复杂信息系统演化过程研究
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今日荐文的作者为中国电子科技集团公司电子科学研究院，北京联海信息系统有限公司专家彭武，黄琦。本篇节选自论文《复杂信息系统演化过程研究》，发表于《中国电子科学研究院学报》第12卷第5期。
摘 要：本文基于系统科学中的自组织理论的理论基础和内涵特点，研究复杂信息系统演化过程中的开发性、自组织、非线性、涌现性。分析复杂信息系统演化类型，基于生态学、物种增长模型等创建复杂信息系统演化模型，依据信息系统演化理论及模型，指出信息自组织理论在复杂信息系统演化过程和方向中的发展与应用，主要体现在网络、基础设施、大数据、云计算的演化方向。
关键词: 自组织理论; 复杂信息系统；演化模型；演化方向
引 言
世界由普遍联系的事物组成，这些普遍联系且相互作用的事物就构成了系统。按照系统科学理论，根据组成子系统的数量、种类、层次结构以及之间的关联关系复杂程度，可分为简单系统、简单巨系统和复杂系统。在复杂系统中，子系统数量巨大、种类很多并且层次结构和关联关系复杂。自上个世纪以来，复杂系统科学研究方兴未艾，取得了大量的研究成果，具体包括耗散结构论[1]、自组织理论[2]、协同学[3]、开放复杂巨系统[4]等。
信息系统是以信息为载体为人类提供服务的一大类系统。随着信息技术的快速更新和应用范围的大幅扩大，信息系统由低级向高级、由简单到复杂逐步发展。这种发展导致了复杂信息系统的出现。钱学森院士认为信息网络加用户将构成一个开放的复杂巨系统[5]。随着互联网规模的迅速扩大，互联网也构成了一个复杂巨系统[6]。此外，军事对抗信息体系、智慧城市系统等都是复杂信息系统。
对于复杂信息系统，以传统的信息技术和方法来理解、研究、规划以及治理，显然无法诠释其内在本质、体系特征和演化规律。以系统科学和复杂理论为基础，从系统和发展的角度来研究复杂信息系统的内在机制、宏观特性及演化动力,研究复杂信息系统的发展趋势和演化规律,对指导复杂信息系统的理论研究和建设实施具有重要的意义。
1 复杂信息系统的内涵及特点
复杂信息系统是人机协同的系统，如图1所示。人是系统的重要组成部分，也是系统演化的关键因素，具体包括实施人员、管理人员、使用人员、研究人员、利益相关人员等。通信网络、基础设施、硬件、软件、数据、安全防护设备等是系统的重要组成部分，也是系统运行的实体。组织机构、技术标准、管理制度、知识意识是系统运行的内在机制，是系统组织、人机协同的约束条件和支撑力量。系统内各元素之间存在非线性关系并相互作用，产生协同动作和相干效应,通过竞争合作推动系统产生新的模式和功能，促进系统从无序向有序发展。
复杂信息系统是一个开放的系统，如图1-1所示。复杂信息系统与外部环境进行物质、能量、信息的交换，并从外部环境吸收新的技术和资源。通过外部激励和内部驱动的共同作用，系统发展演化，甚至发生突变。
图1-1 复杂信息系统组成及其与外部环境关系
复杂信息系统具有以下特点：
开放性：复杂信息系统与外部环境存在输入输出接口，能够进行物质、能量、信息的交换，引入负熵，使得系统熵为负值，系统逐步进入有序状态。通过引入新技术、新理念、新资源，系统调整自身的结构和行为，以适应外部和内部的变化，推动系统演化发展。系统内部层次众多、结构复杂、关系错综，存在不均匀性和不可预测性，导致了系统远离平衡状态，具有耗散结构特性。当复杂信息系统远离平衡状态后，将继续开放式的与外界继续发生交换，内部自组织调整，进而不断趋于有序、稳定的状态。
