复杂系统工程研究.pdf

第 3 3卷第 6期 上 海 理 工 大 学 学 报 J Un iv e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S ci e n ce a n d T e ch n o l o g y V o I 3 3 N o 6 2 0 1 1 文章编 号 1 0 0 7 6 7 3 5 2 0 1 1 0 6 0 6 4 1 1 0 复杂 系统 工程研究 费 奇 王红卫 陈学广 周洪 涛 刘振元 华中科技 大学 系统工程研究所 武汉 4 3 0 0 7 4 摘要 在分析复杂系统工程基本特点的基础上 从 目标时变特点 环境的多变和可用资源的成本可 变性三个方面讨论 了复杂系统工程 目标的演进性 然后分析 了复杂 系统工程组织 自主协调性与复 杂结构网络脆弱性 进一步研究了复杂系统工程运行的市场机制与博弈 并建立了复杂系统工程效 果评价的分布式仿真结构 最后针 对 类典型的复杂 系统工程一 抗 灾动员指挥 工程进行 了系统 性分析 关键词 复杂系统工程 自主协调性 复杂网络 机制设计 分布式仿真 中图分类号 N 9 4 5 文献标志码 A Co m pl e x s ys t e m s e ngine e r ing F E I Qi WA N G H o n g we i C H E N X u e g u a n g Z H O U H o n o t a o L I U Z h e n y u a n I n s t it u t e o fS y s t e ms E n g in e e r in g Hu a z h o n g U n iv e r s it y of S cie n ce a n d T e ch n o l o g y Wu h a n 4 3 0 0 7 4 C h i n a Ab s t r a ct On t h e b a s is o f a n a l y z in g b a s ic ch a r a ct e r i s t i cs o f co mp l e x s y s t e ms e n g in e e r i n g t h e o b j e ct e v o l v e me n t w a s d i s cu s s e d f r o m t h e a s p e ct s o f t ime v a r ia t io n o f o b j e ct ch a n g e a b il it y o f e n v i r o n me n t a n d co s t ch a n g e o f u s a b l e r e s o u r ce Th e n a u t o n o mo u s h a r mo n y o f o r g a n iz a t i o n o f co mp l e x s y s t e ms e n g in e e r in g a n d f r a n g ib il it y o f co mp l e x n e t wo r k s we r e a n a l y z e d Mo r e o v e r t h e o p e r a t i o n me ch a n is m d e s ig n a n d d y n a mic g a me o f co mp l e x s y s t e ms e n g in e e r in g we r e s t u d ie d a n d t h e d i s t r ib u t e d s imu l a t i o n f r a me wo r k f o r e f f e ct e v a l u a t io n o f co mp l e x s y s t e ms e n g in e e r in g wa s co n s t it u t e d F in a l l y a imin g a t a t y p i ca l co mp l e x s y s t e ms e n g in e e r in g co mma n d ch a in f o r f ig h t in g b a ck ca l a mi t y a s a n e x a mp l e a s y s t e ma t i c a n a l y s is wa s ca r r ie d o u t Ke y wo r d s co mpl e x s y s t e ms e n g in e e r in g a ut o n o mo u s h a r mo ny co mp l e x ne t wo r k s me ch a n is m d e s ig n d is t r ib ut e d s imul a t io n 1 9 5 7 年 古德与麦克尔出版 系统工程学 标志 着系统工程学科正式形成 近 5 0年来 系统工程在 国 内外的发展历经建立 发展和低谷等阶段 