（人文地理学专业论文）城市地理空间系统的复杂性研究.pdf

摘要 城市一直楚入文建理学、经济学、社会学研究静核心领域之一。今天城市讴在替 代农村成为人类主要的聚居形式，并且其外部环境、内部组成、结构、功能和发展演 化正变得越来越艇杂。随着科技的发展，人们对城市系统的复杂性认识和研究也在不 叛漾入。 以往经济学、社会学、生淼学等学科对城市系统的研究，多采用分解与还原的思 想研究其局部、片面的特征，假城市系统的熬体性决定了其规律仅仅阁还原论的方法 是不施被完垒揭示鹣。地理学黠城市系统豹传统研究存程嚣个倾向，个是把城市蓉 鲮俸为均质实俸，研究其在辩瀚籀土瓣演像，蠢忽视窒阗特征；另一个是研究城市系 统静态的空间分辨与组合，丽忽视过程的研究。复杂性科学对城市系统的研究方* 涞 艾，但由于其自身理论与方法游不成熟，目前它对城市系统的研究比较零散、片面、 不够残熬。麓魏，本文提出了溅枣蘧瑾空闼系统这一概念，力强立足虢代逸理学瓣磷 究范式，从系统的、综合的视角，运用城市地理学、城市经济学、城常规划学、系统 科辫、复杂性科学等学科的理谂与方法，对城市地理空间系统的复杂性做探索性研究。 本文共分为六章。 第一章绪论，论述本论文鹣选题鹜景鸯选慧依攥，磷究框絮与磷巍内容，磺究方 法与技术路线。 第二章复杂性科学的引介及其在地理学和城市系统研究中的应用。酋先讨论复杂 系绫浆痰涵、磷建方法及复杂疆熬刻囊与度惫；然嚣麓遴了复杂注秘学装发曩爨穗： 最艏综述了复杂健科学在地理学和城市系统研究中的斑耀，指出目前谶市系统复杂性 研究存在的问题。 第三章城市地理空间系统磺究。首先掇如本文豹研究对象城市地理空闻系 统。遂焉讨论7 城帝逮理空麓系统豹透赛稳耀境、要素奄子系统、复杂往特征。 第四章城市蛾理空间系统相互作用机制的复杂性。研究了城市地理空间系统要豢 之间、子系统之间和系统与环境之间相互作用的非线性机制、多重反馈机制、竞争与 蛰瓣壤裁、垂维织投毒l 窝复杂逶应规裁。 第五章城市谶理空间系统结构和功髓簸杂性。首先，研究了城市系统入口分布、 土地利用、交通阏络的结构复杂性及三者的复杂关联。其次，讨论了城市系统的功能 复杂性。进两探讨了城市地联空间系统结构、功能、环境三者互动的复杂性。 第六章城隶鳆奠毽空闽系统演纯懿复杂靛。蓄先提了城露蘧瑾空阗系绞演纯复杂憋 的概念模型，进而探讨了其演化的混沌与秩序、周期与越势、不确定蚀、渐变与突变 等复杂规律。 关毽逶：城谬圭| 鎏理空阕系绫；开藏豹复杂莲系统；焚杂淫辩学；羧铡复杂牲； 结构复杂性；功能复杂性；演化复杂性 a b s t r a c t c i t ya l 、a y si so n eo ft l l ec o r er e a hr e a h n so ft h eh l l | m ng e o g r a p h y ，e c o n o m i c s ， a n ds o c i o l o g y t o d a y ，c i t i e sa r er e p l a c i i l g 、，i l l a g e st ob e c o m et h em a i nh a b i t a t i o no f m 趾止砌，锄dm e i re x t e r i o re n v i r o n m e m s ，i 肌e rc o n s t i t l n i o n s ，s t r u c t i l r e s ，f i l n c t i o n sa 1 1 d e v o l u t i o n sj u s tb e c o m e 脚r ea n dm o r ec o i n p l e x a l o n g 枷lt h ed e v e l o p m e 址o fs c i e n c e 趾d t e c l l r l 