自组织：复杂信息系统中，实施人员、管理人员、使用人员能够发挥主观能动作用和自我学习机制，与外界交换技术、能量和资源，无需外界指令，利用自身的主动调整、自组织调解等方式，向有序、稳定的状态演化。通过竞争与协同实现资源优化配置、流程治理再造、组织架构完善、系统升级提升，从而达到系统有序化、优化的目的。
非线性：在复杂信息系统中，信息海量分散且流动，业务流程错综复杂，各子系统层次众多且相互关联，参与人员相互配合，因此，其信息关系、业务关系、人员关系、组织关系、子系统之间、系统与外部环境之间等关系均不是清晰的线性关系，而是非线性关系。非线性作用使得系统内部相互制约、协调同步，系统与外部环境协调同步，从而使系统自组织并与外部环境自适应。
涌现性：系统内部子系统和元素通过多种模式交互，并与外部环境存在信息、能量、物质、技术、资源的交换，从而改变了内部结构和系统行为。在外界各种信息、物质等进入内部后，由于内部各元素之间的不断碰撞反应，加入新的外部物质后，内部结构、内部物质与外部物质之间可能将发生从微观到宏观的质变。经过一定的时间后，经过放大和发展，在整体上演化出新的形式和特性，产生了涌现。涌现性体现了宏观和微观的关系，是复杂系统微观行为产生的宏观效应。
2 复杂信息系统演化过程
复杂信息系统为适应外界环境变化和自身结构行为调整，系统内部以及系统与外部环境之间发生各种交互作用。正是系统的自组织、自适应、自聚集、自加强、自协调，使得系统呈现复杂性，不断推动系统功能和结构不断演化。
复杂信息系统是人机共存的系统，人的智慧与计算智能紧密融合并相互作用，共同推动系统向前演化。系统演化的外部推动因素，包括政策法规、外部形势、技术更新、市场需求、资源信息等。系统演化的内部推动因素包括人的作用、组织架构、系统整合、管理模式等。
2.1 2阶涌现理论在复杂信息系统演化过程中的应用
复杂信息系统的演化过程探究比一般社会科学研究的对象系统还要复杂。依据Stephen Jones对复杂系统涌现机制的划分，在系统整体和个体行为之间具有双向反馈机制（feedforward and feedback）的涌现称为2阶涌现（2nd order emergence），只有单向反馈机制的涌现称为1阶涌现。具有社会复杂性的信息系统中的涌现都属于2阶涌现，如图2-1所示。在复杂信息系统自组织下，个人行为因接受到系统反馈而产生新的个人行为，复杂信息系统通过汇总涌现，在原有的1阶涌现基础上，加入了反馈影响个体行为，从而形成信息系统的闭环回路，实现了复杂信息系统的双向反馈，构成了反馈环，从而增加了信息系统的复杂度。
图2-1 复杂信息系统的复杂度及2阶涌现
对涌现机制的分析有助于对复杂信息系统的研究，根据涌现机制可以对复杂信息系统进行划分，利用涌现系统理论对复杂信息系统进行层次、类别、复杂程度的分类和定义。
复杂信息系统作为一种概念生命,受到环境制约,反过来,复杂信息系统对环境也有作用,支持这种环境中各种要素的变化,形成一种动态的平衡,这就形成了一个反馈环，我们称复杂信息系统中系统和个体行为之间存在具有双向反馈机制的涌现，即2阶涌现。
根据复杂信息系统中的2阶涌现反馈环处于复杂信息系统内部和复杂信息系统外部，将复杂信息系统演化类型分为：复杂信息系统独立2阶涌现和复杂信息系统非独立2阶涌现。
复杂信息系统独立2阶涌现，即复杂信息系统通过自己内部资金、人力、技术进行自组织演化独立形成2阶涌现反馈环；复杂信息系统非独立2阶涌现，即复杂信息系统无法通过自己内部自组织独立完成演化，需要借助外部的人力、技术、资金等支持。如图2-2所示复杂信息系统独立2阶涌现和复杂信息系统非独立2阶涌现演化类型图。
图2-2 复杂信息系统演化类型