当前因为 国际上复杂性科学研究的推动和国内科学发展观的 提出 正迎来全面复兴的 崭新时代 从 2 0世纪 6 0 年代贝塔朗菲提出一般系统理论 到 2 0世纪 9 0年代出现复杂系统理论 人们已对复杂 性研究方法及方法论进行了广泛而深入的讨论 早在 2 0世纪 8 0年代末 我国系统工程的创始人钱学森针 对一些复杂的系统进行概括和提炼 在世界上第一次 收稿 日 期 2 0 1 1 1 0 1 6 作者简介 1 9 3 9 一 男 教授 研究方向 系统工程 E m a i l q f e i m a i l h u s t e d u cn 上 海 理 工 大 学 学 报 2 0 1 1 年 第 3 3 卷 提出了 开放的复杂的巨系统 理论 为系统工程应用 开创了新 的领域 复杂系统工程 2 1世纪的科学发展趋势 中 复杂系统 已成为前 沿研究的焦点 其研究和应用正在 向各个学科渗透 受到众多学科领域的关注 近 1 0年来 复杂系统问题 的研究已经成为系统科学与系统工程领域的重要学 科研究方 向 复杂性科学的研究需要应用定性判断与 定量计算相结合 微观分析与宏观综合相结合 还原 论与整体论相结合 以及科学推理与哲学思辨相结合 的方法 同时 由于复杂系统的不可分解和层次性 使 得计算机仿真和模拟方法得到广泛关注E i 2 2 0世纪 8 0年代末 钱学森提 出处理开放的复杂巨系统 的方 法论是 从定性到定量综合集成方法 后来又发展到 从定性到定量综合集成研讨厅体系 的实践形式 为 复杂性科学问题的解决提供了创新思路 复杂系统工程遵循系统工程的研究轨迹 但表现 出不同的基本特点 区别于一般系统工程 复杂系统 工程一个重要的特性是 目标演进性 造成其 目标随着 环境和控制对象的多变而不断动态变化 另外 复杂 系统工程运行机理与解决方案也具有复杂性特征 如 组织 自主协调性 复杂结构 网络脆弱性 运行市场机 制与动态博弈 以及分布式效果评价等 总的来说 复 杂系统工程的功能是指导复杂系统的演进 组织 自主 协调运行 分布评价的实施 本文在分析复杂系统工程的基本特点的基础上 从目 标时变特点 环境的多变和可用资源的成本可变 性三个方面讨论了复杂系统工程目 标的演进性 然后 分析了复杂系统工程组织 自主协调性与复杂结构网 络脆弱性 进一步研究了复杂系统工程运行的市场机 制与博弈 并建立了复杂系统工程效果评价的分布式 仿真结构 最后针对一类典型的复杂系统工程 抗 灾动员指挥工程进行了系统性分析 1 复杂系统工程的基本特点 1 1 目标的不确定性 复杂系统承担着人们对其复杂多样的功能需求 这些功能需求是多样的 如工程技术需求 经济需求 社会需求 政治需求 安全需求等 同时 各种需求也 是多层次的 如技术需求可分为一般性技术需求 复 杂性技术需求 关键重大性技术性需求 经济需求可 分为生存性物质保障需求 生活性物质需求 消费性 经济需求等 各种需求之间相互牵扯 彼此可互为前 提和补充 如技术需求的满足可为经济需求提供支 持 社会需求的满足又是政治需求满足的前提 安全 需求又是所有需求的支撑等 另外 各种需求也是时变的 在不同时期人们对 系统的功能需求的重点也是变化 的 如工程系统中 人们首先要考虑工程技术需求 研究如何科学合理地 达到工程技术目标 工程技术需求满足后 人们便要 考虑社会需求 研究如何让工程技术为社会 的发展提 供更大的推动力 社会需求满足后 人们便要考虑经 济需求 研究如何以较低的成本产生最大的功效 经 济需求满足后 人们便要考虑安全需求 研究如何使 系统长期稳定可靠的运转 复杂系统工程的 目标就是为了更好地满足这些 复杂的系统需求 然后 由于系统本身的复杂性及系 统需求的复杂演进性就造成了系统目 标的不确定性 1 2 对象的多变性 复杂系统工程的控制对象是 由复杂系统 的目标 所决定的 复杂系统工程 目标的不确定性造成了复杂 系统工程控制对象的难以识别和对象的多变性 复杂系统工程 中系统现象具有一定的潜在性和 隐蔽性 一个系统现象可能由多个对象 子系统 交互 影响 长期积累而出现 为了实现复杂系统时变的目 标 需要在不同阶段选择不同的系统控制点 如 国家 非传统安全复杂系统工程中 系统目标的不确定性引 起控制对象的多变性 非传统安全威胁主体可能来 自 某个主权国家 也可能来自 非国家行为体 如个人 组 织和集团等 非传统安全的威胁来源可能源 自 外部 如难民 全球性生态问题 也可能来 自内部 如三农问 题 贫富差距悬殊问题 也可能是内外结合的 如地区 性经济震荡 水资源 海洋资源污染等 因此 非传统 安全复杂系统工程的控制对象就具有典型的多变性 1 3 组织的变结构 系统论的基本问题 就是研究系统的结构与功能 的关系 进行结构与功能分析 从而进行功能模拟 实 现系统功能的最优化 一 般而言 在各种系统中功能取决于结构是一普 遍现象 只有结构才是系统保持整体性并具有一定功 能的内在根据 一般情况是结构决定功能 而复杂系 统中 复杂系统的目 标决定了复杂系统的结构 复杂 系统中各个子系统以系统的功能性需求为目标按一 定的规律组织起来 功能的实现是结构稳定的条件 系统的结构是在不断实现功能的动态过程中维持的 