（控制理论与控制工程专业论文）采油工程复杂系统研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 人们对自然的探索和认识由简单到复杂。复杂系统的子系统数量大，层次多， 相宜关系复杂，仅通过对子系统的了解，不足以对系统的性质作出完全的解释。对 于这样的复杂系统，其一般性的理论方法尚处在发展之中，且往往要结合具体的复 杂系统进行研究。本文旨在对采油工程复杂系统进行研究，基于系统的观点，构架 采油工程系统的理论方法体系，探索研究解决复杂工程系统问题的方法途径。这对 丰富毙杂系统的理论和处理方法，对石油工业本身的发展，都将具有十分积极的意 义：y 本文概述了系统的分类及处理方法，复杂性研究的动态和已有的成果：在此基 础一1 ，详细分析了采油工程复杂系统的特性，如予系统数量大和种类多、多层次、 多学科性、丌放性、动态性和复杂性等。针对性地提出了研究采油工程复杂系统的 思想方法，即对系统进行分层次处理，由微观到宏观，对微观层次的予系统，进行 门类和典型化处理；在微观分析的基础上，采用定性定量相结合进行宏观决策的方 法。 在微观层次上，油井系统是采油工程的基本子系统。而油井系统又可分成油层 严系统和井筒子系统。对油层子系统和井筒子系统，从其状态参数和输入输出特性 出发进行研究，在室内实验、渗流力学、多相流体力学、热物理学等理论的基础上， 导； i 了油层予系统的压力与产量之间的关系，井筒中多相管流压力、温度与产量之 | 玎】的关系。在此基础上，建立了气举井和有杆泵抽油井系统的模拟模型。提出了基 于系统数学模型的气举井工况诊断方法，和基于神经网络模型和专家系统相结合的 抽油井工况诊断方法。建立了气举井从启动到正常生产全过程的动态仿真模型，并 对气举油井进行仿真，为气举油井的设计和分析提供了有力的工具。 i 在中间层次上，重点研究了规划决策问题。提出了g m ( 1 ，1 ，口) 模型的解法， 并将它用于解决地面管道投资规划问题。针对气举特点，以一个气举单元( 由几个 到几十个子系统组成) 为对象，建立了以效益和产量为目标的气举井用气量的多目 标优化配气模型方法，以满足我国油田管理者既要完成产量指标，又要讲究经济效 益，而且不同时期对产量指标和经济效益指标的要求程度不同的实际决策规划的需 要。 华中科技大学博士学位论文 在复杂系统的综合决策理论和决策方法方面，给出了多指标决策问题的量化模 型及指标量化技术，针对指标权重的不同信息，结合多目标决策理论、最优化理论 和关联分析理论，分别建立了多指标决策的关联优化模型和无信息多指标决策的满 意度模型，并给出了两种新模型的数学解法。 以青西油用为对象，对实际采油工程复杂系统进行研究，目的是针对油田的具 体情况，结合国内外目前的经济、技术环境条件，对关系到油田开发成败的人工举 升方法作出选择。具体研究内容为：首先结合国内外技术经济和青西油田的具体情 况，对可供选择的8 种采油方法进行定性分析，从定性角度，对采油方式作出选择， 并按专家评判等方法，对选择出的2 种方法给出定性指标；按照油井的特性，将其 分成三类，用统计分析等方法，构造典型井；建立典型井的动态模型，对油井动态 进行预测；在典型井动态研究基础上，得出全系统的定量参数；最后将定性参数和 定量参数相结合，用复杂系统综合决策方法得出结论，认为气举是青西油田最为合 适的人工举升方法。 本文在采油工程复杂系统研究方面作了一些初步探索，在理论和方法上得到了 若f 创新成果，初步构筑起了采油工程系统学科的有关理论和方法体系。y i 斑讯苎黧。氅笛黝硼黜魂史 多目标规划综合决策 、 n 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t ac o m m o n a p p r o a c ht oe x p l o r i n gt h en a t u r ei sf r o ms i m p l i c i t y t oc o m p l e x i t y w i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a n ys u b s y s t e m s ，m u l t i l e v e l sa n dc o m p l e xm u t u a lr e l a t i o n s ，a c o m p l e xs y s t e mu s u a l l yc a n n o tb ec o m p l e t e l yu n d e r s t o o db ys t u d y i n gi t ss u b s y s t e m s i n d i v i d u a l l y u pt on o 、玑t h e r ea r e n o c o r r e s p o n d i n g t h e o r i e sf o rt h o r o u g h l y s t u d y i n gs u c h c o m p l e xs y s t e m s i n s t e a d i ti sn e c e s s a r y t o 毪b s t r a c ti n f o r m a t i o nf r o mr e s e