在复杂信息系统的演化过程中如果过多地关注信息系统从无序到有序的平衡相变过程，忽视了在信息系统建立起来能否进入独立演化，随环境变化让不能实现独立演化的系统让其进行独立演化，从而未能创造信息系统自组织演化的条件促使耗散结构的形成，复杂信息系统也未能走上自组织演化的道路，将导致了信息系统实施的失败。
2.2 生态学理论在复杂信息系统演化过程中的应用
复杂信息系统作为一种概念生命,受到环境制约，根据与生态学非常相似的这种特性，本文引入生态学理论对复杂信息系统进行探究。生态学理论具有一定的普适性，它不仅适用于生物界，同样适用于复杂信息系统。
生态学理论研究已经渗透到了许多研究领域，很多重要的生态学理论问题，如群落的物种聚集原理、物种的特化和泛化、特别是生物之间的竞争和其他各种相互关系的研究，都是以生态位概念为基础的。生态学理论中关于种群物种有着相当丰富的研究模型，可以适用于复杂信息系统研究领域。例如：种群增长模型中指数型增长J形曲线模型、逻辑斯蒂S性曲线模型等。这些种群增长模型在各个领域都有着广泛的应用。
复杂信息系统生存和发展所必需依赖的资源和环境，包括系统运行所依赖的平台和其他系统，必需的信息资源，系统间协作和依赖关系、功能或业务服务的空间（表现为可发展的用户空间，包括系统直接服务的终端用户或通过系统间交互、混合间接服务的用户，后者表现为其他系统对本系统的依赖程度，有依赖关系的系统双方互为环境）等。复杂信息系统中间存在多个复杂的2阶涌现反馈环，甚至存在更为复杂的反馈机制等。
综合分析、研究复杂信息系统演化过程、生态学理论、复杂信息系统中2阶涌现机制、种群增长模型等，综合复杂信息系统演化的各类情况如：人力、资金、技术等，建立了如图2-3所示的复杂信息系统演化过程模型。
图2-1 复杂信息系统演化过程
复杂信息系统在自组织演化时是采取相变的方式发展的。Y轴表示人力、资金、技术等条件，通过时间轴T轴逐步发展、不断变化。根据生态理论、种群增长理论等综合考虑，变化方式有可以分为两种，一种是连续渐变方式不断发展、连续变化；另外一种是类似生物学中基因突变形式，可能突变到任何可能的位置的非连续突变方式，在很短的实际范围内，人力、资金、技术等突然得到很大的提升或者下降，此时可能导致整个复杂信息系统架构的巨大变化或者颠覆性的重组，实际情况可能由于政策调整或者遇到重大变故等等原因，而产生复杂信息系统的非连续突变，一般来说一个规模很大的复杂信息系统不会产生非常明显的突变情况。
如图2-1所示，复杂信息系统渐变过程中可能存在快速增长的J型曲线趋势，在复杂信息系统创建初级阶段可能会有飞速的发展阶段，在发展逐步成熟之后，复杂信息系统可能慢慢趋向于稳步发展阶段，整体呈现S曲线增长趋势，在此之后的发展本图中给出了5中发展情况，A和B类型是属于复杂信息系统在接受到新的技术、新的资源等又向新的方向、新的趋势进行发展，增长速度曲线可能快速增长也可能趋于稳定增长；D和E类型是指复杂信息系统经过一段时间的发展之后，由于其他新的系统的竞争逐步走向衰落，衰落速度不同而导致D类型可能快速衰落，E类型属于慢慢衰落可能在资源利用较低的一个点再趋于平稳；而C类型就属于复杂信息系统通过不断的进化、改变后规模大小、技术能力、人力资源等方面处于一个较为稳定发展的状态。
复杂信息系统经发展变化的整个过程中，后续不断的面临新的发展路线的选择，复杂信息系统通过复杂的竞争与协同的内在机制保证系统的进化方向。
2.3 自组织演化的内在机制
在复杂信息系统具备了形成耗散结构的条件以后,协同学认为,竞争与协同共同决定系统的命运, 共同承担着系统演化的任务。自组织系统演化的动力来自系统内部的两种相互作用: 竞争与协同。子系统的竞争使系统趋于非平衡, 而这正是系统自组织的重要条件;子系统之间的协同则在非平衡条件下使子系统某些运动趋势联合起来并加以放大, 从而使之占据优势地位, 支配系统整体的演化。竞争与协同产生的内在原因是系统要素之间的相互作用, 竞争与协同是系统要素相互作用的表现与结果[7]。
