网络科学与系统科学的发展与应用.ppt

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1、,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,Outline,前 言,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

2、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。,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。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,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

3、,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,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。“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

4、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,1969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。1973年以后，德国理论物理学家赫尔

5、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。1972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,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。网络科学与系统科学相

6、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

7、)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,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）？它们在认识世界复杂性和改造客观世界中发挥什么作用？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,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

8、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,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。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

9、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,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.“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

10、同的结构可以发生不同的功能。,“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。“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。“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

11、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

12、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

13、差异性,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。,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

14、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,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

15、”，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,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,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

16、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人类自身的模型，这将为深入理解人类以及人类社会各种现象提供了新思想和新方法。,3 网络科学与系统科学的差异性,我国系统科学里，钱学森提出了“综合集成方法”，它的“实质是把专家体系、数据和信息体系以及计算机体系有机结合起来，构成一个高度智能化的人-机结合、人-网结合的体系。它的成功应用就这于发挥这个体系的综合优势、整体优势和智慧优势。它能把人的

17、思维、思维的成果、人的经验、知识、智慧以及各种情报、资料和信息统统集成起来，从多方面的定性认识上升到定量认识。”需要注意的是，“运用这个方法也需要系统分解，在分解后研究的基础上，在综合集成到整体，实现1+12的飞跃，达到整体上研究和解决问题的目的。既吸收了还原论和整体论的长处，同时也弥补了各自的局限性，既超越了还原论方法，也发展了整体论方法。”这个做法是否可以推广到复杂网络巨系统的研究中？值得深思。,III 网络科学与系统科学的差异性,另一个不同点：综合集成方法的理论基础是思维科学。方法基础是系统科学和数学科学，技术基础是以计算机为主的现代信息技术，实践基础是系统工程的应用，哲学基础是辩证唯物

18、主义的实践论和认识论。后面几点与网络科学有相似点。问题是：网络科学能否学习和借鉴思维科学来促进和发展自身的学科？我觉得，如能，这也许能更好描述复杂网络中与情感、思维、人才和人性等相关的动态复杂性问题。,实例:研讨厅体系结构,体现几十年来世界学术讨论的seminars经验C3I及作战模拟从定性到定量综合集成方法情报信息技术人工智能“灵境”（VR、人工虚拟现实）人-机结合智能系统系统学第五次产业革命中涌现出了的新技术 综合起来，三种方法论可以形象地表示为:综合集成方法：1+12还原论方法：1+12整体论方法：1+0=1,这个研讨厅体系的主要特点和表现,IV 面临的挑战性,为了满足未来人类对科学的广

19、泛需求，网络科学面临着挑战性课题，我认为有以下值得关注的课题，与系统科学并非完全无关。,面临的挑战,第一,探索网络科学前沿问题：建立网络科学的统一理论框架（体系）,需要深入探索和发现构成复杂系统基础的理论核心，形成统一理论框架，以便能够进一步揭示和深入了解发生在网络系统中的动力学过程及其物理演化机制问题，需要定性和定量地深刻理解所能感知的复杂系统的行为及其演化特性，揭示复杂网络的拓扑、动力学和功能之间的普遍联系（规律性）。因此，这必然与许多交叉领域的前沿课题密切相关。例如，探索脑神经网络是21世纪科学的主要前沿领域之一。,Barabasi 指出：“我们需要攻克下一个前沿问题，就是理解在网络中发

20、生的动力学过程。而问题在于我们已经有了几乎和复杂系统一样多的动力学现象。尽管是多种多样的，但是否有这样的可能：这些动力学过程有着一些共同的特征？”这样的共性是存在的；只是迄今还没有发现能够解释它们普遍性的理论框架。同网络拓扑结构的普遍性相比，很快就能找到构成复杂系统的理论基础。,第二,需要突破关键问题：完善数据和发挥人的想象力、创造力和智慧,今后能否保持网络科学发展的势头取得更辉煌的成果呢？回答：是可能的！主要的关键问题之一是需要更多的完善的数据。事实上，在过去的十年里大型可靠的网络数据的突现已经促进了网络理论的发展。今后几年只要能够捕获更详细数据，并能反映发生在网络系统中的动力学过程。在此基

21、础上，关键问题之二是，人就成为了唯一的决定因素，需要依靠全世界科学家发挥高度想象力、智慧和创造力。随着现代科学技术的迅速发展，今后肯定能够挖掘和提供更多、更完善的实际数据，所以非常需要建立最广泛的科学家国际合作网，开展最密切的国内外合作研究。相信依靠全球科学家的高度（原）独创性的思维能力和智慧，有望今后10年进一步发现复杂网络更普遍和更深层次的规律，从而获得更深入广泛的应用。,第三,网络/系统科学志在探索整个自然界和人类社会,我们要认识的复杂系统，既不是细胞，也不是因特网，而是整个人类社会和自然界。这是Barabasi的一个大胆的预测是：“由于我们每天所要使用的电器设备数量的增长，从移动电话到