0 1 0 9 y ，l ep e o p l e su n d e r s t a 】毗i i l ga i l dr e s e a r c ho ft l l e b a ns y s t c mc o m p l e x 埘 a l s od e e p e nc o m 山a l i y m o s to ft h ea g or e s e a r c h e so f b a ns y s t e m si i le c o n o n l i c s ，s o c i o l o g y ，e c o l o g yc t c ， u s e dt oa d o p tt h er e d u c t i v em e t h o d s ，强df o c u so np a n i a l ，l o c a lc l l a r a c t e r i s t i cs t u d yo 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s t c m f i r s t ，i ts n l d i e st h ep o p l l l a t i o nd i s m b u 廿o nc o m p l e x i t y ，l a l l d l l s es t r u c t u r a l c o m p l e x i t y ，也et r a n s p o m d o nn c 咐o r kc o m p l e x 蚵a n dc o n n e c t i o nc o m p l e x 时o ft 1 1 e s e t b r c ep a n so fu r b a ns y g t e m t h en e x tmo r d e r ，i td i s c u s sn l ef h n c t i o n a lc o m p l e x i t yo f u r b a ns y s t e m i l l 1 ee n d ，i t8 i l a l y s e st l l ei n t e m c d v ec o m p l e 菇t y 锄o n g 蛐n l c t u r e s ，f u n c t i o n s ， e n v 的r n e n t so f u r b a ng e o g r a p l l i c a ls p a t i a ls y s t e m c h a p t e rs i x ：t h ec v o l 砸o nc o m p l e x i t yo fl 】r b 趾g c o g 嘲虹c a ls p 撕a ls y s t e m f i r s tt h i s c h a p t e rp r e s e n t sac o n c e p tm o d e lo fe v o l 埘o c o m p l e x 畸o f 山a i lg e o 酣i c a ls p a t i a l s y s t e m ；t h e ns t u d i e st l l ee v o l “o nc o m p l e x la _ w so f _ b a ng e o g r a p h i c a ls p a t i a ls y s t e ms u c h a sc h a o sa 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，它们之间的关联关系很复杂，并且随时间及演化过程有极大的易 变性和复杂性；同时城市与区域，城市与周围环境，城市与城市又无时无刻不在进行 着物质、能量和信息交流。因此城市是开放的复杂巨系统，具有耗散性、动态性、白 组织性、非线性、非平衡性等复杂性特征。 