但由于复杂系统工程的目标具有一定的不确定和时 变性 此时 复杂系统的组织结构就要作出相应的调 整来达到复杂系统时变的系统目 标 复杂系统 目 标的 第 6 期 费奇 等 复杂系统工程研究 演进性促使 了复杂系统结构的进化和变化 复杂系统 结构的变化反映了复杂系统的演进性 复杂系统组织结构发生变化时 复杂系统要素可 能本身并没有变化 而是要素进行了重组 要素间的 关联关系发生了变化 导致系统结构变化 如在 国家 非传统安全复杂系统工程 中 危机预防与危机应对时 的组织结构是有差异 的 它们存在经常性与应急性 分布性与集中性的差异 当国家非传统安全复杂系统 的目标变化时 其系统 的结构势必要作 出变化调整 来实现复杂系统的目标 1 4 调度的灵活性 复杂系统工程组织的变结构特性 决定了复杂系 统工程中存在着灵 活的调度策略来组织系统中的众 多元素构成新的组织结构 复杂系统工程是 由众多元素按照一定关联关系 组合在一起的 复杂系统的元素可能包括 生态 社 会 技术 学术 企业和个人等多种类型元素 它们都 是复杂系统这个大协作系统的某个部分和方面 这些 协作的元素 包含4 个方面的要素 协作的意愿 协作 的合同 共同的目标 彼此间信息联系 各元素可以对 是否参与复杂系统的某一协作功能作出选择 这取决 于元素的动机 包括 目标 愿望 推动力 组织的调度 策略则通过其影响和控制的职能 通过具有协同性的 合 同 通过市场机制 通过元素问的博弈设计 有 目标 地协调和调度元素的行为 使复杂系统的目的和元素 的目的结合起来 1 5 效果的多视角评价 复杂系统工程的系统 目标 系统环境和系统结构 都是复杂多变的 因此 对复杂系统工程效果的评估 应该从多方面 多角度进行 a 从系统 目标角度看 复杂系统工程承担着生 态 社会 技术 学术 企业 军事 能源 经济和政治等 多方面的功能需求 系统 目标是否实现应从以上多个 方面进行考虑 最后得到系统 目标的综合评价 b 从系统环境角度看 复杂系统工程和环境有 着密切的交互 系统 目标的实现是否以损坏环境为代 价 是否与环境友好 是否节约了资源 均需要从环境 的角度对复杂系统进行综合评价 c 从系统结构角度看 结构与功能之间的关系 十分复杂 千变万化 一种结构可以有多种功能 而一 种功能也可以产生于完全不同的结构 是否以高效的 结构实现了系统 目标 是否以灵活的策略实现了系统 结构的调整 这些均需要从系统结构角度对复杂系统 进行综合评价 2 复杂系统工程目标的演进性和可用 资源的成本可变性 目标是人们在复杂系统工程 中所预期和追求的 客观标准在主观上的超前反映 它是人们为了满足需 要而产生的一种期望 目标作为主观映象 是人们对 外界 或环境 能满足主观需要的诱因或刺激的反映 因为目 标能满足人们的需要 因此 目标一旦形成便 成为一种诱因并引发人们的行为 目标的产生不仅起源于外界诱因 也同人的需要 强度和主观条件有关 目标的实现需要考虑可用资源 的成本 因此 在复杂系统工程 中影响 目标的因素众 多 这造成复杂系统工程 目标随着环境和控制对象的 多变而不断动态变化 而具有时间的演进性特点 2 1 目标的时变特点 在不同时期 由于人们对系统的功能需求的重点 是变化的 所以复杂系统工程目 标随着各种需求也是 时变的 例如在抗灾动员指挥工程 中 动员所处的阶 段不同 需求也是不断变化的 在初始阶段 重点关注 救人的需求 随着时间的演进 还要重点考虑人员的 安置以及灾区的重建 另一方面 系统是动态的 它处于不断发展变化 之中 而且系统本身对未来的发展变化也有一定的预 测能力 复杂系统工程要控制的 目标往往与经济 政 治 社会 生态等诸多环境因素相关联 而这些环境因 素不十分确定 这些因素是不断变化的 造成了系统 目标的时变性 目标选取必须考虑当时的可行性 急需先上 从 易人手 减少风险 因此 主观上也有时序性 2 2 环境的多变 在世界上存在着属于该系统和不属于该系统的 两类组元 那些不属于该系统的组元就形成了该系统 的环境 环境是存在于系统周围与系统有关的各种因 素的集合 通常包括 自然 社会 国际 劳动和技术等 方面的因素 系统是动态 的 属于该系统 的元素和结 构发生变化就直接导致不属于该系统组元的环境的 多变 而且 环境与系统是相互影响 存在物质 能量 信息的交换 另外 系统科学中有一条很重要的原理 就是系 统结构和系统环境以及它们之间的关联关系决定了 系统的整体性和功能 复杂系统工程的环境是相对于 控制对象而言的 而控制对象难以识别 对象具有潜 上 海 理 工 大 学 学 报 2 0 1 1年 第 3 3 卷 在性和影响的多元性 是不断变化的 所 以 环境 因控 制对象的不同而不同 随着控制对象的变化而变化 环境的多变影响目标的演进 就抗灾动员而言 随着救灾工作 的不断深入 特别是天气状况 地理和 新的险情等外部环境的变化 影响救灾动员目 标的实 现 随之而来的就是要调整 目标 2 3 可用资源的成本可变性 复杂系统工程问题范围广 问题杂 性质各异 因 而如何配置可用资源去应对类型不同的挑战 是十分 艰难的问题 在特定 的时期和条件下 能够掌握的人 财物等资源不是一成不变的 