网络科学与系统科学的发展与应用

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1、试论网络科学与系统科学的交叉性及挑战性FangJin–Qing(方锦清)ChinaInstituteofAtomicEnergy,P.O.Box275-68,Beijing102413,中国原子能科学研究院，北京OutlineI.前言III.网络科学与系统科学的差异性IV.面临的挑战性II.网络科学与系统科学的交叉性前言从科学发展历史考察，数个世纪以来,人类在无穷大和无穷小的领域留下了浩似烟海和犹如满天繁星般的灿烂辉煌。一直到了20世纪后半期和本世纪初，两大领域的实质性进展逐渐缓慢下来，而引人瞩目的非线性科学（包括混沌学

2、）、复杂性科学和网络科学作为新兴科学陆续兴起,开辟了崭新的天地,这是既涵盖传统科学又相互交叉的一个更加广阔的领域。新兴科学的发展之迅猛,内涵之新颖,愈来愈激动人心，越来越吸引着人们去探索其前沿课题与实际应用，汇入现代科学研究的大潮。十年来，网络科学在国内外迅猛发展，与众多科学广泛交叉，在全世界产生极其深刻的影响。网络科学提供了研究复杂系统和复杂性科学的新思想、新方法和新观点网络科学的理论基础当今，世纪之交诞生的网络科学是在现代众多科学特别是图论、统计力学、非线性科学、系统科学等基础上，博采众长，继承、吸收和发展了当代众多

3、科学的知识精华和优势，脱颖而出，成为研究复杂系统和复杂性问题最重要的学科之一。NetworkScienceprovidesnewideaandmethodforcomplexsystems网络科学研究什么？网络科学，是专门研究自然和社会中复杂系统的定性和定量规律的一门广泛交叉的科学，它以复杂网络为研究对象，研究复杂网络的各种拓扑结构及其性质，网络的动力学特性、系统功能，及其两者之间之间相互内在关系，探索复杂网络系统的各种涌现现象(突变行为)、动力学行为及其产生的物理机制，研究复杂网络上信息等传播、预测(搜索)与控制，以及

4、实际工程和社会所需的网络设计及其各种应用。系统科学的理论基础把20世纪前半叶发展的“老三论”（系统论、信息论和控制论）及20世纪后半叶发展的“新三论”（耗散结构论、协同学和突变论）,统称系统科学。“六论”在20世纪产生了广泛而深刻的影响，随后非线性科学及其混沌理论、复杂性科学的兴起，犹如春风吹遍五洲四海，非常强劲地影响着当今和未来的科学研究和发展，当然也为系统科学和网络科学提供了极其重要的理论基础和科学方法论。1968年贝塔朗菲发表了《一般系统论——基础、发展和应用》专著，全面地总结了他40年来的理论研究成果，为在世界范

5、围内兴起的系统科学研究热潮提供了较为完整的理论框架，发挥出它重大而深远的影响。“新三论”创始人耗散结构论协同学突变论I.普利高津赫尔曼.哈肯勒内·托姆勒内·托姆1969年，比利时布鲁塞尔学派首领普利高津，研究远离平衡状态开放系统时提出非平衡热力学和统计物理学中的耗散结构理论。1973年以后，德国理论物理学家赫尔曼.哈肯发现不同系统之间共同存在着同一系统的要素之间的协同现象，创立了协同论。具有很大的普适性。1972年法国数学家勒内·托姆勒内·托姆（Renethom1923—）提出突变论:《结构稳定性和形态发生学》。揭示在

6、自然界和人类社会活动中，除了渐变的和连续光滑的变化现象外，还存在着大量的突然变化和跃迁现象，如地震、海啸、细胞的分裂、生物的变异、战争、经济危机等。将系统内部状态的整体性“突跃”称为突变，突变论被用来认识和预测复杂的系统行为。我国系统科学的奠定人我国以钱学森为代表一批科学家对系统科学做出了有中国特色的贡献，推动了我国系统科学与工程的实际应用,并获得了长足进展和丰硕成果。网络科学与系统科学相似，不仅丰富了人类的科学理论知识，而且提供了强有力的科学方法论，既突破了传统科学和方法论的局限性，又渗透到众多学科和领域中，成为一门极

7、其广泛交叉的新兴科学，正在产生越来越深远的影响。钱学森在20世纪80年代复杂性研究刚刚兴起的时候，就提出开放的“复杂巨系统”的概念，其中系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的、具有特定功能的有机整体；如果组成系统的子系统种类很多并有层次结构，它们之间关联关系又非常复杂，则称该系统为复杂巨系统；如果这个系统又是开放的，则称为开放的复杂巨系统。开放的复杂巨系统主要特征(1)由巨量的子系统（节点）组成,并有多种层次结构(2)系统是开放的，受外界影响(3)在特定条件下，节点之间产生相互作用(4)节点之间的相互作用和系统

8、之间存在复杂的非线性关系。复杂系统/巨系统无论在结构、功能、行为和演化方面都具有“复杂性”。我们讨论的问题网络科学与系统科学有什么交叉性（关联性、同一性和差异性）？它们在认识世界复杂性和改造客观世界中发挥什么作用？它们面临的挑战性课题是什么?II.网络科学与系统科学的交叉性第一、研究对象同一性两者都是研究自然界和人类