人造工程系统/体系复杂性

                                          所谓复杂性，无非就是无机世界的自组织与有机世界的自适应以及人的心理世界的决策博弈，构成了万千世界的复杂性。同时也提到还有一类特殊的系统，即人造工程系统。人造工程系统是人类发挥主观能动性，运用所掌握的知识与技能，构建的用于改造客观世界的工具系统。人造工程系统提升了人类适应自然、利用自然的能力，同时也是人类不断探索科学规律、研发技术工具的原动力。人造工程系统本身利用了自然界的自组织规律，人为赋予了的适应性机制，在使用过程中又受到使用者决策博弈结果的支配，因此人造工程系统集三种复杂性规律于一身。而随着人造工程系统越来越向体系化、无人化与智能化方向发展，其复杂性越来越成为制约人类改造客观世界的瓶颈问题，因此，本文主要对人造工程系统的复杂性规律展开分析。

人造工程系统的发展

根据科学、技术与工程的三元论观点，三者相互依存但又各有特点。科学重在探索和发现，技术重在创新与发明，而工程则重在集成与构建。科学是技术的理论基础，技术是科学应用的载体，同时技术的创新也推动了科学的更进一步发展。工程是科学与技术的集成应用，同时既为科学与技术的发展提供需求牵引，又为二者的发展创造新的条件。而人造工程系统便是工程的产物。

人类早期的人造工程系统主要用于农业、战争和墓葬，如农业工具、水利设施（都江堰）、战争武器、防御工事（长城）和帝王陵墓等，体现的科学和技术成分较少。直到第一次工业革命，蒸汽机的出现，机械动力代替人力，科学与人造工程系统第一次紧密结合起来，大大提升了人类的生产力水平，同时也激起了人们开展以物理和化学为代表的自然科学研究的热忱。到了第二次工业革命，科学界掀起了一股“发现新的科学规律、指导新的技术发明，并投入新的工程应用中去”的风潮，电气化迅速代替了蒸汽动力，人造工程系统中科学与技术的成分越来越丰富。

此时的人造工程系统都还只属于无机世界的范畴，直到第三次工业革命，维纳的控制论将电子元件与机械装置连接在一起，形成了稳定的、自动化控制的系统，更重要的是，控制论中的反馈机制与学习机制打通了无机世界与有机世界的界限，使得人造工程系统理论上具备展现有机世界适应性的能力，再加上计算机的问世和发展，存储、记忆、反馈与学习，给人造工程系统插上了遐想的翅膀，无机的人造工程系统能否展现出类人的智慧来？于是人工智能、元胞自动机、遗传算法等与人工生命理论相关的研究相继问世，以计算机为中心的人造工程系统的新形态基本成型。

近年来，云计算、大数据、机器学习、物联网和快速无线网络技术的飞速发展将人工智能技术推到了人类技术发展的前沿，AlphaGo、“波士顿”机器人、自动驾驶汽车以及已经普遍应用的人脸识别、语音识别等技术展现了人工智能技术在追寻类人智能的道路上不断突破新的高度，人工智能技术是否会失控已经引起了人类的焦虑。在工业制造领域，以自感知、自优化配置、与定制化生产为特征的信息物理融合系统技术（CPS）方兴未艾，进一步体现了生命有机系统的适应性特性对工业制造系统的赋能作用，同时也开启了第四次工业革命的大门。在人类技术发展的历史上，战争需求从未曾缺席，在武器装备领域，体系化、无人化与智能化的发展趋势也激发了无人自主作战技术的发展，大大改变了未来战争对抗的形态。而我们也提出了更为全面的体系生命力理论，赋予人造工程系统自感知、自恢复、自学习和自进化的能力，人造工程系统将在从无机系统跨向有机系统的道路上走得更远。

人造工程系统组成

分析人造工程系统的复杂性，首先从它的组成入手。从系统的视角审视人造工程系统的组成，其中比较有名的有SHEL模型和MMESE模型，在此基础上，我们整理了典型的以计算机为中心的人造工程系统模型。

