网络科学与系统科学的发展与应用.ppt

106470016087408770431002试论网络科学与系统科学的 交叉性及挑战性Fang Jin –Qing(方锦清)China Institute of Atomic Energy, P. O. Box 275-68, Beijing 102413, 中国原子能科学研究院，北京OutlineI. 前言 III. 网络科学与系统科学的差异性IV. 面临的挑战性II.网络科学与系统科学的交叉性前 言p从科学发展历史考察，数个世纪以来, 人类在 无穷大和无穷小的领域留下了浩似烟海和犹如 满天繁星般的灿烂辉煌一直到了20世纪后半 期和本世纪初，两大领域的实质性进展逐渐缓 慢下来，而引人瞩目的非线性科学（包括混沌 学）、复杂性科学和网络科学作为新兴科学陆 续兴起, 开辟了崭新的天地,这是既涵盖传统科 学又相互交叉的一个更加广阔的领域 新兴科 学的发展之迅猛, 内涵之新颖, 愈来愈激动人心 ，越来越吸引着人们去探索其前沿课题与实际 应用，汇入现代科学研究的大潮 Ø十年来，网络科学在国内外迅 猛发展，与众多科学广泛交叉 ，在全世界产生极其深刻的影 响Ø网络科学提供了研究复杂系统 和复杂性科学的新思想、新方 法和新观点网络科学的理论基础Ø当今，世纪之交诞生的网络科学是在 现代众多科学特别是图论、统计力学 、非线性科学、系统科学等基础上， 博采众长，继承、吸收和发展了当代 众多科学的知识精华和优势，脱颖而 出，成为研究复杂系统和复杂性问题 最重要的学科之一。

Network Science provides new idea and method for complex systems网络科学研究什么？网络科学，是专门研究自然和社会中复杂系统 的定性和定量规律的一门广泛交叉的科学，它 以复杂网络为研究对象，研究复杂网络的各种 拓扑结构及其性质，网络的动力学特性、系统 功能，及其两者之间之间相互内在关系，探索 复杂网络系统的各种涌现现象(突变行为)、动 力学行为及其产生的物理机制，研究复杂网络 上信息等传播、预测(搜索)与控制，以及实际 工程和社会所需的网络设计及其各种应用 系统科学的理论基础Ø把20世纪前半叶发展的“老三论”（系统论、信 息论和控制论）及20世纪后半叶发展的“新三 论”（耗散结构论、协同学和突变论）,统称系 统科学Ø“六论”在20世纪产生了广泛而深刻的影响，随 后非线性科学及其混沌理论、复杂性科学的兴 起，犹如春风吹遍五洲四海，非常强劲地影响 着当今和未来的科学研究和发展，当然也为系 统科学和网络科学提供了极其重要的理论基础 和科学方法论1968年贝塔朗菲发表了 《一般系统论——基础、发展和应用》 专著，全面地总结了他40年来的理论研究成果， 为在世界范围内兴起的系统科学研究热潮提供了较为完整 的理论框架，发挥出它重大而深远的影响。

新三论”创始人 耗散结构论 协同学 突变论I.普利高津赫尔曼 . 哈肯勒内·托姆勒内·托姆p1969年，比利时布鲁塞尔学派首领普利高津， 研究远离平衡状态开放系统时提出非平衡热力 学和统计物理学中的耗散结构理论p1973年以后，德国理论物理学家赫尔曼 . 哈肯 发现不同系统之间共同存在着同一系统的要素 之间的协同现象，创立了协同论具有很大的 普适性p1972年法国数学家勒内·托姆勒内·托姆（ Renethom 1923—）提出突变论:《结构稳定性 和形态发生学》揭示在自然界和人类社会活 动中，除了渐变的和连续光滑的变化现象外， 还存在着大量的突然变化和跃迁现象，如地震 、海啸、细胞的分裂、生物的变异、战争、经 济危机等将系统内部状态的整体性“突跃” 称为突变，突变论被用来认识和预测复杂的系 统行为 我国系统科学的奠定人p我国以钱学森为代表一批科学家 对系统科学做出了有中国特色的 贡献，推动了我国系统科学与工 程的实际应用,并获得了长足进展 和丰硕成果p网络科学与系统科学相似，不仅 丰富了人类的科学理论知识，而 且提供了强有力的科学方法论， 既突破了传统科学和方法论的局 限性，又渗透到众多学科和领域 中，成为一门极其广泛交叉的新 兴科学，正在产生越来越深远的 影响。