a r c hr e s u l t so f s o m ec o n c r e t ec o m p l e xs y s t e m s i nt h i st h e s i s ，av e r yc o m p l e xs y s t e mo f p e t r o l e u m p r o d u c t i o ne n g i n e e r i n gi ss t u d i e d ，e x p e c t i n gt oc o n s t r u c ts o m eb a s i ct h e o r ya n dm e t h o d s f r o ma s y s t e m m a t i cv i e w a n dt oe x p l o r ee f f e c t i v em e t h o d sf o r s o l v i n gt e c h n i c a lp r o b l e m s i nc o m p l e xs y s t e m s a l lt h e s ew i l lb es i g n i f i c a n tf o r e n r i c h i n gt h ef u n d a m e n t a ls y s t e m s t h e o r ya n di n d u s t r i a lp r o c e s s i n go f c o m p l e xp e t r o l e u ms y s t e m si na p p l i c a t i o n s w ef i r s ts u m m a r i s et h ec l a s s i f i c a t i o na n dp r o c e s s e so ft h ec o m p l e xs y s t e ma n dt h e n e wd e v e l o p m e n t sa n da c h i e v e m e n t si np e t r o l e u mi n d u s t r yi nt h i st h e s i s s o m eb a s i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep e t r o l e u mp r o d u c t i o n e n g i n e e r i n gs y s t e mi sa n a l y s e d ，i n c l u d i n g s u c ha s q u a n t i t y o fs u b s y s t e m s ，d i f f e r e n t s u b c l a s s e s ，m u l t i l e v e l s ，m u l t i s u b j e c t s ， d y n a m i ca n dc o m p l e xs t r u c t u r e s 。a n ds oo n a c c o r d i n g l y , w ew i l lp r e s e n ta ni d e af o r e n h a n c i n g t h e p e t r o l e u mp r o d u c t i o ne n g i n e e r i n gs y s t e m ，t h a ti s ，t od e p i c tw i t h m a c r o c o s m i cv i e wf o rl o w e r - l e v e ls u b s y s t e m s ，t oc l a s s i f yt h eb a s i cs u b s y s t e m sa n dt h e n d e f i n et y p i c a ls u b s y s t e m sf o re v e r yk i n do f s u b c l a s s ，a n df i n a l l yt om a k em a c r o c o s m i c d e c i s i o no nt h eb a s i so f t h em i c r o c o s m i c a n a l y s i s a tt h em i c r o c o s m i cl e v e l t h es t a t ep a r a m e t e r sa n dt h e i n p u t o u t p u tf e a t u r e s a r e s t u d i e d 如rr e s e r v o i ra n dw e l l b o r es u b s y s t e m s t i l er e l a t i o n s h i pb e t w e e n p r e s s u r ea n d o u t p u tf o rt h er e s e r v o i rs u b s y s t e ma n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e s s u r eo rt