安全科學方法學課件-突變理論與運用

6.5突變理論與運用——表達事故突發(fā)性的學說

突變論是一種主要基于數(shù)學而建立的系統(tǒng)演化理論，它并非自組織理論的分支，而是非線性動力學的一個分支。因為突變不是自組織過程特有的現(xiàn)象，他組織過程也可能有突變，突變理論是自組織理論和他組織理論共用的數(shù)學工具。

6.5.1災變與突變論16.5.2托姆原理2匯報提綱要點6.5.1災變與突變論

在自然界和人類社會活動中，除了漸變的和連續(xù)光滑的變化現(xiàn)象外，還存在著大量的突然變化和躍遷現(xiàn)象，如水的沸騰、巖石的破裂、橋梁的崩塌、地震、細胞的分裂、生物的變異、人的休克、情緒的波動、戰(zhàn)爭、市場變化、經(jīng)濟危機等等。突變論方法正是試圖用數(shù)學方程描述這種過程。突變的研究內容簡單地說，是研究從一種穩(wěn)定組態(tài)躍遷到另一種穩(wěn)定組態(tài)的現(xiàn)象和規(guī)律。

突變論認為，系統(tǒng)所處的狀態(tài)，可用一組參數(shù)描述。當系統(tǒng)處于穩(wěn)定態(tài)時，標志該系統(tǒng)狀態(tài)的某個函數(shù)就取唯一的值。當參數(shù)在某個范圍內變化，該函數(shù)值有不止一個極值時，系統(tǒng)必然處于不穩(wěn)定狀態(tài)。托姆指出：系統(tǒng)從一種穩(wěn)定狀態(tài)進入不穩(wěn)定狀態(tài)，隨參數(shù)的再變化，又使不穩(wěn)定狀態(tài)進入另一種穩(wěn)定狀態(tài)，那么，系統(tǒng)狀態(tài)就在這一剎那間發(fā)生了突變。突變論給出了系統(tǒng)狀態(tài)的參數(shù)變化區(qū)域。

突變論提出，高度優(yōu)化的設計很可能有許多不理想的性質，因為結構上最優(yōu)，常常聯(lián)系著對缺陷的高度敏感性，就會產(chǎn)生特別難于對付的破壞性，以致發(fā)生真正的“災變”。在工程建造中，高度優(yōu)化的設計常常具有不穩(wěn)定性，當出現(xiàn)不可避免的制造缺陷時，由于結構高度敏感，其承載能力將會突然變小，而出現(xiàn)突然的全面的塌陷。突變論不僅能夠應用于許多不同的領域，而且也能夠以許多不同的方式來應用。

通過突變論能夠有效地理解物質狀態(tài)變化的相變過程，理解物理學中的激光效應，并建立數(shù)學模型。通過初等突變類型的形態(tài)可以找到光的焦散面的全部可能形式。應用突變論還可以恰當?shù)孛枋霾妒痴?被捕食者系統(tǒng)這一自然界中群體消長的現(xiàn)象。過去用微積分方程式長期不能滿意解釋的，通過突變論能使預測和實驗結果很好地吻合。突變論還對自然界生物形態(tài)的形成作出解釋，用新穎的方式解釋生物的發(fā)育問題，為發(fā)展生態(tài)形成學作出了積極貢獻。突變論對哲學上量變和質變規(guī)律的深化，具有重要意義。很長時間以來，關于質變是通過飛躍還是通過漸變，在哲學上引起重大爭論，歷史上形成三大派觀點：“

飛躍論”、“漸進論”和“兩種飛躍論”。突變論認為，在嚴格控制條件的情況下，如果質變中經(jīng)歷的中間過渡態(tài)是穩(wěn)定的，那么它就是一個漸變過程。質態(tài)的轉化，既可通過飛躍來實現(xiàn)，也可通過漸變來實現(xiàn)，關鍵在于控制條件。應用突變論還可以設計許許多多的解釋模型。例如經(jīng)濟危機模型，它表現(xiàn)經(jīng)濟危機在爆發(fā)時是一種突變，并且具有折迭型突變的特征，而在經(jīng)濟危機后的復蘇則是緩慢的，它是經(jīng)濟行為沿著“折迭曲面”緩慢滑升的漸變。此外，還有“社會輿論模型”、“戰(zhàn)爭爆發(fā)模型”、“人的習慣模型”、“對策模型”、“攻擊與妥協(xié)模型”等等。

突變論能解說和預測自然界和社會上的突然現(xiàn)象，無疑它也是軟科學研究的重要方法和得力工具之一。突變論在數(shù)學、物理學、化學、生物學、工程技術、社會科學等方面有著廣闊的應用前景。突變論的應用在某些方面還有待進一步的驗證，在將社會現(xiàn)象全部歸結為數(shù)學模型來模擬時還有許多技術細節(jié)要解決，在參量的選擇和設計模型方面還有大量工作要做。此外，突變理論本身也還有待于進一步完善，在突變論的方法上也有許多爭議之處。目前，突變論在許多領域已經(jīng)取得了重要的應用成果。隨著研究的深入，它的應用范圍在不斷擴大。2.突變論的基本內容

突變理論主要以拓撲學為工具，以結構穩(wěn)定性理論為基礎，提出了一條新的判別突變、飛躍的原則：在嚴格控制條件下，如果質變中經(jīng)歷的中間過渡態(tài)是穩(wěn)定的，那么它就是一個漸變過程。比如拆一堵墻，如果從上面開始一塊塊地把磚頭拆下來，整個過程就是結構穩(wěn)定的漸變過程。如果從底腳開始拆墻，拆到一定程度，就會破壞墻的結構穩(wěn)定性，墻就會嘩啦一聲，倒塌下來。這種結構不穩(wěn)定性就是突變、飛躍過程。又如社會變革，從封建社會過渡到資本主義社會，法國大革命采用暴力來實現(xiàn)，而日本的明治維新就是采用一系列改革，以漸變方式來實現(xiàn)。

對于這種結構的穩(wěn)定與不穩(wěn)定現(xiàn)象，突變理論用勢函數(shù)的洼存在表示穩(wěn)定，用洼取消表示不穩(wěn)定，并有自己的一套運算方法。例如，一個小球在洼底部時是穩(wěn)定的，如果把它放在突起頂端時是不穩(wěn)定的，小球就會從頂端處，不穩(wěn)定滾下去，往新洼地過渡，事物就發(fā)生突變；當小球在新洼地底處，又開始新的穩(wěn)定，所以勢函數(shù)的洼存在與消失是判斷事物的穩(wěn)定性與不穩(wěn)定性、漸變與突變過程的根據(jù)。托姆的突變理論，就是用數(shù)學工具描述系統(tǒng)狀態(tài)的飛躍，給出系統(tǒng)處于穩(wěn)定態(tài)的參數(shù)區(qū)域，參數(shù)變化時，系統(tǒng)狀態(tài)也隨著變化，當參數(shù)通過某些特定位置時，狀態(tài)就會發(fā)生突變。

突變理論提出一系列數(shù)學模型，用以解是自然界和社會現(xiàn)象中所發(fā)生的不連續(xù)的變化過程，描述各種現(xiàn)象為何從形態(tài)的一種形式突然地飛躍到根本不同的另一種形式。如巖石的破裂，橋梁的斷裂，細胞的分裂，胚胎的變異，市場的破壞以及社會結構的激變……。按照突變理論，自然界和社會現(xiàn)象中的大量的不連續(xù)事件，可以由某些特定的幾何形狀來表示。突變的主要特性包括1）突變的突發(fā)性；2）突變的多向性；3）突變的穩(wěn)定性和不可逆性；4）突變的周期性；5）突變的隨機性。6.5.2托姆原理

長期以來，人們總以為突發(fā)性事件是沒有規(guī)律可循、無法預言的。突變論的出現(xiàn)改變了人們的看法，認識到突發(fā)性事件同樣有規(guī)律可循，可以作出預言。特別是當對象是有勢系統(tǒng)時，托姆原理【83】以嚴格的邏輯性對突變發(fā)生的條件、類型、個數(shù)作出完備的論述。其要點如下：（1）

當控制參數(shù)不大于4時，有且只有7種不同性質的基本突變：折疊型、尖頂型、燕尾型、蝴蝶型、拋物型臍點、橢圓型臍點、雙曲型臍點；（2）當控制參數(shù)不大于5時，有且只有11種不同性質的基本突變，除上述七種外，還有印第安人茅舍型、符號型臍點、第二橢圓型臍點和第二雙曲型臍點；（3）控制參數(shù)更大時，不同基本突變的類型也更多。

詳細論證需要較為艱深的數(shù)學知識。我們用表6-1給出11種突變類型的基本特征，它們都是中學數(shù)學中常見的多項式函數(shù)。先交代幾個必要的概念。