钱学森在20世纪80年代复杂性研究刚刚 兴起的时候，就提出开放的“复杂巨系统” 的概念，其中系统是由相互作用和相互依 赖的若干组成部分结合成的、具有特定功 能的有机整体；如果组成系统的子系统种 类很多并有层次结构，它们之间关联关系 又非常复杂，则称该系统为复杂巨系统； 如果这个系统又是开放的，则称为开放的 复杂巨系统开放的复杂巨系统主要特征(1)由巨量的子系统（节点）组成, 并有多种层 次结构 (2)系统是开放的，受外界影响 (3)在特定条件下，节点之间产生相互作用 (4)节点之间的相互作用和系统之间存在复杂的 非线性关系复杂系统/巨系统无论在结构、功能、行为和 演化方面都具有“复杂性”我们讨论的问题1.网络科学与系统科学有什么交 叉性（关联性、同一性和差异 性）？2.它们在认识世界复杂性和改造 客观世界中发挥什么作用 ？3.它们面临的挑战性课题是什么 ?II. 网络科学与系统科学的交叉性第一、研究对象同一性 两者都是研究自然界和人类社会中的复杂系统及 其 复杂性问题第二、研究目的一致性p都从整体和全局的观点出发，全面地系统地分 析网络系统中各节点或要素、子系统或社区之 间、整个网络系统或部分系统(社区)与环境之 间或与外部网络系统之间的相互作用和彼此关 系，从而把握其内外部联系，揭示其自然的和 人造的复杂网络的规律性(包括拓扑特性、动力 学行为、功能及其相互关系等)。

进而利用这些 规律，设计和发展实际需要的复杂网络系统， 实现对复杂网络系统的有效控制，为人类造福 第三，关联性与相似性p网络/系统是由一些相互关联、相互作用 和相互制约的子系统或社区构成的具有某 种特性或功能的整体系统科学的基础是 一般系统论, 创立者是美籍奥地利生物学 家贝塔朗菲，是20世纪三、四十年代发 展起来的，并随后不断地获得充实和发展 p系统论的基本原则是：整体性和综合化、 联系性、动态性、有序性、最优化其中 ，整体性和综合性是系统科学的基本思想 和一个最重要原则，整体效应是系统论的 最重要特点整体的功能不等于各部分功 能之总和网络科学的研究方法示意图综合集成方法工作流程示意图系统 运行系统 评价决策 部门提出问题 形成判断建模仿真 分析优化结果分析 综合集成结论 建议专家体系统计数据 信息资料p任何系统的整体功能ET，等于各部分功能的总和E1，加上各部分 相互联系形成结构产生的功能ER，即:ET＝ E1＋ ER这对任何复杂系统都一样复杂网络更是如此.p “联系性”既是网络系统内部各节点（元素）之间的相互联系和制 约，又是网络系统与外部环境的联系和制约系统、环境和要素 三者是有机统一的相互联系和相互制约。

复杂网络的结构决定系 统的拓扑特性、功能和动力学行为但是，系统科学似乎并不强 调动力学特性，更强调功能研究结构是系统内部各个节点（要 素）的组织形式，功能是系统在一定环境下所能发挥的作用，不 同的结构可以发生不同的功能p p “动态性”指网络系统随时间和空间在演化，随环境的变化而发 生变化，实际上任何系统都不是绝对的、封闭的和静止的，它总 是存在于特定地环境之中，与外界进行能量、物质、信息的交换 ，受着环境的影响，具有开放性、适应性和灵活性p p“有序性”：系统由于自身的矛盾运动能够使其结构由无序变为 有序这是系统通过信息反馈机制，在同环境交换物质和能量的 过程中，不断地调整自己行为和活动的结果结构的有序性是系 统功能得以实现的内在根据 p“最优化”被认为是系统论的出发点和最终目的人们对系统进 行研究和改造的最终目的，是为了使系统发挥最优的功能网络科学和系统科学的研究方法相似性在于： 把研究的对象放在相互联系的网络系统结构的 体系中，形式多种多样，需要从整体结构、相 互联系、拓扑性质、功能和动力学特性变化上 把握系统的演化发展规律，精确地考察整体与 部分之间、部分与部分之间、整体与外部环境 之间的相互关系，以求达到最终的所需要的研 究目的/目标（如最优结果等）。