e m p e r a t u r e a n df l o wr a t eo ft h em u l t i p h a s ep i p ef l o wi nw e l l b o r ea r eb o t ho b t a i n e db a s e do nt h e e x p e r i m e n t s ，t h et h e o r i e so fs e e p i n g m e c h a n i c s ，m u l t i p h u s eh y d r o d y n a m i c s ，a n d t h e r m o d y n a m i c s t h eo i l w e l ls y s t e mi sn o t o n l y ab a s i cs u b s y s t e mb u ta l s oi st h ec o n v e n t i o n a l o b j e c t f o rt h ep e t r o l e u mp r o d u c t i o ne n g i n e e r i n gs y s t e m b a s e do nt h es t u d yo f t h er e s e r v o i r s u b s y s t e ma n dt h em u l t i p h a s ep i p ef l o w , s i m u l a t i o nm o d e l so ft h eg a s - l i f t - w e l la n dt h e s u c k e r - r o d _ b u m p 。w e l ls y s t e m sa r ee s t a b l i s h e d a tt h es a m et i m e ，w o r k i n gc o n d i t i o n 玎l 华中科技大学博士学位论文 d i a g n o s i sf o rt h eg a s l i f t - w e l ls y s t e mi ss t u d i e d ，b a s e do nt h em a t h e m a t i cm o d e l so f t h e s y s t e m ，a n df o rt h es u c k e r - r o d - b u m p w e l ls y s t e m ，b a s e d o nn e u r a ln e t w o r km o d e lw h i c h c o m b i n e sa ne x p e r ts y s t e mw i t han e u r a ln e t w o r k a l lg a s - l e f ts u b s y s t e m sa r ep u ti n t o p r o d u c t i o nt h r o u g hat r a n s i e n tp r o c e s so fu n l o a d i n g ，i n w h i c ht h ef l o w i n go fl i q u i dw i l l g ot h r o u g hap r o c e s sf r o mt r a n s i e n tt os t a b i l i t y t h ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e la n d s i m u l a t o ro ft h e g a s l i f t - w e l ls u b s y s t e m ，e x p e r i e n c i n g f r o m u n l o a d i n g t on o r m a l p r o d u c t i o n ，w i l lb ed i s c u s s e da n dp r e s e n t e d i tp r o v i d e sap o w e r f u lt o o lf o rd e s i g na n d a n a l y s i so f g a s l i f tw e l l s a tt h em e d i u ml e v e l ，t h er e s e a r c he m p h a s i sl i e so nn u m e r i c a lp r o g r a m m i n ga n d d e c i s i o nm a k i n ga b o u tt h es y s t e m ：ar e s o l v i n gw a yt ot h eg m ( 1 ，1 ，a ) m o d e li sp r e s e n t e d a n dt h e nu s e dt os o l v ea ni n v e s tp r o g r a m m i n g p r o b l e mf o rt h eg r o u n dp i p e s a c c o r d i n g t ot h eg a s l i f tf e a t u r e s ，r e g a r d i n gag a s - l i f tu n i tc o m p o s i n go fs e v e r a ld e c a d e so fo i l w e l l s u b s y s t e m sa sa no b j e c t ，am o d e l o f m u l t i t a r g e to p t i m i z a t i o nf o rt h eg a sa l l o c a t i o no f a u n i ti se s t a b l i s h e da n dd i s c u s s e d i nt h em o d e l ，t o t a lo i lp r o d u c t i o na n dt o t a lp r o f i to ft h e u n i ta r et a k e na s t a r g e t f u n c t i o n s i no r d e rt om e e tt h ep r a c t i c a lp r o g r a m m i n ga n d d e c i s i o n m a k i n gr e q u i r e m e n t sf o rt h eo i l f i e l dm a n a g e r s ，w h oa r ea s k e dn o to n l yt of u l f i l l t h ep r o d u c t i o nq u o t ab u ta l s ot og e to p t i m u me c o n o m i cp r o f i t ，t h en e e df o rt h eo u t l c i u t t a r g e t sa n de c o n o m i cp r o f i tt a r g e t sa td i f f e r e n tt i m ew i l lb ed i f f e r e n t ；t h e r e f o r eo p t i m a l p r o g r a m m i n gp r o b l e m h a st ob es o l v e d a sf o rt h ec o u i g a t i o nd e c i s i o n - m a k i n gt h e o r yf o ra c o m p l e xs y s t e m ，t h eq u a n t i t a t i v e m o d e la n d t a r g e t q u a n t i f y i n gt e c h n i q u ea r ep u tf o r w a r d t ou s e a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t i n f o r m a t i o no ft h e t a r g e tw e i g h t s ，i n t e g r a t i o n o ft h et h e o r i e so f m u l t i - t a r g e t s d e c i s i o n m a k i n g , o p t i m a f i t ya n dr e l a t i o n s h i pa n a l y s i s ，m u l t i t a r g e t so p t i m i s i n gm o d e l ， a n dt h es a t i s f i c a t i o n - d e g r e em o d e lo fm u l t i - t a r g e t s ，e t c ，a r ee s t a b l i s h e d m e t h o d so f s o l v i n g t h e s et w on e wm o d e l sa r ea l s o d e v e l o p e d q i n g x i o i lf i e l di st a k e na sa l l e x a m p l e t o s t u d yt h ep r a c t i c a l o i l p r o d u c t i o n e n g i n e e r i n gc o m p l e xs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lc o n d i t i o n so f t h eo i lf i e l d ，a n d t h ee c o n o m i c a la n dt e e h n i e a lc o n d i t i o n si nc h i n aa n da b r o a d t h et h e s i sa i m st os e l e c ta p r o p e rm e t h o df r o ma m o n ge i g h ta r t i f i c i a ll i f tm e t h o d s t h er e