SHEL模型。1972年由英国学者爱德华提出,并于1975年由霍金斯进行图表化。其中S代表软件（Software），H代表硬件（Hardware）,E代表环境（Environment），L代表人（Liveware）。该模型最初应用于航空业,以人为中心，探讨“人为因素”在航空不良事件中的作用，如图1所示。其中L-S代表人与软件之间的交互关系，L-H代表了人与硬件之间的交互关系，L-E代表了人与工作环境、组织结构、组织管理与文化之间的关系，L-L代表了人与人之间的交互关系。据民航数据统计，全世界范围内民航安全事故导致的原因中70%来源于人的失误。SHEL模型也给我们提供了一个考察人造工程系统组成的系统视角，即人造工程系统包括人、软件、硬件和系统环境以及这四者之间的交互关系。

图1 航空安全分析领域的SHEL模型

MMESE模型。人-机-环境系统工程（Men-Machine-Environment System Engineering，MMESE）是运用系统科学理论和系统工程方法，正确处理人、机、环境三大要素的关系，深入研究人-机-环境系统最优组合的一门科学。在钱学森的亲自指导，由航天员训练中心的龙升照老先生于1981年创立。

人-机-环境系统工程的研究内容主要包括七个方面：

1）人的特性的研究；

2）机的特性的研究；

3）环境特性的研究；

4）人-机关系的研究；

5）人-环关系的研究；

6）机-环关系的研究；

7）人-机-环境系统总体性能的研究，如图2所示。

MMESE模型同样为我们提供了一个考察人造工程系统组成的系统视角，并强调系统设计的目标是达到人、机、环境三者组合的最优化，是一种用系统的思想来指导系统工程的典型范例。

图2 人-机-环境系统工程研究内容

以计算机为中心的人造工程系统模型。在信息化时代，计算机几乎是所有人造工程系统的中心。人造工程系统都离不开计算机软件系统，而软件系统运行又都离不开其所依赖的基础硬件和软件环境。其中基础硬件包括CPU、内存、硬盘与网络等；软件环境包括操作系统、数据库等。操作人员从应用软件获取信息，进行处理与决策，转化为操作输入，用于控制系统中的执行机构完成相应任务，软件系统从执行机构中获取状态信息用于监视控制。整个人机系统都处于一定的外界环境中，外界环境是人的生理生存基础，并对人的操作绩效产生影响，同样，环境是系统正常运行的重要影响因素，所有的装备系统交装前必须进行实装环境实验的检验。图3是一个独立的人造工程系统的典型示例，而人造工程体系是多个独立系统组成的交互系统集合，多个独立系统基于网络进行连接，因此在人造工程体系中还涉及不同操作者之间与不同独立系统之间的交互，其复杂性会表现得更为突出。

图3 以计算机为中心的人造工程系统模型

人造工程系统复杂性分析

人造工程系统是人们运用所掌握的科学规律与技术工具构建出的综合系统。从上图以计算机为中心的人造工程系统模型中可以看出，人造工程系统既包括自然界的无机物质，如电子元器件与执行机构的物理材料（各类金属、高分子材料、二氧化硅等），也包括人的逻辑产物软件系统，还包括系统的操作者人，以及系统所处的环境。对应于复杂性层次来说，系统的物理材料遵循的是无机世界的自组织规律，人的操作遵循的是人的决策博弈规律，而对于系统整体来说，人为设计的感知、存储和反馈机制使系统具备了一定的生命系统所特有的自适应能力。因此人造工程系统兼具了三种复杂性规律。另外，人造工程系统的中软件系统是人的逻辑的产物，这又是另一类特殊的复杂性规律。

对于人造工程系统中所有的物理材料的自组织规律来说，一方面存在着自组织临界的状态规律，例如集成电路中的晶体管元件有一个极限小的临界，超过这个临界，量子效应将改变元器件的固有规律；一方面存在着随时间磨损和老化的熵增过程，如金属在环境中氧化和被腐蚀等；对于这些规律，设计者在设计过程中未必都一一掌握并考虑到。

对于人造工程系统中操作者人的决策博弈规律来说，我们对人的决策过程进行分类，分为基于技能的决策过程、基于规则的决策过程与基于知识的决策过程，如图4所示。基于技能与基于规则的决策过程我们可以通过学习和训练来使操作者掌握，但也不能完全避免不出错，而基于知识的决策过程通常指操作者遇到异常情况时，需要根据自身掌握的知识和获取的信息来综合分析，并做出正确选择，这给操作者带来了很大的挑战，在精神高度紧张的情形下，人往往不能做出正确的操作选择而犯错，许多导致危险的事故往往都是因此而发生。

