第1章 绪论

1.1 研究背景

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、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的交叉和融合，力图突破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复杂系统问题。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”{L-End} [1]。

揭示、刻画和理解复杂系统的结构和功能及各种普适性质是当前复杂性科学研究面临的重要挑战。作为探索复杂性的一种新途径、新角度和新方法{L-End} [2]，复杂网络是指具有复杂拓扑结构和动力学行为的大规模网络。它由大量节点通过边的相互连接而构成。网络中的节点表示真实系统中的个体，边表示个体间的相互关系，有边相连的两个节点被看作是相邻的{L-End} [3]。对复杂网络的定性特征与定量规律的深入探索、科学理解以及可能的应用，已成为复杂性科学研究中一个极其重要的挑战性课题。1998年，Watts和Strogatz{L-End} [4]在Nature上发表文章，揭示了复杂网络的小世界特性并建立了一个小世界网络模型。1999年，Barabasi和Albert{L-End} [5]在Science上发表文章，揭示了复杂网络的无标度性质并建立了一个无标度网络模型。随着复杂网络的小世界效应及无标度性的发现，复杂网络研究开始受到从物理学到生物学、从工程技术到管理和社会科学等众多学科研究人员的关注{L-End} [6-8]。大量文章发表于Nature、Science、Proceedings of the National Academy of Sciences和Physical Review Letters等国际一流刊物。2009年，Science以复杂系统与网络（complex systems and networks）为主题发表专刊{L-End} [9]，指出从网络各层次结构理解生命、生态、社会及经济等复杂系统的性质，应该是未来复杂性研究的重要方向。复杂网络与复杂性研究之间相辅相成、相互促进。

网络拓扑结构信息是构建系统模型、研究系统性质和功能的基础。复杂网络研究关注系统中个体相互关联的作用的拓扑结构，是理解复杂系统性质和功能的基础{L-End} [2]。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。基于复杂网络理论形成的对各学科领域研究对象的拓扑结构，特别是跨越生物、技术和社会系统的网络共性结构的研究取得极大进展，已发现诸如生物神经网络、蛋白质网络、无线通信网络、电力网络、科研合作网络、社会关系网络等都属于小世界或无尺度网络，具有共同的全局结构特征{L-End} [4-5]，并具有增长和择优两种基本演化机制{L-End} [6]。近期，统计物理学和系统生物学对复杂网络的研究进一步表明，具有相似全局结构的网络可能由于其本身的功能特性或生成机理不同，反映出极其不同的局部结构。2002年，Milo等{L-End} [10]在Science上发表文章，揭示了真实网络所共有的局部结构形式——“模体”（motif），定义为网络中反复出现的同构子图，其在真实网络中的出现频率远高于在具有相同节点和连线数的随机网络中的出现频率，如图1.1所示。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，被誉为真实网络的“基元”（building blocks）。

图1.1 生命网络中的模体示例及3节点子图形式{L-End} [10]

模体从微观上刻画了真实网络相互作用的适应性模式，并自下而上构成网络全局。不同规模的子图（模体）分布，对刻画网络组织方式具有重要意义。2004年，Milo等{L-End} [11]在Science上发表文章进一步提出超家族（superfamily）概念，通过比较真实网络与其相应随机网络中的子图分布特征，以定义网络所属的家族类别，并指出横跨生物、技术和社会系统的众多复杂网络仅具有少数几种子图分布特征，因而属于少数几个家族类别，并具有相应的行为特征，如图1.2所示。

图1.2 基于4节点子图分布的多领域复杂网络超家族{L-End} [11]

总体而言，复杂网络研究以各类复杂系统为对象，力图概括其结构的时空规律性。将复杂系统分解成若干个层次的子系统，研究相应层次的结构特性及组织方式是探索和理解复杂系统的行为和功能的重要内容和有效方法。尤其是复杂网络基元（子图或模体）研究已从系统生物学、统计物理学渗透到工程科学和社会科学等学科，为工程技术系统和社会合作系统结构提供了一种新的研究思路和分析方法。

科学理解不同规模和类型的工程技术和社会合作复杂网络基元，是探索复杂网络系统行为和功能的重要手段。研究拟针对关键交通基础设施工程系统、国家应急组织网络系统、项目群组织网络系统、科研合作网络系统等工程技术和社会合作复杂网络展开，将社会和工程系统内的各种要素及其关联性抽象表达为一个网络，在复杂网络模体基本理论和方法的基础上，建立若干细节化分析方法并应用于相应的网络基元结构和行为机制的定性特征与定量规律研究中。

本书从系统学的高度研究工程、科技和社会网络的局部构造和基本规律，拓展了复杂网络模体研究和应用的领域，丰富和发展了复杂网络模体的分析方法，对解释系统状态和过程特性具有重要的科学意义。综合应用相关成果，有助于更好地认识工程技术和社会合作复杂系统的基本结构及其构建规律，以更好地认识和利用网络结构及行为特征，从而促进网络规划、设计、建设和控制的发展。