由于长期受还原论哲学思想影响，多数研究者采用了分解和还原的思想去研究城 市地理空间复杂系统，试图将其分解为孤立的子系统和要素，将复杂性还原为简单性。 诸如经济学提出的地租理论、规模效益理论、投入产出分析等城市空间发展机制分析： 社会学提出的以种族( 族裔迁移理论) 和阶级( 新马克思主义理论) 这两大社会关系来 解释城市空间结构的形成和变化；生态学提出的生态位时空及功能分离的城市空间结 构理论等。这些研究方法人为地把城市系统的种种经济社会现象从复杂的联系中孤立 出来，割断其原本的联系。这些方法或多或少地反映了城市地理空间局部的、片面的 特征，但城市地理空间系统的整体性决定了其规律仅仅用还原论的方法是不能发现 的。 地理学是强调综合性的科学，因此地理学对于城市的研究较早的体现了系统思维 和系统方法。但在多数地理学论文中，对于城市地理系统的研究有两个倾向。倾向之 一是将城市地理系统作为均质实体，强调其时间内涵，而研究这一实体各个属性在时 间轴上的协调、反馈等相互作用，其中的代表为系统动力学模型。由于忽视空间特征， 这种研究实质上不能算地理研究。 另一种倾向是重视城市地理系统的空间内涵，强调地理现象的空间分异和空阎结 构，而忽视地理现象发展过程的研究，这种静态研究方法是传统地理学的个特点。 无论是“社能模型”还是近代的c i l r j s t a l l e r 和l 6 s c h 的中心地理论均表现出“知其 然不知其所以然”的内在局限性。k r u g i i l a n 认为，杜能模型完全够得上复杂系统的资 格；在何处种植作物决不是一个简单的问题，将城市附近的土地用来种植某种作物， 就会间接地影响其它作物的运输成本你将被迫在更远的地方种植其它种类的作 物。从突现性方面来考察，杜能模型亦有资格进入其研究范畴。事实上，没有人意识 到同心圆，同心匾| 这种空间格局是自发地突现出来，市场区的组织形式是“人类群体 行为的结果而非刻意设计的产物”。但是，杜能模型研究的是城市地理系统的农业生 行为的结果而非刻意设计的产物”。但是，杜能模型研究的是城市地理系统的农业生 】 产区位问题，而对城市建成区空间没有进行研究。另外，正如杜能的书名所反映的， 杜能模型阐述的是孤立国，没有考虑城市系统之外的因素( 环境、区域、城市体系) ， 因此从本质讲，就城市系统而言，杜能模型研究的是孤立系统。1 9 6 0 年代，m i l l 以 通勤者来替换农民，以中央商务区来替换孤立地，以研究城市的非农业空间结构，将 都市区域描绘成类似于洋葱片的圈层结构。但是随着经济的发展，单中心的城市空间 已经演化为多中心的城市空间，大都区的空间结构更像草莓布丁。而边缘城市的出现， 使都市区的网络结构更加明显，城市空间变得越来越复杂。克里斯泰勒和廖什的区位 论说明了等级体系的可取性，但是没有说明各个层次之间的空间行为，不能解释所突 现的空间格局的稳定性以及当系统的外在环境变化后，这种空间格局的变化趋势( 集 聚与扩散、侵入与接替) 。因此中心地理论并不是一种因果关系模型，而是一种归纳 分类模式只是告诉你是什么，但是不告诉你为什么只是对空间格局的描述， 而非对城市系统演化机制与过程的解释。目前，全球化、国际分工和组织模式的变迁 是当代影响城市与区域发展的重要因素；迅捷化、市场化和地方自治是社会发展的时 代特色；信息产业和信息技术的发展对当今城市的发展影响巨大。当今城市的发展和 城市空间系统的结构在很大程度上取决于城市之间和城市内部的通信联系，新兴的信 息产业正在明显地促进着区域重构( r e c o n s t r u c t i o n ) 和城市转型( t r a n s i t i o n ) ， 并且深刻地影响着城市和区域未来演化的速度、方向和内容。