地理研究GEOGRAPHICAL RESEARCH 第35卷第2期
2016年2月V ol.35,No.2February,2016基于复杂性科学的绿洲城镇化演进理论探讨
刘海猛1,2，方创琳1，毛汉英1，石培基3
(1.中国科学院地理科学与资源研究所区域可持续发展分析与模拟重点实验室，北京100101；
2.中国科学院大学，北京100049；
3.西北师范大学地理与环境科学学院，兰州730070）
摘要：基于复杂性科学，引入涌现、协同、“吸引盆”等概念和模型，从涌现生成、协同维生、临界
相变三个维度构建绿洲城镇化演进的理论框架。对绿洲城镇化的生成、演化和转型的过程与
机理进行系统剖析，并据此对诺瑟姆曲线进行新的解读。研究表明：①绿洲城镇是以人为核心
的绿洲地域系统在多时空维度上的结构和功能的整体涌现现象，涌现形成的条件包括生成主
体、自组织与受限生成机制、环境策略；②竞争与协同机制维持了绿洲城镇化系统的生命活力
与进化稳定，是系统演化的根本动力，系统不同层级具有不同的协同维生机制，根据协同学和
耗散结构理论构建的绿洲城镇化演进的协同度和有序度可以识别系统演化方向；③绿洲城镇
化过程实质上也是系统的自组织临界相变，该过程是一个渐变与突变、有序与混沌、稳态与非
稳态的辩证统一；④时空间的正负反馈机制使绿洲城镇化复杂性与有序性不断提高，且不断向
自组织临界态靠近，城镇化系统外在表现为活力与多样性增强。
关键词：绿洲城镇化；复杂系统；新型城镇化；涌现；协同；吸引盆模型；诺瑟姆曲线
DOI ：10.11821/dlyj201602004
1引言
在干旱区，有绿洲就有城镇，有城镇就有城镇化，城镇化推动绿洲走向繁荣[1]。千百年来，绿洲城镇是中国西北干旱区人类生活和生产的核心，是干旱区内部人类活动最为集聚，人地关系最为敏感的区域。绿洲城镇不同于其他地域的城镇系统，具有生态环境脆弱、水资源约束强度大、经济基础薄弱、社会文化差异大等特点。在干旱区，城镇化是人类与绿洲及背景环境相互适应、相互改变的过程[2]。近年来西北干旱区城镇化进程加速，城镇化率由改革开放初期的15%左右上升到2013年的44.75%。《国家新型城镇化规划（2014-2020年）》强调要着重解决“三个1亿人”，其中要引导约1亿人在中西部地区就近城镇化，提出依托陆桥通道上的城市群和节点城市，构建新丝绸之路经济带，这对西北干旱区新时期的城镇化带来了巨大机遇和挑战。
绿洲城镇化机理是推动绿洲城镇发生和发展所必需的动力，以及维持和改善这种作收稿日期：2015-06-14;修订日期：2015-12-18
基金项目：国家自然科学基金重大项目（41590842）；国家自然科学基金项目（41371177，41271133）
作者简介：刘海猛（1989-），男，山东淄博人，博士研究生，主要从事城市与区域规划研究。
E-mail:haimengliu@https://www.doczj.com/doc/47583904.html,
通讯作者：方创琳（1966-），男，甘肃庆阳人，教授，博士生导师，主要从事城市发展与规划研究。
E-mail:fangcl@https://www.doczj.com/doc/47583904.html,
242-255页
绿洲城镇化演进包括涌现生成、协同维生、临界相变三个阶段。竞争与协同机制维持了
绿洲城镇化的活力与进化稳定，自组织临界相变使系统有序性与多样性不断增强。
网络出版时间：2016-02-24 16:17:38
网络出版地址：https://www.doczj.com/doc/47583904.html,/kcms/detail/11.1848.P.20160224.1617.008.html
2期刘海猛等：基于复杂性科学的绿洲城镇化演进理论探讨
243用机理的各种系统耦合关系。针对城镇化机理的理论研究，西方学者相继发展了区位理论、非均衡增长理论、人口迁移论、二元结构理论、空间生产理论、新经济地理学等城市化发展理论[3-6]，但尚未形成一个独立的体系。国内学者以全国尺度的研究较多，从推动主体、内外因交互、产业结构、要素聚集、制度和政府、改革开放、教育文化等方面分析了中国城镇化的动力机制，形成了中国城镇化动力机制体系[7,8]。然而对于绿洲城镇化的过程和机制研究则相对较少，相关学者主要从影响绿洲城镇的形成、发展、衰退等方面的自然和人文驱动因素进行了探索[9-11]，多数研究停留在现象描述与经验总结，或针对案例区的实证分析，缺乏理论上的系统论述。绿洲城镇化是一个典型的开放复杂巨系统[12]。广义上讲，绿洲城镇化进程包含了绿洲城镇的兴起、变迁、演化和相变等复杂过程。复杂性科学是科学史上继相对论和量子力学之后的又一次革命，作为系统科学发展的新阶段，被称为是“21世纪的科学”[13]。复杂性科学的出现使人类对客观事物的认识由线性上升到非线性、由简单均衡上升到非均衡耗散结构、由简单还原论上升到复杂整体论[14]。复杂性科学为研究该过程提供了新的分析思路与研究方法，其在城市系统领域的研究也越来越广泛和深入[15-19]。
基于以上分析，绿洲城镇化的推进和转型急需正确的理论指导与路径探索。本文运用复杂性理论的研究视角和方法剖析绿洲城镇化演进机理，通过引入涌现、协同、“吸引盆”等概念和模型，从涌现生成、协同维生、临界相变三个维度构建绿洲城镇化复杂演化的理论框架。对绿洲城镇化的发端、演进和转型的过程与机理进行系统分析，并据此对诺瑟姆曲线进行重新解读。从而形成一套基于绿洲城镇化复杂性和复杂性科学的绿洲城镇化机理解释框架，以期对西北干旱区新型城镇化的规划与建设提供理论支撑。
2绿洲城镇化的复杂性
作为一个典型的复杂系统，绿洲城镇化系统的复杂性主要表现在：①子系统数量众多、层次嵌套、关联复杂；②系统生成、发展、相变的演化过程复杂，且随着时间的演化发展（村落→乡镇→简单小城市→复杂多功能城市→城市群），涨落在更高的层次上不断涌现出新的结构和功能；③系统内部存在自组织的演化机制以及系统与外界环境之间的动态关联等。绿洲城镇化系统与其他复杂系统一样，具有非线性、自组织性、自适应性、涨落性、反馈性、层级性等特征[20]。总的说来，绿洲城镇化系统是一个自组织自适应系统，“人”是该系统演化的主导因素。系统的演化即是在与外界环境进行物质、能量和信息交流以及系统要素间的互馈机制下，系统从无序的混沌状态转变为有序性结构，且本身结构有序度、自适应和自发展能力不断提高，进而再周而复始、循环往返的一种过程。其演化的格局与过程呈现多层次性，层次间相互联系，过程间存在多重耦合与反馈，不同过程的作用尺度不一[21]。
3绿洲城镇的涌现生成
涌现（emergence）是指复杂系统在自组织过程中新的结构、形态、功能、层次、属性等的出现，它是复杂系统的根本特征。这种整体才具有孤立部分或其加合不具有的性质称为整体涌现性（whole emergence）[22]。换言之，系统的涌现性不存在于任何单个要素中,而是只有构成系统的整体才具备，即“1+1>2”。系统的整体涌现性就是各个组成成分之间相互作用、影响、制约而激发出来，其产生机制不是单一的，是系统的适应性
地理研究35卷主体之间非线性相互作用的结果。老子的
“有生于无”和“道生一，一生二，二生
三，三生万物，万物负阴以抱阳”的思想
即体现了系统的涌现性。涌现理论在复杂
性理论群中主要是解决复杂系统的生成条
件问题，作为复杂系统的绿洲城镇的形成
同样可以用该理论进行解释，干旱区的绿
洲城镇即是以人为核心的绿洲地域系统在
多时空维度上的结构和功能的整体涌现现象。绿洲城镇系统涌现形成的条件主要包括生成主体、非线性作用机制（自组织与受限生成）、环境策略等（图1）。
3.1系统生成主体
绿洲城镇的生成需要具有涌现生成能力的主体，生成主体是系统整体涌现的前提条件和发生涌现现象的源泉。绿洲城镇的历史形成路径一般为：小而分散的农业绿洲→成片高效的农业绿洲→城镇化绿洲。因此绿洲城镇的生成主体主要包括了人、水、土壤、植被等。人作为能动主体起着最关键的激发和推动作用，人工绿洲的开发建设，人工植被的培养，绿洲高效农业的开发，荒漠化盐渍化治理，水利设施的建设等对推动绿洲城镇的生成和发展起到了主导作用。水是绿洲形成的基本条件，绿洲是荒漠地区的水成景观。水的空间分布与总量大小决定着绿洲的空间分布和规模。土壤是绿洲植被的载体，绿洲地段基本上都是水成或风成聚集的细土，在戈壁和裸岩上植被之所以能繁茂的生长，主要依靠土壤中蕴含的养分和水。植被是绿洲的体现，没有植被就不能形成绿洲景观，也就无所谓绿洲了[23,24]。
3.2内在生成机制：自组织与受限生成
系统的整体涌现性来源于系统组成要素、子系统之间、层次之间以及系统与环境之间的交互耦合作用。根据霍兰的涌现理论，系统生成主体之间大部分存在着“趋同效应”，导致主体之间发生彼此联系和作用，进而产生相同或相近的适应性反应。在这过程中，由于绿洲城镇生成主体间的非线性自组织从而产生了单层级的涌现——绿洲和绿洲村落的出现[25]。非线性作用的驱动使得不同层次的涌现在外界环境限制下，交互耦合、层层相扣、螺旋上升，进而形成了一个错综复杂、初具网络形态的更高层级涌现——生成绿洲城镇。可见，绿洲城镇在这一时空演化过程中同时存在着自组织和受限生成机制。
（1）自组织是绿洲城镇涌现生成的本质动因。自组织与涌现均是复杂系统的重要特征，两者存在紧密的联系，但它们强调的是系统的不同方面：涌现强调的是一致性宏观特征的产生，而自组织强调的是内部结构的动态、适应、自发的变化[26]。自组织使得系统可以自发地适应性地发展或改变其内部结构，以更好地应付或处理它们的环境[27]，它是城镇演化背后的一只“看不见的手”。在干旱区，只要有稳定的水资源，天然绿洲空间结构随水资源的时空分布，通过沼泽化、草甸化等过程得以自发形成和维持，不需要人为的规划和干预。在与周围环境相互作用与影响下，绿洲的发育位置、规模大小与形式风格等均为自组织形成，原有的环境功能与结构随之改变。随着绿洲的形成，人口开始自发在绿洲集聚，逐渐形成小片、分散的农村聚落，生产力水平进一步提高，在农村聚落自组织联接与进化基础上，绿洲城镇逐渐生成。城市生成之前，许多人类社会功能处于自发地分散、无组织状态，是城市将其聚合到一起，产生了涌现效应（地域结构和功
图1绿洲城镇系统涌现生成机制金字塔Fig.1The pyramid of oasis city system in emerging generation
244
2期刘海猛等：基于复杂性科学的绿洲城镇化演进理论探讨
245能的嬗变）。古代绿洲城镇的自组织涌现与政治、军事、自然资源以及陆路“丝绸之路”的兴起密不可分，东西方经济、贸易、文化的交流在此展开，同时历代移民屯垦对古代绿洲城镇的生成与繁盛起到重要作用。而近现代以来矿产资源的开发也是直接促使城镇兴起的原因，如克拉玛依市、金昌市分别凭借石油和有色金属的开采，城市的规模与行政等级均不断提升。城市自其发生之时便用最小的空间容纳最多的设施，不断改变自己的结构，以适应人类的需求和社会的发展，贮存并流传人类的文明成果[28]。这种“自下而上”是典型的自组织形式，人口的自组织聚集，临近若干村落在行政上统一成一座城镇有机体的过程，即亚里士多德所说的典型的村镇聚合过程[29]。从聚落、乡村到城镇，进一步发展为大城市、城市群，这一变迁演化反应了绿洲城镇非线性不可逆的动态递进过程。