s e a r c hp r o c e s si sa st h e f o l l o w s ：f i r s t l y , w ea n a l y s et h ee i g h ta r t i f i c i a ll i f tm e t h o d sa c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a la n d i v 华中科技大学博士学位论文 e c o n o m i c a lc o n d i t i o n sa n dt h ep r a c t i c a lc o n d i t i o n so ft h eq i n g h a io i lf i e l d f r o mt h e v i e w p o i n to fq u a l i t y , w es e l e c tt w op r o p e rm e t h o d sf r o mt h e ma n dt h e np r e s e n tt h e q u a l i t yp a r a m e t e r s o ft h es e l e c t e dm e t h o d sf r o mt h e e x p e r t e v a l u a t i o n a p p r o a c h s e c o n d l y , a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo i l f i e l d ，w ec l a s s i f y i ti n t ot h r e e c a t e g o r i e s a n dt h e nc o n s t r u c tt y p i c a lo i lw e l l sb ys t a t i s t i c a l a n a l y s i s t h i r d l y , w e c o n s t r u c tad y n a m i c a lm o d e lo ft h et y p i c a lo i lw e l l sa n df o r e c a s tt h ec o r r e s p o n d i n g d y n a m i c a lb e h a v i o u r , b a s e do i lt h es l u d yo f t h et y p i c a lo i lw e l l ，t h eq u a n t i t yp a r a m e t e r s o ft h e c o m p l e xs y s t e m a l e o b t a i n e d f i n a l l y , c o m b i n i n gt h eq u a l i t y a n dq u a n t i t y p a r a m e t e r s w ed r a wac o n c l u s i o nb yac o m p r e h e n s i v ed e c i s i o n m a k i n gm e t h o d0 1 1 c o m p l e xs y s t e m s t h a tt h e g a s l i ni st h e m o s t p r o p e r a r t i f i c i a ll i f tf o rt h eq i n g x io i l f i e l d i nt h et h e s i s 。w eh a v ec a r r i e do u ts o m eb a s i cs t u d i e so ft h ec o m p l e xs y s t e mo f p e t r o l e u mp r o d u c t i o ne n g i n e e r i n g ac o u p l eo fi n n o v a t i v ei n v e s t i g a t i o n sh a v e b e e n c o m p l e t e d ，b o t h i nt h e t h e o r y a n di n m e t h o d o l o g i e s 。m o r e o v e r , a ne l e m e n t a r y p r o t o t y p i n gs y s t e m o nt h e p e t r o l e u mp r o d u c t i o ne n g i n e e r i n gs y s t e m h a sb e e n c o n s t r u c t e d k e y w o r d s ：c o m p l e xs y s t e m ；c o m p l e x i t y ；s y s t e me n g i n e e r i n g ；p e t r o l e u mp r o d u c t i o n e n g i n e e r i n g ；a r t i f i c i a ll i f t ；m u l t i p l eo b j e c t i v ep r o g r a m m i n g ；s y n t h e t i cd e c i s i o nm a k i n g v 华中科技大学博士学位论文 1 复杂系统概述 系统愿怒出柬已久；组尝到2 0 毯纪柏年代懿盾，科学家彳弼确魄将系统作为 鞭究对象，藏惹系统辩学得到迅速发展；2 0 镦纪8 0 年代行始菇越了复杂系统和复 杂槌瓣磷究，致力子复杂性科学的开倒。