（1）突變芽。托姆證明的部分引理指出，有勢系統(tǒng)的勢函數(shù)可以分解為兩部分，一部分與突變之類的奇異行為無關，稱為莫爾斯部分；跟奇異行為有關的另一部分叫做非莫爾斯部分，研究突變現(xiàn)象無須看勢函數(shù)的莫爾斯部分。經(jīng)過適當?shù)臄?shù)學變換，勢函數(shù)可以表示為式（6-1）：V≈G(r)﹢M(6-1)

式（6-1）中，G是突變芽，r是控制參量的數(shù)目，M代表莫爾斯部分。突變芽是xk型的多項式，如x3、x4等。（2）突變函數(shù)。顧名思義，突變芽就是生成突變現(xiàn)象之幼芽，是突變現(xiàn)象的種子，沒有它，有勢系統(tǒng)不會發(fā)生突變。但只有幼芽還不夠，幼芽經(jīng)過發(fā)育或展開而形成突變函數(shù)，才能夠代表現(xiàn)實存在的具有突變行為的系統(tǒng)。表6-1突變函數(shù)例子名稱

控制參數(shù)

突變芽

突變函數(shù)

折疊1a1x+x3突變函數(shù)例子尖頂2±x4燕尾3x5蝴蝶4±x6印第安人茅舍5x7橢圓型臍點3x2y－y3雙曲型臍點3x2y+y3拋物型臍點4x2y+y4第二橢圓型臍點5x2y－y5第二雙曲型臍點5x2y+y5符號型臍點5x3

±y4

由表6-1看到，不僅線性系統(tǒng)不可能產(chǎn)生突變，而且至少要含有立方項x3的強非線性系統(tǒng)才能夠產(chǎn)生突變。如果給定x，y的一個范圍和步長并用計算機作圖，可以看出這些突變函數(shù)的形狀。6.6非線性動態(tài)系統(tǒng)理論與運用

描述復雜安全系統(tǒng)的數(shù)模6.6.1無所不在的非線性6.6.2穩(wěn)定性與動態(tài)系統(tǒng)的運動體制6.6.1無所不在的非線性

非線性動態(tài)系統(tǒng)理論也是研究他組織系統(tǒng)的理論工具。同一過程的兩個變量x和y，如果按照固定比值相互關聯(lián)地變化，就稱它們是線性相關的；如果在不同地點或不同時刻比值不同，就稱x和y是非線性相關的。在幾何平面上（對應于二維系統(tǒng)），線性關系用直線表示，非線性關系用曲線表示。類似的，有線性函數(shù)與非線性函數(shù)、線性方程與非線性方程、線性空間與非線性空間等劃分。如y＝2x+5是線性函數(shù)，ax+by-c＝0是線性代數(shù)方程；y＝x2-1和y=2sinx是非線性函數(shù)，ax2+by-1=0是非線性代數(shù)方程。

線性與非線性是數(shù)學概念，但都有豐富的經(jīng)驗性含義，是對自然界、社會領域、思維過程普遍存在的一類矛盾屬性的數(shù)學抽象。應用到系統(tǒng)科學中，就有線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、線性模型與非線性模型、線性特性與非線性特性、線性作用與非線性作用、線性網(wǎng)絡與非線性網(wǎng)絡等劃分，從系統(tǒng)工程到系統(tǒng)理論，必須經(jīng)常跟線性與非線性這對概念打交道。

在非線性世界里，非線性事物有無窮多種不同類型，不可能經(jīng)過變換使所有非線性事物重合為一。僅就一元函數(shù)來看，多項式函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)、超越函數(shù)，等等，彼此之間就存在本質的不同，需要用不同方法描述它們。

如何辨別對象系統(tǒng)是線性的，還是非線性的？如果能夠寫出系統(tǒng)的數(shù)學模型，一眼即可判明，線性模型是一次的，非線性模型是非一次的。如果沒有數(shù)學模型，一般憑經(jīng)驗事實也可以判別。每個人的專業(yè)范圍都有各種各樣的非線性，例如：有些內容過目不忘，有些內容反復背誦也記不住。這些都是認知系統(tǒng)的非線性現(xiàn)象。人生在世就要辦事情，通過辦事來獲得某種功效，由此產(chǎn)生了事功關系。事與功的關系是非線性的，并非辦事越多功效越大。有時事半功倍，出力不多收獲很大；有時事倍功半，出力很多卻收效甚微；有時則有事無功，白忙活一場；甚至無功有過，干得越多，危害越大。事功關系十分復雜，無法用線性函數(shù)形式表示出來。

社會經(jīng)濟是非線性系統(tǒng)，因為它時而高速發(fā)展，時而減速甚至停滯不前，有時發(fā)生通貨膨脹，有時出現(xiàn)通貨緊縮，有些舉措會迅速取得效果，有些舉措?yún)s收效甚微，甚至事與愿違，如此這般，都是經(jīng)濟系統(tǒng)固有的非線性因素使然。一種新產(chǎn)品進入市場后十分走俏，銷量節(jié)節(jié)上升，一段時間后開始減緩，逐漸趨于飽和，而飽和也是一種常見的非線性現(xiàn)象。所謂金融風暴、經(jīng)濟危機等都是經(jīng)濟系統(tǒng)的非線性行為

政治系統(tǒng)也是非線性的。國際上時有某國發(fā)生政變之事，屬于有間斷點的非線性。有時出現(xiàn)政策劇烈改變，甚至一百八十度的大轉折。這些都是現(xiàn)代社會政治系統(tǒng)中常見的非線性運動。如果世界上只有非線性，它們不隨時間而變化，即沒有動態(tài)性，問題還相對簡單些。如果非線性再加上動態(tài)性，時間因素在系統(tǒng)行為中發(fā)揮顯著作用，問題的復雜性就發(fā)生了本質的變化?，F(xiàn)實世界恰好既有非線性，又有動態(tài)性，而非線性加動態(tài)性是系統(tǒng)產(chǎn)生復雜性的根本原因。系統(tǒng)科學主要研究非線性動態(tài)系統(tǒng)，線性動態(tài)系統(tǒng)只是它的特例【84】。6.6.2穩(wěn)定性與動態(tài)系統(tǒng)的運動體制

1.穩(wěn)定性動力學系統(tǒng)就是具有動力學特性（或稱動態(tài)特性）的系統(tǒng)。在諸多動力學特性中，首先要考慮的是系統(tǒng)是否穩(wěn)定。從實際應用的角度說，具有穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的起碼要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)無法談論發(fā)揮功能。一輛不穩(wěn)定的汽車，一架不穩(wěn)定的飛機，哪個敢坐？有些極有天賦的運動員，由于心理系統(tǒng)穩(wěn)定性差，越是大賽越容易失常，直到退役都無大的作為。無論經(jīng)濟系統(tǒng)或政治系統(tǒng)，或者其他社會系統(tǒng)，一旦失穩(wěn)都是政府執(zhí)政行為的失敗，給人民群眾帶來不安全或危害。所以，在通常情況下，社會穩(wěn)定是第一位的。

從理論上看，穩(wěn)定性問題在動態(tài)系統(tǒng)研究中也是第一位的，它們在系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性要求時是一回事，不滿足穩(wěn)定性要求時又是一回事。在系統(tǒng)學層面上看，穩(wěn)定與不穩(wěn)定都是中性的，穩(wěn)定性問題需要研究。不穩(wěn)定性或系統(tǒng)失穩(wěn)也屬于穩(wěn)定性理論的研究范圍。什么是穩(wěn)定性，什么是不穩(wěn)定性，如何判別系統(tǒng)穩(wěn)定或不穩(wěn)定，穩(wěn)定或不穩(wěn)定對系統(tǒng)行為特性有何影響，系統(tǒng)穩(wěn)定或不穩(wěn)定產(chǎn)生的原因和機制，如何使不穩(wěn)定的系統(tǒng)穩(wěn)定下來，如何使穩(wěn)定的系統(tǒng)失穩(wěn)，如何改變系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如何利用穩(wěn)定性或不穩(wěn)定性謀取實際利益，等等，都是穩(wěn)定性理論要研究的問題。

什么是穩(wěn)定性？從理論上給出明確的定義卻是頗為復雜的問題。穩(wěn)定性是系統(tǒng)的一種定性性質。這里以兩種最簡單的情形以通俗語言來解釋穩(wěn)定性概念。（1）小擾動導致小偏差。現(xiàn)實存在的系統(tǒng)時時、處處承受著來自外部和內部的擾動，擾動或多或少會導致系統(tǒng)偏離它的正常狀態(tài)和行為模式。穩(wěn)定性問題就是系統(tǒng)的狀態(tài)或行為對擾動是否具有敏感性，或者系統(tǒng)能否消除擾動造成的偏離，恢復其正常狀態(tài)或行為的問題。不敏感的或能夠消除偏離、恢復常態(tài)的系統(tǒng)是穩(wěn)定的，敏感而不能夠恢復常態(tài)，即小擾動導致大偏離，這樣的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。偏離大小是相對的，系統(tǒng)生存運行允許的偏離是小偏離，超出允許范圍的是大偏離。把擾動限定為小的，是因為穩(wěn)定性一般是系統(tǒng)的局部性質，能夠克服小擾動的系統(tǒng)一般已能滿足要求。（2）擾動造成的偏離隨著時間延伸將逐漸縮小，理論上最終可以消除偏離。跟前述非漸近穩(wěn)定性相比，漸近穩(wěn)定性要求最終消除偏離，是對穩(wěn)定性的更高要求，而且須通過振幅衰減的振蕩來消除偏離，故系統(tǒng)動態(tài)特性的內容更豐富。一個動態(tài)系統(tǒng)的可能狀態(tài)很多，連續(xù)動態(tài)系統(tǒng)有無窮多個可能狀態(tài)，因為連續(xù)狀態(tài)變量的任何一組取值都是一個狀態(tài)。但原則上可以給系統(tǒng)狀態(tài)作一分為二的分類：（1）初態(tài)與終態(tài)。一個動態(tài)過程開始時刻t