伴随着动态演化和跃迁， 整个城市系统在结构、功能、层次、开放性和相互作用方面日趋复杂，传统城市理论 逐渐显示出其自身的局限性，尤其在预测城市创新活动以及由此导致的结构变化方 面。其实，城市地理系统是一个时空耦合系统，其中的一切地理事实、地理现象、地 理过程、地理表现，既包含空间上的性质，又包括时间上的性质。只有同时把时间与 空间、过程与格局、机制与模式纳入某种统一的基础之中，才能真正认识城市地理系 统的本质规律。因此要充分认识城市地理空间系统的整体性和复杂性，必须运用交叉 思维、复杂思维、系统思维来观察它，用复杂性科学的理论与方法来认识它、研究它。 因此，需要站在新的视角，采用新的理论与方法、设计新的规范分析框架来研究城市 地理系统。 ( 二) 问题的提出 2 0 世纪8 0 年代以来，复杂性科学的发展为作为复杂系统的城市提供新的研究思 路和方法。越来越多的学者开始放弃传统的静态、均衡的理念，将城市作为一个开放、 复杂和非均衡的系统对待，对城市系统的研究不再仅仅限于对客观事物的静态描述 ( 知其然) ，更加着重于揭示客观事物的演化历程和动力机制( 知其所以然) ，并力图 预测城市系统的未来发展和演化路径。近十几年来，分形城市、细胞城市、自组织城 市的研究大量出现。纵观目前的研究成果，我们发现对城市地理系统复杂性的研究存 在以下问题。 1 分形虽然是一种复杂现象，但分形城市的研究更多是一种对城市形态描述， 而非对城市空间演化机制的研究。而复杂性研究关注的重点不仅在于分形和混沌本 身，而是在于城市地理系统的分形结构和具有分形结构的混沌吸引子是如何“无中生 2 囊”遮突现( e 瑚e r g e ) 出来瓣，卸分形结构的形成与演化机制。 2 细胞城市重程对城市进行模拟，假细胞城市起源予“生命游戏”研究，“游戏 规划”囊接决定城市系统的演他， 嚣细胞翻动机模型中的规则很多尉候和现实的规则 不符。爨然许多研究者通过警l 入委多现实辫索，或者运糟神经网络、遗传算法等复杂 技术调练蕊黧镣途径完善缨藤城露懿疆交，毽怒，模拟辨究鬟想接广必爨罄予规裁麴 研究。 3 ，鑫组织城枣豹褥究鬣然嚣麟了看德城毒系统滚纯鼹念，毽愚鑫缀缀城枣臻究 的对空尺度很难恕援，困两舆摩缎织机制的解释也带有缀强的随意性。 4 基于主体的城市研究，虽然从报本一e 把搓了城市空间系统的动力纂础，德蹙 出于空阕结构舆有突现性质，基予主体相照作用的微观辑究，很难搞清城市系统的宏 躐性质，正如对荦个气体分子黔研究，不熊确怒气体酶漱发、压强镣宏蕊往质一样。 。缄枣系统凄力学疆究，在定程度上霹浚反壤溅枣系统发袋豹魂态牲，缀存 在以下几点缺陷：酋先，在数学处理上的假定和简化太多，不能真寓反映城市发臌的 瓣空特杰，难戳奔辑辫释复杂囊孽辍豢理象；其次，这篓模型大多只爨菠跤城枣中享主会 经济指标的动态变化，而不鼹真正的城市象闰结构变识和空闯扩展；此外，这些模型 往往缺芝时空上外推的能力，对簧杂的城市地瓒空闻系统的演纯，如地澍用变亿、 区域可持续发臌、城市增长等现象与问题的模数和研焱盥得力不从心。因此，系统动 办擎键不是磺究城市缝瑾空闷系统静“不二法门”。 逶过疆土分辑霹骧著出，剿瘸瑷钱系统辩学赞蓑淤镶域复杂憋辩学豹璎谂与 方法进行城市遮复杂空间系统的研究工作刚刚开始，对其复杂性的探索尚处在幼年 懿麓，然嚣 争多文献裘骥学零买懑经强烈蟪意毒昃到了勰决这类润题豹遥惦牲积熬矮 校。我匿也特别整视复杂性科学的理论和殿期研究，并髓将其列为图象自然辩学纂金 优先资助领域。导师予2 3 年获得国家囱然科学基金静资韵，课爨麓“城市结梅浆 空闻复杂性研究”( 4 0 3 7 1 0 3 9 ) 。本论文正鼹在这样的背景下，尝试利用复杂性科举的 最鞭藏采来试谖城市系统静蜜体复杂往，探索城市系统辩褥赢作建枫涮，辑究瑟麓释 城枣遗瑾系统瓣窆浚纯静复杂栏，为城枣蛾裁鞠建设提供灏思维、耱壤念窝藏方法。 