由于环境的多变 对资 源的获取数量与质量将不断变化 有时资源会易得 而有时资源又会求过于供 从而 供求关系的变化造 成可用资源的成本的变化 由于资源的成本变化 导致调度指挥 的改变 因 而也就影响复杂系统工程 目标的演进 在抗灾动员过 程中 可调用的食物 帐篷 水等资源的数量和质量是 变化的 因而其成本随之变化 造成指挥措施的可变 从而影响目 标的实现 也就是说 资源的成本可变性 造成了工程 目标的演进变化 3 复杂系统工程组织自主协调性与复 杂结构网络脆弱性 任何复杂系统在某个时刻都具有一定的组织 而 组织是为了达到一个共同的目标 包含一系列参与者 的协作与通讯结构 随着系统的运转 组织发生变化 这种变化主要是 由组织对象的 自主性与合同协同性 而引起的 组织的变化导致系统结构的变化 为 了保 证系统的安全性与可靠性 需要对复杂系统工程 的结 构网络进行脆弱性分析 找 出系统 中的薄弱环节 进 而采取相应的保护措施 使系统满足一定的宽裕度要 求 因此 本节将首先介绍组织对象的两种性质 自主 性和合同协同性 然后再介绍复杂系统工程结构网络 的脆弱性 3 1 组织对象的自主性 复杂系统工程是由一系列的组织对象相互作用 来完成共同的目标 其中的组织对象则具有自主性 即它们需要根据系统中其它组织状态与环境状况 在 不受其它组织或系统的干扰下 进行自我判断与自 我 行动l 3 这种性质首先主要是由于系统的复杂性而引 起 如系统要素之间存在复杂的交互 环境要素与系 统要素之间的相互转化等 这种复杂性使得集中式控 制难以实现系统的目标 需要分布式的控制方式 组 织对象需要 自主地调整 自己的行为 此外 除了系统 本身的复杂性而引起组织对象的自主性 还有如下因 素的影响 a 工程 目标是系统所有组织对象需要共 同努力 的方向 由于复杂系统工程 目标 的时变特点 组织对 象需要根据目标的变化随时调整自己的行为 b 组织对象的决策和行为是基于环境特征的结 果 由于环境的多变性特点 使得组织对象需要根据 环境变化优化 自己的行为 G 组织对象的决策和行为是基于组织 中其它对 象的结果 系统中的组织对象随着系统的演化而增加 或减少 为了完成共同的目 标 组织对象需要卸载或 承担更多的任务 对于不同的复杂系统 组织 的对象各不相 同 可 能是个体人 企业与团体等 然而 组织对象如果都只 发挥 自主性 而没有行为约束或协作 会导致 系统效 率的下降 这时就需要考虑合同协作性 3 2 合同协同性 如前所述 如果各个组织对象都只发挥 自主性 将大大影响系统效率 比如考虑运行在同一道路上的 汽车 如果没有左右行驶的交通规则 每个汽车司机 只发挥 自主l生 即司机根据其它车辆的运行轨迹来随 时调整自己的方向 尽管自主性的存在 但这必将大 大影响运输的效率 而且会造成频繁的交通事故 但 是 如果在 自主性的基础上增加一些大家共同遵守的 交通规则 如左右行驶等 交通运输系统 的效率将大 大提高 同时事故发生率也会大大降低 因此 复杂系 统工程组织的对象除了具有 自主性 还需要具有合 同 协同性 所谓合同 是两个组织对象或多个组织对象在完 成某项任务时 为了确定各 自的权利和义务而订立的 共同遵守的条文 4 复杂系统工程组织所有对象之间 的合同关系便形成合同网络 协同则是组织对象之间 相互配合 协同来完成任务E 因此 组织对象 的合 同 协同性就是组织对象在一系列合同的制约下 相互协 作来共同完成某项任务的性质 同时 组织对象之间 的协作也可能修正合同 在复杂系统工程中 工程 目 标具有不确定性而且环境存在多变性 但组织对象的 合同协同性有益于应对系统的这种不确定性 保证系 统目 标的成功实现 合同协同性也为整个大系统产生 协同性的自 组织结构的涌现提供了可能 这可表现出 复杂系统工程的一大效果特征 3 3 脆弱性与冗裕度要求 第 6期 费奇 等 复杂系统工程研究 复杂系统工程组织对象之 间相互交互 存 在关 联 进而形成一个复杂网络 这个 网络 的安全性与可 靠性是保证工程目标成功实现的重要因素 网络中一 部分组织对象的瘫痪可能会导致整个工程网络的混 乱 进而影响工程 目标的实现 因此 分析这个网络结 构的脆弱性意义重大 脆弱性分析是保证系统安全必 不可少的手段 对系统进行脆弱性分析就如同生活中 我们的 体检 可使我们对系统安全做到 未雨绸 缪 从而采取一定 的保护措施 满足系统的冗裕度 要求 所谓脆弱性 是相对于攻击而言 它与网络的功 效性是相关的概念 它可描述为网络在被攻击之后功 效性的下降 而脆弱性分析的目的是为了找出系统中 的薄弱环节 为了分析复杂系统工程组织对象结构网 络的脆弱性 需要首先确定网络的效率 一般情况下 用网络的平均最短距离 直径 簇聚系数等来衡量 网 络的功效性l 6 1 但是 目前被普遍认 同的一种定义 是功效性反映信息在网络中的传播速度 1 假设 e 表示两节点之间的通信效率 其与这两节点之间的最 短距离成反比 于是作者认为 e 1 d 而当 d 甜 O 3 即两节点之 问没有路径时 e 0 通过这种定 义 整个网络 G的功效性指标定义如下 G J n n 一 1 J E G i J d 但是 这个定义没有考虑网络连通性的影响 