前言

如果說大自然用千百種聲音在說話，那么人類可能只聽懂了其中為數不多的幾種。18世紀牛頓的經典科學體系是人與自然的一次對話，那次對話給出了當時自然哲學的數學原理，是對自然的簡單的、無生命的表達。對時間和復雜性的簡化是經典科學的核心，所以康德說，牛頓的對話并不是科學跟自然的對話，而是把經典科學自己的語言強加給了自然。300年后的21世紀，普利高津的耗散結構理論可以稱為人與自然的又一次對話，而這次對話則讓自然重新煥發活力，還給自然以生命！因為我們現在越來越發現，還原論和決定論只是我們所處世界的有限的簡單情況，更多的則是復雜性！經典科學主要關心穩定的周期性行為，化復雜為簡單，基本以封閉的時空為參照，而現代科學體系開始描述一個進化、開放和復雜的世界了。

將復雜性作為世界的本質來對待，這一認識已經被越來越多的人所接受，應運而生的復雜性研究也不斷涌現。復雜性科學是指以復雜性系統為研究對象，以超越還原論和整體論為方法論特征，以揭示和解釋復雜系統運行規律為主要任務的交叉科學。復雜性科學的研究主要經歷了三個發展階段：法國思想家埃德加·莫蘭在他1973年出版的《迷失的范式：人性研究》一書中首次提出“復雜性研究”這個概念，他是從生命的最高代表——人性出發的；普利高津在他 1979年出版的法文版《新的聯盟》（英文版改名為《從混沌到有序》）一書中提出了“復雜性科學”的概念，他將復雜性科學看作是對經典科學的超越，是從生物化學出發的；1984年5月在美國成立的“圣塔菲研究所”被視為世界復雜性問題研究的中樞，代表人物約翰·霍蘭則從自然遺傳進化出發，提出了“適應性造就復雜性”的復雜適應系統理論。復雜性研究的三個發展階段的出發點雖然各有不同，但是它們的共同之處卻都是從有機生命中獲得啟發或靈感的。

有機生命的自組織結構是生命以負熵為生的保障，而自組織理論的開創者之一普利高津說過：經典實證科學的核心就是對“時間和復雜性”的簡化[1]。這也正是維納提出的“控制論”當前所遇到的現實挑戰。經典科學體系強調穩定、有序、均勻和平衡，以機械論、控制論為遵循，以原子、鐘表、控制為代表。現代科學的重點則是要把注意力從實體轉移到虛體，轉移到“關系、信息和時間”上。現代科學體系開始直面多樣性、無序性、不確定性和復雜性，以負熵、耗散結構和復雜適應系統等為方向，以有機生命、數字孿生和智能體為代表。普利高津的耗散結構和霍蘭的“適應性造就復雜性”就是研究復雜性最值得關注的理論。

復雜性的基本特征就是非線性、不確定性和自組織，尤其以自組織行為的研究可作為現代科學超越經典科學簡單性的本質特征。“自組織”是相對于“他組織”而言的，我們一般把不能自行組織、自行創生、自行演化等不能自主地從無序走向有序的組織稱為他組織。他組織只能依靠外界的特定指令來推動組織發展演化，是被動地從無序走向有序。相反，自組織是指無需外界特定指令就能自行組織、自行創生、自行演化，能自主地從無序走向有序的結構和過程。技術的發展帶來理論的創新，我們可以大膽地預測，他組織的控制理論的發展也許會在歷史的某個時刻與自組織理論會合。但是，至少目前耗散結構和控制論還有本質的區別，那就是系統是內部的自組織演化，還是外部的他組織演化。耗散結構的內部自組織演化，是內在秩序和邏輯的作用，不管你是否認知或認知多少，這個內在邏輯和規則是自洽的。但是他組織的系統是在外部的控制指令作用下的系統演化，由于人類還沒發展到完全認清事物內在本質的階段，所以外部的邏輯輸入一定會與內在邏輯存在偏差。這個偏差是不可避免的，也是無法完全擬合的，而且隨著系統的復雜性加劇、變量的增多，外部的控制邏輯就會越來越多樣，那么就造成跟內在邏輯和秩序會越來越“走樣”的局面，所以人造工程系統越復雜，就越難以管理，協作的難度就越大，基于控制的復雜工程系統設計和管理也會遇到前所未有的挑戰。

自然界的啟示告訴我們，適應性造就復雜性，那么研究復雜性就要從適應性入手，霍蘭提出的“復雜適應系統”正是這一論斷的積極探索，也是筆者開展工程系統復雜性研究的最早啟蒙。筆者在主持我國第一艘航空母艦航空指揮和保障系統，以及世界第一艘智能船“大智號”的實踐探索中認識到，在熵增的進程中，大到天體，小到微塵，無有例外，只有生命。所以抑制熵增，所謂的開放系統進行物質、能量或信息的交換，從漲落到突變，從無序到有序，從平衡態到遠離平衡態，目的就是形成自組織的耗散結構，其本質就是利用生態有機構建生命負熵機制！自然界的自組織生態是因生命而負熵，而人造工程系統要“走出”控制論的困局，其核心就是以有機生命為破局的目標，將人造工程系統設計成自組織的耗散結構，通過構建負熵流而賦能人造工程系統以“生命適者生存”的特性！