二、研究蟊檬、蘸究海褰与研究意义 ( 一 爨突爨糠 借助城市地理学、城市疑济学、城市规划攀、系统科学、复杂j 睫科学等学科的理 谂与方法，搽讨缎亵逡理窒灏系绫懿逮雾与嚣壤、要素与组戏，提示城枣遮理窆黼蓦 绕的相置作用机制复杂性、缡构与功能复杂性以及演化复杂健，发展城市系统的筻杂 。陡理论，在此藻础上探讨城市地骥空间系统的优亿理论与方法。 ( 二) 研究内容 第一章为绪论，指出本论文酌选题背袋与选题依撩，醑袋框架与研究内容，磷究 方法与投拳路线。 第二章复杂性科学的引介及其在地理学和城市学中的应用。首先讨论复杂系统的 内涵、研究方法及其特性( 复杂性) 的刻画与度量方法；然后回顾了复杂性科学的发 展历程；最后综述了复杂性科学在地理学和城市系统研究中的应用，指出目前城市系 统复杂性研究存在的问题。 第三章城市地理空间系统研究。任何一门科学，研究对象和研究方法是决定其科 学体系特征的主要因素，科学的界定研究对象，是每一项研究的基础。这一章首先通 过对不同阶段地理学研究内容与特点的回顾，提出本文的研究对象城市地理空间 系统。进而讨论了城市地理空间系统的边界与环境，要素与子系统，并简单的论述了 其复杂性特征。 第四章城市地理空间系统相互作用机制的复杂性。城市地理空间系统的微观机制 决定着其宏观秩序。研究城市地理空间系统要素之间、子系统之间和系统与环境之间 的非线性相互作用机制、反馈机制、竞争与协同机制、自组织机制和复杂适应机制是 本部分的主要内容。 第五章城市地理空间系统结构和功能复杂性。要素、子系统、系统和环境通过非 线性、多重反馈、自组织、竞争与协同、适应与学习等相互作用机制，使城市系统的 整体性质( 结构与功能) “突现”出来，并不断向更加有序和更为复杂的状态进化。 系统突现出的宏观秩序又左右着系统各层次的微观行为。就像新古典经济学中假设消 费者对市场价格只能被动接受一样。系统整体结构和功能是强大的，它对系统的要素 和予系统有支配和役使效应。因此，对系统结构、功能及两者之间的互动研究是本文 研究层次的进一步提高。 第六章城市地理空间系统演化的复杂性。城市作为一个耗散系统是随时间不断演 化的。城市系统的组成异质性、时空复杂性和决策复杂性，使其演化表现出混沌与秩 序、时间之矢、周期与趋势、确定性与随机性、渐变与突变相耦合的复杂特性。城市 地理空间系统复杂演化规律的研究，对于全面认识城市系统复杂性、预测城市的发展 不可或缺，对于城市系统的规划和调控也具有重要的指导意义。 ( 三) 研究意义。 1 理论意义 第一，复杂性科学理论的引介及其在地理学和城市系统研究中的应用分析，为一 般地理系统，特别是城市系统的复杂性研究提供理论启示。 第二，城市地理空间系统结构复杂性、相互作用机制复杂性、结构与功能复杂性 以及演化复杂性研究，丰富了城市系统的复杂性理论，也为城市系统研究提供新的视 角和方法。 第三，城市地理空间系统复杂性的研究，能丰富和更新城市系统优化的理念与方 法。 2 应用价值 目前我国已经进入城市化中期阶段，城市化进程将逐步加快。市场经济、人口城 市化、工业化、全球化、信息化、知识化、生态化等社会经济的现代化和后现化进程 4 孳| 发了嬲烈瑟鬟杂熬城市空阕变动。城泰蹙闼瓣无序( 菠延、衰落、绷揍) 、不乎簿 ( 分区与隔离) 釉城市系统内外环境恶化( 生态、环境、城乡矛盾) 在多数城市不同 稳溲熬存在羞，并蠢不叛热黧豹趋势。城霹亨她理系统空闽复杂性研究磺究除了满足我 们的求知欲和好奇心之外，聪为重要的功能是为城市规划与设计、城市建设与管瑷服 务。其体雨言，有戳下应舔价值。 第一，对于调控和优化我国城市空间系统的结构和功能县有较强的应用意义 第二，对予提升藐匿皱审管联静承平凝畜藏要嚣攘譬意义 第三，对予丰塞我国城枣煺划编制方法具蠢的实鼯意义。 第四，对予推进城市化谶程，为社会经济发展提供优质、商效的空间，为届睡提 珙嶷好懿入屠邵辘具有重要姻现实意义。 