系统复杂性的分类

第二节　系统复杂性的分类

一、现代科学的基础：建立关系

长期以来，人们对经典科学一直存在一种误解，认为经典科学研究对象是一些割裂的部分，而非整体。尽管经典科学处理问题的方式通常把研究对象分解成相互独立的部分，以掌握这些构成部分的性质和特征，并找出各个部分间内在的因果联系。可见，经典科学的研究对象并不仅是割裂的部分而更注重的是那些严格的因果关系。

其实，人类认识世界的过程实际上就是一个建立联系的过程（如图2-1所示）。通常，几何学被认为是关系理论的鼻祖。事实上，现代基本物理理论也是关系理论，例如经典物理理论、广义相对论、基本粒子物理学的标准模型等。传统上，人们认为经典物理学的研究重点是原子或基本粒子等孤立对象。事实上，关系也受到同等重视，这些关系将研究对象整合成网络，通过对要素间关系的分析、试验和模拟得出了大量的科学定理、理论。牛顿的经典力学理论就是一个建立关系的理论，当牛顿坐在树下，苹果砸到他的头上时，牛顿建立的因果联系是“苹果是由于重力作用而掉到他的头上”，重力作用就把苹果和向下坠落而不是向上抛出之间建立了因果联系。而普通人可能认为是由于风吹落的，或者是由于苹果成熟了。有神论者则可能认为是由于神的作用导致的。但不管怎么样这些解释都是在试图建立一种合理的因果联系，即苹果与向地面下落之间的因果关系。

图2-1　建模关系

二、建立关系导致了复杂性

在科学上，由于笛卡儿的卓越工作和思想，建模关系在科学研究中起着主导作用已经有好几个世纪，牛顿将这种建模关系严格公式化了。因此，人们将这种认识世界的特殊方式称为“牛顿范式”，并将与此密切相关的笛卡儿认识论称作“还原论”。可以说现代科学的进步正是基于这种方法。笛卡儿的机械隐喻和二元论（精神/肉体）是现代科学的主导思想，整体仅仅是它的部分之和。但是，对于复杂系统，由于其具有突现现象，即复杂系统能够突现其局部所不具有的功能，突现通过协作创造了新功能，局部的交互作用导致了非局部的现象，整体而不仅仅是局部之和，所以这就导致了通过因果联系来分析复杂系统产生了困难。对于自适应性系统，随着时间而改变的关系导致整个网络的连通性（Connectivity）也在改变，由于忽视关系的基本作用，所以常常产生了对还原论或突现的误解。尽管在微观层面上，复杂系统的构成要素间遵循着较为严格的因果关系，但在宏观层面上，我们却无法看到整体和其构成部分间严格的因果关系，而通常只表现出弱因果性，同样的输入却得不到相同或类似的结果。一个人在不同的组织环境中能够做出差异非常巨大的业绩，不同人在同样的环境中也会出现巨大的行为差异。

系统论的提出和发展使人们对关系重要性的认识达到了一个更高的层次。在实践中，传统的系统分析方法虽然既注重对要素的分解也重视要素间的联系，但分析和分解仍然忽略了系统中大量潜在的隐性关系，造成大量的信息失真，这就使通过系统分析的方法得出的很多结论与实际情况严重不相吻合。而这些问题的产生，主要是我们在认识世界的过程中所建立的因果联系出现了问题。因此，有关复杂性的来源问题自身就是一个复杂问题，复杂性将人的认知、系统的结构、系统的运行过程等紧密联系在一起。因此，单纯地说复杂性产生于系统的结构、复杂性产生于系统的运行，或者说复杂性产生于人脑都是片面之词。应该说系统内外部存在的交互作用关系以及人们在对系统认识过程中的关系建立过程才是复杂性的来源。

三、系统的分类及系统复杂性的分类标准

1.系统的分类

根据对系统的描述方法和重点的不同，对于系统的分类也有多种方式。国内较早对系统进行分类的是汪应洛，他从4个方面对系统进行了分类。比较常见的分类有以下几种：按照构成系统的元素多少，系统可以分为大、中、小系统。按照系统的时间特性，可划分为静态系统和动态系统。从热力学角度，按系统与环境的关系，可划分为孤立系统、封闭系统和开放系统。按照系统的结构不同，可将系统分为集中系统、多级递阶系统和分散系统。根据系统的行为是否确定，可将系统分为确定性系统和不确定性系统。从系统的形成角度可以把系统分为人工系统和自然系统。按照构成系统的元素之间的关系复杂程度可划分为简单系统和复杂系统。

