复杂系统综述

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1、复杂系统综述1.关于系统的分类通俗的讲系统可以分为三类：简单系统，随机系统，复杂系统。简单系统，特点是元素数目特别少，因此可以用较少的变数来描述，这种系统可以用牛顿力学去加以解析。简单系统又是可以控制的，可以预见的，可以组成的。　　随机系统：其特征是元素和变量数很多，但其间的耦合是微弱的，或随机的，即只能用统计的方法去分析。　　复杂系统：特征是元素数目很多，且其间存在着强烈的耦合作用。复杂系统由各种小的系统组成，例如在生态系统中，是由各个种群，各种生物组成的。生态系统是复杂系统的一个最好的例子。2.复杂系统复杂性科学是在20世纪80年代中期兴起的，主要研究复杂系

2、统和复杂性的一门科学.目前虽然还处于木萌芽状态，但已被有些科学家誉为“21世纪的科学”。随着复杂性科学的兴起，对复杂系统的研究也越来越受到重视，国内外许多学者正致力于这方面的研究[1]。2.1复杂系统的定义复杂系统（complexsystem）是具有中等数目基于局部信息做出行动的智能性、自适应性主体的系统。复杂系统是相对牛顿时代以来构成科学事业焦点的简单系统相比而言的，具有根本性的不同。简单系统它们之间的相互作用比较弱，比如封闭的气体或遥远的星系，以至于我们能够应用简单的统计平均的方法来研究它们的行为。而复杂并不一定与系统的规模成正比，复杂系统要有一定的规模，复

3、杂系统中的个体一般来讲具有一定的智能性，例如组织中的细胞、股市中的股民、城市交通系统中的司机，这些个体都可以根据自身所处的部分环境通过自己的规则进行智能的判断或决策。根据以上的描述，我们可以得到复杂性科学中对复杂系统的描述性定义：复杂系统是具有中等数目基于局部信息做出行动的智能性、自适应性主体的系统。复杂系统有以下特性：1.智能性和自适应性这意味着系统内的元素或主体的行为遵循一定的规则，根据“环境”和接收信息来调整自身的状态和行为，并且主体通常有能力来根据各种信息调整规则，产生以前从未有过的新规则。通过系统主体的相对低等的智能行为，系统在整体上显现出更高层次、更

4、加复杂、更加协调职能的有序性。2.局部信息没有中央控制在复杂系统中，没有哪个主体能够知道其他所有主体的状态和行为，每个主题只可以从个体集合的一个相对较小的集合中获取信息，处理“局部信息”，做出相应的决策。系统的整体行为是通过个体之间的相互竞争、协作等局部相互作用而涌现出来的。最新研究表明，在一个蚂蚁王国中，每一个蚂蚁并不是根据“国王”的命令来统一行动，而是根据同伴的行为以及环境调整自身行为，而实现一个有机的群体行为。另外，复杂系统还具有突现性、不稳性、非线性、不确定性、不可预测性等等特征。2.2复杂系统的发展历程研究复杂系统的发展历史首先要从复杂性科学(Comp

5、lexityscience)的发展谈起。[2]尽管复杂性科学这个范畴是在20世纪80年代才被提出的，但是关于复杂性的研究其实早在20世纪上叶就开始了。复杂性科学的发展大致可分为三个阶段。首先是研究存在阶段，这一阶段从20世纪40年代贝塔朗菲创立一般系统论开始。此期间的主要成就表现为:一般系统论，控制论和人工智能。第二阶段是20世纪60一70年代的研究演化阶段。在此期间产生的主要复杂性科学理论有：耗散结构理论、协同学、超循环理论、灾变(Catastmphe)理论、混沌(Chaos)理论、分形(Flac-tals)理论和细胞自动机(CellularAutomate)

6、理论。到了20世纪80年代复杂性科学进人了综合研究阶段。进人第三阶段后，复杂性科学研究不再是分门别类地进行，而是打破了以前的学科界线，进行综合研究[3]。20世纪80年代，盖尔曼安德森、阿诺等几位美国的物理学和经济学等领域诺贝尔奖金获得者认识到复杂性科学的重要意义，并聚集了一批物理、经济、生物、计算机等方面的研究人员，在SantaFe成立了一个研究所，就是著名的桑塔费研究所，并将研究复杂系统的学科称为复杂性科学。桑塔费研究所在复杂系统方面的研究内容包罗万象，几乎包括传统自然科学和人文社会科学的全部领域，其研究方面所涉及的主要内容有:复杂适应系统，非适应系统(如细

7、胞自动机)，标度，自相似，复杂性的度量等[4]。中国最早重视复杂性科学研究的是钱学森。他从20世纪80年代就洞察到这一科学新方向的重要性，以他为核心，聚集了一批力量，“以开放的复杂巨系统(OCGS)理论为学术旗帜开创了中国复杂性研究之先河”，被称之为钱学森学派[5]。2.3复杂系统的特点总结起来，复杂系统具有以下主要的几个特点：[6](1)自适应性/自组织性(self-adaptive/self-organization)。系统是由时空交叠或分布的组件（有时也称为主体）构成的。这些组件具有自适应、自学习、自聚集、自组织等能力，组件能够通过不断地学习，调整自身的结

8、构和行为，以适应外部和内