前言

随着科技的发展和社会的进步，越来越多的复杂系统问题，如社会经济、生态环境、工程技术与可持续发展等问题进入人们的视野。研究者在采用传统的理论、方法和技术处理这些问题时遇到诸多困难。其重要原因在于，近现代科学条块分割且日益精细的研究现状模糊了人们对事物的全局性认知。面对复杂的系统问题，研究者开始探索从整体出发的研究方法，试图寻找被打断的“沟通各学科的链条”。在此背景下，复杂性科学通过学科交叉和融合，力图突破自牛顿以来统治科学的线性、简化的思维方式，解答常规学科范畴无法回答的问题。20多年来，复杂性科学的理论与应用都取得了长足发展，被誉为“21世纪的科学”。20世纪末，复杂性科学研究领域出现了一朵奇葩——复杂网络理论。它是一门涉及数学、物理学、非线性科学、信息科学和生物科学等众多学科的交叉学科理论。一经诞生，便被作为探索复杂性的新途径，在自然科学与社会科学领域掀起了研究热潮。

对一个复杂系统的研究，往往是从其组织结构开始的，自上而下将其分解成若干个层次的子系统，研究相应的结构特性及组织方式是探索和理解复杂系统的结构、行为和功能的重要内容和有效方法。复杂网络拓扑结构信息是复杂系统模型构建、行为分析和功能辨析的基础。近20年来，关于复杂网络全局结构特征与演化规律问题的实证分析和模型仿真取得了令人瞩目的成果。研究表明，具有相似全局结构的网络可能由于其本身功能特性或生成机理的不同，反映出极其不同的局部结构——模体（motif）。模体从局部刻画了给定网络相互连接的特定模式，并自下而上构成不同全局结构的复杂网络，因而被誉为复杂网络“基元”（building blocks）。复杂网络基元研究迅速从生物学、数学渗透到物理学和社会学等众多学科，为复杂系统结构提供了一种新的研究思路和分析方法。系统辨识现代社会合作和工程技术系统日趋大型化、网络化和复杂化的特征，理解其行为和功能，应从系统相互作用的网络的基本结构开始。

本书研究以统计物理学和系统生物学基于复杂网络研究的最新实验事实和前沿理念——模体为基础，建立复杂网络基元研究的若干细节化方法，并有效应用于若干社会合作、工程技术网基元结构和行为机制的定性和定量规律研究中。全书的主要章节安排如下：

第1章阐述了复杂系统和复杂网络研究的背景及意义，并评述国内外相关领域或课题研究的现状，进而提出了本书研究的问题和主要工作。

第2章概括了复杂网络的基本理论及其发展，以及基元研究的基本模体方法、算法和工具，作为本书研究的理论和方法基础。

第3章考虑到复杂网络自下而上的构建过程，建立复杂网络自局部到全局的子图组合分析方法，并应用于关键交通网络的基元结构辨识，以及网络自下而上组合构建规则的分析中。

第4章综合社会网络分析的结构对等和复杂网络研究的基元概念，建立复杂社会网络个体角色的分析方法，并应用于科学家合作网络的基元结构特征和角色行为的辨识中。

第5章建立表征复杂网络中个体差异和关系强弱的异质和加权模体分析方法，并应用于中国和美国国家应急组织合作网络的基元结构比较和优化中。

第6章考虑到复杂网络系统随时间的演化发展过程，基于动态模体方法分析一类项目群组织合作网络基元结构的演进规律，并分析其相应的治理结构、治理机制和治理策略。

第7章考虑到复杂网络基元的分布内涵，探讨上述不同领域的工程技术和社会合作复杂网络在微观结构上的分布统一性或多样性，即家族特征。

第8章总结了前述研究的主要成果和结论，并展望下一步研究的方向和内容。

本研究的创新之处在于将复杂网络基元研究方法引入并应用到关键基础设施规划与保护、科研合作与创新、公共安全与应急管理、项目网络及治理等众多跨学科研究的热点课题之中，不仅深入探讨和有效分析了相应网络的基元结构特征以及行为机制的定性和定量规律，同时为相关复杂系统问题的研究提供了新方法、新模型和新工具。