复杂性研究是当今学界和业界共同面对的课题，各类方法和路径不一而足。笔者基于多年的工程实践，从分析世界的复杂性本源入手，针对基于控制逻辑的系统设计遇到的不确定等时代挑战，借鉴自然界适者生存的启示，介绍了工程系统有机适应性理论和V++三层规则模型、适应性规则引擎产生的过程，并在试验数据的支持下，验证了提出的以适应性为目标、以信息负熵为基础、以耗散结构为路径、以逆熵体为核心和以适应性指数为引导的复杂工程系统的设计新路的可信性。本书既是社会大众了解复杂性工程的科普读物，也是复杂性研究和体系工程领域一本值得借鉴和参考的工具书。

如果说大自然用千百种声音在说话，那么人类可能只听懂了其中为数不多的几种。18世纪牛顿的经典科学体系是人与自然的一次对话，那次对话给出了当时自然哲学的数学原理，是对自然的简单的、无生命的表达。对时间和复杂性的简化是经典科学的核心，所以康德说，牛顿的对话并不是科学跟自然的对话，而是把经典科学自己的语言强加给了自然。300年后的21世纪，普利高津的耗散结构理论可以称为人与自然的又一次对话，而这次对话则让自然重新焕发活力，还给自然以生命！因为我们现在越来越发现，还原论和决定论只是我们所处世界的有限的简单情况，更多的则是复杂性！经典科学主要关心稳定的周期性行为，化复杂为简单，基本以封闭的时空为参照，而现代科学体系开始描述一个进化、开放和复杂的世界了。 将复杂性作为世界的本质来对待，这一认识已经被越来越多的人所接受，应运而生的复杂性研究也不断涌现。复杂性科学是指以复杂性系统为研究对象，以超越还原论和整体论为方法论特征，以揭示和解释复杂系统运行规律为主要任务的交叉科学。复杂性科学的研究主要经历了三个发展阶段：法国思想家埃德加·莫兰在他1973年出版的《迷失的范式：人性研究》一书中首次提出“复杂性研究”这个概念，他是从生命的最高代表——人性出发的；普利高津在他1979年出版的法文版《新的联盟》（英文版改名为《从混沌到有序》）一书中提出了“复杂性科学”的概念，他将复杂性科学看作是对经典科学的超越，是从生物化学出发的；1984年5月在美国成立的“圣塔菲研究所”被视为世界复杂性问题研究的中枢，代表人物约翰·霍兰则从自然遗传进化出发，提出了“适应性造就复杂性”的复杂适应系统理论。复杂性研究的三个发展阶段的出发点虽然各有不同，但是它们的共同之处却都是从有机生命中获得启发或灵感的。 有机生命的自组织结构是生命以负熵为生的保障，而自组织理论的开创者之一普利高津说过：经典实证科学的核心就是对“时间和复杂性”的简化[1]。这也正是维纳提出的“控制论”当前所遇到的现实挑战。经典科学体系强调稳定、有序、均匀和平衡，以机械论、控制论为遵循，以原子、钟表、控制为代表。现代科学的重点则是要把注意力从实体转移到虚体，转移到“关系、信息和时间”上。现代科学体系开始直面多样性、无序性、不确定性和复杂性，以负熵、耗散结构和复杂适应系统等为方向，以有机生命、数字孪生和智能体为代表。普利高津的耗散结构和霍兰的“适应性造就复杂性”就是研究复杂性最值得关注的理论。 复杂性的基本特征就是非线性、不确定性和自组织，尤其以自组织行为的研究可作为现代科学超越经典科学简单性的本质特征。“自组织”是相对于“他组织”而言的，我们一般把不能自行组织、自行创生、自行演化等不能自主地从无序走向有序的组织称为他组织。他组织只能依靠外界的特定指令来推动组织发展演化，是被动地从无序走向有序。相反，自组织是指无需外界特定指令就能自行组织、自行创生、自行演化，能自主地从无序走向有序的结构和过程。技术的发展带来理论的创新，我们可以大胆地预测，他组织的控制理论的发展也许会在历史的某个时刻与自组织理论会合。