確的方案，經過一段時間的討論與探索，才找出自然科學與社會科學中共同的興趣點，那就是複雜性。從此複雜性研究成為聖塔菲研究所的共同話題， 全世界的學者們凝聚在這裏，共同探討各個學科領域的複雜性問題，使得聖塔菲研究所成為全世界研究複雜性問題的聖地，聚集了一大批優秀的科學家。在這裏霍蘭提出了遺傳算法與複雜適應系統（CAS）理論，併成為聖塔菲研究所在複雜性研究方面新的共識。蘭頓提出了人工生命理論，斯圖亞特·考夫曼開展了生命起源的研究，侯世達開展了強人工智能的研究，他的學生米歇爾·梅拉尼出版了風靡全球的介紹複雜性的書《複雜》，傑弗裏·韋斯特研究了複雜世界裏的簡單法則—規模。

聖塔菲研究所不依附於任何組織，僅依靠其強大的影響力獲得了大量的資金支持，既保持了研究方向的獨立性，也保持了非營利性的初衷。聖塔菲研究所只有少量的正式員工以維持研究所的日常運轉併為研究人員提供必要的服務，但廣邀在複雜性理論研究領域有創新想法的研究人員到聖塔菲來進行不同期限的研究工作，併為這些研究人員搭建了自由交流思想，碰撞火花的平台。總之，聖塔菲研究所為跨學科的複雜性理論的研究應用推廣做出了非常重要的貢獻。

4.複雜系統特徵分析

綜合來看，複雜系統的本質特徵在於它的複雜性和不確定性，定量地講系統模型是高維、高階的，具有多輸入、多輸出；定性地講系統具有非線性、外部擾動、結構與參數的不確定性，有複雜和多重的控制目標和性能指標。具體地説，複雜系統一般具有以下特徵。

1）系統性

系統性也稱作整體性，是指複雜系統的各個部分構成了一個聯繫的整體，共同達成特定的、系統的部分無法完成的整體性目標，體現了系統1+1>2的特性。系統性強調應該運用全面的與聯繫的觀點來審視系統，考察系統內部各部分之間的關聯關係，以及系統與其所在環境之間的關聯關係。

2）規模性

複雜系統的規模龐大，維數很高，子系統的數目、變量的數量巨大。例如，研究一個省的經濟模型就可能涉及成百上千個變量。規模作為系統的一個屬性時，一方面規模的擴大會增加系統的複雜性，而另一方面，系統的規模也不會無限地擴大，在系統其他屬性的約束下，而呈現出一定的規律性。例如，一個生態系統中每一種物種的規模都是處在一種動態平衡中，體現的正是系統的自組織性與適應性。

3）層次性

從系統的定義來説，系統是具有層次嵌套的，複雜系統往往可分解為多層次結構。層次性又與湧現性互為因果，因為湧現特徵總是系統在低層次指向高層次的，都是低層次所不具備的發生“質變”生出的新特性。

4）非線性

複雜系統的一個重要特徵就是非線性，這些非線性動態行為，往往是由一定數量（或大量）非線性元件（或子系統）的組合及其相互作用而產生的，本質上不同於線性元件的組合及其相互作用。實際上，複雜系統中的非線性因素（內部及環境的）及它們之間的相互作用是形成複雜性的重要條件。例如，衞星的定位與姿態控制過程，船舶尾部升沉的預報與控制過程，以及機器人的運動控制過程等，只能採用表徵大範圍的非線性微分方程來描述。

5）湧現性

系統之所以能成為系統，必須有它的整體性特徵，這些是系統的各成員部分所不具備的，在這裏稱作湧現。對複雜系統來説，其湧現性尤為突出，且不易被人們所完整認識，即複雜系統常具有尚未被認知的湧現性，正向湧現給人以驚喜，而負向湧現給人們帶來挑戰。

6）不確定性

規模、非線性與未知湧現性給複雜系統帶來了很大的不確定性。按照系統科學裏的混沌理論，非線性確定系統本質上是混沌的，但混沌是局部的不確定性與整體確定性的辯證統一，就像洛倫茲的奇異吸引子那樣，脱不開奇異吸引子的範圍。而複雜系統的不確定性更是需要認知和管控的一個重點。