使得当 网络不连通时的功效性可能比连通时的还高 于是 文献E 7 中又定义了另一种考虑连通性的功效性指标 口 G 娶 2 0 J 0 J 运用这些指标 近几年 不同学者分析了典型的几种 网络的脆弱性 1 研究发现 异质的无标度网络对 蓄意攻击很脆弱 即移出网络中一小部分度大节点会 极大地改变网络的结构 网络效率大大下降 但这种 网络相对于随机的攻击则有很强的鲁棒性 即随机移 出小部分节点对 网络结构几乎没有影响 网络效率基 本不变 而对均匀的随机或小世界网络 因为度分布 的均匀性 随机攻击与蓄意攻击具有几乎相似的结 果 网络效率随移除节点比例的增加而显著下降 然 而 对不同的复杂系统工程 组织对象的结构网络不 同而且工程目 标也不同 需要采用不同的指标来衡量 网络的功效性 进而分析攻击情况下系统的脆弱性 找出系统的薄弱环节 对薄弱环节采取相应的保护措 施 最终保证系统的安全 以便成功地实现系统目 标 在分析系统脆弱性后 发现了系统的薄弱环节 进而需要采取相应的保护措施 使系统满足一定的冗 裕度要求 首先需要估计系统面临的各类风险 对可 能影响的环节进行分析 进而从整个系统的组织结构 上设计或改进系统 设定一定的冗裕度 保证在系统 受到影响的情况下 仍能按照要求完成任务 这里 要 求需通过变结构措施来实现 在部分组织对象瘫痪后 可通过两种途径来实现 组织的变结构 进而保证物质或信息仍能顺利地在网 络中扩散与传播 第一 系统的组织对象通过发挥 自 主l生 和合同协同性 与系统中其它组织对象建立更有 效的连接与协作 保证物质或信息的有效传递 第二 在系统设计之初 需要考虑一些冗余系统 它们是一 系列的备份组织对象 由于组织对象的瘫痪而造成系 统功能或效率受到影响时 这些备份组织对象将加入 到系统中 与原有系统 中的对象进行连接与交互 相 应的网络结构发生变化 这些变结构措施需要针对具 体的复杂系统来设计与实现 4 复杂 系统工程运行 的市场机 制和 博弈 在一个复杂系统工程中 经济因素的影响是很关 键的 系统中具有 自主陛的组织之间往往通过经济关 系相互影响 相互制约 由于组织个体 的自主性和任 务 目标的协同性 因此 如何利用市场机制和博弈理 论协调组织个体之间的合作竞争关系 为复杂系统工 程的总体目 标实现提供宏观调控激励机制设计是本 节的研究重点 合理选择的每个层次的组织个体 通 过合理的参与机制参与到整个复杂系统工程的运行 中 并通过一些宏观的激励机制能够影响到微观个体 行为 在各种不确定性条件下 能达到预期效果 通过 低层次个体的简单智能行为 复杂系统工程在整体较 高层次又显现出更为复杂的智能行为 因此 如何在 复杂系统工程中通过宏观调控和市场选择机制控制 整个复杂工程的运作是本节研究的目的 4 1 组织个体参与机制设计 与其它系统相比 复杂系统工程的一个显著特 点在于组成单元 个体 众多 个体具有适应性 智能 性 主动性 并发性 随机性 并 由这些特点带来 了其 独特的复杂性 1 在复杂系统工程中 由于参与的个 体或者组织都是具有一定的适应性和智能性 个体 上 海 理 工 大 学 学 报 2 0 1 1 年 第 3 3卷 组织之间的关系结构并不是一成不变的 个体 组织 会根据环境 目标等各种影响因素改变 调节 自身的 状态和行为 辨识环境 预测未来 在经验和与对手竞 争中学习 形成新的行为规则 不断提高 自身的适应 性 在复杂系统工程的实施过程 中 由于资源的有限 性 多个具有一定自 组织性的组织个体之间既要竞争 又要互相协调 因此 需要设计组织个体之间的参与 机制 使之为了完成某个统一或者相关的任务而形成 一 个 联盟 以最优的方式达到预期 目标 由于组织个体的能力有限 复杂系统工程 中需要 多个组织个体 联合 起来完成某个子系统任务 这多 个具有共同目标 的组织个体之间在同一个任务 中是 一 种 合作伙伴 的关系 影响合作成员的综合因素很 多 各个因素之问相互作用 影响和制约 力求在最短 的时间内 用最小的费用完成任务 因此 费用和时间 是直接影响组织个体自身利益的关键因素 网络招标 方式是一种常用的寻求合作伙伴 的方式 以此为例 问题可 以定义为在满足子项 目序列约束条件下 使项 目竞标费用和拖期费用之和最小的合作伙伴选择参 与问题 假设某个子系统由 n个子项 目 7 1 2 n 组成 企业对第 i个子项 目的第 J 个方案的投标价格 为 b d 为第 个子项 目第 J 个方案的拖期工期 D 为工程交工期 P 为拖期惩罚函数 该惩罚函数是 根据子系统的目标和资源的约束对时间的敏感性而 定的 t 为第 个子项 目选择的方案 X z 为所有项 目选择方案的一种组合 目标函 数为 n n 1 m i n 厂 6 缸 P l d 缸 D J 3 z l 0 1 因此 组织个体的参与机制研究最后就转换为这样一 个 目标函数的设计和求解的问题 利用传统的方法求 解这样一个问题其实是一个解空间的遍历问题 随着 系统的结构和成员的增多 惩罚 函数的变化 传统的 线性规划方法便显现出其局限性 在现代 自然科学和社会科学领域 中 博弈论作为 分析和解决冲突与合作的工具 其应用范围不断扩 大 