图4 人类决策过程模型

对于因人为设置的机制而使系统具有的自适应规律来说，往往包含信息采集、存储、分析、算法计算、反馈控制等多个环节，每一个环节的失误都将传导到整个功能链条，特别是弱电的元器件控制强电的执行机构，这中间的控制率转换算法涉及非常复杂的非线性动态控制算法，其复杂性不言而喻。

对于软件逻辑规律来说，由顺序语句、条件语句、循环语句与跳转语句等基本语句组成的软件代码既存在着执行路径的组合爆炸，也存在着输入空间的组合爆炸，作为验证手段的软件测试来说，有一条简单的公理，即软件无法进行穷举测试，因此这是软件逻辑复杂性的根源。

人们在设计人造工程系统时，根据设计者所掌握的知识与技能来开展设计，首先勾勒出理想中的系统逻辑组成，然后投入实际的生产实现，但设计者未必掌握所有的无机材料的自组织规律，未必能完全确保设计的功能链各个环节不出差错，未必能完全确保编码实现的软件逻辑中不出现非预期的危险逻辑路径，未必能完全确保操作者在使用时不做出错误选择和操作，所有这些都会将人造工程系统置于复杂的境地，是导致人造工程系统复杂性与不确定性的根源所在。

人造工程体系复杂性分析

人造工程体系是人造工程系统发展的新趋势，即由多个独立的系统组成，通过交互与协同共同完成特定任务的系统集合。我们从以下三个方面去理解体系的复杂性。一是体系中系统与系统之间的连接绝不是简单的线性叠加关系，体系的复杂性度量值应是各个系统的复杂性度量值之间的乘积，从而呈指数性增长；二是体系的成员系统之间通过网络连接，形成了复杂的网络拓扑结构，我们用图论来描述和研究复杂网络问题；三是，系统有明确的需求边界，而体系没有，更增加了体系的复杂性与不确定性。上述这些因素造成了相较于系统来说，体系具有系统间的松散耦合性、行为的涌现性和状态的动态演化性。

人造工程系统/体系复杂性解决策略

人造工程系统/体系中的无机物理材料的自组织性规律是自然之道，无法避免，软件功能设计代码逻辑无法穷举，故障也难以避免，人的操作选择的正确性与人的技能水平和综合素质相关，同时还受到当时操作者的生理与心理状态的影响，同样无法做到万无一失，系统组成体系带来的行为涌现性与不确定性更甚，我们应该如何应对？作为地球最高智慧生物的人类，每天面对着复杂的外部环境（如气象变化、病毒入侵等）和工作、生活中诸多繁琐的事务时，人类有温度保持系统来保证身体的恒温，有免疫系统来应对外来病菌的入侵，有反馈、记忆和学习机制来不断增强自身技能，提升应对外部事物的能力。这里的核心便是有机生命系统特有的适应性机制。我们应对人造工程系统与体系的复杂性策略便是在系统中类比引入这种自适应机制。

在人造工程系统中引入自适应机制的技术已经成熟，我们称之为健康管理（PHM）或智能运维。通过监测和分析系统的状态信息来评估系统的健康状态，预测系统的健康趋势，给出预防性维修建议。但是因为系统的组成是确定性的，部分故障后，我们只能开展离线维修。而体系的组成是松散耦合与不确定的，这一特点为体系内部通过动态配置或动态重组的方式来在线地实现部分故障的恢复提供了条件。在人造工程体系中引入自适应机制，赋予其自感知、自恢复、自学习与自进化的能力，使人造工程体系真正成为类生命有机体，这就是我们所提出的体系生命力理论的初衷。体系生命力理论是解决人造工程体系复杂性的应对之策。

总结

以上介绍了人造工程系统的发展历程与基本组成。人造工程系统从无机系统发展到以计算机为中心的具有一定有机特性的复杂系统，再到人造工程体系，并参照计算机为中心的人造工程系统模型，分析了导致系统复杂性发生的基本规律，包括无机物理材料的自组织规律、操作者人的决策博弈规律、因人为设置机制使系统具有的自适应规律和软件的逻辑规律，特别分析了人造工程体系的复杂性新特征。最终提出了赋予人造工程体系有机生命特性的体系生命力理论是解决人造工程系统/体系复杂性的应对之策。

本文已在《舰船知识》杂志11月刊发表

作者： 张宏军 黄百乔 鞠鸿彬

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