7）次優性

由於複雜系統中往往存在多個目標，且相互影響，系統的控制目標往往不可能有唯一解，導致控制目標在尋優的過程中，只能達到“次優”或“滿意”的程度。

8）自組織性

自然複雜系統內部的有序結構或這種有序結構的形成過程是由系統成員之間自發形成的，是系統內部各成員遵循的規律的綜合湧現，比如大自然的繁衍生息。人造複雜工程系統的設計，就是要構建好有利於系統成員聯繫的有序結構，並制定有利於系統穩定和效能實現的演化規則。

9）有機性

複雜系統的成員雖然是自組織的，但隨着成員系統之間複雜的交互關係，在整體上往往表現出一定的有機特性來，在系統的外界環境發生改變時，複雜系統通過內部的調節和規則的變換，維持相對的穩定性，從而表現出一定的有機適應能力，類似於有機生命系統的自適應能力。

二

複雜工程系統

1.複雜工程系統內涵

工程（Engineering）最早產生於18世紀的歐洲，其本義是兵器製造、軍事目的的各項勞作，後擴展到許多領域，如製造機器、架橋修路等。我國的殷瑞鈺、李伯聰與汪應洛等在《工程演化論》中對工程進行較為全面的定義，即工程是人類有目的、有計劃、有組織地運用知識（技術知識、科學知識、工程知識、產業知識、社會−經濟知識等）和各種工具與設備（各種手工工具、各種動力設備、工藝裝備、管控設備、智能性設備等）有效地配置各類資源（自然資源、經濟資源、社會資源、知識資源等），通過優化選擇和動態的、有效的集成，構建並運行一個“人工實在”的物質性實踐過程。從定義中可以看出，工程是一種對科學、技術、人力、資源的綜合運用，其目的是構建一個有助於人們改造客觀世界的“人工實在”。因此工程系統是一種人造系統，是一種在自然系統基礎上人工再創造的結果。隨着人造工程系統的規模越來越大，以及內部的關聯關係越來越複雜，便出現了複雜工程系統。例如，如果建一間房子是一種簡單的工程系統，那麼建一座城市，就是複雜工程系統了。

卡內基梅隆大學的複雜工程系統研究所（Institute for Complex Engineered Systems，ICES）是一個專門針對複雜工程系統進行研究的機構，它的研究主要面向複雜工程設備、過程和系統中的多學科領域。麻省理工學院的SEARI（Systems Engineering Advancement Research Initiative）主要工作則是將有效的系統工程理論、方法和實踐應用到複雜社會和工程系統中，其主要研究成果包括多屬性決策空間探索法（Multi-Attribute Tradespace Exploration，MATE）設計，基於生存性的複雜系統設計等。

國內對於複雜工程系統的研究是從系統科學的角度開展的，主要源自錢學森開創的“開放的複雜巨系統”的研究。1989年年底，錢學森發表的“一個科學新領域—開放的複雜巨系統及其方法論”標誌着複雜工程系統的建立，並沿着該思路又相繼提出了人機結合、從定性到定量的綜合集成研討廳體系。中國科學院自動化所複雜系統與智能科學重點實驗室將人工系統、計算實驗、並行分佈式計算等方法，同錢學森的集成方法相結合，推進了複雜系統的研究工作。國內其他從事複雜系統相關研究的機構還包括中國科技大學非線性科學與複雜系統研究中心、清華大學系統集成研究所以及北京師範大學系統科學學院等。

對於複雜工程系統，不同學者根據自己的理論研究和應用成果，給出了不同的定義。李伯虎院士指出，複雜工程系統是指一類具有“系統組成關係複雜、系統機理複雜、系統的子系統間以及系統與其環境之間交互關係複雜和能量交換複雜，總體行為具有湧現、非線性，以及自組織、混沌等特點的工程系統”。

鄧方林教授認為複雜工程系統有兩種含義：一是根據特定的複雜系統的模型所設計出來的工程系統，即當人們掌握某種複雜性現象的規律和本質後，可以依照要求設計出一種工程系統來還原這種複雜現象。二是人們設計的不具有複雜性的工程系統，由於系統規模的擴大和關聯關係的複雜化，或是由於引入新的設計需求而帶來的設計準則的衝突，使系統呈現了原來沒有的複雜性。