（2）受限生成是绿洲城镇涌现生成的内在逻辑。自组织不代表无限制，自组织也是遵循特定规则的。受限生成过程就是系统主体间不断进行功能耦合，在一定规则的约束下生成出新状态的一个动态行为，也是系统涌现生成的具体发生、演变的状态遍历过程[30]。受限生成过程中的这些约束就像棋类游戏的规则，对可能的路线和布局进行了限制，所有的受限生成过程都能表现出系统的整体涌现性[31]。对于绿洲城镇，其生成主体之间的相互作用并不是像一盘散沙可以任意排列组合或随意堆砌，他们之间的功能耦合遵循着一定的规则、规律，本文研究绿洲城镇的涌现机制可以转而探索那些充当限制条件的规则。水土条件、矿产资源、地形、地质条件、植被类型、气候条件等一起制约或影响着绿洲城镇生成的区位布局、规模形态、职能性质，以及工农业发展和城镇居民的生活。除自然因素作用外，军事防备、交通条件、文化习俗、民族信仰等人文因素同样也隐含着绿洲城镇涌现生成的重要限制规则，如交通条件限制了绿洲城市的对外开放性，文化习俗限制了绿洲城镇对新移民的包容性。自然和人文因素共同形成了绿洲人口集聚和迁移的内在逻辑，绿洲城镇的自组织涌现就是在这一系列规则的指导下发生的。
3.3外在生成机制：环境策略
生成主体为绿洲城镇的涌现提供了“积木块”，自组织和受限生成过程是绿洲城镇系统涌现的内在逻辑机制（内因）。除此之外，绿洲城镇系统的涌现还需要合适的外界环境与条件（外因），系统通过与外界环境的不断交互作用，通过自身的学习适应机制，达到系统整体涌现。外界环境提供系统生长的物质、能量和信息基础，并施加一定的限制和压力，对系统的生成过程与演化路径的选择产生作用，进而迫使系统对环境的适应性增强，重塑组织结构，以达到系统的适应性自组织转变[32]。
因此，绿洲城镇的涌现除了生成主体之间的非线性相互作用，还需要外界环境的参与和融合，促使系统与环境间建立稳定有序的互馈关系，对环境的变化做出适时的响应。绿洲水源的分散性与有限性决定了绿洲地域分布上的分散性与不连续性，使得绿洲的自然生态系统和人文社会系统都自成体系，因而较早形成的绿洲城镇系统相对封闭，与距离较远的地域联系较弱，但与周边自然环境之间不断进行物质流、能量流、信息流的交换[33]：①从空间尺度来看，绿洲城镇位于山地—绿洲—荒漠地域地貌格局的核心位置，绿洲城镇系统通过水循环与人类活动不断与上游山地系统、下游荒漠系统进行互动耦合和自适应；②从时间尺度来看，对气候变化、沙漠演进、水系变迁等环境变化进行适应性学习，系统相应发生连续涨落，弹性不断增大，处于稳态与非稳态之间的动态过程（图2）。
随着工业革命和信息革命浪潮的冲击，以及中国改革开放和西部大开发政策的推进，绿洲城镇系统的开放性越来越大，外界人文环境因素对绿洲城镇系统的影响有超过
地理研究35卷自然因素的趋势。一方面，经济全球
化与区域一体化、通信和交通技术的
变革等都给绿洲城镇带来新的环境机
遇与挑战，促使城乡人口的流动性大
大增强，在城市化的推拉因模式下激
发出更多的交通和功能性节点绿洲城
镇。另一方面，针对西部干旱区的国
家政策及重大基础设施的投资建设，
为绿洲城镇进一步走向集聚有序的高
级形式提供了有利的外在环境，例如
兰新铁路的建设对沿线的武威、张掖、酒泉、哈密、鄯善、吐鲁番等绿洲城镇的生长起到重要推动作用。从古至今，绿洲城镇就是在这种不断变化的环境的影响下，适时启动新的学习适应机制，改变着自己的环境策略，不断生长演化。
4绿洲城镇化系统的协同维生
4.1绿洲城镇化系统的竞争与协同
随着绿洲城镇化系统复杂性的增加，更多地需要协同维生机制促使其向稳定有序的方向演化。系统的协同维生包含了竞争与协同的概念，如果说涨落是促使绿洲城镇系统发展并进而产生高级有序的诱因，那么竞争与协同即是系统涨落产生的原因。由于生存资源的稀缺性，竞争是自然界中普遍存在的一种基本关系，是一种分离行为，作用双方相互制约、相互抑制，竞争导致系统产生活力与多样性；协同能够使不同主体以最小的代价或成本实现自身的成长与发展，是一种事物和谐发展的行为，事物之间相互合作、互惠互利，协同促使系统保持平和与稳定[34,35]。竞争与协同是相互依赖、相互转化、相辅相成的，在这种互动作用下，不同个体才能联成一个有活力的整体。绿洲城镇化系统在不同尺度下广泛存在着这种竞争与协同机
制，它维持了整个组织系统的生命活力与
进化稳定，是绿洲城镇系统演进的根本动
力，而这种协同维生秩序也是自组织原理的
具体表现。
4.2协同维生的定量表达
借助协同学与耗散结构理论，本文将
这种协同维生关系进行定量化表达。如图3
所示，x 轴表示整个系统不断涨落的过程；
d i S 表示绿洲城镇化系统内部混乱性产生的
熵；d e S 表示系统与外部环境相互作用产生
熵流；d S 表示总熵。当系统获得的正熵大
于负熵时，总熵变d S >0，各子系统承载力
减弱，系统整体趋于混乱：反之，系统整
体趋于有序[36]。协同学认为，在绿洲城镇化系统演化过程中只有少部分慢变化参量图3绿洲城镇化复杂系统演化概念图Fig.3The evolution of oasis urbanization complex system
图2绿洲城镇系统与外界环境的相互作用Fig.2The interaction between oasis city system and environment 246
2期刘海猛等：基于复杂性科学的绿洲城镇化演进理论探讨（序参量）决定了系统的宏观行为，因此本文重点关注序参量的变化[37]，例如水资源总量、产业结构、交通便捷性等便是在绿洲城镇化系统中起支配作用的序参量。综合运用协同维生的序参量判据和熵判据，构建社会、经济、人口、土地、水资源等子系统的协同度和绿洲城镇系统有序度来间接反映系统的竞争与协同规律，进而模拟各个子系统和绿洲城镇系统整体的演化协同有序性，判别系统的整体演化方向。
（1）绿洲城镇化子系统演化协同度。演化协同度是序参量之间相互竞争与协同的关系表征，反映了各个子系统在本阶层中向前演化的有序性以及相变特征。子系统的协同度的计算公式为：
μi =∑j =1n λj ||x ij -c x ij max -x ij min ，λj ≥0，∑j =1
n λj =1（1）式中：μi 表示第i 个子系统的协同度；x ij 是绿洲城镇化系统的第i 个子系统的第j 个序参量；αij ，βij 为临界阈值，αij ≤x ij ≤βij ；λj 为序参量x ij 的权重；x ij max ，x ij min 分别为序参量x ij 的最大和最小临界阈值；c 的取值根据序参量x ij 与系统协同度的一致性，分别取最大值、最小值或常数。
（2）绿洲城镇化系统演化有序度。绿洲城镇化系统的协同维生不仅是各个子系统内部要素的协调，也要看子系统之间协同演化程度，也即判断系统整体的演化走势。耗散结构理论认为，熵值增加表示系统的混乱和无序程度增加；熵值减少表示系统的混乱和无序程度随之减少[38]。因此用Shannon 信息熵构建绿洲城镇化系统的有序度，Shannon 信息熵的计算公式为：
R S =-∑i =1
51-μi 5ln 1-μi 5（2）R S
=1-E S E max
（3）式中：E s ，R s 分别为绿洲城镇系统的信息熵和有序度；μi 为子系统协同度；E max =ln5，是最大信息熵，此时系统处在最混乱无序的状态[39]。通过R s 值的变化可以判断绿洲城镇系统的演化发展方向：系统向混乱无序的方向演化时R s 减小，系统向健康有序的方向演化时R s 增大。因此，为保证绿洲城镇系统协同维生的良性循环，应增强城镇的聚集效应和规模效益，积极输入系统负熵流，同时谨防城镇环境恶化和绿洲的沙漠化扩大，控制内部正熵d i S 的产生，提高绿洲城镇的经济人口承载能力。
4.3协同维生的机制分析
绿洲城镇化系统的协同维生在不同尺度层级有不同表现，不同层级间又通过“水”这一要素相互串联，主导着系统演化的方向。本文将绿洲城镇化系统分为子系统内部要素、子系统、城镇系统三个层级来具体分析其协同维生演化机制。①子系统内部的要素层面，例如，人口子系统内存在城镇化过程中的城乡居民因追求福祉最大化而产生的对公共资源的竞争与协同，进而促进教育、卫生、文化等基本服务的改善与均等化配置；经济子系统内不同产业部门和具体企业在新型城镇化、经济转型、水资源约束与节能减排背景下还要保证自身经济利益的最大化，对绿洲区位、人力、原材料等资源的竞争同时，也要相互协作与信息共享，进而产生集聚效应与知识溢出，推动绿洲城镇转型。②绿洲城镇化的子系统层面，竞争关系突出表现在工业生产与绿洲农业争水、城镇扩张与粮食生产争地、经济增长与居民生活争生态环境，而这种矛盾又是辩证统一的，各个子系统之间也要进行相互协作，在自组织与他组织共同作用下合理利用水土气生等资源，保证绿洲城镇化系统整体不断向前演化。③城镇系统层面，在干旱区一个内陆河流域内247
地理研究35卷的绿洲城镇常常因为水资源而彼此命运相连，绿洲为了发展会对水资源进行争夺，而流域上中下游的绿洲城镇又是唇亡齿寒的关系，需要水资源跨界协同管理和水污染的联防联控，同时在“自然—人工”二元水循环模式下[40]，绿洲城镇与生态环境间的用水必然存在竞争与协同关系，保证不了最低生态用水量，绿洲城镇也不可能长久发展。因此目
前塔里木河、黑河、石羊河等内陆河专门成立了流域管委会（局）以协调整个流域的分水与用水问题。
5绿洲城镇化系统的临界相变
5.1复杂系统的自组织临界
物理学中，物质从一种相转变为另一种相，在分子层次
上重新组织而发生宏观的变化的过程称为相变。相变有时是
突变（如固液相变），有时也可以是比较平稳的变化（如气液
相变），在二者之间的临界点会发生很多反常的现象（如比热
无限增大）称为临界现象，图4中M 、N 为水的相变临界点。
在系统科学中，相变被引申为自组织演化过程中由于微观层
次的重新组织而形成的宏观层次的状态的改变，系统的整体涌现效应在一定程度上也可以看做系统的相变。在复杂性理论分支中，自组织临界性理论（self-organized criticality ）对临界现象及其突变规律进行了系统的分析和描述，成为本文
研究复杂系统临界边缘状态相变规律及其机制的新的科学方法。巴克认为，自然界中的复杂系统经历无数年的自组织演化，大多都处于临界状态，对任何干扰产生最敏感、最丰富的响应，能够呈现出丰富多彩的形态、性质和结构的演化，这也是构成世界多样性的大自然之秘密[41]。系统相变的边缘状态即为临界状态，临界性行为是自然界一种普遍的行为，处于临界状态的系统会出现各种大小的服从幂定律的雪崩事件。自组织是系统相变的前提，临界相变的发生要求系统是开放的，能跟外界建立物质、能量和信息的交换，以达到系统内部熵的增减平衡。
5.2吸引盆模型：绿洲城镇化临界相变的概念模型