量、研究方法和技术路线 ( 一) 研究方法 本文综合运用系统科学、地理科学和簸杂缝耩学的邋论鞭方法研究城市地理空间 系统的复杂往。 ( 1 ) 定性分析与定量研究相结合 城带逮理奎嗣系统复杂靛懿磷究深凌滋该不鞭予赞绞遮理学瓣鄹耪辩客褒攀黪 静静态撼述葳簿单的翘归式疆测，褥是更潜重予揭示复杂空阅系统的内在极制稿演化 历程，并力图尽可能准确的预测和引导其_ 未来的发展和变化，这需鼹从定性分析到定 量研究，再从定量缕暴到定性反恩，不叛反复、不断融合的硒究过稷。 ( 2 ) 微观分擀和宏观综含相络合 城带遗瑾空闻燕统无疑鬟寅多瑟次懿缝缀络构，蔡褪要终蘑耄 i 鞭、濂佬逑程、辩 空模式柱不同滕次上有不同的表现，这是系统微观自邋成和宏观自组织的结果，因此 复杂系统靛穗点决定它本身独特鹣研究方法：一方瑟，瓣空鬟杂洼懿疆究德要舞凌系 统蹙体的特征与演化，另一方嚣，也嚣要了解翻认识大爨徽勰要素秘予系统豹相互作 用机理，所以说，对城市地理空间繇统复杂性的研究应该微蕊分析和宏溉综合相结合， 逮葶孛方法交蛰使用、摆辅期贼。 ( 3 ) 还原论与熬髂论相结合 孵辑对手强餐系统藜骚究豁零莓或缺，毽撼系统巍郝各耱要素、予系统及冀关系 研究清楚了，并不一定能发现系统整体的规律。对于系统整体规律的认识有时也不需 簧瓣系统送行逑缨豹疆突。黧滚体力学_ l 鬈漉俸露秀一个连续鹣整落撩逡，崮萁蠡巍鹣 动力学方程所支配，蕊不会提及分子。复杂性研究在某种程度上更力g 注重整体和宏观 研究，但是还原论的研究方法，有利于防止对城市地瑗空间系统的复杂健研究陷入挚 纯的哲学思辨，甚至于玄学。 ( 4 ) 理论磷究岛实际验 莸研究裙结合 蠛零逮毽窝瀚系统难滚进行受控实骏，只骞综合逡瘸餐学愚辫、数避分搴厅、诗冀 机模拟和实证检验相结合的方法才能得出完善的成果。受限于本人的知识结构，本文 研究方法以理论研究和数理分析为主，以实证研究为辅。 ( 5 ) 多学科思维交叉 城市地理空间系统是由自然、经济、社会、空间等系统的组成复杂巨系统，而这 些系统本身无一不是复杂系统，因此，城市地理空间系统比单纯的自然系统、经济系 统、社会系统和空间系统更加复杂。交叉运用地理思维、经济思维和社会思维有利于 认识城市地理空间系统的复杂本质。 ( 二) 论文技术路线 复杂系统和复杂性科学的引介 复杂性理论在地理学和城市系统应用的现状与问题 组 成 复 杂 性 研究对象的提出和界定 机 制 复 杂 性 结构 与功 能复 杂性 演 化 复 杂 性 理论总结 l 城市地理空间系统优化的建议 圈卜l 论文研究的技术路线 6 第二辈、复杂燃科学引余及其在地理学和城市系缆 中的研究进震 一、复杂系统与复杂性 随着科学静发麓和按本的逐步，系统论觚2 0 毽缀3 e 年代开始兴越，入稍逐渐认 识到系统大予萁组成部分之和，系统具有层次结构和功能结构，系统处于不断地发展 变纯之中，系绫与其环凌 舞赛) 进行蓑物矮、能量耧傣惑豹交换。2 熬纪6 0 年代， 邃立程般系统论、售息谂巍控剿论基础上豹耀代系缝科学发震十分突如。2 0 擞鳃 7 0 年代以来，相变论、耗散结构论、突变论、协同论、混沌论、超循环论等新科学 理论穗楣继酝缴，这进一步炎实彝发展了貔代系统科学；与憩固时，戳浚淹、分彤、 囱组织为核心的非线性科学迅速兴起，穰科学界掀起轩然大波；避入8 0 年代现代系 统幂季学和 线髓稀攀淤及计箨挺入工智筑、入工生命、模猢逢论等遂浠融合，耨互联 系，相互支持，于怒，一门以复杂系统为研究对象的，具有综合性嗣交叉性的崭新科 学复杂馥辩学产生了，它减为骜蘸稀学赛等| 久骥瓣的藤涤矮城。 ( 一) 复杂系统 1 复杂系统的概念与特性 对系统遴行分类熬标凇秘方法缀多，例如，根据系统豹运动帻况，可恕系绞分为 静态系统和动态系统；根据系统的适废佼，可把系统分为透应系统和稚邋应系统；根 爨系统与其嚣嚣环境懿关系，胃熬系统分为开藏系统秘辫溺系统。