Bloebaum教授將複雜工程系統定義為這樣一類工程系統：系統內部存在着緊密耦合的相互作用，這些作用所產生的共同行為是不能由各部分行為簡單相加而能夠得到的。她認為本質上這類系統是高度跨學科的系統，系統中這些跨學科耦合關係的存在甚至有可能導致一些不合理的結果。

雖然不同學者給出的定義有所差別，但可以看出複雜工程系統在本質上仍屬於複雜系統，具有複雜系統應有的一般特性。

2.複雜工程系統設計方法

複雜工程系統設計是實現系統優化的科學，是一門高度綜合性的管理工程技術，複雜工程系統設計科學框架如圖3所示，涉及設計哲理（敏捷、迭代、協同等）；設計理論（系統工程理論、體系工程理論等）；設計方法（體系結構設計、功能設計等）、專業基礎知識（如系統科學、運籌學、控制論等）等。複雜工程系統設計的主要任務是根據總體協調的需要，把基礎思想、理論、策略、方法等從橫的方面聯繫起來，應用現代數學和計算機等工具，對系統的構成要素、組織結構、信息交換和自動控制等功能進行分析研究，藉以實現最優化設計的目標。

圖3  複雜工程系統設計科學框架

通過對產品設計理論與方法、軟件設計理論與方法、系統設計理論與方法的研究，提出了複雜工程系統設計方法體系，如圖4所示。

圖4  複雜工程系統傳統設計方法體系

從傳統複雜工程系統設計方法體系可以知道，系統的設計還是簡單系統的放大版，雖然涉及面更廣、協調內容更多、不確定性更大，但是方法並沒有本質區別，依然是基於過程的工程實物迭代。大量工程實踐證明，針對不同階段、不同對象的設計方法的選擇存在較大的隨意性，這與目標系統的成熟度、設計師的水平、建造的工藝和工程的造價等都直接相關，甚至讓設計者、管理者和用户無所適從，而且複雜工程系統關鍵的不確定性和湧現性等特性無法得到有效的設計和管理，造成設計結果差強人意。複雜工程系統一般都是週期長、造價高、風險大，上馬不好回頭，而且是所在領域體系生態的重要組成，因此，工程界也急需在新技術支撐下的新方法的出現。

三

複雜工程系統的設計過程指--系統工程

1.系統工程概述

系統工程是人們對工程系統建造過程中最佳實踐的提煉與總結，在工程領域為人們所推崇，不僅能夠提高工程建造的效率，還能提升工程系統的質量水平。什麼是系統工程呢？我們先來考察一下一般的工程建造過程。

一般的工程過程大體上可分為設計、建造、驗證和運行四個主要過程。設計的過程是工程師根據需求目標以及掌握的現有相關技術知識，從邏輯上選擇出工程系統的組成單元以及組成單元之間的交互，考慮到實現的可行性，設計過程受到現有技術水平的限制，更準確地説是受到設計者掌握的技術知識水平的限制。而建造的過程是將設計的邏輯系統轉化為物理實體系統的過程。建造過程涉及人力、資金和時間的統籌安排，必須考慮在資金預算和工期預算之內完成建造任務，這通常用計劃評審技術（Pert）來籌劃任務的時間和先後順序，以排出合理的工期。驗證是將建造的結果與需求和設計進行比對的過程，檢驗建造的系統在功能與性能方面是否符合設計要求以及用户的真正需求，驗證通過後系統投入運行使用，未通過則需要返回需求，進入下一個迭代循環。典型工程建造過程如圖5所示。因此系統工程的重點是將一項工程的建造過程分階段實施，以及如何對每一個階段進行有效的組織管理。錢學森給系統工程下的定義是，系統工程是組織管理系統的規劃、研究、設計、製造、試驗和使用的科學方法，是一種組織管理的技術。