Ashby早在1956年出版的《控制论》一书中就引入复杂系统的概念，并认为复杂系统是系统科学的方法。至今，关于什么是简单系统和复杂系统，学术界还没有形成统一认识。例如上文中提到的按照元素间关系的复杂程度将系统分为简单系统和复杂系统。事实上这种按照元素间关系的复杂程度来界定简单系统和复杂系统并不完全合理。有很多复杂系统，其元素间的关系并不复杂，甚至还非常简单和明确，但仍然表现出非常复杂的行为。于是人们转向根据系统是否具有突现属性来界定复杂系统。所谓突现，是指系统作为一个整体所表现出的新的，而且通常是难以被预测到的整体属性。如果将系统割裂开来，其构成部分则不具备这种性质。突现能够创造出新的功能。如果一个系统作为一个整体所具有的属性，而其子系统并不完全具有，我们可以认为这样的系统是复杂系统。突现现象是系统在宏观层次上所表现出来的整体属性，但通常我们认为是由于构成系统的元素间的局部相互作用的结果。也就是说，突现这种非局部现象是由于局部相互作用而引起的。当然我们也不能够认为一切具有突现属性的系统都是复杂系统，有些具有突现属性的系统并不复杂，通常这种系统的突现性质是由于元素间的线性相互作用的结果，而对于这种突现属性我们采用还原论的方法就可以预测和解释。

于是，人们将目光投向从系统的运行机制来尝试界定系统的复杂性。对于动态系统，复杂性的产生与系统运行机制的结构敏感性密切相关。简单系统的结构性相对稳定，系统结构的变化能够带来可以预期和控制的系统宏观行为变化，而复杂系统结构上的微小变化会带来一系列持久的连锁性反应，造成一些难以预测和控制的后果，所谓“千里之堤，毁于蚁穴”就是这个道理。总的来说，有关系统的分类主要从以下四个方面展开：

（1）基于结构的系统分类。大、中、小系统，简单系统，复杂系统等。

（2）基于功能的系统分类。例如，空调系统、操作系统、数控系统、信息系统、传输系统、运输系统等。

（3）基于构成或内容的系统分类。例如经济系统、社会系统、生物系统等。

（4）基于运行机制的系统分类。例如动态系统、适应性系统、耗散系统等。

2．系统复杂性的分类标准及分类

从上文可以看出，目前人们对复杂性的分类比较混乱。其一是由于依照的标准和表述的对象比较繁杂和多样。针对不同的对象按照不同的标准，或针对相同的对象按照不同的标准进行分类会得出不同的结果，这样就产生了所谓语言复杂性、计算复杂性、描述复杂性、结构复杂性、功能复杂性、技术复杂性、管理复杂性、经济复杂性等。很少有人真正能够讲清楚这些所谓的复杂性指的是什么，大部分只是一种主观判断或感觉。

目前得到国内研究者比较认同的系统复杂性分类是成思危给出的。他按照系统是否具有生命把系统的复杂性划分为三个层次，即机械（物理）复杂性、生物复杂性、社会复杂性。但他并没有对复杂性起源做出解释，只在随后的一些研究中对复杂性的表现做了一些说明。本书作者按照复杂性起源的主客观性分为主观复杂性，即复杂性存在于人脑中，产生于人对系统的认知过程中；客观复杂性，即复杂性存在于系统中，是与系统的整体性共生的。对于我们常常挂在口边的所谓复杂性都可以这样解释：它是我们所认知对象的一种属性，并通过人与认知对象间的交互作用介质反映于人脑中，产生一种难以表达和理解的状态，其程度取决于用语言、文字或数学模型等符号系统清晰描述的难易度。老子《道德经》中开篇的两句话，“道可道，非常道，名可名，非常名”，实际上就对复杂性进行了界定，只不过几千年来，人们没有进一步对其进行深究。其主要含义是道（客观规律，也可理解为认知对象）与道（人对客观规律的认识和表述）之间无法达到完美的一致性，以至衍生出“玄之又玄，众妙之门”，也就是今天在各研究领域内所提到的复杂性，实际上就是认知对象与符号系统之间的不一致性。

至今，之所以人们对复杂性概念如此意见不一，其另一主要原因是人们对复杂性是什么或者起源何处、具有什么样的表现和性质、什么样的系统是复杂系统等一系列问题还都处于一种模糊的认知状态。对于从事系统复杂性的研究者来说，如何正确解释和认知系统复杂性对于推动该项研究的快速进展显得尤为重要。结合我们自身及国内外同行在这项研究上的成果，我们可以这样来理解系统复杂性，即系统复杂性是类似于系统整体性、集合性、目标性等性质的一种系统属性，它存在于复杂系统的结构中（系统的结构是系统的构成要素及要素间的交互作用构成的集合，系统结构是复杂性的来源和载体。但是能不能产生复杂性，取决于认知过程中人与系统的交互作用过程。不存在任何关联的要素及结构良好的系统通常不会产生人们所说的复杂性。人们会认为航天飞机比汽车复杂，主要是对两个认知对象产生不同的认知感觉，就航天飞机和汽车本身而言，它们的结构只构成了复杂性的载体，至于复杂性能否产生和形成则依赖于人的认知过程，即源头→触发器→生成器），通过人与系统的交互作用介质反映在人脑中，其程度会随着人的认知水平的提高而变化。