并产生了大量的研究成果I 1 在企业结盟伙伴选 择问题中 冲突关系和合作关系较为明显 演化博弈 算法将经济学博弈理论思想引入了演化计算中 1引 算法将问题的搜索空间映射为博弈的策略组合空间 目 标函数映射为博弈的效用函数 通过建立问题的全 局最优解与帕累托最优的纳什均衡之间的联系 经过 不断地演化计算搜寻更优的纳什均衡 最终达到对应 于全局最优解的帕累托最优 的纳什均衡状态l 1 从而对问题进行求解 4 2 组织个体选择 决策 机制 复杂系统工程是一个多 目标 多变量 非线性 的 综合体 这就决定了复杂系统工程具有非常复杂的相 互依赖和相互制约的关系 参与其中的不同个体之 问 个体与环境之问互动互应 所有个体既是主动作 用者 又是被作用者 系统中的个体并行地作 出决 策 每个个体的决策不仅要考虑过去和当前 的状态 还要考虑其他个体的行为 系统的整体行为源于这些 个体间的竞争 合作等局部的相互作用 如何描述复杂系统工程 中个体决策的相互影响 和变化过程 多人博弈的结果是否存在一个均衡 该 均衡是否稳定 均衡的结果对复杂系统工程整体的影 响是否在预期的范围内 这些都是复杂系统工程中组 织个体进行决策时需要研究的内容 描述复杂系统工程中组织个体之间的动态博弈 演化问题 需要从各个层次和各个方面对复杂系统工 程中组织个体进行分析 弄清组织个体在整个系统中 的内部差异和联系 揭示复杂系统中组织个体间的关 系 选择最有代表性的结构 状态和变化的信息 从而 更准确地描述复杂系统工程中组织个体 的博弈关系 和动态演化规律 本节用环境 资源 个体 关系 4 个主要要素来描 述复杂系统工程中组织个体之间的关系 环境 E 是组织个体所处的情况或者状态 任何 组织个体都是处于一定的环境中 或者说都有其边界 条件 组织个体的环境是其外在约束条件之一 资源 R 是系统中一切可利用的物质或者信息 等 例如信息资源 土地资源 水资源 道路资源 制 度资源等 组织个体 A 是指在复杂系统工程 中具有一定 功能的经济实体 它可以是某个企业 也可 以是多个 企业的联盟 也可以是参与资源竞争和利用 的个人 家庭 地区 国家甚至整个人类 根据不同的情况具体 分析 例如 在抗震救灾的复杂系统工程中 救灾资源 的参与合作组织个体不仅仅是部队 还有医院 社会 群体 甚至是个人 组织个体是具有适应性 自主性 移动性 协作性 有思维能力的基本单元 a 每个组织个体都拥有一定的信息和知识 b 每个组织个体都有可供选择的策略或行动的 集合 称为策略空间 S c 每个组织个体都有自己的获益函数 厂 d 信息知识 策略空间 获益函数共同构成组织 第 6 期 费奇 等 复杂系统工程研究 个体的状态 X X S U 组织个体的状态是随时间而发生变化的 在时刻 t 的状态记为 X 在时刻 t 1 第 i个组织个体 的状态是由时刻 t 的第 i个组织个体 与其有相互关 系的 个组织个体的状态以及一定的资源环境所决 定 即 X t 1 f xi t X1 t X2 t X t E R 4 流 F 是指组织个体之间 组织个体与环境资源 间的物质循环 能量流动 信息传递等 上述四要素就 构成了一个复杂系统工程 C S E E R A F 5 在系统发展演变过程中 组织个体根据其在系 统中的功能任务聚集形成更高一级的组织个体 一 阶组织个体 一阶组织个体再聚集 产生二阶组织 个体 以此类推 某个组织个体在 A子系统项目中可 能仅仅是一阶组织个体的组成成员 在 B子系统项 目 中又可能是二阶组织个体 的组成成员 因此 最后可 以分析得到一个复杂系统 工程的组织个体 的网状 结构 对于一个复杂的网状结构进行多人博弈演化分 析 单独的传统博弈论和数学分析都难以得到满意的 结果 利用传统博弈论分析建立组织个体之间的简单 博弈关系 数学统计和定性分析相结合的方法确定组 织个体的策略选择变化 利用计算机仿真手段将两者 结合起来求解是一种有效的求解思路 2 卜 4 3 总体宏观激励管理机制 复杂系统工程涉及人类生活的各个方面和周围 环境的诸多因素 复杂系统工程的主体是人 由于人 的思维 判断 决策 偏好各有差异 所 以有人参与的 复杂系统工程必然具有明显的非确定性 模糊性 不 确知性等特点 物理系统随机性的规律可用大数定律 进行分析处理 然而 经济系统 社会系统等却往往不 能 例如 不可能从个人特性出发通过统计获得整个 社会系统的特性 对于复杂系统工程而言 各种宏观 策略都是通过影响复杂系统中所有组织个体的决策 最后产生一个综合的效果 不同的组织个体由于个体 的差异性 对同一个宏观策略会有大小快慢不同的反 应 如何判断一个宏观激励机制的实施能否在一定的 时间内达到预期的效果 宏观激励机制对哪些因素具 有敏感性 2 宏观激励机制的实施与效果的时延性 研究等这些问题都是要着手解决的 对于复杂系统工程 仿真是一个很好的研究辅助 手段 S D s y s t e m d y n a m i c 是研究复杂系统中信息反 馈行为有效的计算机仿真方法 2 2 S D能够从系统 整体出发 在系统 内部寻找和研究相关影响因素 注 重系统的动态变化与因果影响 是一种定性定量相结 合的模拟方式 能够在非完备信息状态下分析求解复 