＝0時的系統(tǒng)狀態(tài)稱為初態(tài)，記作x（0）；隨著t→∞，過程最終到達的狀態(tài)或狀態(tài)集合x（∞），稱為終態(tài)。從初態(tài)過渡到終態(tài)的所有中間狀態(tài)稱為過渡態(tài)。初態(tài)+過渡態(tài)+終態(tài)的集合，代表系統(tǒng)的一條軌道。2.動態(tài)系統(tǒng)的運動體制（2）暫態(tài)與定態(tài)。過程在某一時刻到達但不借助外力就不能保持或者不能回歸的狀態(tài)，稱為暫態(tài)，系統(tǒng)到達后只要沒有外力擾動就不會再離開的狀態(tài)或狀態(tài)集合，稱為定態(tài)。暫態(tài)就是過渡態(tài)；終態(tài)必定是定態(tài)。定態(tài)不同于靜止態(tài)，它可能是一個許多狀態(tài)組成的集合，系統(tǒng)在這個集合中不斷改變狀態(tài)，但總是保持在該集合中。如周期運動就是非靜止的定態(tài)，雖然在周期點集中不停地變化，但整個周期集固定不變，故稱為定態(tài)。（3）穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)。

初態(tài)和暫態(tài)都是某個時刻t的狀態(tài)，無穩(wěn)定性可言，只有定態(tài)才有穩(wěn)定與否的問題。穩(wěn)定與否是相對于擾動而言的，穩(wěn)定性就是抗擾動性，具有穩(wěn)定性的定態(tài)，叫做穩(wěn)定定態(tài)；不具有穩(wěn)定性的定態(tài)，叫做不穩(wěn)定定態(tài)。

動態(tài)系統(tǒng)的定態(tài)，不論穩(wěn)定與否，都是系統(tǒng)的整體涌現(xiàn)性的表征，還原到系統(tǒng)的局部是看不到的。不穩(wěn)定定態(tài)在系統(tǒng)運行演化中具有重要作用，往往代表系統(tǒng)內在的某種特殊機制，受到動態(tài)系統(tǒng)理論的特別關注。動態(tài)系統(tǒng)理論關注的核心是系統(tǒng)的穩(wěn)定定態(tài)，研究不穩(wěn)定定態(tài)的目的是為了研究和把握穩(wěn)定定態(tài)。

人們把穩(wěn)定定態(tài)稱為系統(tǒng)的運動體制，迄今已認識的共有四種：1）平衡態(tài)或平衡運動體制，系統(tǒng)保持在某個平衡態(tài)上，通俗地講，即“待著不動”；2）周期態(tài)或周期運動體制，系統(tǒng)按照確定的周期來回振蕩，通俗地講，即“沿固定的圈子繞行”；3）準周期態(tài)或準周期運動體制，即幾種不同周期的周期運動疊加在一起所形成的復雜運動體制，難以給出直觀形象的說明；4）混沌態(tài)即混沌運動體制。

線性動態(tài)系統(tǒng)可能沒有穩(wěn)定定態(tài)，至多有一個穩(wěn)定定態(tài)，故不可能出現(xiàn)穩(wěn)定性的交換，即原來的穩(wěn)定態(tài)失穩(wěn)而讓位于另一穩(wěn)定態(tài)。同一個非線性動態(tài)系統(tǒng)可能有兩個或更多的穩(wěn)定定態(tài)，在演化過程中將發(fā)生穩(wěn)定性的交換。6.7復雜網(wǎng)絡理論與運用

表征復雜安全系統(tǒng)的內在特征6.7.1網(wǎng)絡和網(wǎng)絡研究的概念6.7.2幾種典型網(wǎng)絡6.7.3網(wǎng)絡結構與系統(tǒng)復雜性6.7.1網(wǎng)絡和網(wǎng)絡研究的概念

1.無處不在的網(wǎng)絡自然界存在各種各樣的網(wǎng)絡，有人們能夠直觀看到的網(wǎng)絡，如河流水系網(wǎng)、生物之間的食物供應網(wǎng)等；也有無法直觀看到、須運用一定科技手段才能發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡，如細胞網(wǎng)絡，通過化學反應連接而成的網(wǎng)絡，生態(tài)網(wǎng)絡等。這些都是自然界自組織生成的網(wǎng)絡，要認識自然界自組織的奧秘，了解網(wǎng)絡結構的機制、特性、生成和演化的原理是必有的。

依據(jù)對這些自然網(wǎng)絡特殊功能的認識，古代人類在生產(chǎn)活動中早就設計建造了多種多樣的網(wǎng)絡，如捕魚網(wǎng)、籮網(wǎng)，用于防護的鐵絲網(wǎng)，用于盛物的網(wǎng)兜，等等。這些都是人工創(chuàng)造的他組織網(wǎng)絡，制作這些網(wǎng)絡的工具和程序是古代技術的重要內容。

社會生活中存在更多的網(wǎng)絡，如朋友網(wǎng)、同學網(wǎng)、同事網(wǎng)、同鄉(xiāng)網(wǎng)、鄰居網(wǎng)、血緣網(wǎng)、親戚網(wǎng)等，以及由各種社會活動所形成的網(wǎng)，數(shù)不勝數(shù)。各種社會網(wǎng)絡的形成是人的社會性使然，既是社會系統(tǒng)自組織的產(chǎn)物，也是社會系統(tǒng)他組織的結果。認識社會系統(tǒng)的行為特性，必須了解諸如此類的社會網(wǎng)絡是如何形成、運作和演化的。人的心理世界和感情生活中也存在網(wǎng)絡結構，而且對人的生活質量和品位有重要影響。隨著近現(xiàn)代科技、經(jīng)濟、政治、文化的巨大發(fā)展，特別是社會信息化和經(jīng)濟全球化的迅猛發(fā)展，人們通過生產(chǎn)和生活被各種各樣的網(wǎng)絡聯(lián)系、編織在一起，現(xiàn)代社會真正成為一種網(wǎng)絡社會，每個人都在多種網(wǎng)絡中生活和工作。例如，萬維網(wǎng)，電話網(wǎng)絡，電力網(wǎng)絡，交通網(wǎng)絡。如果把航空網(wǎng)絡、公路網(wǎng)絡、鐵路網(wǎng)絡、城市公交網(wǎng)絡、人行道網(wǎng)絡等算在一起，將構成一種更大的網(wǎng)絡。還有銷售網(wǎng)絡、教育網(wǎng)絡、宣傳網(wǎng)絡、神經(jīng)網(wǎng)絡、生態(tài)網(wǎng)絡，等等?？傊?，現(xiàn)實世界的網(wǎng)絡形形色色，無窮無盡。你要認識現(xiàn)代社會，認識自然界，認識人體，沒有關于復雜網(wǎng)絡的知識是不行的。2.網(wǎng)絡研究的基本概念圖。粗略地說，一個結點集合和連線（邊）集合一起構成一個圖。無向圖與有向圖。如果圖中所有存在關聯(lián)的結點之間的關系是對稱的，無須指明連接它們的邊的走向，就稱為無向圖。如果結點的關系不對稱，圖中所有邊的端點都有起點和終點之分，以表示系統(tǒng)中某種秩序和單向性，就稱為有向圖。城市道路系統(tǒng)中的單行道，時序電路中的狀態(tài)轉換，生物界的食物供應鏈，都是有向圖。結點的度和網(wǎng)絡的度分布。圖是表現(xiàn)結點之間有無關系、關系多少的數(shù)學方法，同一圖中不同結點的邊（連線）數(shù)一般是不同的，邊數(shù)是刻畫結點特性的重要指標。一個結點的度指它的邊數(shù)。在朋友網(wǎng)絡中，一個人（一個結點）的度就是該人的朋友數(shù)。一個網(wǎng)絡中所有結點的度分布，用度分布函數(shù)刻畫，是反映網(wǎng)絡整體特性的重要指標