绿洲城镇化过程实质上也是绿洲城镇系统的自组织临界相变，绿洲城镇的生成、演化和转型过程中均存在自组织临界相变。为更直观地解释绿洲城镇化的临界相变，进一步引入美国生态学家Walker 等的“吸引盆模
型”（basin of attraction ）来加以解释[42]。该
模型是为阐释社会生态系统的弹性而创立
的，用以描述自然生态系统与人类社会系
统间错综复杂的相互作用与变化，并可以
很好地概念化临界相变的内涵，得到各国
学者的广泛关注。
如图5所示，假设绿洲城镇化系统是由
许多三维空间的盆体（A ，B ，C ，…，N ）
组成，盆体的形态是动态变化的（环境策
略），那么盆中小球则代表了由绿洲城镇化系统现有的所有变量集合而成的特别联合图5吸引盆模型（根据文献[42]改绘）Fig.5A model "basin of attraction"
图4水的临界相变Fig.4The critical phase transition of water
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2期刘海猛等：基于复杂性科学的绿洲城镇化演进理论探讨
249体，小球的位置即系统目前所处的状态。因此，系统的状态空间可以通过关注的变量来定义，它包含了盆体所有位置（系统所有状态）的排列组合。因此可以看出盆体仅是小球在三维空间坐标点的无限聚合，一个盆体代表了一组具有相同功能与反馈的状态。虚线表示将不同盆体分开的临界阈值。
在同一盆体中，小球趋向于向盆体底部运动，即绿洲城镇化系统趋向于某种平衡状态。然而，现实是由于外界环境的不断变化（系统输入正负熵流），盆体的形态受此影响也时刻在变化，小球的平衡态（绿洲城镇化系统的稳定状态）也随之改变，但趋向底部更加稳定的趋势不变。换言之，绿洲城镇化系统永远处于动态平衡之中，不可能达到绝对平衡。小球的位置不断变化，其变化快慢以及位置相对盆体底部的距离，由自身的动能和外界对系统输入的能量共同决定。
事实上，根据自组织临界理论，由于绿洲城镇化系统对外界环境的极度敏感性和自身的鲁棒性[39]，小球（绿洲城镇化系统）大多数时刻处于盆体的边缘，当系统发生涨落，受到内外因素影响达到临界阈值，小球会越过界限，进入另一个盆体，即发生系统的临界相变，绿洲城镇化的演化轨迹发生大的偏转。另外，该模型也可看做是图3中二维坐标系的三维扩展，由于不同盆体的半径与深度不同，系统相变后的相对平衡状态与鲁棒性均发生改变。因此，有些新盆体会促使绿洲城镇化发展更加和谐繁荣，有些则会使绿洲城镇走向衰落，除非发生下次相变，进入到受欢迎的新盆体中。幸运的是，由于低稳态的盆体位势高，高稳态的盆体位势低，系统在自组织的驱动下，因为位势差的存在，只要不受到灾难性的涨落影响，系统的演化总是趋向更有序稳定的状态。
5.3绿洲城镇化的临界相变机制
利用“吸引盆模型”对绿洲城镇化临界相变进行分析，可以对其演化机制有更加清晰的认识。
首先，从宏观尺度来分析，城镇化过程是农村人口自组织自适应转化成城市人口的复杂过程，类比水的相变“固体—‘相变’—液体”，绿洲城镇化可以表示为“农村—‘城镇化’—城市”[43]。绿洲城镇化处于系统的自组织临界状态，临界状态的系统最为复杂，在有序与混沌之间，离散与联系之间，而这正是本文所最为关心的状态。随着人工绿洲的开发建设，基础设施的优化提升及水资源开发利用效率的提高，绿洲城镇化快速发展，人口城镇化、土地城镇化与经济城镇化子系统由量变发生质变[43]。该相变机制主要是由城镇化的“推拉因模式”决定的，市场力量在城镇的形成和发展中发挥了主导作用。对于系统的吸引盆模型来说，这实际上是系统所在盆体半径与深度不断变大的过程，最终导致了系统整体的相变，城市规模的扩大，城市化进程加快，不断建立新的动态平衡。
其次，从相对微观的时空尺度来分析，狭义的相变就是指系统在达到临界阈值时所发生的突变。随着绿洲城镇化进程的加速，城市的规模、性质和职能可以发生突变或改变[45]。一方面，生态环境系统可能会达到其承受能力的极限以及外界气候水系环境等也可能发生剧变（如楼兰古城），或者矿产资源性城市因资源枯竭致导致城镇发展落败（如玉门老城），绿洲城镇系统跃过盆体间的分界线，进入低稳态盆体，城镇结构发生解体或重构，城镇功能衰退，复杂性降低，历史上也经常发生绿洲城镇因之废弃，人口适应性大规模迁移的现象。另一方面，也可能会发生积极的相变，例如城市政治地位短时间内提升、新矿产资源的发现与开采、交通枢纽的建立、技术的革命性升级、宏观和地方政策的偏向等，由此导致城市功能定位和发展方式改变，从生产性城市变为消费性城市，从制造业中心变为服务业中心。如张掖市在强大的政策驱动下，充分利用当地“一山一
地理研究35卷水一古城”的资源禀赋，开始从农业经济为主体的产业形态转向生态文明理念下的宜居宜游的新道路。这种相变同样会导致绿洲城镇系统发生盆体间的跃迁，但此时会进入更高级的盆体当中，系统趋于更加的稳定有序。
绿洲城镇化系统达到自组织临界状态后，城市系统表现为递阶结构而没有特征规模
和尺度，它包括四种现象：突变事件的规则性、1/f 噪声、分形和标度律[43]，因此绿洲城镇化临界相变是一个渐变与突变、有序与混沌的辩证统一，渐变伴随着突变、继承中伴随着创新。对于复杂系统自组织临界性的定量化模拟，巴克（Bak ）等通过模仿食物链中物种与物种相互依存的事实，提出了生物演化模型（BS 模型），该模型能够自发演化到一种临界状态，为定量研究绿洲城镇化临界相变提供了一种可能[46,47]。
6绿洲城镇化过程：诺瑟姆曲线的再认识
美国地理学家诺瑟姆（Northam ）于20世纪70年代提出各国城市化过程的轨迹为S 型曲线的理论，并将城市化过程大致分为三个阶段：初级阶段、加速阶段和成熟阶段（图6）[48]。城市化曲线是否存在第四阶段甚至第五阶段，不同学者仍存在争议[49-51]。但总体来说，不同区域、不同历史发展阶段和不同政治体制下城市化进程都不尽相同，因此城市化曲线的具体型态和走势也有很大差异。本文以诺瑟姆最初提出的城市化曲线为基础进行分析。
根据上文对绿洲城镇化系统演化的分析，本文从复杂系统自组织自适应角度，对诺瑟姆曲线进行重新阐释，以期加深对该理论的认识与现实指导意义。如图7所示，d t 1~d t 3分别对应着诺瑟姆曲线的三个时间阶段，即绿洲城镇化的三个演进阶段：①d t 1阶段为绿洲城镇化涌现生成阶段，图中小球代表的人、水、土壤、植被等生成主体通过内在的自组织与受限生成机制，且不断与外界环境交互耦合，系统产生整体的涌现效应，绿洲城镇逐渐生成并开始缓慢发展；②d t 2阶段为绿洲城镇化的协同维生阶段，系统内要素、子系统、城镇系统三个层级以及层级之间通过非线性竞争与协同机制，在“水”的串联下，系统不断发生涨落，其中序参量起着决定性作用，系统的有序性与复杂性进一步增强，与外界物质、能量和信息频繁交换，负熵积累增加，绿洲城镇化进程在波动中加速向高级演化；③d t 3阶段为绿洲城镇化的临界相变阶段，系统在自组织临界态发生大大小小的涨落，当达到临界阈值，系统发生相变，城市的规模、性质和职能发生改变，绿洲城镇化可能会走向更加稳定有序，但也可能发生衰退甚至解体，系统的平衡态与鲁棒性随之改变。
从绿洲城镇化复杂系统演化的整体来分析：第
一，诺瑟姆曲线宏观上看是一条平滑的曲线，但微
观尺度上随着系统的涨落，曲线实际上不停地在上
下振动，城镇化一直处于稳态与非稳态之间，在不
断否定之否定的发展过程中，达到平衡与失衡的辩
证统一；第二，涌现生成、协同维生、临界相变事
实上在绿洲城镇化三个阶段中是同时存在、贯穿始
终的，这里用每个阶段系统的主导演化机制与城市
化阶段相对应，以突出不同阶段的主要演化特点；
第三，城镇化的发展是自组织的，系统的复杂性与有序性整体上不断提高，且系统不断向自组织临界图6城市化诺瑟姆曲线Fig.6The Northam Curve
250
2期刘海猛等：基于复杂性科学的绿洲城镇化演进理论探讨
态靠近，城镇化系统外在表现为越来越丰富多彩，系统活力与多样性增强；第四，每个阶段系统与外界之间、系统内部不同层次以及不同要素间存在多重正负反馈，同时三个阶段之间也存在时空间的正负反馈，且当绿洲城镇发生灾难性的负向突变，城镇化会重新从第一阶段开始演化。
7结论与讨论
（1）绿洲城镇是以人为核心的绿洲地域系统在多时空维度上的结构和功能的整体涌现现象。绿洲城镇系统涌现形成的条件主要包括人、水、土壤、植被等生成主体，自组织与受限生成的非线性的内在作用机制，以及对外的自我学习与适应的环境策略。
（2）竞争与协同机制维持了系统的生命活力与进化稳定，是绿洲城镇化系统演化的根本动力。在绿洲城镇化系统、子系统和要素不同层级具有不同的协同维生机制，绿洲城镇系统完成了从简单到复杂，从低级到高级，从一种有序到另一种有序的演化历程。根据协同学和耗散结构理论，建立了绿洲城镇化子系统演化的协同度和系统整体演化的有序度，从而构建了识别绿洲城镇化系统演化方向的一般模型。
（3）绿洲城镇化过程实质上也是绿洲城镇系统的自组织临界相变，通过“吸引盆模型”的引入，从不同时空尺度分析了绿洲城镇化临界相变的内涵与路径。系统在自组织临界态涨落，当达到临界阈值时发生相变，城市的规模、性质和职能发生改变，绿洲城镇化将走向更加稳定有序或发生衰退甚至解体。绿洲城镇化相变是一个渐变与突变、有
图7诺瑟姆曲线的复杂系统理论解释
Fig.7The explanation of Northam Curve with complexity theory
251
地理研究35卷252
序与混沌的辩证统一。
（4）从复杂系统自组织适应演化的角度，诺瑟姆曲线的三个阶段可以与绿洲城镇的涌现生成、协同维生、临界相变相对应。并推演出绿洲城镇化一直处于稳态与非稳态之间，时空间的正负反馈机制使其复杂性与有序性整体上不断提高，且不断向自组织临界态靠近，城镇化系统外在表现为活力与多样性增强。
本文基于复杂性科学对于绿洲城镇化演进理论进行了初步探索，主要以逻辑思辨的定性方法为主，未过多涉及具体的定量模型，今后的研究可进一步结合当前发展迅速的多智能体模型、复杂适应系统模型、复杂网络模型、仿生计算、社会计算等对绿洲城镇化演化的每一个阶段进行计算机模拟和预测，特别是对不同情境下绿洲新型城镇化的临界相变与转型进行定量化系统模拟，以加深该研究的政策指导意义。另外，本文对诺瑟姆曲线的再认识是建立在绿洲城镇这一特殊地域系统基础上的，对于该理论阐释能否进一步推广到所有城镇类型以具有普适性，有待今后进行深入的研究。
8政策启示
（1）自组织机制是城镇演化背后的一只“看不见的手”，绿洲城镇化建设应更多的依靠城市的自组织性，坚持市场化改革方向，处理好市场与政府之间的关系，管理者应有所为、有所不为，尊重城市的自身成长和运行规律，逐步建立自组织的城镇化发展观，让市场机制在新型城镇化过程中起决定性作用，充分发挥政府、企业、市民等不同主体的潜能。
（2）建立系统整体观，理解绿洲城镇化的协同维生，重视系统内的自然与社会多重反馈机制，将城市系统内部要素、城乡子系统放在相互联系的统一框架下进行综合统筹，抓住核心序参量，如绿洲生态、流域水资源、政策机制等，使绿洲城镇发展有的放矢。
