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一、关于复杂性科学与复杂系统研究
复杂性科学被戴汝为院士称之为“21世纪的科学”,它兴起于20世纪80年代中期的一群新学科,也可以说是一场新的思维方式变革运动,复杂性科学主要是研究复杂性、复杂系统的科学。
系统的复杂性主要表现在这样几个方面:一是系统各单元之间的联系广泛而且紧密,从而构成一个网络,每一单元的变化都会受到其它单元变化的影响,并会引起其它单元的变化;二是系统具有多层次、多功能的结构,每一层次都成为构筑上一层次的单元,同时也有助于系统某一功能的实现;三是系统的开放性,它与环境有密切的联系,能够与环境相互作用,不断向更好地适应环境的方向发展变化;四是系统在发展过程中能够不断地对其层次结构与功能结构进行重组和完善;五是系统的动态性,它处于不断发展变化之中。
关于复杂系统的研究是从20世纪80年代中期开始的。1984年,由诺贝尔物理学奖获得者盖尔曼和安德逊、经济学奖获得者阿罗等人支持,组织了圣菲研究所,专门从事复杂系统的研究, 试图由此找到一条通过学科融合来解决复杂性问题的道路。SFI的研究范畴涉及经济、生命、全球危机处理、军备竞赛、可持续发展、组织管理等许多重大的领域。美国的复杂性科学研究者非常重视在经济和管理方面的应用,比较著名的著作有Warfield的《交互式管理》、Peter Senge的《第五项修炼》、Brian Arthur的《经济中的递增回报与路径依存》等,在美国复杂系统的研究主要形成五个学派:以系统动力学学派、适应性系统学派、混沌学派、结构基础学派、后现代学派。
我国著名科学家钱学森于1988年正式进入复杂性研究以来,对复杂性的定义、性质,复杂性研究的对象、径路、方法、应用等做出了全面的论述,成为中国复杂性科学一个完善的研究纲领,这个纲领指导我国复杂性科学研究者走过了至今的十余年,并将继续指导我国复杂性研究的进一步发展。
二、从定性到定量综合集成方法
钱学森于1989年归纳出开放的复杂巨系统的概念。他根据组成系统的子系统的数量和种类的多少,以及它们之间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。对巨系统又分为简单巨系统和复杂巨系统,由于复杂巨系统都是开放的,所以又称为开放的复杂巨系统,如生物体系统、人脑系统、人体系统、社会系统等。
针对不同类型的系统,有着不同的研究方法论。钱学森认为复杂性问题实质上是开放复杂巨系统的动力学特性问题,并且在总结了现代科学技术最新发展以及国内外成功实践经验的基础上,根据他的系统科学体系并结合计算机和通信为核心的高新技术成就提出了从定性至定量综合集成方法,这个方法的内涵是:“将科学理论,经验知识和专家判断力相结合,提出经验性假设(判断或猜想);这些经验性假设不能用严谨的科学方式加以证明,往往是定性的认识,但可用经验性数据和资料以及含大量参数的模型对其确实性进行检测;对这些在经验和对系统的实际理解上建立的参数的模型,经过计算机仿真和计算,通过反复对比,最后形成结论;这样的结论,就是我们在现阶段认识客观事物所能达到的最佳结论,是从定性上升到定量的认识”。综合集成方法的“综合”是相对过去各门学科分化占主导地位的发展趋势而言,指科学与技术,学科与学科间彼此渗透,紧密联系,相互结合,相互促进,取长补短,而“集成”是指各学科以及科学与技术的结合是科学地、有机地、有意义地和面向问题及针对目的地结合在一起,不是简单地拼凑、罗列和堆积。综上所述,从定性到定量的综合集成方法,就其实质而言,是将专家群体、相关的统计数字和信息资料与计算机有机结合起来,把各种学科的科学理论和人的经验知识结合起来,构成一个高度智能化的人机交互系统,这个方法不同于近代科学一直沿用的还原论方法,而是从总体上研究并解决问题的方法论,“是在现代科学技术条件下,实践论的具体化。”可以说它保持和发扬了自然科学、社会科学的定量研究方法和定性研究方法的长处,吸收了整体论和还原论的优点,是还原论和整体论的结合。
从定性到定量综合集成方法是科学方法论,方法论是关于研究事物所遵循的途径和方法,在方法论指导下是具体方法问题,而且方法可能不止一种。综合集成方法是方法论上的创新,作为解决复杂巨系统和复杂性问题的方法论,它的理论基础是思维科学,方法基础是系统科学与数学科学,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应用,哲学基础是马克思主义认识论和实践论[8]。在实际应用中,将这套方法论结合到具体的复杂巨系统就可以开发出一套方法体系,不同的复杂巨系统,方法体系可能是不同的,但方法论却是同一的。
三、煤炭需求复杂系统研究方法