最短路徑。結點i和j之間的最小路徑，記作lij，定義為在連通（i，j）所有通路中，所經(jīng)過的其他結點最少的一條或幾條路徑。最小路徑分布的平均值，稱為平均最短路徑連通性。網(wǎng)絡中的結點i和j通過有限條邊構成的路徑相連接，就稱二者之間具有連通性。如果任何兩個結點之間都具有連通性，就稱它為連通網(wǎng)絡。邊權，即邊的權重。只用連線來反映兩個結點之間有無相互作用這種定性特征，不考慮結點之間作用的強度這種定量特征，這種網(wǎng)絡是無權網(wǎng)。如航空網(wǎng)，北京與上海和太原之間都有邊，但每天的班次和機上座位不同。邊權是反映結點之間相互作用強度這種定量特性差別的概念，相應的網(wǎng)絡叫做加權網(wǎng)無標度性，即標度變換下的不變性。指用不同尺度去度量，或在不同尺度下觀察，所得結果一樣。6.7.2幾種典型網(wǎng)絡

1.規(guī)則網(wǎng)絡網(wǎng)絡理論是以圖論為數(shù)學工具發(fā)展起來的一種刻畫系統(tǒng)的方法，從歐拉開創(chuàng)圖論研究到系統(tǒng)科學早期的網(wǎng)絡理論，研究的都是規(guī)則圖或規(guī)則網(wǎng)絡，N個結點是給定的，在結點之間連線的規(guī)則是確定的。人工的漁網(wǎng)、羅網(wǎng)和以蜘蛛為他組織者的蛛網(wǎng)都是規(guī)則網(wǎng)。規(guī)則網(wǎng)是描述完全確定性系統(tǒng)的一種工具，適用于那些簡單的對象。2.隨機網(wǎng)絡大量現(xiàn)實系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構都呈現(xiàn)出某些不確定性，特別是結點之間的連線可能時有時無，具有隨機性。例如，電話網(wǎng)中從用戶呼叫到接通對方意味著形成一條邊，這顯然是隨機的，隨機地連通，隨機地消除，規(guī)則網(wǎng)絡無法描述這種情況。隨機圖概念就是為了描述網(wǎng)絡中的不確定性而提出的

隨著研究的擴展和深入，人們發(fā)現(xiàn)隨機網(wǎng)絡跟現(xiàn)實網(wǎng)絡之間的差別太大，具有太多的隨機性，不能反映現(xiàn)實網(wǎng)絡內在具有的組織原則。例如，在具有相同結點數(shù)和連線數(shù)的情況下，現(xiàn)實網(wǎng)絡的群聚系數(shù)一般都遠大于隨機網(wǎng)絡。現(xiàn)實網(wǎng)絡實際上處于規(guī)則網(wǎng)絡和隨機網(wǎng)絡之間，跟規(guī)則網(wǎng)絡比，它們具有較少的規(guī)則性和確定性；跟隨機網(wǎng)絡比，它們具有較多的規(guī)則性和確定性，呈現(xiàn)出明顯的秩序性和組織性。人們由此認識到，完全確定性的系統(tǒng)不復雜，經(jīng)典科學足以處理；完全隨機的系統(tǒng)也不復雜，概率統(tǒng)計方法足以處理。倒是那些介于這二者之間的情形，既有規(guī)則性，又有不規(guī)則性；既不完全確定，又不完全隨機，這樣的網(wǎng)絡才是復雜的。孕育這一認識的土壤還有混沌研究，它使人們領悟到；完全的秩序不復雜，完全的混沌也不算很復雜，介于秩序和混沌之間即混沌邊緣的事物才是真正復雜的。在這種認識引導下，到20世紀末，終于開拓出復雜網(wǎng)絡研究這片新天地，出現(xiàn)了復雜系統(tǒng)理論的另一種形態(tài)——復雜網(wǎng)絡理論。3.復雜網(wǎng)絡復雜網(wǎng)絡是海量網(wǎng)絡，同時包括了隨機網(wǎng)絡的特征。研究之所以晚近才發(fā)展起來，原因有二：一是計算機技術的發(fā)展，積累起海量數(shù)據(jù)，有可能獲得大規(guī)模網(wǎng)絡的統(tǒng)計性質。二是大量現(xiàn)實網(wǎng)絡的實證研究發(fā)現(xiàn)了這些網(wǎng)絡具有一些重要的共同性質，如拓撲特性、統(tǒng)計特性和動力學特性，其背后可能存在共同的原理，可以刻畫某些現(xiàn)有理論不能刻畫的系統(tǒng)特性。4.小世界網(wǎng)絡小世界網(wǎng)絡有兩個基本特征：一是群聚系數(shù)大，即局部集團化程度高；二是平均最短路徑小，資源或病毒在網(wǎng)絡中流動速度快。凡同時具有高群聚程度和最短路徑的網(wǎng)絡，都具有小世界特性，都是小世界網(wǎng)絡。5.無標度網(wǎng)絡網(wǎng)絡中結點之間的關系往往是不對稱的。俗話說，人往高處走，水往低處流。人們在社會交往中幾乎都有“攀高枝”的傾向，學生愿投名師，一般演員渴望找明星演員合作，一般企業(yè)希望與名企業(yè)合作，小官員力求交接大官員，交朋友要交高于自己的人，下級找上級一般總是比上級聯(lián)系下級要主動得多，這叫做擇優(yōu)連線。水往低處流也是擇優(yōu)連線，因為低處穩(wěn)妥安定，如許多人希望找穩(wěn)定的職業(yè)，等等。結點之間連線的這種擇優(yōu)傾向，代表一種整合機制，在系統(tǒng)生成演化中扮演重要角色。

網(wǎng)絡研究有兩個主要關注點，一是網(wǎng)絡的拓撲特性，二是網(wǎng)絡的動力學特性。跟隨機網(wǎng)絡、小世界網(wǎng)絡相比，無標度網(wǎng)絡具有一些顯著特征。對于無標度網(wǎng)絡，動態(tài)特性起主導作用。無標度網(wǎng)絡暗含一個假設：只要能夠準確地捕捉到所要研究的網(wǎng)絡的動態(tài)特性，也就能夠掌握它的拓撲結構。從建模目標看，隨機網(wǎng)絡和小世界網(wǎng)絡是要建立一個具有明確拓撲特性的圖，而無標度網(wǎng)絡的建模目標把重點放在掌握模型的動態(tài)特性上。6.7.3網(wǎng)絡結構與系統(tǒng)復雜性

在當前網(wǎng)絡研究的一般文獻中，圖就是網(wǎng)絡，網(wǎng)絡就是圖。這是對網(wǎng)絡概念的一種廣義理解，從網(wǎng)絡理論發(fā)展史和它的數(shù)學工具圖論來看，如此稱謂有合理性。嚴格說來，圖不等同于網(wǎng)絡，網(wǎng)絡只是圖的一類，還存在大量不是網(wǎng)絡的圖，如鏈、樹、環(huán)、叢林等，它們是圖而非網(wǎng)絡。從結構的幾何特征上說，網(wǎng)絡的基本特征是連線縱橫交織，形成許多閉合的網(wǎng)眼或網(wǎng)格，還可能有內含多個網(wǎng)眼的較大閉合回路，不同回路可能有交叉。鏈和樹的特征是沒有回路，沒有網(wǎng)眼，單純的循環(huán)結構沒有線路交叉，都屬于圖而非網(wǎng)絡，代表簡單的結構模式。復雜的網(wǎng)絡應是集鏈、樹、環(huán)為一體的圖。這種意義上的網(wǎng)絡至少是二維的，一團亂麻、神經(jīng)網(wǎng)絡等是三維的，抽象空間可能有維數(shù)更高的抽象網(wǎng)絡。還應該區(qū)分完全網(wǎng)與非完全網(wǎng)，每個結點都處于至少一個環(huán)路上的是完全網(wǎng)，反之是非完全網(wǎng)。漁網(wǎng)是完全網(wǎng)【85】網(wǎng)絡是連通性和稀疏性的統(tǒng)一。沒有連通性的圖不是網(wǎng)絡，連通性差的網(wǎng)絡不是好網(wǎng)絡。以交通網(wǎng)為例，縱橫交錯、四通八達才算交通發(fā)達；如果交通線路呈樹狀結構，兩個相鄰的樹葉（結點）須繞到樹枝分叉點才可連通，就十分不便。沒有稀疏性的圖也不是網(wǎng)絡，如由線縱橫交錯密密麻麻的線條織成的布匹。交通線不能太稠密，它在系統(tǒng)所屬空間中只能占據(jù)很小的份額。現(xiàn)實的復雜網(wǎng)絡介于二者之間，既有很高的連通性，又有足夠的稀疏性。度分布均勻的網(wǎng)絡不復雜，如漁網(wǎng)、蛛網(wǎng)等。度分布極端不均勻的網(wǎng)絡也不復雜，極端情形下退化為星型結構或輻條式結構，是典型的簡單網(wǎng)絡。介于二者之間的才是復雜網(wǎng)絡。從系統(tǒng)的功能看，網(wǎng)絡集鏈、樹、環(huán)的優(yōu)點于一身，可能具有非網(wǎng)絡系統(tǒng)沒有的許多重要特性，據(jù)之可開發(fā)出種種特殊功用。人類在實際生活中早就認識了網(wǎng)絡的特殊功能。要在社會上干出一番事業(yè)，就得聚集人才。人心是復雜的網(wǎng)絡系統(tǒng)，社會心理網(wǎng)絡更復雜，領導者應該為全體社會成員服務，須照顧到方方面面，使絕大多數(shù)甚至全部被領導者感到心理平衡，其政策、舉措就得具有網(wǎng)絡特性，而不能使用單純的鏈、樹、環(huán)結構。網(wǎng)絡代表系統(tǒng)的一種特殊的整合方式，一種特殊的組織原則，跟沒有網(wǎng)格結構的系統(tǒng)相比，網(wǎng)絡系統(tǒng)組分的相關性、相干性更發(fā)達，真正是牽一發(fā)而動全身，因而整體涌現(xiàn)性特別顯著，特別發(fā)達。網(wǎng)絡是系統(tǒng)由簡單向復雜演化的產(chǎn)物，網(wǎng)絡結構的形成又是系統(tǒng)特性和行為復雜化的根源。系統(tǒng)結構的復雜性，性質的復雜性，行為的復雜性，都與網(wǎng)絡性有關。系統(tǒng)復雜性與其結構的層次性有關。復雜巨系統(tǒng)常常有層次纏繞，使得層次劃分不清，一個原因就是存在復雜的網(wǎng)絡結構，把不同層次纏繞起來。