（3）遵循大自然的规律，鼓励城镇化发展的多样性，绿洲城镇本身就有多样的生态环境、历史文化以及区位优势，在“一带一路”的战略背景下，结合不同区域发展需求和条件实施差异化的新型城镇化发展战略，推进金融资本、社会资本、生态资本、文化资本、人力资本的多元构建、多样发展。
（4）认清绿洲城镇化临界相变的内涵与路径，重视系统的蝴蝶效应和反脆弱性[52]，主动识别绿洲城镇系统的脆弱点，同时做到有度干预，有序疏导，避免城市系统自然、经济、社会等方面小漏洞酿成大的“黑天鹅事件”，增强系统整体的鲁棒性和弹性。
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Mechanism of oasis urbanization:A theoretical framework
based on complexity theory
LIU Haimeng1,2,FANG Chuanglin1,MAO Hanying1,SHI Peiji3
(1.Key Laboratory of Regional Sustainable Development Modeling,Institute of Geographic Sciences and
Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing100101,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China;3.College of Geography and Environmental
Science,Northwest Normal University,Lanzhou730070,China)
Abstract:Oasis cities are the most concentrated zones of human activity and the most vulnerable places in the arid region of northwest China.The urbanization rate rose from15%at the beginning of the reform and opening up to44.75%in2013.Oasis urbanization is a typical complex giant system,featured with nonlinearity,self-organization,self-adaptability, fluctuation and feedback.Research on the mechanism of oasis urbanization is significant for the planning and construction of new-type urbanization in China's arid areas.Based on complexity theory,we analyzed the generation,evolution and transformation process of oasis urbanization,and built the theoretical framework of oasis urbanization evolution mainly from three dimensions of the emerging generation,coordinated sustenance and critical phase transition innovatively,by using proper concepts like emergence and synergism and the model of basin of attraction,according to which the Northam Curve was reinterpreted.The study indicated that:(1)Oasis city is an entire structural and functional emergence phenomenon of a human-centered oasis region system from the perspective of multiple spatial and time dimensions,and its formation conditions include generating subjects,self-organization and limited formation mechanism and environment policy.(2)Competitive and synergic mechanisms keep the vitality and evolution stability of the oasis urbanization system,which is the basic motive force of the system evolution.According to the synergetics theory and dissipative structure,we build the synergy degree and order degree of oasis urbanization evolution to recognize the evolution direction of such system.(3)Oasis urbanization process is also essentially a self-organized critical phase transition,which is the dialectical unity in the aspects of rheology and mutation,order and chaos,stability and non-stability.(4)The positive and negative feedback mechanisms in space and time improve the complexity and order of oasis urbanization,which approaches to the state of self-organized criticality;meanwhile,the vitality and diversity of urbanization system are reinforced in this process.Furthermore,the complex system models,such as multi-agent model,the complex adaptive system model, bionic calculation and social computing,will play an important role in the research of urbanization simulating and forecasting.
Keywords:oasis urbanization;complexity theory;new-type urbanization;emergence;syner-gism;basin of attraction;Northam Curve
首都师范大学学报（社会科学版）Journal of Capital Normal University 2010年第2期 （Social Sciences Edition ） （总第193期） 经济研究 经济研究与复杂性科学 苗东升 摘要：本文讨论了经济研究与复杂性科学的互动关系，指出经济学前沿出现了把复杂性当复杂性对待的趋势，最后对中国经济学的发展提出一些想法。关键词： 复杂性；经济研究；复杂性科学；社会主义市场经济 中图分类号：F0－05 文献标识码：A 文章编号：1004－9142（2010）02－0030－07 收稿日期：2009- 11-22作者简介：苗东升，男，山西榆社人，中国人民大学哲学院教授。（北京100872） 一、经济研究是培育复杂性 科学的温床之一 复杂性科学从孕育到产生的历史可以简单概述为：19世纪与20世纪之交开始孕育，历时40多年；1940年代开始把复杂性看成科学概念，意识到复杂性正在成为科学前沿的研究对象，提出一系列有助于理解和描述复杂性的概念、方法、观点；70至80年代之交初步形成复杂性科学。一切科学思想都来自社会实践， 复杂性科学亦然。经济是社会的基础，经济活动本质上属于复杂系统， 因而是培育复杂性科学思想的重要土壤。科学整体作为系统，从简单性科学这种历史形态演化为复杂性科学这种历史形态， 需要而且事实上经历着一系列观念和方法的转变。今天回头看去，这一进程中始终有来自经济研究的影响和推动。其表现是多方面的，我们仅就以下五点略加说明。 1.从物理到事理。简单性科学是广义的物 理学（自然科学），只研究物质关系和物质运动，不涉及人的因素起重要作用的事理现象。研究事理既要考虑物质关系和物质运动，也要考量人的情感、思想、决策、行为等因素，原则上属于复杂性范畴。科学转型演化的一种必不可少的思想准备是从单纯的物质观转向同时承认事理观。这一转变始于20世纪初，人们试图把自然科学的方法应用于事理现象，主要是经营管理问题，逐步形成运筹学。运筹学遵循投入最小化、 收益最大化这一经济原则，用数学方法描述和处理有限资源分配、目标搜索、设备更新之类事理问题。列昂惕夫（1973）、康托罗维奇（1975）就是以运筹学的出色工作而获得经济学诺贝尔奖的。今天看来，运筹学能够有效解决的还是所谓硬系统、硬运筹、硬事理问题，原则上仍属于简单性科学。但它冲破单纯的物理观，开辟通向研究软系统、软运筹、软事理这类复杂性问题的道路，是经济对复杂性研究的重要影响。 3