率章将简要介绍系统总憩、系统方法的来 n 龙去辣，系统的分类及现有的处理方法；概述复杂系统的研究现状。 1 a 系统愚稼 系统思怨裁其最蒸本鹃涵义来说，是关于攀耘的赘体栋疆念、裙互联系的观念、 演化发襞豹鼹念。系统概念骞吉鸯之，它源爨予入类稚会时自然系统静直接认识。 我毽丧 弋医书黄帝游经串，就强调入俸各器官鹄有祝联系、垡三理现象和心疆现 象熬联系、身体穗康与鸯然环境豹联系；蕊藏溺时期李冰设计翻造的都江联恰到好 姥地处瑾了分窳、分漾捧秽、雩；承等三大工程及1 2 0 个附满渠堰工程之间的关系， 链它成为翥代柃素的系统穰念在工程中的藏用的经典”j 。 我国春秋末麓葱慧家强调自然界的统一住。吉希腊辨证法奠纂人之一赫拉克 鞴褥( h e r a c l e i t u s ) 在论自然羿一书中说：“世界是包括一切的整体”。用自发 瀚系统观念考察自然现象，是古代中外唯物主义哲学思想的一个特征。但当时因 缺乏对整体事物的各个细节的认识能力，只能以抽象的思辨原则代替自然现象的 客观联系婶j 。 1 5 世纪下半叶，力学、天文学、物理学等现代科学逐渐从混为一体的哲学中分 离m 柬，发展了研究自然界的实验、解削、观察等独特的分析方法，从而能够将自 然界的细节从总的自然联系中捆出来，分门别类地加以分析和研究。尽綮它能深入 的、细节地考察事物，比起古代哲学是一个进步，但它忽列了事物嚣部分之阀的联 系，形成了形丽上学的思维方式。 1 9 世纪上半叶，自然科学取得了一系列成就，使人类对是然过稷的认谈毒了缀 大的提商，为马克思辨证唯物主义恩想的形成提供了科学基础。洪诞唯物主义传现 的怒物质世界蒋遍联系及整体蚀的思想。藏是谯近代科学技术秘文化发疑缎基磷 华中科技大学博士学位论文 j 二，系统思想从抽象的思辨进展到定性论述。 2 0 世纪以来，量子论、相对论的创立，系统论、运筹学、控制论、信息论的出 现，形成了能够定量处理系统各组成部分的科学方法，而电子计算机的出现，又为 定量化系统思想的实现提供了有力的工具，从而使系统思想能够从定性描述发展到 ! 最捕述。 1 2 系统方法 1 9 4 5 年贝塔朗菲( b e r t a l a n f f y ) 的关于一般系统论的发表，被公认为是 科学家明确地直接将系统作为研究对象的标志【。贝塔朗菲的出发点是有关生物 和人的问题。他认为不能用传统的将事物分裂开来进行分析，再将分割的部分的 行为拼加成整体的方法，而必须考虑各个子系统和整个系统之间的联系，才能了 解各部分的行为和整体。b e r t a l a n f l y 的一般系统论对系统规律的探索以定性描述 居多。 应第二次世界大战的武器系统的分析、评价和有效运行之需而发展起来的运筹 学，战后从纯军事运用转移到经济和工业管理中，形成了一套系统分析和调度的有 效) j 蓉。 维纳创立的控制论定义为关于动物和机器中控制和通信的科学，但控制论提炼 j j 的目的、行为、通信、输入、输出、反馈、控制等基本概念及输入一输出反馈控 制模型，对于生物系统和人工系统，具有广泛的普适意义。 1 9 4 8 年香农( c e s h a n n o n ) 创立的信息论为一般意义上的信息传递奠定了理 论熬础。而计算机的诞生，表明人类对人自身处理信息的本质有了深刻的认识， 也为人类提供了前所未有的计算能力。 运筹学、控制论、信息学的出现，把科学的定量的系统思想的使用范围，从简 单的自然物扩展到了人工物。系统思想和系统理论方法在实际中的应用则表现在系 统下程，系统分析和管理科学三方面。 2 0 世纪3 0 年代以后，科学技术和工程技术得到飞速发展，生产规模不断扩大， 技术越发复杂，科学研究所涉及的学科和部门越来越多。为了处理和组织好生产系 统、技术系统和研究系统内部之间的关系，需要制定一套科学方法和程序，此即为 华中科技大学博士学位论文 系统工程。1 9 6 9 年鼹波罗飞船登月成功被认为是系绕王稷成功麴范铡t 系统分褥蓄 先l 蔓兰德公司提辍，着重予程解决享主会经济翘题辩，黠完成系统特定经务碍铗选择 f f , j 系绫方案遴行魄较，避幸亍经济效果分辑，拭露逸择搿最优方案。孺管理辩学列怒 出薅大型金鼗戆经营饕理技术发嶷焉宋p l 。 系统工程、系统分耩着黢予系统的定整纯分析，这种分析方法在许多一般系统 r 秘已褥到了残功静应蠲。毽楚，入 f j 发现，舀己掰面对静一些系统，如入脑系统、 入体系统、| | 羹理系统、社会经济系统等，包含的予系统禳多，子系统之间交互作笄j 与遥信的方式复杂，觚可溉察的整体系统到予系统，层次很多，用馥彳主的还原论方 法糯以处壤不能奏效。因而入们转向复杂系统的研究。 1 3 系统分类与楚理方法 系绕是“楣蔓炸援豹多元素的复会体”。接系统内子系统煞关联关系角度，胃 将系统划分鸯筠擎系统恭l 复杂系统；按子系统豹数燕鬃分，可将系统划分为，j 、系统、 大系统、匿系统。