能源是国家经济发展的命脉,在我国的现代化建设中具有举足轻重的地位,也是我国全面建设小康社会、建设和谐社会、实现社会经济可持续发展的重要物质基础。中国又是一个煤炭生产与消费的大国,煤炭在我国能源结构中一直占有三分之二的份额,具有重要地位和战略意义,煤炭行业的健康发展对保持中国国民经济的快速稳定发展以及保证中国的能源安全都具有举足轻重的地位。经过考察近十几年中国煤炭产业的整体运行状况以及各研究机构和部门的研究情况,我们发现,虽然各研究机构和部门一直在努力研究尝试多种预测方法,比如投入产出分析、计量经济模型、灰色预测模型和人工神经网络模型 、小波神经网络等,但是由于煤炭需求系统内部影响因素和外部环境不断发生变化,各因素之间的影响、制约关系非常复杂,关于煤炭需求的预测一直没有取得科学、准确的结果,无法为煤炭产业的规划和决策提供科学的依据,致使煤炭产业的发展一直在煤炭过剩和煤炭紧缺之间徘徊,造成中国的煤炭产业发展不能与中国的经济发展协调一致,既影响了国民经济健康发展,也造成了资源的极大浪费。
我国煤炭需求结构正在快速发生变化,随着城市化比重提高,环境保护的要求,居民生活用能正向天然气、石油液化气、电能等方面转变,用煤量将逐步减少,包括民用、城市非工业用煤比重都在减少,国内煤炭消费向电力、建材、冶金和化工等主要耗煤行业集中,这四个主要耗煤行业的耗煤量在煤炭消费总量中所占比重很大,中国煤炭需求的发展趋势,主要取决于该四个行业的发展状况,其产业发展趋势、产品产量增长、单位煤耗和节能技术进步趋势以及国家产业政策的调整等都会对煤炭需求量有较大影响,另外,随着经济全球化的发展,我国能源供应将在一个更加开放的体系中配置,国外石油、天然气等优质能源进口量和价格的变化,将直接影响国内煤炭市场的供求关系。因此煤炭需求系统是一个复杂系统,最主要的特征是系统具有众多的状态变量,反馈结构复杂,输入与输出呈现非线性特征,不仅子系统种类多,各有其定性模型,子系统的结构也在随着系统的发展不断变化,它具有高阶次、多回路、非线性的特征,因而它是一个开放的复杂系统。煤炭需求系统的上述结构特征,反映到研究过程,就表现为涉及学科知识多种多样,信息来源各不相同,有的定量有的定性,而且信息精度不均衡,系统参数敏感性很不一致,系统高层次结构较清晰与低层次结构难描述。因此,我们应在综合集成方法论的指导下,探索煤炭需求复杂系统研究的方法。
1、对系统较高层次部分采用“微观性”处理
深入研究系统结构,将整个煤炭需求系统进一步划分为电力、冶金、建材、化工、人口、污染6个子系统,并考虑科技影响因素,从经济发展、环境保护的角度分析各子系统间、各子系统内部的反馈关系,从而得到整个煤炭需求系统发展的特征,建立系统的仿真模型,该模型是煤炭需求系统的主体模型,该主体模型应实现以下功能:原来子系统间的关联关系应在主体模型中体现出来;原来子系统的各种处理方式产生的子系统状态变量值应能动态地、自动地输入到主体模型中;主体模型中还要能够反映出较高层次系统变量间的各种复杂的关联关系;主体模型应包括相对于系统目标来说所需要的全部系统变量;主体模型中还要能够反映出煤炭需求系统内的各种反馈关系。
“综合集成方法”的实现必须解决两个问题:一是如何将科学理论,经验知识和专家判断力相结合,建立定性认识,提出假设并建立包括大量参数的系统结构模型;二是如何通过人机交互,调整参数等,进行仿真计算,反复对比逐次通近,实现从感性到理性,由定性到定量的转化。系统动力学是一门研究信息反馈系统的科学,是以系统方法论的基本原则来考察客观世界,其最大的特点是采用定性与定量结合,系统分析、综合与推理的方法,借助计算机的模拟,进行调查研究和政策分析。系统动力学具有解决上述两个问题的基本条件,SD在进行系统研究方面从微分方程组理论出发,建立了两条具体适合研究复杂系统的技术:提出了因果关系及流位流率系的反馈结构建模方法;具有专用的便于参数调试的DYNAMO仿真语言,因此,在具体建模过程中,考虑到煤炭需求系统的特点,所要达到的目标和系统动力学这个方法本身所具有的优势和特点,我们将选用系统动力学作为综合集成模型的主体。当然,系统动力学中尚有一些需进一步研究的问题,比如复杂系统主回路的判别方法;模型参数估计的进一步完善;模型行为模式的稳健性问题等。
2、对系统低层次部分采取“宏观性”处理
对于低层子系统(比如电量需求预测子系统、技术进步趋势预测子系统等)侧重其输入、输出特性的研究,而不侧重其内部结构的分析,应用人类一切已有的信息处理技术,进行定性定量相结合的研究,比如运用各种抽样方法对系统的实际信息进行采集,然后再进行统计归纳;对实际系统中原来已有的,可能是零乱的、分散的信息资料进行各种技术处理和分析,以得到子系统的状态数据;有的可以根据专家或有经验的实际工作者给以预见性分析、推算,进而得到定量的数据,必要时可建立智能专家系统; 有的子系统相对来说具有较系统、完整的历史数据,可以采用各种数据模型技术,如回归、平滑、灰色模型、投入产出分析及其它矩阵预测;运用经济学、经济控制论或其它各种控制论模型进行研究等等,该子系统的状态(或称为该子系统的输出变量)可视为整个复杂系统的一个或一组参数。
煤炭需求系统是一个开放的复杂巨系统,传统的还原论方法存在许多缺陷,
在钱学森综合集成方法论的科学指导下,探索煤炭需求复杂系统分析研究的方法体系,是这一科学方法论在具体实践中的运用,当然这只是我们的总体设想,有待于进一步的研究。 职称论文发表网http://www.issncn.com
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