網(wǎng)絡作為描述系統(tǒng)的工具，主要是描述拓撲特性和動力學特性。小世界網(wǎng)絡WS和無標度網(wǎng)絡BA各有優(yōu)缺點。比較兩種算法就會發(fā)現(xiàn)，WS模型更適于描述一個給定系統(tǒng)的演化，沒有組分（結點）的增減。BA模型既能增減結點，又能重布連線，更適于描述系統(tǒng)的生成和演化。從網(wǎng)絡觀點看，系統(tǒng)的生成和演化可歸結為兩個方面：一是結點的改變，包括增加和減少（消除）結點，而生長或增長的主要特征是規(guī)模增大；二是連線的改變，包括增加、消除、重連。簡單地說，網(wǎng)絡的生成、生長、演化、衰退就是對既有網(wǎng)絡進行增點、去點、增邊、去邊、重連的操作。增點、去點代表系統(tǒng)組分（結點）的新陳代謝，增邊、去邊、重連代表組分關系即系統(tǒng)結構的新陳代謝，無標度網(wǎng)絡更便于描述系統(tǒng)的新陳代謝。從一個小小的結點開始，通過不斷填充新成員，結點數(shù)目在網(wǎng)絡的整個生命周期內都在增加。兩種復雜網(wǎng)絡既可用于對系統(tǒng)作構成論的描述，亦可作生成論的描述。6.8開放復雜巨系統(tǒng)理論與運用展現(xiàn)安全綜合科學的特性

6.8.1開放式復雜巨系統(tǒng)6.8.2人體是一類典型的開放復雜巨6.8.3社會是一種特殊的開放復雜巨系統(tǒng)6.8.4從定性到定量的綜合集成方法論6.8.1開放式復雜巨系統(tǒng)

開放復雜巨系統(tǒng)，按照錢學森的學科層次結構，這一領域也應該劃分為工程技術、技術科學、基礎科學和哲學等層次。關于開放復雜巨系統(tǒng)的理論應該包括兩個層次，為避免混淆，在應用科學（技術科學）層次上，不妨稱為開放復雜巨系統(tǒng)理論。工程技術層次上的是開放復雜巨系統(tǒng)工程，亦即綜合集成工程。目前已有的成果大多屬于工程技術和技術科學層次，對于現(xiàn)實世界大量存在的開放復雜巨系統(tǒng)問題，在工程技術層次上已經(jīng)有了一套可行的具體方法，能夠用以解決實際問題；在應用科學層次上，開放復雜巨系統(tǒng)學尚未建立起來。

錢學森所說的開放復雜巨系統(tǒng)廣泛存在于現(xiàn)實世界中，生態(tài)系統(tǒng)、地理系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)、政治系統(tǒng)、意識形態(tài)系統(tǒng)、人體系統(tǒng)、腦神經(jīng)系統(tǒng)、思維系統(tǒng)等，乃至現(xiàn)代大都市、萬維網(wǎng)、世界貿易等，都是開放復雜巨系統(tǒng)。一個事物被稱為開放復雜巨系統(tǒng)，應具備下列特征：（1）開放性。封閉意味著系統(tǒng)跟環(huán)境的互動互應被切斷，內部差異被壓抑，系統(tǒng)只能走向死寂的熱平衡，故封閉系統(tǒng)都是簡單的。跟環(huán)境交換物質、能量、信息，系統(tǒng)才可能遠離死寂的熱平衡，把系統(tǒng)內部固有的差異解放出來。只要跟環(huán)境處于互動互應中，環(huán)境的復雜性就會反映到系統(tǒng)自身，轉化為系統(tǒng)的復雜性；靠環(huán)境提供生存發(fā)展的條件，意味著系統(tǒng)受到環(huán)境的約束，甚至脅迫，在與環(huán)境的互動互應中系統(tǒng)就會由適應性產(chǎn)生復雜性?？傊?，對環(huán)境開放是系統(tǒng)產(chǎn)生復雜性的必要條件。（2）規(guī)模的巨型性。復雜性與系統(tǒng)的規(guī)模有關，具有一定的規(guī)模是系統(tǒng)產(chǎn)生復雜性的必要條件。在其他條件相同時，多組分系統(tǒng)比少組分系統(tǒng)要復雜一些，多變量系統(tǒng)比少變量系統(tǒng)要復雜一些，多目標系統(tǒng)比少目標系統(tǒng)要復雜一些，等等。規(guī)模大的系統(tǒng)有運轉不靈的毛病，就是系統(tǒng)復雜性的一種表現(xiàn)?？傊瑢τ谀切┍环Q為開放復雜巨系統(tǒng)的對象來說，規(guī)模的巨型性是復雜性的根源之一。（3）組分的異質性。簡單系統(tǒng)的簡單性首先來自組分的單一和同質；復雜系統(tǒng)的復雜性之內在根源首先在于組分的異質多。異質性導致組分之間的互動互應方式多種多樣，把它們整合為一個統(tǒng)一整體的方式必定多樣而復雜，系統(tǒng)與環(huán)境的關系必定多樣而復雜，涌現(xiàn)的方式和結果也必定多樣而復雜。組分異質是復雜系統(tǒng)之復雜性的根本來源。（4）結構的層次性。開放復雜巨系統(tǒng)必定有許多子系統(tǒng)，且子系統(tǒng)之間異質性顯著，開放復雜巨系統(tǒng)的子系統(tǒng)一般也是開放復雜巨系統(tǒng)，還原到部分并不能減少復雜性。開放復雜巨系統(tǒng)必定是多層次的，層層嵌套，而且不同層次之間往往界限不清。開放復雜巨系統(tǒng)的巨量組分之間存在復雜的互動互應關系，通過信息反饋形成各種環(huán)狀結構，環(huán)環(huán)相扣；通過分叉形成各種樹狀結構，枝繁葉茂，層層疊置；環(huán)與樹又縱橫交錯，形成牽一發(fā)而動全身的網(wǎng)絡結構，網(wǎng)絡性也是復雜性的根源。（5）關系的非線性。在開放復雜巨系統(tǒng)不同組分之間的互動關系中，不同子系統(tǒng)之間的互動，不同層次之間的互動，再加上系統(tǒng)與環(huán)境之間的互動，基本上都是非線性的。信息反饋是非線性的（信息環(huán)路），因果循環(huán)是非線性的，網(wǎng)絡是非線性的，分叉是非線性的。（6）行為的動態(tài)性。開放復雜巨系統(tǒng)都是動態(tài)系統(tǒng)，其狀態(tài)和行為不是固定不變的，而是隨時間變化而變化的。更準確地說，開放復雜巨系統(tǒng)都是非線性動態(tài)系統(tǒng)。各種現(xiàn)象、特征、機制、規(guī)律，如時延、瓶頸、同步、振蕩、指數(shù)放大、指數(shù)衰減、不應期、突變、非光滑的轉折、穩(wěn)定性交換等，在開放復雜巨系統(tǒng)中應有盡有。它們每一項都給系統(tǒng)帶來靜態(tài)系統(tǒng)不可能具有的復雜性。（7）內外的不確定性。由于環(huán)境和系統(tǒng)自身不可避免地存在名目繁多的擾動、漲落、噪聲以及人為的失誤，實際的開放復雜巨系統(tǒng)存在各種各樣的不確定性、外隨機性、內隨機性（混沌性）、模糊性、灰色性等，不確定性給系統(tǒng)的性質、行為、狀態(tài)造成特有的復雜性，顯著地增加了認識和駕馭開放復雜巨系統(tǒng)的困難。