复杂信息系统内部存在众多子系统,由于系统内部元素发展的不平衡性, 这导致了复杂信息系统内部存在不平衡竞争关系。这种竞争关系体现在：内部人与人、技术手段、资金流向等等方面。人们对于不同系统的认识、不同技术的支持、不同系统的侧重点都不一样，这将会导致复杂系统体系内部存在多种多样的不平衡演化[8]。
例如：人们对信息系统在设计、研发、运维等方面的认识存在不同的认识是产生竞争的直接原因；对于技术信息系统，多种技术在信息系统内发挥不同的逻辑功能、扮演不同的角色，对于不同的子系统发挥着不同的作用，目的都是为了共同实现系统的整体功能；竞争与协同对于复杂信息系统自组织演化起着至关重要的作用，竞争形成了复杂信息系统内新思想、新方法和新观念，将复杂信息系统带离平衡态，促进有序结构的产生，向动态有序方向演化。
信息化体系的开放性、自组织性、非线性、涌现性相互作用、存在涨落等特点, 使信息化体系具备了信息自组织产生的基本条件, 创造了更加开放、平权化、非线性、输入达到一定阈值的自组织复杂体系。复杂信息化体系建设过程中, 信息自组织具有更加明显的个性化与社会化特征,人的参与成为其中最重要的组成部分。可以说,复杂信息化下的信息自组织基于人的认知、沟通和合作, 是人们之间对主观知识和客观知识的一种辩证互动过程。因此, 复杂信息化下的信息自组织可以从两个角度来考虑, 一类是以人为中心的自组织, 另一类则是以信息为中心的自组织。这两类实质一致, 但又属于两类不同的主体, 前者是行为与角色主体, 后者是结构与功能主体。人们对信息的需求与互动交流推动了以人为中心的信息自组织模式, 信息系统的自我进化规律则推动了以信息为中心的自组织模式。
3 复杂信息系统演化方向
信息化的体系演化过程按照激烈程度可以分为激进式和渐进式演化模式，主要根据环境的变化剧烈程度进行演化，当环境发生剧烈变化时，应当采取激进式演化模式，进行根本的重组重构，体现体系的灵活性。体系渐进演化实体系应对环境某种程度的变化进行体系内部自组织演化调整。
为适应未来新技术、新业务的挑战，复杂信息化体系也在不断向着未来方向进行演化，未来复杂信息化体系演化特征应表现为协同化、智能化、泛在化。未来演化方向主要为：网络演化方向、基础设施演化方向、大数据演化方向、云计算演化方向。
（1）网络演化方向
信息化体系的网络中多种异构网络并存，各网络自成一家，而自组织体系演化方向为：未来的网络必定走多个网融合道路，是综合了有线通信网络、无线通信网络、卫星通信网络和机动通信网络之后的统一通信链路，具备异构网之间的互联互通互操作能力。
图3-1 网络融合结构图
如图3-1所示，在未来的网络中，将业务、控制、承载、接入分离的思想为网络融合提供了同意的架构，在这个架构中，新的交换、网络管控技术是实现网络融合的重要技术。网络融合包括业务融合、核心网络融合、接入网络融合、终端融合、运维融合等多个方面。
（2）基础设施演化方向
信息化体系现在的基础设施独立建设，资源分配分散、利用率比较低。根据自组织理论演化，复杂信息化体系内部不断的建设互联互通的渐变之后，最终将会达到所有业务系统共用一个资源池，通过动态资源调度机制对资源进行实时的合理分配，资源利用率大幅提高，各地区基础设施建设集中建设、统一维护、统一升级更新，达到动态平衡。
信息化体系中，各单位单独建设自己信息化系统，技术体制多种多样、系统内部错综复杂，导致数据交换困难、信息共享程度较低，系统间难以互联互通。未来复杂信息化体系技术体制演化方向为：采用统一的技术体制，通过标准规范来规定和约束复杂信息系统所采用的共性技术体制。定制共性技术产品，从硬件产品层面来实现统一的共性技术体制，主要包括信息处理、信息存储、信息交换、信息安全技术的软硬件共性产品。