系统科学思维方式 摘要：系统思维方式的整体性是由客观事物的整体性所决定，整体性是系统思维方式的基本特征，它存在于系统思维运动的始终，也体现在系统思维的成果之中。整体性是建立在整体与部分之辩证关系基础上的。整体与部分密不可分。整体的属性和功能是部分按一定方式相互作用、相互联系所造成的。而整体也正是依据这种相互联系、相互作用的方式实行对部分的支配。 关键词：系统科学，系统思维，辨别, 逻辑能力 引言： 思维方式作为表征人们思维活动不同特点、不同类型的一个哲学范畴，是在一定历史阶段上形成的相对稳定的规范着人们思维活动方向、过程和结果的范式。它是所处历史阶段上占有主导地位的哲学世界观、科学理论的硬核和科学方法的综合。思维方式变革的根源是实践方式的变革，实践方式的变革又与科学技术的发展水平紧密联系着。 2．正文： 2.1基本定义 系统是一种逻辑能力，也可以称为整体观、全局观。系统思维，简单来说就是对事情全面思考，不只就事论事。是把想要达到的结果、实现该结果的过程、过程优化以及对未来的影响等一系列问题作为一个整体系统进行研究。 2.2系统思维的历史 作为一门科学的系统论，人们公认是美籍奥地利人、理论生物学家贝塔朗菲创立的。他在1952年发表“抗体系统论”，提出了系统论的思想。确立这门科学学术地位的是1968年贝塔朗菲发表的专著：《一般系统理论基础、发展和应用》该书被公认为是这门学科的代表作，以新兴的探索复杂性的综合学科群一般系统论、信息论、控制论、耗散结构理论、协同学、超循环理论、突变论、混沌理论、分形理论等系统科学为基础，形成了新型的整体的科学思维方式。 之前，“系统”一词，来源于古希腊语。通常把“系统”定义为：由若干要素以一定结构形式，结构成的具有某种功能的有机整体。在这个定义中包括了系统、要素、结构、功能四个概念，表明了要素与要素、要素与系统、系统与环境三方面的关系。 贝塔朗菲的系统观点，比“系统”内涵要丰富得多。系统论的核心思想是系统的整体观念。贝塔朗菲强调，任何系统都是一个有机的整体，它不是各个部分的机械组合或简单相加，系统的整体功能是各要素在孤立状态下所没有的新质。他用亚里斯多德的“整体大于部分之和”的名言来说明系统的整体性，反对那种认为要素性能好，整体性能一定好，以局部说明整体的机械论的观点。同时认为，系统中各要素不是孤立地存在着，每个要素在系统中都处于一定的位置上，起着特定的作用。要素之间相互关联，构成了一个不可分割的整体。要素是整体中的要素，如果将要素从系统整体中割离出来，它将失去要素的作用。正象人手在人体中
系统是什么意思？复杂是什么意思？复杂系统又是什么意思？ 复杂系统和简单系统的区别在哪里？ 复杂系统的特征和基本性质是什么？ 现实生活和科研中我们接触到哪些复杂系统及其性质的实例？ 我们平时所接受的教育，对于自然界和人类世界的理解，所使用的基本假设和前提，有多少是来自于简单系统？可能存在哪些局限性？ 对于复杂系统的理解，会给我们的思维带来哪些变革，给科研和社会生活带来哪些新的启发？ 系统是由若干相互联系、相互作用的要素组成的具有特定结构与功能的有机整体。 简单系统： 微积分、牛顿力学、热力学的研究对象；机械结构、理想气体 死的，不演化的组分少线性的可还原的 复杂系统： 细胞；生物体；大脑；社会组织；生态系统 活的，演化的3个以上组分非线性的不可还原的涌现性 复杂系统 具有变量来自不同标度层次的结构，或者大量相互之间有差别的单元构成的动态系统。通常表现出复杂性，但也可能出现简单性。 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。 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。复杂系统是一个很难定义的系统，它存在于这个世界各个角落。如此，我们也可以这样定义它: 1.不是简单系统，也不是随机系统。 2.是一个复合的系统，而不是纷繁的系统（It'scomplexsystem,notcomplicated.） 3.复杂系统是一个非线性系统。 4.复杂系统内部有很多子系统（subsystem），这些子系统之间又是相互依赖的（interdependence），子系统之间有许多协同作用，可以共同进化（coevolving）。在复杂系统中，子系统会分为很多层次，大小也各不相同（multi-level&multi-scale）。 关于系统的分类（和复杂系统相关的系统） 通俗的讲系统可以分为三类： a)简单系统simplesystem，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。在管理学中，这种组织一般是出现在组织的初期，比如一个班级，抱着同样的目的，有同样
第5卷第4期 复杂系统与复杂性科学 Vol .5No .42008年12月 COM P LEX SYSTE M S AND COM P LEX I TY SC I E NCE Dec .2008文章编号:1672-3813(2008)04-0021-08 收稿日期:2008-10-10 基金项目:国家基础研究计划973项目(2006CB705500);国家自然科学基金(60744003,10635040,10532060,10472116);中国科学院院长基金 特别支持项目计划《复杂网络的结构与功能及动力学性质研究》;高等学校博士学科点专项科研基金(20060358065) 作者简介:汪秉宏(1944-),男,江西婺源人,教授,中国科学技术大学理论物理研究所所长,主要研究方向为复杂系统理论、复杂性科学、统计 物理、计算物理和非线性动力学。 当前复杂系统研究的几个方向 汪秉宏1,2,周 涛 1,3,王文旭4,杨会杰2,5,刘建国1,3,赵 明1,6,殷传洋7,韩筱璞1,谢彦波 1(1.中国科学技术大学近代物理系理论物理研究所复杂系统研究组,合肥230026; 2.上海系统科学研究院及上海理工大学复杂适应系统研究所,上海200093; 3.瑞士弗里堡大学物理系,瑞士弗里堡CH -1700;4.亚利桑那州立大学电子工程系,美国亚利桑那州85287-5706; 5.新加坡国立大学物理系,新加坡119077; 6.香港浸会大学物理系,香港; 7.南京信息工程大学,南京210044) 摘要:复杂系统与复杂性科学被誉为21世纪的科学,是吸引跨学科广泛注意的新 型交叉科学。简要概述了复杂系统研究的几个重要方向,包括网络同步、网络交通 流、新一代信息网络的结构和动力学、演化合作博弈、生物网络复杂性、人类动力学 和信息物理学。 关键词:复杂系统;复杂性科学;复杂网络;人类动力学;信息物理学 中图分类号:N94文献标识码:A Severa l D i recti on s i n Co m plex Syste m Research WANG B ing 2hong 1,2,Z HOU Tao 1,3,WANG W en 2xu 4,Y ANG Hui 2jie 2,5,L IU J ian 2guo 1,3,ZHAO M ing 1,6,YIN Chuan 2yang 7,HAN Xiao 2pu 1,X IE Yan 2bo 1(1.Depart m ent of Modern Physics,I nstitute of Theoretical Physics and Gr oup of Comp lex Syste m, University of Science and Technol ogy of China,Hefei 230026,China; 2.I nstitute of Comp lex Adap tive Syste m s,Shanghai Acade my of Syste m Science and University of Shanghai f or Science and Technol ogy,Shanghai 200093,China; 3.Depart m ent of Physics,University of Fribourg,Fribourg CH -1700,S witzerland; 4.Depart m ent of Electr onic Engineering,A rizona State University,A rizona 85287-5706,US A; 5.Depart m ent of Physics,Nati onal University of Singapore,119077,Singapore; 6.Depart m ent of Physics,Hong Kong Bap tist University,Hong Kong,China; 7.Nanjing University of I nfor mati on Science and Technol ogy,Nanjing 210044,China ) Abstract:A s the 21st 2century ’s science,the comp lexity science is attracting wide attenti on fr om the sci 2 entific community .I n this paper,we highlight s ome relevant key issues,including net w ork 2based syn 2 chr onizati on,traffic dyna m ics on net w orks,structure and evoluti on of inf or mati on net w orks in the next generati on,ev oluti onary cooperating ga me,comp lexity of bi ol ogical net w orks,human dyna m ics and inf o 2 physics .
一、名词解释： 1. 系统: 是由相互联系相互作用的要素或部分组成的，具有一定结构和功能的有机整体。 2. 系统科学：以系统及其机理为对象，研究其类型内容运动规律的科学或知识体系。 3. 元素：最小的即为不需要划分的组分。 4. 系统的结构：组分与组分之间关联方式的总和或系统把元素整合为统一整体的模式。 5. 整体涌现性：多个要素组成系统后,出现了系统组成前单个要素所不具有的性质, 这个性质并不存在于任何单个要素当中,而是系统在低层次构成高层次时才表现出来，系统功能往往表现为“整体大于部分之和”。 6. 层次：通常是指构成系统的元素之间按照整体与部分的构成关系而形成的不同质态的分系统及其排列方式。 7. 环境：系统整体存在和发展的全部条件的总和。 8. 系统的边界：把系统和环境分开的的东西，从空间上看，边界是把系统与环境分开的所有点的集合。 9. 系统的功能：系统行为所引起的，有利于环境中某些事物乃至整个环境存续和发展的作用。 10. 系统的演化：系统的结构、状态特性、行为、功能等随时间的推移而发生的变化。 11. 系统方法：凡使用系统的方法认识和处理问题的方法，不管是理论的还是经验的，数学的还是非数学的等都是系统方法。 12. 模型：给对象实体以必要的简化，用适当的表现形式或规则，把它的主要特征描绘出来，这样的得到的模仿品。 13. 运筹学：是利用现代数学特别是统计数学的成就研究人力物力财力的运用和筹划，使能发挥最大效率的科学。 14. 控制论：研究动物（包括人类）和机器内部控制和通信的科学。 15. 模拟：根据原型来制造或组织模型，使模型与原型之间具有相似特征的过程。 16. 信息论：关于信息的本质和传递规律的科学理论，是研究信息的计量、发送、传递、交替、接受和贮存的一门新兴学科。 17. 信息：是指事物在内部或外部因素作用下所产生的变化或结果，其中作用者称为致信物，被作用者称为信息载体。 18. 黑箱方法：通过分析未知系统输入和输出地对应关系，来认识其内部结构并加以控制的方法。 19. 灰箱方法：运用已有知识结合黑箱方法去推测系统内部结构特征的认识方法。 20. 控制：指在一定环境中，一个系统通过一定方式驾驭或支配另一个系统做合目的的运动的行为及过程。 21. 系统工程：以组织建立或经营管理某一系统为目的的工程，如筹建矿山开建的工程为工业系统工程，农业农田建设的工程为农业系统工程。 22. 数学模型：是描述元素之间，子系统之间，层次之间相互作用以及系统与环境相互作用的数学表达式。