對上述七方面中的每一點進行科學的描述都非易事，迄今為止的科學發(fā)展沒有提供充分有效的解決辦法。如果把開放性、巨型性、異質性、層次性、非線性、動態(tài)性、不確定性交織、綜合、熔鑄在一起，問題的復雜性可想而知。而現(xiàn)實存在的開放復雜巨系統(tǒng)就都具有這些特征?；谶@一點，錢學森給出這樣的定義：所謂復雜性，就是開放復雜巨系統(tǒng)的動力學特性。或者說，由開放性、巨型性、異質性、層次性、非線性、動態(tài)性、不確定性所綜合集成的系統(tǒng)特征，就是復雜性。只要你所面對的問題同時具有這七方面特點，它必定是一個把開放性、巨型性、異質性、層次性、非線性、動態(tài)性、不確定性熔鑄在一起的開放復雜巨系統(tǒng)。作為一個科學新領域，在兩個層次上建立開放復雜巨系統(tǒng)理論都沒有現(xiàn)成的路可走。錢學森認為，可行的辦法是從研究一個個具體的開放復雜巨系統(tǒng)著手，積累資料，提煉思想、概念和方法；這樣的工作做得多了，積累了足夠的經(jīng)驗材料，就可以建立關于開放復雜巨系統(tǒng)的一般理論。6.8.2人體是一類典型的開放復雜巨系統(tǒng)

安全社會應該是以人為本，人的一切又以其身體為本，正確認識人體始終是科學的重大課題。人體是一種開放復雜巨系統(tǒng)，6.8.1節(jié)七個特征在人體中都表現(xiàn)得很顯著。得力于解剖學、分子生物學等還原論科學的發(fā)展，人們從病狀追究到病灶，揭示出許多疾病的解剖學根據(jù)，把人體還原到基因，對它的微觀結構和機制有了深入的了解。但現(xiàn)代科學對于理解經(jīng)絡之類的宏觀現(xiàn)象始終不得要領，原因在于人體是開放復雜巨系統(tǒng)，經(jīng)絡之類屬于系統(tǒng)的整體涌現(xiàn)性，還原到人體的解剖學單位便不復存在，它們只能從整體上把握。把人體作為開放復雜巨系統(tǒng)來研究，是人體科學的根本指導思想。

人體作為開放復雜巨系統(tǒng)，也要注意其特殊性。人體系統(tǒng)的一個顯著特點是包含神經(jīng)網(wǎng)絡和大腦這樣的子系統(tǒng)，因而在生理特性之外，產(chǎn)生了心理這種更復雜的特性，身心關系這種更復雜的問題，以及自我這個控制中心。動物軀體都是開放復雜巨系統(tǒng)，研究它們基本上都屬于生物學問題；而人體研究遠不僅僅是生物學問題，真正開展人體科學的研究，就要抓住腦和神經(jīng)系統(tǒng)對于人的整體的作用。人體系統(tǒng)的開放性也有不同于其他開放復雜巨系統(tǒng)的特點。僅就其生物學特性看，人體系統(tǒng)跟自然環(huán)境的關系遠不是通行的輸入-輸出模型或刺激-響應模型能夠充分表示出來的，這些模型雖然在系統(tǒng)科學中得到廣泛使用，但很大程度上仍是還原論的，不足以描述人體這樣的開放復雜巨系統(tǒng)。中國傳統(tǒng)文化的陰陽五行學說有助于從宏觀整體上了解人體對地球環(huán)境的深層依賴，把人體歸結為金、木、水、火、土五大物質性要素整合而成的系統(tǒng)，用一種特殊的唯象模型描述人體，有其合理的一面。

功能態(tài)也是系統(tǒng)的狀態(tài)，但突出的是從功能發(fā)揮角度看狀態(tài)。在系統(tǒng)學層次上一般不必考慮功能問題，需要考究的是初態(tài)與終態(tài)、暫態(tài)與定態(tài)、穩(wěn)定定態(tài)與不穩(wěn)定定態(tài)。在應用科學層次上，功能發(fā)揮問題是第一位的，功能態(tài)是基本概念。功能態(tài)應是過渡過程結束時的終態(tài)，而非過渡過程開始時的初態(tài)，不能指望處于過渡過程的系統(tǒng)可以正常發(fā)揮功能。功能態(tài)應是定態(tài)，而非暫時態(tài)，因為系統(tǒng)在瞬時而過（不可持存）的狀態(tài)下無法發(fā)揮功能。功能態(tài)是穩(wěn)定態(tài)，而非不穩(wěn)定態(tài)，因為處于不穩(wěn)定態(tài)的系統(tǒng)不可能發(fā)揮功能。所以，功能態(tài)就是系統(tǒng)的穩(wěn)定定態(tài)。

就人體系統(tǒng)看，蘇醒態(tài)與睡眠態(tài)，健康態(tài)與患病態(tài)，常態(tài)與超常態(tài)，都是它的不同功能態(tài)。系統(tǒng)學能夠提供的是關于穩(wěn)定定態(tài)的一般知識，對于獨特的人體系統(tǒng)，在每一種具體的穩(wěn)定定態(tài)下，系統(tǒng)功能的發(fā)揮還有各自特殊的現(xiàn)象、問題、規(guī)律等需要研究，系統(tǒng)學不能越俎代庖。人體作為開放復雜巨系統(tǒng)，其整體涌現(xiàn)性有待未來科學，特別是開放復雜巨系統(tǒng)理論來闡釋。人體是一種現(xiàn)實存在的對象，有其客觀的屬性、機制、規(guī)律需要研究。按照世界可知性的哲學原理，這些屬性、機制、規(guī)律是能夠給以科學描述的。6.8.3社會是一種特殊的開放復雜巨系統(tǒng)

錢學森把復雜巨系統(tǒng)區(qū)分為兩大類，相對于一般復雜巨系統(tǒng)，社會被稱為特殊復雜的巨系統(tǒng)，要求系統(tǒng)科學界給以特別的關注，并對社會復雜性的特殊之處提出了一些獨到的見解。社會作為系統(tǒng)，其復雜性討論如下。（1）組分的特殊復雜性。社會系統(tǒng)的最小組分是人，一個人就是一個開放復雜巨系統(tǒng)。開放復雜巨系統(tǒng)的基本特點，個人作為系統(tǒng)應有盡有。人不僅有多種生理的需求，更有復雜多變的心理需求。人具有意識、智慧、意志、性格，具有自覺的能動性，善于創(chuàng)造和使用符號；人的行為講究理性和策略性，同時也常常不自覺地表現(xiàn)出非理性行為；人有政治傾向，有文化認同，有利益追求，有價值取向，等等。這一切都使人具有任何其他單一存在物無法比擬的復雜性。（2）結構的特殊復雜性。結構是組分互動方式的總和。由數(shù)量巨大而又如此復雜的個人組成的社會系統(tǒng)，人與人、人群與人群之間的互動方式千差萬別。每個社會都有難以計數(shù)的子系統(tǒng)，從不同方面劃分出來的子系統(tǒng)相互交叉、纏繞、滲透。社會是由無數(shù)功能各異的子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)，民族結構、階級結構、經(jīng)濟結構、政治結構、文化結構、產(chǎn)權結構、分配結構、市場結構、人口結構、人才結構、等等，結構類型近乎不可窮盡。社會系統(tǒng)是分層次的，從微觀層次經(jīng)中間層次到宏觀層次應有盡有，而且層次纏繞，界限往往不清晰。（3）形態(tài)的特殊復雜性。社會系統(tǒng)具有多種形態(tài)，主要是社會的經(jīng)濟形態(tài)、社會的政治形態(tài)和社會的意識形態(tài)，三者都是開放復雜巨系統(tǒng)。作為社會總系統(tǒng)的三個子系統(tǒng)，這三者的關系是復雜的，既是邏輯上并列的子系統(tǒng)，更有基礎和上層之間支持與主導的關系，但其間關系的多樣復雜卻遠非基礎與上層關系可以窮盡的，一個社會的經(jīng)濟、政治、文化是用各種各樣復雜的反饋環(huán)連接起來的。三者如果能夠協(xié)調發(fā)展，良性互動，相互促進，社會總系統(tǒng)就會呈現(xiàn)健康態(tài)；如果三者不協(xié)調，相互牽制、沖突，社會總系統(tǒng)將呈現(xiàn)疾病態(tài)。然而，要做到三者的協(xié)調發(fā)展，就會遇到自然系統(tǒng)沒有的特殊復雜性。4）社會的動態(tài)復雜性。開放的復雜巨系統(tǒng)是千變萬化的。社會系統(tǒng)充滿博弈，不同組分之間、不同子系統(tǒng)之間、不同層次之間都在進行博弈，因而尤其具有動態(tài)性，經(jīng)濟、政治、文化、思想都在與時俱進地變化著。時延、不應期、循環(huán)、過調、同步、振蕩、混沌等，非線性動態(tài)系統(tǒng)通有的一切特點在社會系統(tǒng)中都可以看到，而且往往比一般自然系統(tǒng)更突出。在社會系統(tǒng)中，科學、技術、文化、經(jīng)濟、政治乃至整個文明都存在從一種形態(tài)向另一種性質迥異的形態(tài)的轉變，即轉型演化，轉型時期的社會呈現(xiàn)出最為豐富、多彩、復雜的動態(tài)特性。（5）系統(tǒng)的歷史復雜性。所謂歷史性，用系統(tǒng)科學語言講，就是系統(tǒng)的路徑依賴性、記憶性、不可逆性的綜合表現(xiàn)。歷史既是寶貴的遺產(chǎn)、資源、資本，又是負擔、包袱、制約。歷史經(jīng)驗是信息與噪音的共存體，真假難辨；甚至同樣的東西，正確利用它就是有用的信息，錯誤利用它就是有害的噪音。所以，歷史性也是社會系統(tǒng)產(chǎn)生特殊的復雜性的重要根源。認識一個社會的現(xiàn)狀，預測它的未來，必須了解它是沿著怎樣的路徑走過來的，造就出哪些當前難以處理的復雜性。6.8.4從定性到定量的綜合集成方法論