絮莱我翻稷舔系统 的复杂和简单属性，那么就可把系统分为简单系统和复杂悉统。因此，简单的说，具 鸯复杂特睦鹣系统魏是复杂系统。钱学淼等入撮薅系统数爨帮释类豹多少、予系缝之 阀荚联关系的复杂獠度( 非线性、不确定性、摸糊性嚣) 、瀑次结构以及分板求瓣方 法的复杂程度把系统分为如下几类“ ； 简单系统：彀食的予豢统数逸少，予系统之闯关蓉简单。这类系统用一般方程 可戳讨论，如牛顿方程。 篱摹夏系绞：毽含豹子系绫数嚣多，毽穗类不多，耱炎槎互终耀翘律篦较簿攀。 如物理系统( 激光) 、化学系统。统计举、掷问学等可以处理这种系统。 复杂基系统：予系统数鑫多，关系复杂，霹凑懿遴穰互之阗荧系，毽这鍪关象 一般分层次。妇人体、生物、地理等系统。对于这种系统还没成熬的研究方法。 摄杂巨系统的“开放”属性蹙到科学家的广泛关注，“汗放腑复杂融系统”这一 概念在钱学淼、于景元、戴汝为等系统科学家的不断讨论、总结、提炼巾逐渐形成。 他们认为开放的复杂巨系统舆有鲡下特饿转】； 开放瞧；系统与终郝繇境双及予系统之游存在戆囊、信惑纛耪矮憨交挟，虢系 7 统与环境的关系而言，开放表现为最复杂与最常见的不确定性、动态连续的环境类型。 复杂性不仅体现在系统本身，而且体现在环境。 多层次性：从已经认识的比较清楚的子系统到可以宏观观测的整个系统之间层 次很多，甚至有几个层次也不清楚。 涌现性：系统是由时空交叠或分布的组件构成的，肩负不同的角色的组件间通 过多种交互模式、按局部或全局的行为规则进行交互，组件类型与状态、组件之间的 交互以及系统行为随时间不断改变，系统中子系统或基本单元之间的局部交互，经过 一定的时间之后在整体上演化出一些独特的、新的性质，形成某些模式。 巨大性：系统中基本单元或子系统数目极其巨大，达到成千上万甚至数以亿计。 赛利尔思( p a u lc i l l i e r s ) 比较详细地总结了复杂系统的特征n 1 ： 复杂系统包含有巨大数量的要素。 巨大数量的要素是必要的，但不是充分的。为了组成一个复杂系统，要素之间 必须相互作用，且相互作用必须是动态的。 相互作用非常丰富，也就是说，系统中的任何要素影响相当多的其他要素，同 时也被它们影响。 相互作用有许多重要的特征，其中最重要的特征就是非线性。 相互作用通常是相当短程的，也就是说，信息主要来自于最邻近区域。 相互作用中存在反馈环。 复杂系统通常是开放系统，即它们与环境有相互作用。事实上，经常难于确定 复杂系统的边界。 复杂系统在远离平衡态的条件下运行。 复杂系统有一个历史，它们不仅在时间中演化，而且目前的行为依赖于其过去。 系统中的每个要素对系统的整体行为是无知的，它仅对局域得到的信息有响 应。 诺贝尔奖获得者西蒙却希望复杂系统的特征是：“复杂系统具有内平衡性；具有 分离系统与周围环境的膜。并且在其组成部分之间也存在相互分离的膜；以便使复杂 的功能趋向于在极少数的区域内被完成；通常是近可分解的。当复杂系统处于混沌环 境中时，它们具有处理混沌的特殊机制”h 3 。很显然。西蒙界定复杂系统特征的角 度与前面几个完全不同，他强调系统内部的平衡和专化，强调系统与环境及其组分之 间的分离膜，而不强调系统要素的数量。这与以上强调的系统的非平衡性和开放性， 以及系统组分之间的相互作用是不同的。 美国科学杂志1 9 9 9 年4 月出版了复杂系统专辑，编者把复杂系统粗略地 界定为“对组成部分的理解不能解释其全部性质的系统”。该专辑的内容涉及化学、 生物学、神经科学、动物学、地理学、气候学、经济学、数学、工程学、计算机科学、 物理学等领域，对于如此众多的学科领域，编者并没有定义统一的复杂系统，而是由 作者自己确定其学科中的复杂系统。 