但是，至少目前耗散结构和控制论还有本质的区别，那就是系统是内部的自组织演化，还是外部的他组织演化。耗散结构的内部自组织演化，是内在秩序和逻辑的作用，不管你是否认知或认知多少，这个内在逻辑和规则是自洽的。但是他组织的系统是在外部的控制指令作用下的系统演化，由于人类还没发展到完全认清事物内在本质的阶段，所以外部的逻辑输入一定会与内在逻辑存在偏差。这个偏差是不可避免的，也是无法完全拟合的，而且随着系统的复杂性加剧、变量的增多，外部的控制逻辑就会越来越多样，那么就造成跟内在逻辑和秩序会越来越“走样”的局面，所以人造工程系统越复杂，就越难以管理，协作的难度就越大，基于控制的复杂工程系统设计和管理也会遇到前所未有的挑战。 自然界的启示告诉我们，适应性造就复杂性，那么研究复杂性就要从适应性入手，霍兰提出的“复杂适应系统”正是这一论断的积极探索，也是笔者开展工程系统复杂性研究的最早启蒙。笔者在主持我国第一艘航空母舰航空指挥和保障系统，以及世界第一艘智能船“大智号”的实践探索中认识到，在熵增的进程中，大到天体，小到微尘，无有例外，只有生命。所以抑制熵增，所谓的开放系统进行物质、能量或信息的交换，从涨落到突变，从无序到有序，从平衡态到远离平衡态，目的就是形成自组织的耗散结构，其本质就是利用生态有机构建生命负熵机制！自然界的自组织生态是因生命而负熵，而人造工程系统要“走出”控制论的困局，其核心就是以有机生命为破局的目标，将人造工程系统设计成自组织的耗散结构，通过构建负熵流而赋能人造工程系统以“生命适者生存”的特性！ 从解决复杂工程系统的复杂性出发，我们借助耗散结构的理论和生命负熵的理念，直面复杂性的本质，去开创复杂系统设计的新方法。笔者在大量的、曲折的工程实践中，从系统工程传统设计的降维V模型升维到V+模型，从有限感知的物理实体映射到虚拟空间的数字孪生+V模型，最终在数据驱动的流程设计中摸索出了V++三层规则模型。为使基于V++设计的复杂工程系统符合自组织的耗散结构，笔者循着“适应性造就复杂性”的本质特征，在自然界“适者生存”的自组织规则启发下，设计了人造工程系统的适应性规则引擎，在V++模型的微观层、中观层和宏观层加载适合的规则，驱动各层及层间以适应性为目标运行，形成规则流。为使规则流满足生命负熵的要求，笔者还定义了复杂工程系统的适应性因子，对V++各层的适应度进行了适应性指数的量化计算和汇聚传导，得出了可以对复杂工程系统整体适应性进行度量和评估的适应性指数，进而给出了引导规则流向逆熵规则流演化的方法，从而使复杂工程系统在基于V++三层规则模型的设计中，可以实现熵增的复杂工程系统向逆熵体复杂工程系统的转变。 同时，为了使适应性指数在实际工程设计中得到更广泛的应用，我们对复杂工程系统的适应性等级进行了生命力定义：即通过构建适应性机制，形成能够不断适应环境变化、迭代更新成为逆熵体的能力，包括感知力、决策力、恢复力、学习力与进化力（简称五力），这也是对复杂系统适应性程度的一种评价标准。在生命力五力的基础上，借鉴技术成熟度九级和可靠性六性等思想，设计了生命力十级的划分和评价方法，并基于“适应性造就复杂性”的本质特征，创新性地把适应性从质量通用特性的六性中独立出来，提出了质量通用特性“5+1”的新思路，希望在复杂工程系统适应性设计和评估中建立一个新的标准。 复杂工程系统走出控制论困境的破局之路，就是要远离他组织无限接近自组织的过程，就是从外部精准控制向内部隐秩序挖掘，从而使内外秩序在学习和认知中不断适应的过程。