對于簡單系統(tǒng)和簡單巨系統(tǒng)，可以從基本原理出發(fā)建立數(shù)學模型，至少可以建立唯象模型，再應用數(shù)學方法或計算機技術求得精確的定量解。對于開放復雜巨系統(tǒng)，至少目前做不到這一點。但現(xiàn)實存在的開放復雜巨系統(tǒng)都與人類生活密切相關，是人們的實踐對象，因而積累了大量實踐經(jīng)驗，特別是各行業(yè)專家的經(jīng)驗，再加上各門學科（科技的、農(nóng)業(yè)的、貿易的、法治的、外交的、軍事的、文藝的等）的專業(yè)知識，各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)和資料，事實上已經(jīng)具備了解決實際問題的可能性。問題是如何利用這些經(jīng)驗、知識、數(shù)據(jù)、資料，如何從中得出正確的結論，引出有效的方法。但人們從現(xiàn)有的科學技術找不到答案。從定性到定量綜合集成法就是錢學森為解決這一重大問題而制定的。

所謂從定性到定量綜合集成法，就是綜合集成局部的定性知識，達到對該系統(tǒng)整體的定量認識。其要點包括：

（1）綜合集成法的對象。如從各種渠道收集來的資料，特別是相關各領域專家們的實踐經(jīng)驗等，都是綜合集成法的對象。（2）綜合集成法的目標。對于要解決的開放復雜巨系統(tǒng)問題來說，人類收集的有限數(shù)據(jù)、資料、經(jīng)驗都屬于局部的、定性的知識，即使具體數(shù)據(jù)也不能直接提供關于開放復雜巨系統(tǒng)整體的定量認識，只有通過對這些局部知識的綜合集成，才可能得出對系統(tǒng)整體（全局）的定量認識。（3）綜合集成法的執(zhí)行者。負責進行綜合集成的是一種叫做總體設計部的組織機構。（4）實施綜合集成法的物質平臺。從定性到定量綜合集成的體系。它由三個子系統(tǒng)組成，即知識體系（各種科學理論、專家經(jīng)驗、情報資料、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、常識性知識）、專家體系和工具體系（以計算機為核心的多種高新技術），按照系統(tǒng)原理組織和運行。（5）運用從定性到定量綜合集成法解決問題的步驟。一個實際的開放復雜巨系統(tǒng)問題提出來了，解決問題的過程是由三個步驟組成的循環(huán)運動：1）收集有關該問題的數(shù)據(jù)資料，約請有關專家發(fā)表意見、經(jīng)驗、設想等；2）從第一步的收獲中形成經(jīng)驗性假設，利用現(xiàn)有的科學理論為系統(tǒng)建立模型；3）依據(jù)模型把有關數(shù)據(jù)、信息輸入計算機，對系統(tǒng)進行數(shù)值模擬試驗，以產(chǎn)生新的經(jīng)驗、數(shù)據(jù)、資料等。然后進入新的循環(huán)，即請專家們觀看、分析、評價數(shù)值模擬試驗，以了解他們的感受，重新收集他們的經(jīng)驗性知識，重新建模（修改模型），重新上機做數(shù)值試驗，等等。如此循環(huán)往復，一直到專家們對數(shù)值試驗的結果不再持異議，就表示把各種局部知識都綜合集成起來了。

從定性到定量綜合集成法實質是不借助定量化科學理論而實現(xiàn)從感性認識到理性認識的飛躍。它的哲學認識論的依據(jù)是實踐論（見圖6-9），科學方法論的依據(jù)是系統(tǒng)論，即充分發(fā)揮書本知識、專家經(jīng)驗和信息高技術三者的綜合優(yōu)勢。綜合集成法具有不同層次的價值：（1）在工程技術層次上，對于開放復雜巨系統(tǒng)進行預測和決策的實際問題，從定性到定量綜合集成法是一種具有很強可操作性的方法。一項開放復雜巨系統(tǒng)工程的實際任務擺在面前，你可以嚴格按照這種方法進行操作，完成從局部定性認識到全局定量認識的轉化，獲得工程實踐所需要的數(shù)據(jù)。（2）在科學理論研究層次上，如果不把從定性到定量理解為獲取工程實踐所需數(shù)據(jù)，而是理解為在理論研究中應用數(shù)學方法，為研究對象建立數(shù)學模型（包括定量數(shù)學模型和定性數(shù)學模型），給基本原理以數(shù)學描述，那么，從定性到定量綜合集成法也是科學理論研究的基本方法。從牛頓理論到愛因斯坦理論，迄今為止的所有令人神往的科學理論都是這樣建立起來的（3）如果進一步放松要求，不追求應用數(shù)學方法（包括定性數(shù)學模型），理論描述的目標取為定性地界定概念，定性地塑造和論證原理、規(guī)律、定律，建立邏輯自洽的理論體系，那么，綜合集成法也是科學方法論的最高概括。錢學森說：“所謂綜合集成，是說我們要想辦法把很多很多的論文，研究成果，書籍中的一得之見，等等，把它綜合起來?！比绻弦粚訕牵谡軐W思維或智慧層次上講，那就是錢學森倡導的大成智慧，集古今中外一切有用知識的大成。簡言之：“集大成，得大智慧?！?.9復雜系統(tǒng)方法論運用

安全系統(tǒng)規(guī)劃方法[86]

6.9.1安全規(guī)劃的內涵6.9.2安全規(guī)劃的一般程序及內容6.9.3安全規(guī)劃的理論基礎6.9.4安全規(guī)劃的具體方法

如果項目的安全規(guī)劃不科學，不僅影響到投資效益，更重要的是給系統(tǒng)的運行留下永久的安全隱患，很容易引發(fā)火災、爆炸、交通事故、工程事故、環(huán)境公害等社會災害，給人民生命財產(chǎn)和地區(qū)經(jīng)濟帶來嚴重損失。歷史表明，諸多事故所造成的嚴重后果，根本原因是缺乏科學的安全規(guī)劃，其選址、布局不盡合理，與民用設施、居民區(qū)以及江海湖泊等脆弱性環(huán)境的安全距離嚴重不足。如何在一些新興項目的規(guī)劃階段就考慮到安全問題，包括建筑物的地質條件、空間的合理布局、事故發(fā)生后的應急救援及災后恢復重建等，進而消除重大安全隱患等，促使行成一門新的科學，即安全規(guī)劃學。

任何一門科學或技術都有自己相應的一系列方法，而方法學就是最具特色的根本方法，就是解決問題的辯證程序的總體，通過該程序把問題和可利用的技術聯(lián)系起來，求得問題的解決。它的意義是解決問題的概念、目標（功能目標和價值目標）、結構關系和過程、途徑、方法選擇依據(jù)等。隨著人類社會地進步，人們固然重視在新興項目中開展安全規(guī)劃，而從中研究和提煉相應的方法論，尤其是針對系統(tǒng)分類去研究相應的系統(tǒng)方法論，對該門科學具有極其重要的理論和實踐意義。6.9.1安全規(guī)劃的內涵