复杂性科学的简介 兴起于20世纪80年代的复杂性科学(complexity sciences)，是系统科学发展的新阶段，也是当代科学发展的前沿领域之一。复杂性科学的发展，不仅引发了自然科学界的变革，而且也日益渗透到哲学、人文社会科学领域。英国著名物理学家霍金称“21世纪将是复杂性科学的世纪”。复杂性科学为什么会赢得如此盛誉，并带给科学研究如此巨大的变革呢?主要是因为复杂性科学在研究方法论上的突破和创新。在某种意义上，甚至可以说复杂性科学带来的首先是一场方法论或者思维方式的变革。尽管国内外学者已经认识到研究复杂性科学的重要意义，然而要想找出一个能够符合各方研究旨趣的复杂性科学的概念还有困难。虽然目前人们对复杂性科学的认识不尽相同，但是可以肯定的是“复杂性科学的理论和方法将为人类的发展提供一种新思路、新方法和新途径，具有很好的应用前景”。黄欣荣认为尽管复杂性科学流派纷呈、观点多样，但是复杂性科学却具有一些共同的特点可循：(1)它只能通过研究方法来界定，其度量标尺和框架是非还原的研究方法论。(2)它不是一门具体的学科，而是分散在许多学科中，是学科互涉的。(3)它力图打破传统学科之间互不来往的界限，寻找各学科之间的相互联系、相互合作的统一机制。(4)它力图打破从牛顿力学以来一直统治和主宰世界的线性理论，抛弃还原论适用于所用学科的梦想。(5)它要创立新的理论框架体系或范式，应用新的思维模式来理解自然界带给我们的问题。 复杂性科学是指以复杂性系统为研究对象，以超越还原论为方法论特征，以揭示和解释复杂系统运行规律为主要任务，以提高人们认识世界、探究世界和改造世界的能力为主要目的的一种“学科互 涉”(inter—disciplinary)的新兴科学研究形态。 复杂性科学研究主流发展的三个阶段 复杂性科学研究主流发展的三个阶段主要是指：埃德加·莫兰的学说、普利高津的布鲁塞尔学派、圣塔菲研究所的理论。 (1)埃德加·莫兰的学说埃德加·莫兰是当代思想史上最先把“复杂性研究”作为课题提出来的人。莫兰正式提出“复杂性方法”是在他1973年发表的《迷失的范式：人性研究》一书中。莫兰复杂性思想的核心是他所说的“来自噪声的有序”的原则，该原则可以简要表述如下：将一些具有磁性的小立方体散乱地搁置在一个盒子里，然后任意摇动这个盒子，最后人们看到盒子中的小立方体在充分运动之后根据磁极的取向互相连接形成一个有序的结构。在这个例子中，任意地摇动盒子是无序的表现，显然单靠它不能导致小立方体形成整体的有序结构。小立方体本身具有磁性，是产生有序性的潜能，但是这个潜能借助了无序因素的辅助或中介而得以
内河航道中交通流理论应用初探 徐婷婷 河海大学港口海岸及近海工程系，江苏南京（210098） E-mail：tingting_qq_0@https://www.doczj.com/doc/47583904.html, 摘要：随着内河航道的不断发展，研究船舶交通流基本理论，并用其指导内河船舶运行，具有非常重要的意义。本文尝试性地借鉴了道路交通流理论，对船舶交通流理论作了一些探讨和研究。本文着重描述了船舶流量、船舶交通密度、行程速度三个重要的船舶交通流理论参数同时分析了它们的相互间关系并给出了相关的基本经验公式。 关键词:船舶交通流船舶交通密度行程速度 1. 交通流理论概述 交通流理论是交通工程学的基础理论，广泛地应用于交通运输工程学的各个领域。交通流理论是研究交通流变化规律的方法体系，是一门边缘科学。它通过分析的方法来阐述交通现象及其机理，探讨交通流各参数间的相互关系及其变化规律，从而为交通规划、交通控制、道路设计、以及智能运输系统提供理论依据和支持。交通流量模型的发展是伴随着汽车工业和交通需求的迅速增长而发展起来的。上世纪30年代，J.P.Kinzer 首次将泊松分布应用于交通流；50年代初,L.A.Pipes 首次提出交通跟驰模型；1955年，M.J.Lighthill, J.B.Whitham 以及P.I.Richards各自独立的提出了交通流流体力学模型，简称为LWR模型。20世纪70年代，H.J.Payne提出了交通流动量方程和连续性方程构成的交通流动力学高阶模型；与此同时，著名的物理学家I.Prigogine和R.Herman运用气体动力理论提出了交通流气体动力论模型。在非线性科学和复杂性科学的推动下，K.Nagel和M.Schreckenberg提出了一维元胞自动机交通流模型，简称NS模型；O.Biham,A.A.Middleton和D.Levine提出了二维的元胞自动机交通流模型，简称BML模型。综上介绍了基于连续性描述的流体力学交通流模型，基于概率统计描述的气体动力论模型、基于微观离散描述的跟驰模型、元胞自动机模型三类交通流模型。这三类模型从物理的角度来看，可分别认为是宏观模型、介观模型和微观模型[1]。宏观的流体力学模型便于直观上把握交通流的整体特性，在简化的情况下容易得出解析解，给出交通流的基本行为,这也是迄今仍然运用的最广泛的交通流模型。交通流在公路上应用相当完善和广泛，各国在这方面做了大量的相关研究，现在公路交通流理论还在进一步发展；交通流也逐渐应用到海域上，使海域得到了科学化管理；令人遗憾的是交通流理论还未在内河中得到应用，随着内河航道的不断发展，丰富船舶流基本理论,并用其指导内河船舶运行,具有非常重要的意义。就目前而言，船舶交通流的研究还是要借鉴道路交通流研究而进行的，本文尝试性地对船舶交通流作了一些探讨和研究。 2. 船舶交通流理论参数及其特性[4~6] 船舶运输流指在一定水路航段上,按照给定方向运行的船舶总体或大量船舶,简称船舶流,是交通流的一种。船舶流在航道上的流动类似于液体，因此可以利用液体的数学模型，经过修正后来描述船舶交通[2~4]。船舶流具有系统的基本特征，单个船舶无法成为船舶流,船舶交通量(在单位时间里通过水路网点的船舶数量)、行程速度（船舶在单位时间内通过的距离）和传播交通密度(在单位水路长度上通过的船舶数量)构成了船舶流常用的三个表征物理量。 2.1 船舶交通量
systematic scientific methods; system science method; systematic scientific method; system science methods; 系统科学方法" 英文对照 1、是对系统方法、反馈方法、功能模拟方法、信息方法等现代科学方法的统称。△形象点说,系统科学是这些方法产生的母体,而这些新型方法则是系统科学的结晶,因而我们把这些方法统称为系统科学方法。(庞元正《现代思维与改革》) 查看全文 "系统科学方法" 在工具书中的解释 1、1.现代系统科学方法的基本观点所谓系统科学方法是指以系统论、控制论、信息论和耗散结构论、协同论、突变论的基本思想和方法 文献来源 "系统科学方法" 在学术文献中的解释 科学 系统 系统科学 "系统科学方法" 在工具书中的参考阅读 研究 "系统科学方法" 相关问题的主要学者 黄强 李明锋 畅建霞 马来平 王惠珍 陈有亮 王义民 王方华 王继荣 涂国平 陈依元 王凡 孟庆云 李丹 柳晓春 肖萍 李自强 张文泉 李妍 乌杰 《系统辩证学学报》 乌杰系统科学网https://www.doczj.com/doc/47583904.html,/Default.asp 系统科学中文书目 N.维纳《控制论》,郝季仁译，科学出版社，1962。 H.格林尼斯基《控制论简述》,科学出版社，1963。 W.R.艾什比《控制论导论》，张理京译，科学出版社，1965。 [奥]埃尔温·薛定谔《生命是什么？》上海人民出版社，1973。 N.维纳《人有人的用处》,陈步译，商务印书馆，1978。
冯.诺意曼《计算机和人脑》，甘子玉译，商务印书馆，1979。 W.B.坎农《躯体的智慧》，范岳年魏有仁译，商务印书馆，1980。 [苏]А.Я.列尔涅尔《控制论基础》，刘定一译，科学出版社，1980。 涂序彦潘华郭江黄秉宪编《生物控制论》，科学出版社，1980。 奥斯卡·兰格《经济控制论导论》，杨小凯译，中国社会科学出版社，1981。 M.A.阿尔贝勃《大脑、机器和数学》，朱熹豪金观涛译，商务印书馆，1982。 P.卡洛《生物机器--研究生命的控制论途径》，科学出版社，1982。， 湛垦华沈小峰等编《普里高津与耗散结构理论》。，陕西科学技术出版社，1982。 金观涛华国凡《控制论和思想方法论》，科学普及出版社，1983。 魏宏森《系统科学方法论导论》，人民出版社，1983。 金观涛刘青峰《兴盛与危机》，湖南人民出版社，1984。 H.哈肯《协同学--引论物理学、化学和生物学中的非平衡相变和自组织》，徐锡申等译，原子能出版社，1984。 A.F.G.汉肯《控制论和社会》，黎鸣译，商务印书馆，1984。 瓦·尼·萨多夫斯基《一般系统论原理》，贾泽林等译，人民出版社，1984。 黄麟雏李继宗邹珊刚《系统思想与方法》，陕西人民出版社，1984。 赫伯特·A·西蒙《关于人为事物的科学》，杨砾译，解放军出版社，1985。 [美]E.拉兹洛《用系统论的观点看世界》，闵家胤译，上国社会科学出版社，1985。 伊·普里戈金《从存在到演化》，曾庆宏等译，上海科学技术出版社，1986。 尼科利斯普里戈京合著《非平衡系统的自组织》，徐锡申等译，科学出版社，1986。 尼柯里斯普利高津合著《探索复杂性》，罗久星等译，四川教育出版社，1986。 王雨田主编《控制论、信息论、系统科学和哲学》，中国人民大学出版社，1986。 李如生编著《非平衡态热力学和耗散结构》，清华大学出版社，1986。 [美]拉·迈尔斯主编《系统思想》，杨志信、葛明浩译，四川人民出版社，1986。 [美]司马贺（Herbert A.Simon）《人类的认知--思维的信息加工理论》，荆其诚张厚粲译，科学出版社，1986。 宋毅何国祥编著《耗散结构论》，中国展望出版社，1986。 杨士尧编著《系统科学导论》，农业出版社，1986． 路·冯·贝塔朗菲《一般系统论--基础、发展、应用》,秋同、袁嘉新译，社会科学文献出版社,1987。 [美]冯·贝塔朗菲《一般系统论--基础、发展和应用》,林康义等译，清华大学文献出版社,1987。 E.拉兹洛《系统、结构和经验》，李创同译，上海译文出版社，1987。 普里戈金斯唐热合著《从混沌到有序》，曾庆宏沈小峰译，上海译文出版社，1987。 金观涛《整体的哲学》，四川人民出版社，1987。 邹珊刚、黄麟雏等《系统科学》，上海人民出版社，1987。 沈小峰胡岗姜璐编著《耗散结构论》，上海人民出版社，1987。 杰里米·里夫金《熵：一种新的世界观》，吕明袁舟译，上海译文出版社，1987。 H.哈肯《协同学——自然成功的奥秘》，载呜钟译，上海科学普及出版社，1988。 霍绍周编著《系统论》，科学技术文献出版社，1988。 拉兹洛《进化——广义综合理论》，社会科学文献出版社，1988。 金观涛《我的哲学探索》，上海人民出版社，1988。 勒内·托姆《突变论：思想和应用》，周仲良译，上海译文出版社，1989。 陈禹《关于系统的对话--现象、启示与探讨》，中国人民大学出版社，1989。 马清健《系统和辩证法》，求实出版社，1989。 [美]詹姆斯·格莱克《混沌--开创新科学》，张淑誉译，上海译文出版社，1990。