我们提出的复杂工程系统V++三层规则模型和适应性规则引擎，就是按照“适应性造就复杂性”的原理，遵循自然界“生态适者生存”的法则，学习自组织耗散结构理论的架构和条件，利用CPS[2]技术和数字孪生的手段，研究出的复杂工程系统新的方法论。这一方法论使复杂工程系统从基于逻辑的控制，向基于规则的适应转变，实现了实质性的跨越，是复杂性工程学派的最新发展。如果给此方法论概括一个名字的话，笔者觉得可以称为“复杂工程系统有机适应性理论”。 在30多年基于航空母舰工程、舰载直升机快速回收系统和智能船等的系统工程实践之后，我很幸运走上了复杂性研究这条路，5年来，“复杂性研究三部曲”从《从降维解析到映射升维》到《从隐秩序到显规则》再到《从控制到引导》的相继面世，我知道自己在工程系统复杂性研究上留下了重重一笔。一路走来，我首先感谢我的夫人和女儿，无论是疫情封控时的相互搀扶，还是茶余饭后的睿智讨论，都是我低迷时的动力和思想火花的源泉；其次我要感谢我每本书的第一读者，他是我工作的同事和生活的好友谭玮，他渊博的知识和触类旁通的智慧是我思想落地的桥梁和支撑；再就要感谢我的年轻博士团队——黄百乔、张羽、罗永亮和白天，他们对复杂性研究的热情和科学的严谨态度都是“三部曲”能问世的坚强保障。我还要感谢为书籍出版、推荐给予许多支持和帮助的师长、编辑和朋友们，你们的每一点赞许和期待，都是我继续前行的不竭动力！ 除了“抄袭”，任何的创新在一开始都是稚嫩的。本书的核心观点成熟于封控期的上海，匮乏的物质却滋养了丰富的思想，人和大自然一样，总在得与失之间调整着微妙的平衡，我希望这棵工程系统复杂性研究的小草也可以长成参天大树！ 张宏军2022年12月于疫情即将过去的上海

第1章 复杂性——世界的本源?1 1.1 系统、联系与复杂性根源?1 1.1.1 系统与分类?1 1.1.2 因果与相关?5 1.1.3 复杂性根源?7 1.1.4 复杂性特征?10 1.2 自然系统复杂性?12 1.2.1 从无机到有机——自然系统中的复杂性涌现?12 1.2.2 人体复杂巨系统的复杂性分析?15 1.2.3 自然系统复杂性背后的规则分析?16 1.3 社会系统复杂性?18 1.3.1 从政治、经济到文化——社会系统中的复杂性涌现?18 1.3.2 社会系统复杂性分析?18 1.3.3 社会系统复杂性背后的规则分析?21 1.4 工程系统复杂性?21 1.4.1 从物质到功能——工程系统中的复杂性涌现?21 1.4.2 工程系统复杂性分析?22 1.4.3 工程系统复杂性背后的规则分析?26 第2章 复杂性科学——认识世界的钥匙?28 2.1 一般系统理论?29 2.1.1 活力论的破灭?29 2.1.2 贝塔朗菲与系统论?30 2.1.3 维纳与控制论?31 2.1.4 香农与信息论?33 2.2 自组织理论?35 2.2.1 普利高津与耗散结构理论?35 2.2.2 哈肯与协同学?37 2.2.3 托姆与突变论?37 2.2.4 艾根与超循环结构?38 2.3 复杂非线性系统理论?39 2.3.1 自相似?39 2.3.2 三体?42 2.3.3 混沌?43 2.3.4 圣塔菲与复杂适应系统理论?45 第3章 复杂性学派——改造世界的途径?48 3.1 学派与主义?48 3.2 欧洲学派?50 3.3 美国的圣塔菲学派?53 3.4 中国的钱学森系统工程学派?55 第4章 自然界的启示——生命以负熵为生?59 4.1 生态有机?59 4.2 适者生存?60 4.3 生命负熵?61 4.4 信息负熵?63 第5章 工程系统复杂性的困境——控制论面临的挑战?67 5.1 工程系统的发展与现状?67 5.2 