從解決復雜工程系統的復雜性出發，我們借助耗散結構的理論和生命負熵的理念，直面復雜性的本質，去開創復雜系統設計的新方法。筆者在大量的、曲折的工程實踐中，從系統工程傳統設計的降維 V模型升維到 V+模型，從有限感知的物理實體映射到虛擬空間的數字孿生+V模型，最終在數據驅動的流程設計中摸索出了 V++三層規則模型。為使基于 V++設計的復雜工程系統符合自組織的耗散結構，筆者循著“適應性造就復雜性”的本質特征，在自然界“適者生存”的自組織規則啟發下，設計了人造工程系統的適應性規則引擎，在 V++模型的微觀層、中觀層和宏觀層加載適合的規則，驅動各層及層間以適應性為目標運行，形成規則流。為使規則流滿足生命負熵的要求，筆者還定義了復雜工程系統的適應性因子，對 V++各層的適應度進行了適應性指數的量化計算和匯聚傳導，得出了可以對復雜工程系統整體適應性進行度量和評估的適應性指數，進而給出了引導規則流向逆熵規則流演化的方法，從而使復雜工程系統在基于 V++三層規則模型的設計中，可以實現熵增的復雜工程系統向逆熵體復雜工程系統的轉變。

同時，為了使適應性指數在實際工程設計中得到更廣泛的應用，我們對復雜工程系統的適應性等級進行了生命力定義：即通過構建適應性機制，形成能夠不斷適應環境變化、迭代更新成為逆熵體的能力，包括感知力、決策力、恢復力、學習力與進化力（簡稱五力），這也是對復雜系統適應性程度的一種評價標準。在生命力五力的基礎上，借鑒技術成熟度九級和可靠性六性等思想，設計了生命力十級的劃分和評價方法，并基于“適應性造就復雜性”的本質特征，創新性地把適應性從質量通用特性的六性中獨立出來，提出了質量通用特性“5+1”的新思路，希望在復雜工程系統適應性設計和評估中建立一個新的標準。

復雜工程系統走出控制論困境的破局之路，就是要遠離他組織無限接近自組織的過程，就是從外部精準控制向內部隱秩序挖掘，從而使內外秩序在學習和認知中不斷適應的過程。我們提出的復雜工程系統 V++三層規則模型和適應性規則引擎，就是按照“適應性造就復雜性”的原理，遵循自然界“生態適者生存”的法則，學習自組織耗散結構理論的架構和條件，利用 CPS[2]技術和數字孿生的手段，研究出的復雜工程系統新的方法論。這一方法論使復雜工程系統從基于邏輯的控制，向基于規則的適應轉變，實現了實質性的跨越，是復雜性工程學派的最新發展。如果給此方法論概括一個名字的話，筆者覺得可以稱為“復雜工程系統有機適應性理論”。

在30多年基于航空母艦工程、艦載直升機快速回收系統和智能船等的系統工程實踐之后，我很幸運走上了復雜性研究這條路，5年來，“復雜性研究三部曲”從《從降維解析到映射升維》到《從隱秩序到顯規則》再到《從控制到引導》[1]的相繼面世，我知道自己在工程系統復雜性研究上留下了重重一筆。一路走來，我首先感謝我的夫人和女兒，無論是疫情封控時的相互攙扶，還是茶余飯后的睿智討論，都是我低迷時的動力和思想火花的源泉；其次我要感謝我每本書的第一讀者，他是我工作的同事和生活的好友譚瑋，他淵博的知識和觸類旁通的智慧是我思想落地的橋梁和支撐；再就要感謝我的年輕博士團隊——黃百喬、張羽、羅永亮和白天，他們對復雜性研究的熱情和科學的嚴謹態度都是“三部曲”能問世的堅強保障。我還要感謝為書籍出版、推薦給予許多支持和幫助的師長、編輯和朋友們，你們的每一點贊許和期待，都是我繼續前行的不竭動力！

除了“抄襲”，任何的創新在一開始都是稚嫩的。本書的核心觀點成熟于封控期的上海，匱乏的物質卻滋養了豐富的思想，人和大自然一樣，總在得與失之間調整著微妙的平衡，我希望這棵工程系統復雜性研究的小草也可以長成參天大樹！

2022年 12月于疫情即將過去的上海

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[1] 《從降維解析到映射升維——復雜工程系統原理探索》《從隱秩序到顯規則——工程體系基于V++規則引擎的生態演進》《從控制到引導——復雜性工程學派的有機適應性理論》，為表述方便，本書分別簡稱為《從降維解析到映射升維》《從隱秩序到顯規則》《從控制到引導》。