22、全球定位系统和因特网，它们已经捕获了我们生活中的一切行踪，在一个真正量化的方式下，我们首先能够认识的复杂系统不是细胞，也不是因特网，而是我们人类社会。”并将实现一个真正量化的定量理解。从而必将更多揭开自然界和人类的“庐山真面目”。,第四，瞄准共同目标：运用网络科学重新统一地认识众多传统科学,对于复杂网络系统而言，节点（组元）之间内在的相互连接（关系）特别重要，这正是人们关注网络的原因。“今天，对网络系统的认识已经成为一系列传统学科的共同目标”，也就是今后需要运用网络科学科学观来重新统一认识许多传统学科.例如：计算机科学家正在绘制下一代互联网和万维网的结构与功能；流行病学家追踪病毒传播与传输网络

23、；细胞生物学家使用网络来研究信号传导和代谢过程及其应用；生物神经科学家正在探索完全的大脑神经网络图；。总之，我们需要运用网络科学重新统一地认识众多传统科学。,第五,当务之急：开展重大网络工程与实际应用研究工作。,开展国家及国防急需的重大工程与应用课题的研究，特别是涉及军民两用网络安全等问题。值得注意的是，美国高度重视网络科学与应用的研究。2009年9月由美国麻省理工大学等十所著名大学联合组成了“美国网络科学与工程委员会”，该委员会提出了一个专题报告：“网络科学与工程的研究议事日程”，报告空前强调美国今后加强网络科学与工程应用研究的重大意义和研究方向，并要求政府必须加大研究经费的投入力度。,为此

24、，委员会向美国政府的基金机构推荐必须大力支持研究的四大方面：未来互联网技术的实验研究工作；重建和扩大实验室规模、改善实验方法与技术，加大奖励制度以促进网络工作者发挥重大作用；大力培养和支持网络工程设计有关的科技活动，包括理论计算机科学、网络科学新课题和其他相关的理论课题的研究；支持更广泛的交叉科学研究活动，以便深刻理解和设计未来的包括互联网在内各种网络。,第六,特别关注：网络中心作战及国防领域的网络应用,美军自1997年提出“网络中心战”，预计：网络中心战的全面实现，大约要经历2030年左右的时问。美军计划在2015年建成全球信息网格，2020年能够实行比较成熟的网络中心战。2009年美国总统

25、奥巴马刚上台，于5月29日批准公布了国家网络安全评估报告，指出来自网络空间的威胁已成为美国面临的最严重的经济和军事威胁之一，保护网络基础设施将是维护美国国家安全的第一任务，提出筹备美军网络司令部等重大决策。6月美国国防部马上创建了世界上第一个网络战司令部，规模与空军作战司令部、太空司令部相比，麾下有多达541个子司令部、65个空军中队、预备役和国民警卫队、4个空军网络战联队和陆、海军网络战部队。预计“网络中心战”全面实现需要2030年时间，在2015年建成全球信息网格，2020年实行比较成熟的网络中心战，将担负起网络攻防任务，确保美军在未来战争中拥有全面的信息优势。与此同时，其他军事强国也纷纷

26、响应，一场比“冷战”时期更激烈的军事、文化和社会经济更激烈的竞争开始了！,第七,应用多学科的知识体系、方法论和专家系统，完善网络科学的理论体系,我国的系统科学中“综合集成方法”，或“从定性到定量综合集成研讨厅体系”，既运用整体综合方法，又利用还原论的系统分解法，在分解后研究的基础上，进行综合集成到整体。这样相结合方法，具有灵活性、适应性和实用性。我们能否把它推广到某些复杂巨网络系统的研究中，有待进行试验研究。,第八,努力探索网络科学 与艺术的和谐统一,“科学求真，真中涵美；艺术审美，美不离真”，这是长期以来众多有识人士的精辟概括。为了更深刻地描述真实的自然界和人类社会，网络科学和其他科学（如纳

27、米科学）一样，应该能够达到科学与艺术的和谐统一。我很赞同李政道的一句话：“科学与艺术是相通的。”歌德说过：“我们必须把科学当作艺术，然后才能从科学得到完整的知识。”罗素也说过：“数学，如果公正地看，包含的不仅是真理，也是无上的美一种冷峻的美，恰像一尊雕刻一样。”,由此可见，科学与艺术的和谐统一是必然的发展趋势。网络科学毫不例外，一张张美妙的复杂网络图就是一个个珍贵的艺术品。如果利用艺术的想象对复杂网络图进行再创造，提倡和促进科学家与艺术家进行共同的艺术创作，不久的将来能够达到网络科学与艺术的和谐统一，我想，这也是网络科学工作者努力探索的目标之一。我坚信：网络科学在与系统科学等众多学科的广泛交叉研究中，一定能够相辅相成，相得益彰，共同促进，今后必将取得更加辉煌的成果，造福于全人类。,欢迎批评指正！,