工程系统复杂性分析?69 5.3 工程系统复杂性面临的挑战?72 5.3.1 认识的局限?72 5.3.2 技术的局限?73 5.3.3 理论的局限?73 5.3.4 时代的局限?73 第6章 从控制到引导——工程系统复杂性的破局之路?75 6.1 自然系统的适应性机制?75 6.2 从自然到人为?77 6.3 自组织理论的兴起?83 6.4 破局之路?91 6.4.1 信息负熵是基础?91 6.4.2 耗散结构是路径?93 6.4.3 逆熵体是核心?94 6.4.4 引导是目标?96 第7章 适应性规则引擎——复杂工程系统构建逆熵体的灵魂?99 7.1 规则引擎?99 7.1.1 软件工程中的规则引擎?100 7.1.2 规则引擎的应用场景?101 7.2 适应性规则引擎的设计?102 7.2.1 适应性规则引擎的参考架构?103 7.2.2 适应性规则引擎的角色及角色视图?106 7.2.3 适应性规则引擎的功能架构和功能视图?110 7.3 规则流与逆熵体?114 7.3.1 逆熵规则流?114 7.3.2 华为的逆熵体案例?116 第8章 V++模型——复杂工程系统有机适应性设计?118 8.1 V++模型的三层架构设计?119 8.1.1 复杂工程系统的升维设计“+”?120 8.1.2 复杂工程系统的虚实映射“+”?153 8.1.3 复杂工程系统的V++设计?158 8.2 V++模型的适应性规则引擎设计?166 8.2.1 V++适应性规则引擎的分工和流程?166 8.2.2 规则执行器?168 8.2.3 规则生成器?170 8.3 V++模型的耗散结构设计?172 8.3.1 开放设计?172 8.3.2 远离平衡态设计?173 8.3.3 涨落和突变设计?173 8.3.4 非线性相互作用设计?174 第9章 适应性因子与指数——工程系统的适应性评估与试验验证?177 9.1 适应性因子选择?177 9.2 适应性因子设计及表征?180 9.2.1 主体?180 9.2.2 能力包?181 9.2.3 关系?182 9.2.4 流程?185 9.2.5 环境?185 9.2.6 规则?186 9.3 复杂工程系统有机适应性的引导及评估?187 9.3.1 适应性规则引擎与适应性因子在微观层?188 9.3.2 适应性规则引擎与适应性因子在中观层?189 9.3.3 适应性规则引擎与适应性因子在宏观层?191 9.3.4 适应性指数在各层级之间的传导与计算?193 9.4 复杂工程系统适应性评估方法的试验验证?199 9.4.1 试验场景设计?199 9.4.2 试验结果?202 9.4.3 结果分析?205 第10章 生命力——工程系统有机适应性等级评价?207 10.1 人工智能从遐想到实现?207 10.1.1 人工智能的遐想?207 10.1.2 人工智能的实现?208 10.1.3 人工智能的优势与不足?210 10.2 人工智能与生命力?211 10.2.1 从人工智能到有机生命——工程系统发展的必然方向?211 10.2.2 从有机适应到生命力——工程系统应对复杂性的新策略?212 10.3 构设复杂工程系统生命力?213 10.3.1 自然生命系统特征分析?213 10.3.2 基于规则的工程系统生命力构建?215 10.4 工程系统生命力等级评价?217 10.4.1 生命力成熟度模型?217 10.4.2 生命力等级评价?219 10.4.3 通用质量特性的新阶段：适应性?220 附录 名词注释?222 后记 复杂性工程学派?224 参考文献?226