什么是复杂系统论 什么是复杂系统？也许你会说：具有复杂性的系统，就是复杂系统，而简单的系统就不是复杂系统。然而事实可能远没有这么简单，请尝试回答下面的几个问题： 飞鸟是如何聚集成群的？蚂蚁如何形成王国？为什么冷战结束，世界反而硝烟四起？为什么苏联以及东欧等一系列社会主义国家会在1989年的几个月内轰然坍塌？生命是如何起源的？计算机病毒具有生命么？为什么在1998年爆发了亚洲经济风暴，进而导致全球的经济危机？大脑是什么？感情、思想、目的和意识这样不可言喻的特征是如何产生的？难道大脑仅仅是简单的随机进化的结果么？ 这些问题看似不是什么科学的问题，然而它们都有一个共同点，就是属于同一种系统，既复杂系统。 首先，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，两者具有根本性的不同。简单系统通常具有少量个体对象，它们之间的相互作用比较弱，或者具有大量相近行为的个体，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，但也不是越大越复杂。另外复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、生态系统中的动植物……，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。根据这个定义，我们不难总结出复杂系统的以下几个核心的特点： （1）中等大小数目的主体，通俗的讲也就是元素不能少，也不能太多。对于一般的系统我们可以按照系统内个体的数目以及相互作用的强度进行分类，得到下面的图： a)简单系统b)无组织的复杂系统c)有组织的复杂系统 说明：a)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。 b)无组织的“复杂”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。热力学研究的对象一般就是这样的系统。 c)有组织的复杂系统：特征是元素数目很多，且其间存在着强烈的耦合作用。
系统论超越了还原论，复杂性理论又超越了系统论的三个梯级详细概述 摘要：莫兰认为系统论超越了还原论，复杂性理论又超越了系统论，它们代表着科学方法论依次达到的三个梯级。 复杂性研究从20世纪末叶兴起，目前在国内外已成为许多学科领域内研究的前沿和热点。它涉及又一个新型的跨学科的方法论。虽然人们对“复杂性”概念还缺乏严格一致的定义，但大家都意识到复杂性方法是为弥补长期占统治地位的经典科学的简化方法的不足而产生的。下面我结合分析国际上复杂性研究的主流的三个阶段或流派的学说的内容来探讨一下复杂性方法的基本内涵。 法国哲学家埃德加·莫兰是当代系统地提出复杂性方法的第一人，他追求在人类思想领域里实现一个关于“复杂性范式”的革命。他的复杂性方法主要是用“多样性统一”的概念模式来纠正经典科学的还原论的认识方法，用关于世界基本性质是有序性和无序性统一的观念来批判机械决定论，提出把认识对象加以背景化来反对在封闭系统中追求完满认识,主张整体和部分共同决定系统来修正传统系统观的单纯整体性原则，等等。莫兰提出复杂性思想的标志时间可以定在他发表《迷失的范式：人性研究》一书的1973年。1979年，比利时著名科学家普利高津首次提出了“复杂性科学”的概念。普利高津实质上是把复杂性科学作为经典科学的对立物和超越者提出来的。他说：“在经典物理学中，基本的过程被认为是决定论的和可逆的。”（普里戈金、斯唐热《从混沌到有序》，上海译文出版社，1987年，第42页）而今天，“物理科学正在从决定论的可逆过程走向随机的和不可逆的过程。”（同上书，第224页）普利高津紧紧抓住的核心问题就是经典物理学在它的静态的、简化的研究方式中从不考虑“时间”这个参量的作用和无视自然变化的“历史”性。他所提出的关于复杂性的理论就是不可逆过程的物理学的理论，主要是揭示物质进化机制的耗散结构理论。普利高津说这个理论研究了物理、化学中的“导致复杂过程的自组织现象”。因此我们可以认为普利高津所说的“复杂性”意味着不可逆的进化的物理过程所包含的那些现象的总体：在热力学分岔点出现的多种发展可能性和不确定性，动态有序结构的不断
自然辩证法论文 论文题目：复杂性科学及方法论研究与应用 学院：研究生学院 班级：硕研2012-10班 姓名：赵明磊 学号： 2012021042 专业：软件工程 摘要 复杂性科学是研究复杂系统行为与性质的科学，它的研究重点是探索 宏观领域的复杂性及其演化问题。它涉及数学、物理学、化学、生物学、 计算机科学、经济学、社会学、历史学、政治学、文化学、人类学和管理 科学等众多学科。之所以被称为复杂性科学，有很多种理由，其中之一是 由于它具有统一的方法论——整体论或非还原论。因此复杂性科学被称为 整体论科学或非还原论科学，也有人把它看作是与简单性科学相对立的科学。复杂性科学诞生的标志是一般系统论的创立。复杂性科学是指以复杂 性系统为研究对象，以超越还原论为方法论特征，以揭示和解释复杂系统 运行规律为主要任务，以提高人们认识世界、探究世界和改造世界的能力 为主要目的的一种“学科互涉”的新兴科学研究形态。 关键字：复杂性科学、复杂性、复杂系统、方法论、复杂性系统、科学、简单性科学、整体论、非还原论 Abstract Complexity science is the study of complex system behavior and the nature of science, it emphases of the research is to explore the complexity of macroscopic field and its evolution problem. It involves mathematics, physics, chemistry, biology, computer science, economics, sociology, history, politics,
复杂性科学视角下的中医学研究 本文从网络收集而来，上传到平台为了帮到更多的人，如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载本文档（有偿下载），另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意！ 中医学的发展与现状是人们近年来关注较多的问题之一，在迈过了中医科学性争论之后，我们基本上已能够形成一个统一的认识：要论述中医的科学性，要具体定义对科学的理解；科学的概念所指不同，中医与科学的归属自然也不尽相同。然而，中医学如何能用现代的语言表达清楚，能够为更多的人所理解，将它的治病方法和诊疗思路推而广之，进而普及仍然是一个棘手的问题。复杂性科学是解读中医的一个很好的契合点，从复杂性科学的视角看待中医，无疑为中医的诊疗思维和治病方法的展示提供了有效地借鉴范式。 1.复杂性科学视野中的中医 什么是复杂性科学？复杂性科学无论在哲学上还是在实践中都推进着时代和科学的前沿探索。目前我们还无法对复杂性给出明确的定义，迄今也没有一个统一的范式。《大英百科全书》中关于系统科学中的“复杂性”属性描述了八种特征：（1）不可预言性；（2）连通性；（3）非集中控制性；（4）不可分解性；（5）奇
异性；（6）稳定性；（7）不可计算性；（8）突现性。这些关于复杂性特征的内容都具有确定的解释，同时也激发了把复杂性研究及其范式应用于自然科学以及人文、社会科学等各个领域，其思想和概念渗透到各门具体学科之中，成为重要的科学理念和思维方法。在复杂性研究领域内，Science（科学）杂志于1999年的复杂性专辑中选用了“复杂系统——超越还原论”的表述，后来学者们倾向于称之为“复杂性科学”这一用语。戴汝为院士更将复杂性科学称之为“21世纪的科学”因为复杂性科学打破了线性、均衡、简单还原的传统范式，而致力于研究非线性、非均衡和复杂系统带来的种种新问题。 通过对复杂性科学的探索和研究，我们知道世界是物质的，物质是以系统的形式存在的。什么是系统？贝塔朗菲认为，系统是处于一定相互关系中与环境发生关系的各组成部分（要素）的总体。或者说，系统集合内各要素按一定的结构组织而成的一个整体，并在与外部环境进行物质、能量、信息交换过程中体现出一定的功能。而中医正体现了复杂性研究中的系统论思想。系统科学和已有的其它科学不同，它是从事物的整体与部分，全局与局部以及层次关系的角度来研究客观世界的。这里的客观世界包括了自然、社会