杂问题 而基于 A g e n t 的仿真方法能为大量具有 自主 性个体的某种策略变动而对整个大系统涌现出某种 效果的行为提供仿真 那么 其实这两者相互结合 取 长补短 正好形成 了一个宏微观的综合仿真平 台 如 图 1 和图 2所示 图 1 宏微观的综合仿真平台 Fi g 1 Ma c r o mi c r o s y n t h e t i c a l s i mu la t i o n p l a t f o r m 涌现 的 发现与识 别 观均衡机制动力学系统仿真 博奕 均衡 微观受激行为宏观涌现仿真 分散自主行为的宏观表现 邀威垦塞 宏观政策 控制点的选 择与集成 图2 宏微观两层结构仿真系统 ng 2 Ma c r o mic r o t wo l a y e r a r c h it e c t u r e s i mul a t i o n s y s t e m 宏微观综合仿真平台的建立需要综合各个学科 的知识对复杂系统工程进行分析建模 模型不可能一 口气建成 只有通过在策略仿真结果与理论分析结果 中不断地 改进模型 使之能更好地描述现实世界问 题 才能使各种宏观激励管理机制的控制策略可以在 该平台的仿真中得到更好的验证和改进 5 复杂系统工程效果评价的分布式仿 真结构 系统评价是指按照 目标 测定对象系统的属性 把它变成客观定量或主观效用 满足主体要求的程 度 的行为 即明确系统价值的过程 复杂系统工程效 果的评价是在上述工程目 标的导向下 对各种不同的 工程组织结构和市场机制下的工程实施方案的效果 进行经济 社会和政治角度的综合评价 第 6 期 费奇 等 复杂系统工程研究 6 4 9 分析与决策支持报告 6 案例 抗灾动员指挥工程 抗灾动员指挥复杂系统工程承担着人们对其复 杂多样的功能需求 这些功能需求是多样的 如安全 需求 经济物质需求 社会需求 工程技术需求 政治 需求 环境需求等 同时 这些需求也是多层次的 如 安全需求包括受灾群众的生命安全 救援人员的生命 安全 灾区珍稀动植物的安全 灾区重要设施安全 灾 区国家机密安全 核机密 等 a 经济物质需求可分为灾区群众及救灾人员生 存性物质保障需求 医疗设备及药品需求 生活性物 质需求 灾区重建时消费性经济需求等 b 社会需求包括国家政府机构及各类企业团体 的救灾动员 新闻的实施与通畅 救灾精神的弘扬与 传播等 G 工程技术需求包括灾害监控技术 航空 航天 遥感技术 信息交互技术 应急指挥平台 调度运筹 技术 工程挖掘与建设技术等 抗灾动员指挥复杂系统工程的 目标就是为了更 好地满足这些复杂的系统需求 由于灾害的复杂性及 抗灾动员指挥复杂系统需求的演进性 造成了系统目 标的不确定性 在灾害爆发时 抗灾动员指挥复杂系统就面对着 多种交织的目标需求 首先 要考虑对受灾群众开展 救援工作 这是系统目 标需求之一 同时 必须考虑救 援人员的安全 此时进入灾区是否安全 这是系统 目 标需求之二 由此 必须利用各种技术对灾害的发展 进行预测 这是 目标需求之三 此外 还必须要考虑是 否存在突发 隋况引发更大的安全需求 如核设施 这 是 目标需求之 四 此时 可能还存在更多没有考虑到 的系统 目标需求 可见 抗灾动员指挥复杂系统工程 的目标并不是很清晰 具有一定的不确定性 抗灾动员指挥复杂系统 目标的不确定性造成了 抗灾动员指挥复杂系统工程控制对象的多变性 在灾 害的爆发初期 抗灾动员指挥复杂系统 的主要控制对 象是人 主要 目标是使用各种手段保障人的生命安全 和防止次生灾害 人员救治工作完成后 系统主要控 制对象就是人民生活 目 标是满足灾区灾民及救治人 员的各种生活需求 进行科学合理的安置 安置工作 完成后 系统主要控制对象就是社会经济需求 目 标 是灾区更好 更快地重建 让人民群众安居乐业 抗灾动员指挥复杂系统目标和控制对象的变化 就要求抗灾动员指挥复杂系统组织结构作出调整来 满足系统控制 目标的变化 抗灾动员指挥复杂系统工程 中 人员救治阶段 群众安置阶段 次生灾害控制 阶段 灾区重建阶段等 各阶段中 系统组织结构在应急性与经常性 短期性 与长期性 分布性与集中性 地区性与全国性等方面 都存在着明显的差异 抗灾动员指挥复杂系统组织 的变结构特性决定 了 抗灾动员指挥复杂系统中存在着灵活的调度策略 来组织系统中众多元素构成新的组织结构 a 人员救治 阶段时 国家组织 的军 队 警察 消 防队 医护人员 道路工程人员为主要力量 组织结构 主要表现为政府集中领导 b 群众安置阶段时 更多的社会组织 资源和力 量加入进来 此时 国家和社会单位团体是集中式和 分布式的组织结构 社会团体间又通过合同协同等方 式一起协作工作 G 灾区重建 阶段时 需要接受更为广泛的资源 和支持 这时国家集中式的管理组织结构可能减弱 更多的采用市场的手段来调动各种资源的积极性 市 场机制设计 博弈机制设计等更为灵活的调度手段被 采用 来完成系统组织结构的调整 抗灾动员指挥复杂系统承担着国家 社会和人 民 在技术 经济 安全 政治 生态等多方面的责任和要 求 在对系统作出评价时 既要考虑广大人民群众的 意愿 国家的利益等各个主体的需求 又要考虑技术 