两整系统又分为麓萃匿系统和簧杂蠢系统h l 。 简荤系统建指缝藏系统静子系统皖较少，函耐他们之闷的关系也阮较简单，或 虽然维残系统的予系统院较多，甚至怒子系统的数量臣大，但他们之间的关联关系 街然跑较简单。菜鬻嚣生命的系统，如照稻视，可褫为简革小系统。对于这类系统， 采用传统静数学、物理、化学、光学方法即可以得到攒好的描述。对予大系统，刚 要采掰控制论、信怠论、运筹学等理论方法。对于简单小系统和大系统，由于组成 和备部分之问的关联关系都比较简单，可以通过研究各部分之间的关联关系，赢接 i j 各部分综合分析出系统的行为特征。对于简单巨系统，由于予系统的数豢巨大， 无法象对待小系统或大系统那样，采用对予系统逐个进行研究而后综合的方法。然 而，这类系统虽然子系统数量众多，但子系统之间的关系简单，种类少，因而可以 略去细节、采用统计力学分类处理的方法；耗散结构理论和协同学正是2 0 世纪6 0 年代针对简单巨系统而提出的理论方法。 复杂系统的子系统数量众多，多层次，相甄关系复杂；通过对系统的予系统的 了解，不能对系统的性质作出完全的解释，用传统的还原论方法不能得剿很好的解 涣。 华中科技大学博士学位论文 1 4 复杂系统与复杂性 长期以来，自然科学一直围绕着可逆与不可逆、决定性与随机性、无序与有序 等屎木问题进行着艰苦的探索，人们对自然的认识也随之经历着一个由简单性向复 杂性的根本转变h 1 。复杂性的研究兴起于8 0 年代，被誉为是2 l 世纪的科学。但关 j ，什么是复杂系统，尚没有统一的定论。从朴素意义上看，可以把它们看作是由许 多同类或不同类的部分( 或基元、组分) 组成的系统。系统的复杂性不仅表现在它 们足山大量数目的部分所构成的，而且还表现在它们具有复杂的行为p 】。1 9 9 9 年4 月2f i ( s c i e n c e ) ) ( 美) 杂志出版的“复杂系统专集”的前言中，对“复杂系统” 作了如下描述：通过对一个系统的分量部分的了解，不能对系统的性质作出完全的 解析，这样的系统称为复杂系统【6 l 。 我国著名科学家钱学森等人根据组成子系统以及子系统种类的多少和它们之 n u 关联关系的复杂程度，把系统分为简单系统和巨系统两大类。简单系统是指组成 系统的子系统数量相对比较少，子系统之间的关系比较单纯。这类系统的研究可以 从了系统相互之间的作用出发，直接综合成全系统的运动功能。系统中子系统的数 鹭非常丈，则称为巨系统。而子系统中种类不太多，且子系统之问的关系又比较简 尊，就称为简单巨系统。如果子系统很多并有层次结构，它们之间的关联关系又很 复杂，就称为复杂巨系统【7 】o 复杂巨系统的性质可以概括如下：( 1 ) 开放性：系统 本身及其子系统与周围的环境有物质的交换、能量的交换和信息的转换。( 2 ) 复杂 性：系统中子系统的种类繁多，子系统之间有交互作用。( 3 ) 层次性：已经认识的 比较清楚的子系统到可以宏观观察的整个系统之间层次很多，甚至有几个层次也不 清楚。 钱学森认为，复杂性是开放的复杂巨系统的动力学特性。而诺贝尔奖金获得者 司马贺认为，复杂性是我们生活的世界，以及与其共栖的系统的关键特征【3 1 。 1 5 复杂系统研究概况 “科学是内在的整体，它被分解为单独的整体不是取决于事物的本身，而是 取决于人类认识能力的局限性。实际上存在着从物理到化学，通过生物学和人类 4 华中科技大学博士学位论文 2 _ _ = # # j 目_ e = = = _ = # ；目# = _ = 学到牲会学鲍连续的链条，这是任傍一处都不能被拶叛蛇链条”【8 1 e 在辩学处于 就芽除段瓣古代文明中，科学是一个统一数体系。1 5 世纪下半咔l 开始，科学不 颤分 芝，形戏了以还蔗谂为圭体靛瑗代科学；垂拭b e r t a l a n f r y 于2 0 毽纪4 0 年代 攫氆一般系绞论靛概念以来，系统科学褥到了遮束发震。系统论、信怠论、控铡 仓、囊缓织瑗论、超簇环论等薪科学理论握继诞生。复杂系统蹬究就是在这种背 聚f 开始的。 关于复絷科学酌专弼戮究，一般谈为是在2 0 鲎纪8 0 年代串赣开始豹释“j ， 巍裁楚缓圣蘩研究所( s a n t af ei n s t i t u t e ，简称s f i ) 的成立为标志。1 9 8 4 年，在 美国新鼙西掰髑洛新阿拉莫斯国家实验室的凡位元老，不满足予当辩迸彳亍跨学科 矗拜究豹条件静两限往，在圣菲建立了圣菲研究所，聚集了一批不阐领域的科掌家， 热衷予不同学科之间的深入和互相影晌，摆脱一些学科圈有的束缚，探索未知学 科简新天地，进行一沥跨学科的大整合，致力予它们称乏为复杂性科学的开创， 试图强各种不同的复杂系统之间找出一些共性，通过学科间的融合来解决复杂性 问题。近年来圣菲研究所的主要研究兴趣在于臼适应系统理论。他们所关心的 i f i 心问题楚某种新的性质是如何突现出来的，而不是有意去保持某种已有的确定 竹：质。 另一个对复杂性进行过长期研究的机构怒乔治梅森大学的集成科学现代研 究所( 简称m i t ) 。目前美国在复杂性研究方面融形成了5 个学派f9 1 ，其主要学 术观点及研究方向如表1 。l 。研究的问题可以分成两类，即非平衡系统和复杂适 应性系统【1 0 1 。 非平衡系统多指无生命予系绕组成的系统。