典型实例：因特网（互联网）因特网（Internet）本身是一个复杂系统，并 且是当今世界上最大的复杂网络，可以说，它 是一个庞大的系统工程它是一种耗散结构， 该网络系统不断从外界获取有序的信息（信息 论意义的负熵），在时间上和空间上维持着一 个有序的结构，并且该结构随着外界的输入而 不断地变化，结构能够进行自组织，从而导致 体系本身的熵减少该网络结构可能是物理的 结构，例如网络的物理拓扑；可能是逻辑结构 ，例如WWW网的逻辑链接拓扑、网络端到端 或者链路流量构成的流量拓扑等对于复杂系统的相关理论研究，主要探讨复杂 系统的形成机制,结构和进化和动力学特性（功 能）研究Internet及其承载的业务构成了开放的、耗散 与非平衡的复杂系统，其中存在着高度的非线 性动力学特性而耗散和非线性相互作用的结 果就可能产生混沌因此，从理论上来说网络 环境下的海量信息组成的动力系统也具有混沌 特征研究指出，网络的流量、端到端时延、 TCP协议的反馈控制等均具有混沌特征已经 发展出了流量的混沌预测、路由器RED队列管 理等混沌控制方法III. 网络科学与系统科学的差异性 p网络科学最为突出的理论基础或研究工具是现 代图论和非线性科学与非平衡统计物理，不仅 利用图论来产生各种各样的复杂网络图，网络 科学与混沌科学相融合，形成相互关系密切的 一大类混沌节点连接的复杂网络，并且网络科 学业已初步形成一套现代网络理论体系，提出 了许多描述方法和各种特征量：度分布、平均 路径长度、群聚系数、关联系数等，这些不同 于系统科学的理论体系。

p网络科学的诞生后，迅速与20世纪60年代混沌 科学引起的物理学革命, 相互交融，又一次提供 了一种新的科学发展观和方法论，使决定论与 随机性、有序与无序，简单性与复杂性，又一 次达到了和谐的统一，人类的认识产生了一次 新的飞跃从网络观点来考察整个自然界和人 类社会，网络无处不在，触手可及 “海内存知己，天涯若比邻”，网络渗透到人类 生活的方方面面，已经成为人类生活不可缺少 的组成部分，人类社会各方面因此发生了巨大 变化，这些也是系统科学无法比拟的III. 网络科学与系统科学的差异性III. 网络科学与系统科学的差异性 p由于物理学家和社会学家等众多领域的学者投 入了现代网络科学的共创研究，关注到由许多 个体相互作用的复杂社会-经济系统，于是提出 了“我们自己和我们之间的相互作用：一个终极 物理问题？” ，类似于哲学和物理学中提出的 终极问题，最著名的例子就是牛顿问：“苹果为 什么落地？”又问：“天体的运行规律和地球上 物体的运动规律是否一样？”我国最著名的是屈 原的“天问”，这是屈原作品仅次于《离骚》的 另一部长诗，全诗九十五节，今存三百七十六 句，有一百七十余问 III.网络科学与系统科学的差异性p现代科学的起源和很多重要的进展都与探索这 类“终极问题”有关，因为探问“终极问题”正是 站在更高的层次上来考察自然界和人类社会， 这对于驾驭自然界和人类社会会起到高瞻远瞩 和推动作用。

我不知道系统科学是否也关心“终 极问题”这是网络科学有别于系统科学的另一 个点它将更有助于推动网络科学的纵深发展 III. 网络科学与系统科学的差异性p网络科学与系统科学不同还有一个问题是：如何对情感 进行刻画和量化分析？国际上试图用一些方法精确地读 取个体的情感 例如，“现在有数十种模型来解释舆论的形成，却没有 一个来诠释情感 Holyst等8人小组获得欧盟委员会 360 万欧元的资助，想编写一个计算机程序来分析网 络聊天室里的对话，显示人们是何时变成兴奋、生气等 情绪的，以期能够解释群体的情绪 物理学家和社会-学家，以及人文学者，一起合作探索 更符合现实和。