从以上关于复杂性的一个较为普适性的解释中可以看到今天众多有关复杂性的解释都存在误区。例如，成思危认为系统的复杂性主要表现为五个方面，但他给出的这五个方面有自相矛盾的地方。

（1）他在第（1）点提到复杂系统的结构是网络，但在第（2）点中又说复杂系统是多层次结构。众所周知，层次结构中不存在回路，而网络中有回路，可见这里就产生了矛盾。而实际上是，组织结构扁平化趋势说明，未来的组织结构将是立体网状传导结构，在宏观层面上并不表现为明显的层次结构，而在微观层面上才表现为网络结构。存在回路，才使敏感性元素的行为及交互作用得以传递。

（2）对于第（3）、（4）点提到复杂系统可以不断地学习，第（5）点提到系统本身对未来的发展变化有一定的预测能力。事实上，这对有生命系统是部分成立的，对于无生命系统是不成立的。

本书作者在成思危有关系统复杂性分类的基础上，从系统是否有生命性、是否有人参与、系统的运行机制等3个方面将系统进行分类，分为物理系统、技术系统、生物系统及社会技术系统，各类系统所表现出的复杂性分别如下所述。

（1）物理系统复杂性，例如天体、物质粒子等。主要研究机械复杂性，例如物质形态与结构、天体结构及运行等表现出的复杂性。

（2）技术系统复杂性，例如语言、计算、软件、工艺流程等符号技术系统及汽车、飞机、电脑、车床等实物系统所表现出的复杂性。

（3）生物系统复杂性，除人之外的一切有生命的物体及其构成的生态系所表现出的复杂性，例如生命起源、胚胎发育、疾病与免疫、生物进化等。

（4）社会技术系统复杂性，由技术系统与人的系统通过交互作用所形成的系统所表现出的复杂性，例如社会复杂性、经济复杂性、管理复杂性等。

众多的研究案例研究都支持复杂系统具有结构敏感性的结论。结构敏感性的提出和界定不仅很好地解释了复杂系统的初值敏感性和等值敏感性形成机制，也可以用来对简单系统和复杂系统进行区分，即系统的复杂程度并不取决于其结构和功能的复杂程度（例如，有人从系统的构成要素及其直接交互作用的数量以及系统的高阶次、多回路和非线性的反馈结构来定义复杂系统，事实上用非线性、突现等这些复杂系统存在的特征、表现形式或者必要条件来区分简单系统和复杂系统都存在致命缺陷，对复杂性的理解要从其产生的源头、产生机制及表现形式、充分条件、必要条件等多个环节来完成），^[1]而是取决于系统自身运行机制和失效机制的敏感程度，是否具有可预测性及易控性或可控性。在实践中，我们发现在很多情况下结构简单的系统会表现出复杂行为，这主要是由于存在非常复杂的运行机制导致的，反而可以归类为复杂系统，难以操控与预测。但是，结构复杂的系统却未必是复杂的，相反由于其运行机制简单，行为易于操控和预测，反而可以划归为简单系统，可以采用简化和还原的方式来处理和解决问题。

复杂性概念的提出已经有半个多世纪，国内对复杂性较为系统的研究起始于20世纪90年代。在经过了短短几年的研究热潮后，近年来，各个学科领域有关复杂性研究基本处于停顿状态，其提法受到很多知名学者的质疑和反对，复杂性研究亟须在理论、方法及应用研究上有所突破。究其原因是由于人们对复杂性研究过于散杂，不清楚复杂性是什么，如何去界定？很多复杂性研究只是一种主观臆断，在大多数场合下等于难题、困难、繁杂、混乱及难以理解等称谓，根本没有触及复杂性的核心内容。本书从系统概念及分类入手，对复杂性的载体、触发过程及产生过程进行了阐述，即复杂性由源头→触发→生成这个过程构成，至于复杂性能否产生和形成则依赖于人的认知过程。此外，本书还提出运用结构敏感性对复杂进行度量和判断设想，对复杂性定义和度量开辟了一条新的途径，试图帮助解决这些困惑。