这类系统的子系统之间的相互l 乍用 比较简单，多采用自组织理论( 耗教绪掏论、协同学等) 采讨论系统的演化。这类 系统的理论比较规范，有较强灼数理基础。 复杂适应性系统模型怒美国圣嚣硪究联以生物体必鸳景建立的。它将，圭物体的 适应联境、生长繁殖、遗传变异等生物演化性质条理化、援范他，建立题涉葵楗模 型摸拟的予系统的演化桃制，使之类似生物体。也就是选撵逶当懿燕俸作必梭传， 用计算钒程序刻划少数支配主体相爱弦题懿援则，遴过计算撬访囊实遮考察该模型 的溪现抒为f “j 。宅可以反映静群鲍发震、稳定存在、澧亡等各嵇复杂翡行为，瓷模 拟生物秘群、生态系绞、缎滂系统演化中取褥较多成暴。 华中科技大学博士学位论文 表1 - 1 美国在复杂性研究方面5 个学派的主要学术观点及研究方向 ，学派名称代表人物理论一l ：具复杂性所在主要研究方向 适成性系统学派 c o w e n ，k a u f f m a i l ，h o l | a偏微分方程 系统中经济、生物、认 n d ，a r t h u r 等以s f i 为基知等系统 地的学者 系统动力学学派 f o r r e s t e r , m e a d o w s ，s e n常微分方程 系统中组织理论，特别 g e 等以m 1 t 为基地的 是学习型组织 学者 混沌学派一些分散的小组，如非线性常微分方系统中物理、经济等能 l o sa l a m o s 非线性研程够 究中心 结构基础学派 w a r f i e l d ，v i c k e r s ，p i e c e ，两方形式逻辑，包人脑中管理理论，特别 p o l a n y i p i a g e t 等人括集合论，关系是交互式管理 论，图论，点阵论， 分析代数等 暖睐学派一些独立研究的学派学科交义及( 或) 不明确社会、科学、语 后现代主义方法言等系统 国内关于复杂性的研究，几乎与国外是同时起步的。我国科学家钱学森于1 9 8 1 年提出3 个崭新的科学技术大部门：系统科学、思维科学和人体科学，在北京持续 多年领导了系统科学、思维科学和人体科学三个讨论班，用系统的观点研究了范围 广泛的横跨自然科学和社会科学的问题后，于1 9 9 0 年发表了“一个科学新领域一 开放的复杂巨系统及其方法论”。认为如果子系统种类很多并有层次结构，它们之 问的又很复杂，这就是复杂巨系统。并指出，现在能用的、唯一有效处理开放的复 杂系统的方法，就是定性定量相结合的方法【7 1 。此后，在钱学森，戴汝为、成思危 等一批著名的自然科学和社会科学工作者的推动下，复杂性的研究在我国得到高度 重视。1 9 9 1 年1 月中国科学院举行了第一次“复杂性科学学术讨论会”，此后又在 北京香山举行过多次以复杂性、复杂系统为题的会议i 引。国家自然科学基金委于 1 9 9 9 年8 月举行的“学科前沿与国家自然科学基金优先资助领域战略国际研讨会” 上把“复杂系统与复杂性科学”列为第十个五年计划优先资助的项目之- - 1 2 】。 迄今对复杂系统的研究还主要是对“复杂性”的认识和研究方法上进行哲学式 的定性分析，近年来也在进行具体的研究方法的探讨 2 6 , 1 3 , 1 4 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 】，论述内容可归 6 华中科技大学博士学位论文 为以一f 几方面： ( 1 ) 开展复杂系统研究是系统科学发展的要求。他们认为，一方面，复杂系 统到处存在，当前人们面临着必须处理与解决种种复杂问题，如全球经济的可持续 发展，生态环境保护及区域规划等。另一方面，系统论、信息论、控制论、耗散结 构论、协同论、超循环论等新科学理论的相继诞生，促使人们开始对复杂系统和复 杂性的新的探索。 ( 2 ) 关于复杂系统和复杂性的论述。关于什么是复杂系统，有种种不同的定 义。有人认为是组分众多具有层次结构的系统；有人认为是具有多样性的系统，也 有人认为是耦合度高的系统；还有人认为是有人参与的系统。但在国内目前占主导 地位的论述是钱学森先生提出的关于复杂巨系统和复杂性的表述：如果子系统种类 很多并有层次结构，它们之间的关联关系又很复杂，这就是复杂巨系统。丽复杂性 则是复杂系统的动力学特性。复杂性的特点主要表现为：组成多样，子系统种类多 数量大：多层次；子系统纵横向之间的关系复杂；开放性，系统与环境之间相互关 联；系统呈动态特性。 ( 3 ) 基本研究方法。主体研究思想是定性和定量相结合的方法。这一方法的 实质是将科学理论、经验知识和专家判断相结合，提出经验性假设，在经验和对系 统的实际理解上建立模型，经过定量计算，反复对比，最后形成结论。另一种方法 足微观分析和宏观综合相结合方法。用微观分析了解系统的组元及其层次结构，用 宏观综合了解系统的功能结构及其形成过程，这一种方法实质上也是还原论与整体 论棚结合的方法。还原论从局部机制和微观结构中寻求对宏观现象的说明，而整体 论则强调系统内部各部分之间的联系和作用决定着系统的宏观性质，但如果没有对 局部机制和微观结构的深刻了解，对系统整体的把握也难于具体化。 ( 4 ) 研究范围、目的及意义。复杂系统的研究范围涉及工程、生物、经济、 管理、社会、环境等各个方面。研究的目的是了解复杂系统的形成、发展规律及动 因，以便更好地进行适应和调整。研究意义主要表现在：在科学方向上，体现了现 代科学技