圖5  典型工程建造過程模型

工程系統能否發揮預期的功效，還與系統的質量關係密切，因此系統工程在發展過程中吸收了質量管理的部分思想，與質量管理過程進行了融合。我們知道，質量管理的發展經歷了質量檢驗（Quality Testing，QT）、統計質量控制（Statistical Quality Control，SQC）與全面質量管理（Total Quality Management，TQM）三個階段，逐步形成規範過程、定量控制、預防為主、持續改進等全面質量管理的思想。系統工程吸收了全面質量管理中的過程管理與定量控制等思想，形成了如國際系統工程協會（INCOSE）《系統工程手冊》第四版中包含30個標準過程的系統工程過程模型，如圖6所示。

圖6  INCOSE系統工程過程模型

2.系統工程的降維解析過程

傳統的系統工程過程本質上是一種以西方“還原論”主導下的“降維解析”過程。

笛卡兒將還原論方法描述為：“將面臨的所有問題儘可能地細分，細至到能用最佳的方式將其解決為止”。人工智能領域的著名學者侯世達也曾這樣評價還原論，説還原論是對這個世界最自然的理解方式，他説“如果你理解了整體的各個部分，以及把這些部分‘整合’起來的機制，你就能夠理解這個整體”。還原論在推動現代科學發展上做出了至關重要的貢獻，物理學上對世界本源的探索，生物學上的解剖學與細胞學都是典型的還原論的應用。但還原論應用在工程建造上也存在着一個很大的弊端，那就是分解的過程必然會造成系統整體性與內部交互性的流失，即使在後期進行了完整的集成，也無法保證流失的整體性和內部交互性得到徹底的還原。

傳統的系統工程方法以霍爾提出的三維結構作為理論框架基礎，以V模型為過程指導，其設計過程是將複雜的大系統分解為不同的小系統或模塊，然後分別實現，再集成還原為大系統。以NASA的系統工程為例，包含技術流程與技術管理流程兩大類。其技術流程又包含明確利益相關方期望、技術需求定義、邏輯分解、設計方案定義、產品實施執行、產品集成、產品驗證、產品確認和產品交付9個流程。這9個流程實質上是一個傳統的V模型的過程，經過對系統需求的分解、實現與再集成的過程來實現系統產品。NASA系統工程過程模型如圖7所示。

圖7  NASA系統工程過程模型

由於系統設計過程中對需求的分解過程是一種從邏輯上的靜態分解，分解後必然會帶來模塊之間交互特徵的損失。這種“降維”的過程體現在兩方面。

一是從系統的參數維度上，分解過程將複雜的多維度系統，分解為多個小維度子系統或部件，實現了降維。降維後，將一個複雜的大系統問題分解為多個小系統問題，為各個部分的優化設計提供了便利，但同時也造成了系統的整體性缺失，而系統整體性往往是一個複雜工程系統研製成功的關鍵。在足球比賽中，將每一個位置上世界上最優秀的球員組成一支隊伍，並不能確保整支球隊的強大，關鍵還要看球員之間的配合。相反地，錢學森在其《工程控制論》時指出：“我們有辦法利用不十分可靠的元件做出非常可靠的系統”，這正是系統整體性1+1>2的優勢。因此傳統系統工程參數維上的降維解析方法有利有弊。

二是從時間維度上，靜態分解過程影響了系統在時間上的動態演化特徵。系統的整體性狀態是一個在時間上連續變化的函數，由系統的各個模塊之間通過交互與協作來共同決定。但是，在系統分解以後，系統的各個模塊分別設計，系統模塊之間的交互關係只有在系統集成後才能建立，並進行調試與驗證，因此在系統研製的很長一段時間內，系統在時間上的動態演化特徵是缺失的，系統模塊的設計特性無法及時映射到系統的整體效能上。

在系統不夠複雜時，降維解析過程造成的交互性與整體性特徵損失可以在系統集成驗證過程中得到很好的修正，或者因為影響小而可以被忽略，從而不會對最終的結果造成太大的影響。但是如果系統足夠複雜時，降維解析造成的交互性與整體性缺失只能通過原型系統的不斷迭代，逐漸逼近的方式來逐步彌補，而且未必能彌補完整。造成了複雜大系統的研製週期長、代價大、效率低。歸根結底，降維解析方法是一種通過降維來規避系統複雜性的方法，是一種對系統複雜性的消極應對策略。

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來源：轉自微信公眾號“體系工程”

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