一、结合自己的研究领域或方向谈谈系统科学的历程、启示 系统科学由各门系统工程、运筹学，控制论和信息论，加上系统学共同形成的一个科学体系。三大发现是其产生的基础，先是经历了定量化的发展：微分方程、混沌，分形等有了长足的进步，然后计算机的出现为系统科学的产生提供了极有利的条件，还有系统思维的影响，工程与管理需求的促进等，都为系统科学的产生奠定了基础。系统科学孕育在信息学、控制学、系统论、运筹学和系统工程等科学中。 系统科学先后经历了形成与发展(20世纪40年代-60年代)、自组织理论的建立(20世纪70年代-80年代)、复杂系统的兴起三次浪潮(20世纪80年代-现在)。系统科学发端于20世纪20年代，奥地利生物学家贝塔朗菲倡导的机体论就是一般系统论的萌芽。后来，又产生了一般系统理论、控制论和信息论即“老三论”，老三论的产生预示着系统科学产生的必然性，也为其产生奠定了坚实的基础。自组织理论的建立揭开了系统科学发展的新浪潮，耗散结构理论、协同学、突变论和超循环理论也就是“新三论”的产生，进一步完善了系统科学。1986年-1994年系统综合理论结构论的产生，即复杂系统的兴起，开创了现代的系统综合方法，使系统科学得到了进一步发展。 启示：行为决策理论研究始于对理论决策理论中的不足和弊端进行的探索，至今的发展历程可以分为萌芽期、兴起期和蓬勃发展期三个阶段。在这三个阶段中，决策行为实证研究一直贯穿于其中，而决策行为的实证研究方法在很大程度上对行为决策理论的发展起着推动抑或限制的作用。无论是系统科学还是行为决策理论的发展都是一个不断探索的历程，都经历了由简到繁、由特殊到普遍的历程，凝结了无数科学家的心血。同时，还要不断的进行下去，继续发展下去。 二、谈谈系统观对自己科研的帮助 广义的系统观是指以系统的观点看自然界，系统是自然界物质的普遍存在形式，提出了系统和要素，结构与功能等新的范畴，揭示了自然界物质系统的整体性、关联性、层次性、开放性和动态性、自组织性。系统思想是指唯物辩证法所体现的物质世界普遍联系及整体性的思想，是“以近乎系统的形式描绘出自然界相互联系的清晰图画”的思维方法，是关于事物整体性的观念、相互联系的观念和演化发展的观念。系统观和思想经历了古代朴素的系统观、近代辩证系统观和现代系统观。古代系统观把世界当做一个统一的整体并从组成因素之间的辨证关系来研究问题；近代辩证系统观则是强调为了认识整体必须认识“部分”，只有认识了部分的特性才可以根据其性质把握整体的特性。现代系统观的辩证唯物论的出现为现代系统科学方法论的产生提供了思想理论基础。 启示：管理者通过制定决策来解决问题，通过使用系统的方法求解问题，管理者一定要有系统的观念。在我们的科研过程中，更是要重视系统的观念，采用辨证的系统观，既要避免“只见森林，不见树木“的古代方法论，也要避免”只见树木，不见森林“的近代科学方法论。面对问题，要注意问题和问题的相互联系性，问题的整体性和不断发展性，要用发展的态度审视问题，从整体上、宏观上对问题进行深刻的分析，进而采用科学系统的方法解决问题。在当今日益严谨的科研项目中，辩证的系统观发挥着无可替代的作用。 三、结合非线性科学、复杂性科学，谈谈对管理科学的认识 非线性科学是一门研究非线性现象共性的交叉学科。它是自20世纪六十年代以来，在各门以非线性为特征的分支学科的基础上逐步发展起来的综合性学科，被誉为20世纪自然科学的“第三次革命”。非线性科学几乎涉及了自然科学和社会科学的各个领域，并正在改变人们对现实世界的传统看法。由非线性科学所引起的对确定论和随机论、有序与无序、偶然性与必然性等范畴和概念的重新认识，形成了一种新的自然观，将深刻地影响人类的思维方法，
最优控制论文遗传算法的发展
摘要 最优控制是现代控制理论的核心，它研究的主要问题是：在满足一定约束条件下，寻求最优控制策略，使得性能指标取极大值或极小值。解决最优控制问题的主要方法有古典变分法、极大值原理和动态规划。 最优控制理论已被应用于综合和设计最速控制系统、最省燃料控制系统、最小能耗控制系统、线性调节器等。目前研究最优控制理论最活跃的领域有神经网络优化、模拟退火算法、趋化性算法、遗传算法、鲁棒控制、预测控制、混沌优化控制以及稳态递阶控制等。 作为一种比较新的一种新的优化算法—遗传算法(Genetic Algorithm, 简称G A )正在迅速发展。 遗传算法是一种基于生物自然选择与遗传机理的随机搜索与优化方法。近年来,由于遗传算法求解复杂优化问题的巨大潜力及其在工业工程领域的成功应用,这种算法受到了国内外学者的广泛关注。本文介绍了遗传算法的研究现状,描述了它的主要特点和基本原理,概述了它的理论、技术和应用领域,讨论了混合遗传算法和并行遗传算法,指出了遗传算法的研究方向,并对遗传算法的性能作了分析。
目录 1 前言 (1) 2 遗传算法基本理论 (1) 2.1 遗传算法的基本步骤 (1) 2.2 遗传算法的现状 (2) 2.3 遗传算法的应用 (3) 2.3.1函数优化 (3) 2.3.2组合优化 (4) 2.3.3生产调度问题 (4) 2.3.4自动控制 (4) 2.3.5机器人学 (4) 2.3.6图像处理 (4) 2.3.7人工生命 (5) 2.3.8遗传编程 (5) 2.3.9机器学习 (5) 2.3.10数据挖掘 (5) 3 遗传算法的研究方向 (5) 参考文献 (7)
２１４科技资讯 科技资讯 ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２０１０ ＮＯ．０７ ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ 学 术 论 坛 系统科学以复杂的大系统为研究对象，系统科学发端于２０世纪２０年代，奥地利生物学家贝塔朗菲倡导的机体论就是一般系统论的萌芽，与此同时，英国军事部门的科学家研究和解决雷达系统的应用问题，提出了运筹学，这就是系统工程的萌芽。４０年代，美国贝尔电话公司在发展通信技术时，使用了系统工程的方法。美国研制原子弹的曼哈顿工程，是系统工程的成功实践。美国国防部设立的系统分析部，在军事决策方面运用了系统方法。 ５０年代，系统科学的理论研究和教学工作全面展开。贝塔朗菲等人创办了《一般系统论年鉴》。６０年代，系统科学在西方、在苏联得到了广泛的传播。系统的理论研究取得了重要的成果，美国阿波罗登月计划的实现，就是一个突出的范例。７０年代至８０年代，系统科学广泛应用于经济、政治、军事、外交、文化教育、生态环境、医疗保健、行政管理等部门，并取得了令人满意的结果。 中国古代的都江堰是运用系统工程的成功的范例。它主要由三项主体工程：“鱼嘴”岷江分水工程、“飞沙堰”分洪排沙工程、“宝瓶口”工程以及１２０个附属工程巧妙合成，其中每一部分都是不可缺的。６０年代我国在进行导弹研制的过程中也开始应用系统工程技术。到了７０、８０年代系统工程技术开始渗透到社会、经济、自然等各个领域，逐步分解为工程系统工程、企业系统工程、经济系统工程、区域规划系统工程、环境生态系统工程、能源系统工程、水资源系统工程、农业系统工程、人口系统工程等，成为研究复杂系统的一种行之有效的技术手段。 系统工程的特点主要有：（１）研究对象是工程系统。（２）研究目标是让系统达到最优。（３）系统工程学是工业工程学的发展和广泛应用。（４）是横跨许多技术的交叉科学。（５）数学要求高，离不开计算机。 １ 系统工程的应用 系统工程的应用十分广泛，主要有：（１）工程系统：研究大型工程项目的规划、设计、制造和运行。（２）社会系统：研究整个国家和社会系统的运行、管理问题。（３）经济系统：研究宏观经济发展战略、经济目标体系、宏观经济政策，进入投入产出分析等。（４）农业系统：研究农业发展战略、农业结 构、农业综合规划等。（５）企业系统：研究工 业结构、市场预测、新产品开发、生产管理 系统、全面质量管理系统等。（６）科学技术管 理系统：研究科学技术发展战略、预测、规 划和评价等。（７）军事系统：研究国防总体战 略、作战模拟、情报通讯指挥系统、参谋指 挥系统和后勤保障系统等。（８）环境生态系 统：研究环境系统和生态系统的规划、建 设、治理等。（９）人才开发系统：研究人才需 求预测、人才结构分布、教育规划、智力投 资等。（１０）运输系统：研究铁路、公路、航运、空运等的运输规划、调度系统、运输效益分 析、城市交通网络优化模型等。（１１）能源系 统：研究能源合理利用结构、能源需求预 测、能源发展战略等。（１２）区域规划系统：研 究区域人口、经济协调发展规划、区域资源 最优利用、区域经济结构等。 ２ 系统工程的发展前景 现在，系统工程的研究对象已涉及到 各个领域。广义的系统性理论已包括控制 论、系统论、信息论、耗散结构论、协同学、相变理论、超循环理论、生活系统论、突变 论、模糊数学等各种理论。 系统论、信息论、控制论的创立在相同 的历史背景，有大致相同的酝酿过程，从２０ 世纪４０年代末创立到以后的发展，几乎是 同步进行的。这一切都表明三者是相互影 响、相互制约、又相互促进的。把系统论、信 息论、控制论作为一组新兴学科结合起来 进行考察，可能导致新理论的建立。实际上 贝塔朗菲晚年已意识到三者结合的意义， 并企图把三论都包括在他的系统论中，维 纳在控制论的研究中，也触及到了三者结 合的问题；后来也有不少学者很重视三论 内在联系的研究。系统论、信息论和控制论 的出现对当代科学技术的发展和科学思维 方式的变革，发生了巨大影响，它们都把自 己的研究对象作为系统来考察，其中，系统 论以一般系统作为研究对象，信息论以通 讯系统作为研究对象。控制论是研究各类 系统的调节和控制规律的科学。 非平衡自组织理论，提出了一系列发 人深省的新思想。在这些理论的研究中，揭 示了决定论与非决定论、动力学规律与统 计学规律的深邃联系；同时，涉及到物质运 动过程中对称与对称破却、精确性与模糊 性、有序和无序、可逆过程与不可逆过程的 矛盾；这些理论还精彩地体现了渐变和突 变、平衡与不平衡、进化与退化、线性关系与非线性关系的辩证法，把对立的统一、量变与质变、否定之否定的规律生动而具体地展现在人们的面前。从哲学方法论的高度看，耗散结构论、协同学等新理论，是一部生动的辩证法的教科书，它们提出的认识论和方法论问题，必将启迪一代人的思考。以非平衡自组织理论为前提，当前对混沌问题的研究，将会造成对牛顿力学的“第三次突破” ，预示着一场科学技术大革命的出现。牛顿力学３００多年来，已经经过了相对论力学向宏观高速运动的突破，量子力学向微观粒子运动方面的突破，当前对复杂性和混沌问题的研究，特别是对混沌区的内在随机性、奇异吸引子、无穷嵌套的自相似结构、分数维数等特性的研究，将会创造一系列的新方法，产生一系列新的科学思想。这些研究还会帮助人们解开复杂性之谜，对人们研究宇宙的起源、天体的演化、生命的进化、人类的出现等重大课题，都有实际意义。 同时，对非平衡自组织过程和复杂性的探索，也有可能帮助人们提高心理学研究水平，探明心理的奥秘和大脑的“黑箱”；还可以启迪社会学家、经济学家探索社会运动和经济运动的规律，解开人类文化之谜。目前，一些学者正在试图综合各种系统理论，来形成一个关于系统演化的基本理论——系统学，系统学所涉及的内容将会讨论物理运动、生命运动、社会运动这三大运动中的基本问题，为社会科学与自然科学的大统一做初步尝试。城市和经济管理、人口问题和环境保护、国家政体和军事机构、文学艺术、体育等都涉及到复杂性问题，就连当前人们最关心的教育与科技问题也是一个复杂问题。因此，探索复杂性问题，涉及到自然、社会、思维的各个领域和角度，它将比牛顿力学、相对论力学、量子力学更深刻、更广泛、更普遍，所以这种研究将会对科学产生极为深远的影响。参考文献［１］王德胜．现代科技精华［Ｍ］．宁夏人民出版社，１９９３，２．［２］宋健主编．现代科学技术基础知识［Ｍ］．科学出版社，１９９５，４．系统科学发展及其前景 刘志彬 张运法 （邢台学院初等教育学院 河北邢台 ０５４００１） 摘 要：系统科学以复杂的大系统为研究对象，系统科学发端于２０世纪２０年代。系统工程的应用十分广泛， 工程系统、社会系统、经济系统、农业系统、企业系统科学技术管理系统、军事系统、环境生态系统等等。它将比牛顿力学、相对论力学、量子力学更深刻、更广泛、更普遍，所以这种研究将会对科学产生极为深远的影响。关键词：系统科学 发展 应用 前景中图分类号：Ｇ６４文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－３７９１（２０１０）０３（ａ）－０２１４－０１