目前，針對安全規(guī)劃還沒有統(tǒng)一的定義，具體行業(yè)對安全規(guī)劃有其自身的解釋。安全規(guī)劃就是安全工作的行動計劃，是為克服人類社會經(jīng)濟活動盲目性和主觀隨意性，減少由于自然災害、人為因素對系統(tǒng)（項目）的破壞，維持經(jīng)濟和社會持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展而對自身活動及設施和場所等所做時間及空間上的合理布局；它是實行安全目標管理的基本依據(jù)和準則，是國家安全政策的具體體現(xiàn)，是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展規(guī)劃體系的重要組成部分。安全規(guī)劃具有如下幾個特點[86]：（1）安全規(guī)劃是一種計劃，一種手段；是政府干預安全保障的手段、政策性的計劃。（2）安全規(guī)劃是一門綜合性的工作。安全規(guī)劃不僅要考慮對象空間等有形實體的建設，還要考慮經(jīng)濟、社會、環(huán)境、文化、心理等與人們生活密切相關的諸種因素的協(xié)調發(fā)展，是一項綜合性的系統(tǒng)性的工作。（3）安全規(guī)劃是一項實踐性的活動。它是為保證安全服務，是要以解決安全問題，滿足人們生活發(fā)展的需要為己任，是現(xiàn)實性很強的工作。安全規(guī)劃的方案不能僅滿足于理論方面，更要在實踐中檢驗其正確與否。（4）安全規(guī)劃要有地方特色。這是規(guī)劃對象各有其性質，不同地點的自然條件，政治，經(jīng)濟、文化、現(xiàn)狀、特色不同，因此不同對象的安全規(guī)劃要反映其自身的特點與重點。

5）安全規(guī)劃是動態(tài)的不斷發(fā)展的過程。安全規(guī)劃要解決現(xiàn)實問題，又要預測和估計未來社會的安全問題。社會是不斷發(fā)展的，安全規(guī)劃也要根據(jù)現(xiàn)實情況不斷地解決現(xiàn)實問題，調整工作與計劃，以符合安全需求的客觀實際。6.9.2安全規(guī)劃的一般程序及內容

安全規(guī)劃應在分析、預測安全形勢及現(xiàn)狀的基礎上，提出具體的實施目標，為保證預期目標的順利實現(xiàn)，需要明確一系列的戰(zhàn)略重點（技術、政策等），制定相關的政策保障措施。安全規(guī)劃的一般程序如圖6-10所示，在完整的安全規(guī)劃體系中，政策保障是實現(xiàn)目標的基礎和保證，而戰(zhàn)略重點則是確保目標順利實現(xiàn)的關鍵步驟。1.安全規(guī)劃的指導思想及基本方針安全規(guī)劃的制訂應以馬克思主義哲學作為指導，堅持“安全第一、預防為主”的方針，堅持以人為本的安全理念，堅持安全生產(chǎn)與經(jīng)濟建設和社會進步統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)調發(fā)展；堅持“科技興安”，裝備、管理和培訓并重；堅持立足防范、關口前移，依法行政、強化監(jiān)管，深化整治、綜合治理的總體思路；構建“政府統(tǒng)一領導、部門依法監(jiān)管、企業(yè)全面負責、群眾監(jiān)督參與、社會廣泛支持”的安全生產(chǎn)工作格局。2.安全規(guī)劃的指導原則為保證制訂和實施科學的安全規(guī)劃，整個過程中應該堅持以下原則：

1系統(tǒng)原則。安全本身就是一個復雜系統(tǒng)，必須運用系統(tǒng)論方法進行安全規(guī)劃。堅持全面規(guī)劃、合理布局、突出重點、兼顧一般、保障安全與經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展。

2預防為主，防治結合的原則。注重“防患于未然”，事故及災害預防與基本建設、技術改造和園區(qū)建設緊密結合。

3堅持科學性原則。進行安全規(guī)劃時，應大力發(fā)展本質安全型的生產(chǎn)工藝，將危險消滅在生產(chǎn)過程之中，積極采用適宜規(guī)模的、先進的、經(jīng)濟的治理技術，發(fā)展經(jīng)濟、保障安全。4強化安全管理的原則。安全管理對保持良好的安全狀況起著舉足輕重的作用，強化安全管理，運用法律、經(jīng)濟、市場和行政手段保證并促進安全規(guī)劃的實施。5以提高經(jīng)濟效益、社會效益、安全效益為核心的原則。安全規(guī)劃應遵循經(jīng)濟規(guī)律，使有限的資金發(fā)揮更大效益。6堅持實事求是、因地制宜的原則。從實際出發(fā)，安全目標要切實可行，與經(jīng)濟發(fā)展要相協(xié)調，規(guī)劃措施要具有可操作性。7容災原則。從人類減災的實踐來看，不可能從根本上消除災害，但可以通過各種手段減輕災害對人類的破壞，防止發(fā)生連鎖復合式的災害。8可持續(xù)發(fā)展原則。安全規(guī)劃必須從傳統(tǒng)規(guī)劃模式向可持續(xù)發(fā)展模式轉變，即從人類支配環(huán)境轉向人類與環(huán)境相互依賴，從集中式布局轉向分散式布局，從經(jīng)濟成本支配決策轉向以社會、環(huán)境成本支配決策。3.安全規(guī)劃目標的確立目標是系統(tǒng)所要達到的結果或要完成的任務，確定目標首先應全面考慮需要與可能，界定系統(tǒng)，以明確問題的實質和范圍；其次采用目的-手段圖的方法依次明確目的和實現(xiàn)目的的手段，確定目標的程序如圖6-11[88]。

安全規(guī)劃的目標體現(xiàn)了安全規(guī)劃的戰(zhàn)略意圖，目標既不能過高，追求絕對的零風險是不現(xiàn)實的，又不能過低，應該做到經(jīng)濟上合理、技術上可行和社會上滿意；不同的地區(qū)，不同行業(yè)，由于經(jīng)濟、社會發(fā)展水平不同，同時受人們的價值取向、文化素質、心理狀態(tài)、道德觀念、宗教習俗等諸多因素影響，承災能力差異很大，因此安全規(guī)劃的目標也不一樣?？傊踩?guī)劃的目標應該是，防止出現(xiàn)超過最大可接受的風險，把風險降低到合理的盡可能低的水平。

6.9.3安全規(guī)劃的理論基礎

安全規(guī)劃本身就是一項復雜的系統(tǒng)工程，安全規(guī)劃方法學則是應用系統(tǒng)思想、系統(tǒng)工程的原理和方法，分析、評價以及消除系統(tǒng)中的各種危險因素，實現(xiàn)系統(tǒng)安全的一整套管理程序和方法體系。系統(tǒng)思想、安全規(guī)劃方法論、安全規(guī)劃方法與技術關系之間的關系如圖6-12。圖6-12系統(tǒng)思想、安全規(guī)劃方法論、安全規(guī)劃方法與技術關系1.安全規(guī)劃的方法論基礎

系統(tǒng)工程方法論是分析和解決系統(tǒng)開發(fā)、運作及管理實踐中的問題所應遵循的工作程序、邏輯步驟和基本方法。系統(tǒng)工程方法論也是安全規(guī)劃的方法論基礎。

（1）以蘭德公司為代表的系統(tǒng)分析方法論。系統(tǒng)分析是利用科學的分析工具和方法，分析和確定系統(tǒng)的目的、功能、環(huán)境、費用與效益等問題，抓住系統(tǒng)中需要決策的若干關鍵問題，根據(jù)其性質和要求，在充分調查研究和掌握可靠信息資料的基礎上，確定系統(tǒng)目標，提出實現(xiàn)目標的若干可行方案，通過模型進行仿真試驗，優(yōu)化分析和綜合評價，最后整理出完整、正確、可行的綜合資料，從而為決策提供充分的依據(jù)，其步驟如圖6-13。圖6-13系統(tǒng)分析的步驟（2）霍爾方法論。霍爾提出的系統(tǒng)工程的三維結構是影響較大而且較完善的方法，其特點是強調明確目標，認為對任何現(xiàn)實問題都必須而且可能弄清其需求，其核心內容是最優(yōu)化,其三維是時間維、邏輯維、知識維(專業(yè)維)。文獻[89]還提出了系統(tǒng)工程方法論的四維結構體系，增加了環(huán)境維。（3）以Checkland為代表的軟系統(tǒng)方法論。軟系統(tǒng)方法論的任務就是提供一套系統(tǒng)方法，使得在系統(tǒng)內的成員間開展自由、開放的辯論，從而使各種世界觀得到表現(xiàn)，并在此基礎上達成對系統(tǒng)進行改進的方案，其核心是比較或學習，即從模型和現(xiàn)狀的比較中來改善現(xiàn)狀的途徑。（4）物理-事理-人理(WSR)系統(tǒng)方法論。物理-事理-人理(WSR)系統(tǒng)方法論就是物理、事理和人理三者如何巧妙配置有效利用以解決管理問題的一種新型系統(tǒng)方法論。它把科學技術知識、社會科學知識、決策管理知識和系統(tǒng)內有關人員以計算機和專家系統(tǒng)為中介有機結合起來，實現(xiàn)系統(tǒng)科學的總體分析、總體規(guī)劃、總體設計和總體協(xié)調，以求硬、軟問題的圓滿解決。（5）從定性到定量的綜合集成法。從定性到定量的綜合集成法的實質是將專家群體、數(shù)據(jù)和多種信息與計算機技術有機地結合起來；把各種學科的理論與人的經(jīng)驗知識結合起來，發(fā)揮它們的整體優(yōu)勢和綜合優(yōu)勢。2．安全規(guī)劃的學科基礎為安全規(guī)劃提供理論和方法的基礎理