笔者认为，虽然对于复杂系统认识和定义尚未统一，但其基本特性大致如下： r ( 1 ) 援模、组成秘层次豹复杂牲。帮蠢大爨的多耪多样秘元素、予系统。每个子 系统在相对自由的环境中，凝有相对独立的结构、功能与行为。同时，每层次的系 绞帮是其上一屡次系统豹组成单元( 子系绞) ，不圈层次的予系统不仅表现为要素数 量釉种类的多纛，而显也表现为不同层次的时黛规律和系统功熊。 ( 2 ) 菲线憾福虿作雳。蔷遮诀为菲线。陡怒产生复杂瞧瀚必要条俸，没鸯菲线穗虢 没有复杂性。非线性说明了系统的整体大予各组成部分之和，即每个组成部分不能代 替整体，每个屡次靛蜀部不熊说鞠整体，鬣瑟次豹麓终不靛瀵秘毒菇次懿浚律。务缝 成部分之间、不嚣层次豹组成郏分之间樱曩关联、相互制豹，并有复杂的# 线性桷夏 作用。 ( 3 ) 机制爨缒织性。协同学豹创始人晗肯对鱼组织“f 过一个经典的定义，他说“翔 暴系统在获得空间鼢、时间的或功能的结构过程中，没脊外群的特定干扰，系统静缩 拇秽臻麓并菲终赛强麓给系统静，褥莛系绕内羚矛蜃静缝莱，辩系统燕蠡缀织瓣“。 按照热力学第二定律，一个封闭系统会从初始结构退化划完众无序的状态，而开放系 统宥霹畿麸无黪状态率产生蠢痔瓣结穗秘横式，系统与辉凌熬耨藤、麓量、信惠交流 是系统囊组织黝条传。当外界供绘的躯量溅翱物质漉接近某峨界燕黔，系统要素之闻 的笑联便逐渐增强，使之原潦无越则的独立运动相应蛾减弱。当达耐绒超过一定阙值 对 演诧溅涟性。系统麓着瓣鬻嚣交貔，缀过系统凌部帮系统与黪凌鹣辐互露穗， 不断适应、调节，通过鱼组织作用经过不弼阶段和过稷，向更高级的蠢序化发展，瀵 现独特的整体行为与特征，丽且系统本身对未来的发麓变亿有一定的预测能力。 初值敏感性：即所谓的“蝴蝶效应”，是攒在系统运行盼过程中，如粜起始状态 稀徽有一点改瓷，酃么随着系统的演纯，这稀变优就会被迅速获慕秘簸丈，最终导毁 系缓行为发生曩犬交琵。漆埝兹纛逶过徽分方糕叠技摸羧天气溥嚣辩发展蠛，保黎零 数点后三位数和保留四位数所产生的叠代结果相差很大。反映到社会和经济现象当中 载波瑗必不霜熬文骤秘裁度鹣社会演毯窝经济发震豹不礁寇性。 奇怪吸引予：复杂系统的演他不具存明显的规律，系统农运动过程中不会重复原 来游轨迹，而怒在稻空间里澎成奇怪吸弓l 予，繇它们总蹙在一个育释的区域内展示出 q 一种通常是极其“无序”的振荡行为。吸引子是一个数学概念，描写运动的收敛类型， 换句话说，一个系统在相空间的演化最终趋向于一种稳定行为形式。有的系统运行轨 道趋向于单点集( 零维吸引子) ，有的系统表现为周期运动，运行轨道趋向于极限环 ( 一维吸引子) 。奇怪吸引子是一种分数维吸引子，在观察上不是表现为整数维吸引子 的光滑的周期运动，而是非光滑的复杂周期运动或混沌运动。 2 复杂系统研究的方法 根据不同的应用目的，复杂系统可以从不同的侧面和层次来研究，譬如通过宏观 结构或微观行为来研究经济系统，这分别构成宏观经济学和微观经济学的内容。v v e i l l u r i 从系统哲学的高度将处理复杂系统方法分为四类阳1 ：一是演绎分析方法，其 哲学观点在于认为“事实是分析的”，因而从第一原理出发通过数学模型演绎分析导 出结论，如经典物理学和现代控制理论基本上就是这样。第二类方法是归纳方法，其 哲学依据在于认为“事实是实验的”，故从已知数据归纳推理导出结论，统计学便是 如此。第三类方法是综合方法，其哲学思想在于认为“事实是综合的”，故将理论与 实验相结合，通过检验多个模型而从中选取满意的一个，如模型结构辨识。此外还有 一种方法是h e g e l 方法，其哲学渊源在于认为“事实是冲突的”，故从正反两个方面 来研究系统及其模型，如博弈论。 从近代科学到现代科学，还原论方法发挥了重要作用，在自然科学中取得了巨大 成功。它所遵循的途径是把事物分解成局部或低层次事物来研究，以为低层次或局部 问题弄清楚了，高层次或整体问题也