经济 安全 政治 生态等各个方面的效果 因此 十分 有必要采取上文所述的三层仿真评价体系 既反映了 各方面的微观影响 又表征了与国家利益休戚相关的 宏观指标 7 结束语 本文对复杂系统工程的相关研究进行了系统 的 分析 讨论了复杂系统工程研究的方向 指出了复杂 系统工程有别于一般系统工程 具有 自组织结构涌现 和宏观控制指标涌现的根本性优势 为突破复杂系统 可控性与可观性的难点打下了基础 复杂系统工程近 几年来发展势头迅猛 发展前景十分广阔 已成为系 统工程的一个重要研究领域 但是 考虑到复杂系统 工程的特性 该领域 目 前还存在许多问题和困难 需 要开展更深入的研究 复杂系统工程领域的研究一定 会吸引更多学者的关注 激励更多研究者参与 6 5 0 上 海 理 工 大 学 学 报 2 0 1 1年 第 3 3 卷 参考文献 1 成思危 复杂科学与系统工程 J 管理科学学报 1 9 9 9 2 2 1 7 2 于景元 周晓纪 系统科学与系统工程的发展 J 复杂 系统与复杂性科学 2 0 0 4 1 3 4 9 3 A L I M B Z MO H A ME D C B C o mp l e x s y s t e m e n g i n e e r i n g J A s i a n J o u r n a l o f I n f o r ma tio n T e c h n o l o g y 2 0 0 6 5 5 4 6 5 4 6 9 4 徐涤宇 合同概念的历史变迁及其解释I J 法学研究 2 0 0 4 2 5 7 7 0 5 哈肯 协同学 M 徐锡 申 陈式刚 陈雅深等 译 北 京 原子能 出版社 1 9 8 4 6 L E WI S S T H O MA S R N e t w o r k D E A e ff i c i e n c y a n a l y s i s o f o r g a n i z a t i o n s jl i t l 1 c o mp l e x i n t e r n a l s t r u c t u r e J COm p u ter s a n d Op e r a tio n s R e s e a r c h 2 0 0 4 3 1 9 1 3 6 5 1 3 8 0 r 7 C R R G A R C I AD E LA MOA H E R N A N D E I B E R M E J 0 B e t a 1 Ne w r e s u l ts o n c o mp u t a b l e e ff id e n c y a n d i ts s t a b i l i t yf o r c o mp l e x n e two r k s l J J o u r n a l o f C o m p u t a ti o n al a n d A p p l i e d Ma t h e ma t i c s 2 0 0 6 1 9 2 1 5 9 7 4 I 8 l M0 0 Y N E I 0 M E f f id e n c y and r e l i a b i l i t y o f e p i d e mi c d a t a d i s s e m i n a tio n i n c o m p l e x n e t w o r k s I J Ph y s i c a l R e v i e w E 2 0 0 4 6 9 5 0 5 5 1 0 1 9 F A R A H A T FF An e we f f ic i e n t a l g o rit h mf o r r e l i a b i l it y e v a l u a tio n f o r c o m p le x n e two r k s l C l D e c i s i o n a n d S i mu 1 a ti o n i n E n g i n e e r i n g and Ma n a g e me n t S c i e n c e I n t e r n a ti o r ml C o n f e r e n c e o n Mo d e l i n g a n d S i mu la t i o n 2 0 0 4 I 1 0 l A G O C I L 0U I S E D I A Z G U A E f f i c ie n c y o f i n f o r ma t i o n a l t r a n s f e r i n r e g u l a r a n d c o mp l e x n e two r k s J P h y s ic a l R e vie w E 2 0 0 5 7 1 3 0 3 6 1 2 2 r 1 1 C R U C I 1 v r I P I mlR A V MA R C 0 R I M e t a 1 E m c i e n c y o f s c a l e f r ee n e tw o r k s e r r o r a n d a t t a c k t o l e ra