（3）大数据演化方向
目前，很多复杂信息系统在大数据方面仍存在数据缺乏有效采集渠道和模式；数据采集较为分散，缺乏统筹利用，数据利用率较低；各个复杂信息系统直接数据分散、融合较为困难；大数据存储方面存在一定问题，由于数据量的巨大，对有用的数据分析、存储量非常巨大，数据增长呈爆炸式增长趋势；大数据直接共享、互通、开发不足，无法做到统一。
未来复杂信息系统中大数据演化方向是：根据自组织演化理论，大数据技术通过不断投入的人力、资金、技术，不断的提高自己数据存储能力、数据分析能力、数据融合能力、数据共享开发能力。在信息能力方面，由传统的简单计算、库存模型优化技术向人工智能技术、数据挖掘技术发展；在技术架构上，由传统的信息孤岛、局域网向分布式系统转变；在数据存储模式上，由文件系统、数据库向数据仓库、云存储中心转变。
最终实现在海量的大数据互联互通、共享开发，大数据分析能力达到一定高度之后，实现大数据高效共享，快速便捷的提供准确率高、利用价值大的数据，使得复杂信息系统中所有数据资源得到高效整合、便捷使用，达到一个高效率、高水平的稳定发展状态。
（4）与计算演化方向
复杂信息系统传统采用烟囱式的系统建设，IT成本居高不下（硬件/能耗/管理）按峰值规模建设，资源平均利用率低，缺乏弹性的系统设计，应对业务突发情况差，建设周期漫长，无法快速提供与部署，业务需求的快速增长，设备更替快，不利投资保护。
未来复杂信息系统中云计算技术演化方向是：创建复杂信息系统云数据中心，进行集中资源池的共享运用，虚拟化、分时、分区共享，资源动态调配、弹性伸缩，业务系统自动化、自服务，采用标准化统一硬件。实现技术标准化、统一化，服务能力快速化、便捷化，资源共享动态化、弹性化，管理集中化、自动化。
信息化体系架构演化是在特定的使命、环境发生剧烈变化的条件下，在网络、基础设施、大数据、云计算等要素演化的基础上，对信息化体系架构进行调整和重组的过程。未来复杂信息化体系架构将由现在的面向对象结构全面迈向面向服务的结构，实现信息化的服务化，将更好地促进体系架构的重组和调整。
结 论
本文应用复杂科学理论和动态观点，研究复杂信息系统的特性和动态演化过程，分析了复杂信息系统的演化机制和进化方向，对复杂信息系统的理解和具体实施具有一定的指导意义。
复杂信息系统不同于一般系统，存在自组织、自适应、涌现性、开放性等特点，在外部环境和内部驱动的共同作用下，不断演化发展。通过对复杂信息系统演化过程的研究，探索系统进化的基本规律和驱动机理，推动复杂信息系统向前进化，促进系统内部结构调整和功能优化。
【参考文献】：
[1] 蔡绍洪 耗散结构与非平衡相变原理及应用[M ]贵阳: 贵州出版社, 1998
[2] 吴桐,自组织方法论研究[M ]北京: 清华大学出版社, 2000
[3] 赫尔曼.哈肯,协同学——大自然构成的奥秘[M ]上海: 上海译文出版社, 2001
[4] 钱学森，于景元, 戴汝为.一个科学的新领域—开放的复杂巨系统及其方法论.自然杂志， 1990，13( 1):3-10
[5] 戴汝为. “再谈开放的复杂巨系统”一文的影响.模式识别与人工智能
[6] 戴汝为. 操龙兵. Internet—一个开放的复杂巨系统.中国科学E辑
[7]王博涛，舒华英. 基于自组织理论的信息系统演化研究.北京邮电大学学报, 2016第8卷:第1期.
[8]张树人，方美琪.从社会性软件、Web2.0到复杂适应信息系统研究.
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