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探索复杂系统结构 创新系统科学理论——北京师范大学狄增如教授

2017-05-23

北京师范大学系统科学学院院长狄增如教授长期从事非平衡系统理论、复杂性研究及相关理论在社会经济和生物系统中的应用研究工作。在收益递增与经济增长的双稳态,社会分工产生机制的数理描述,加权复杂网络的结构、演化和功能等方面取得了诸多创新成果。目前关注的研究领域为复杂性研究,特别是复杂系统个体之间局域的相互作用与宏观层次上复杂行为的关系。具体的研究方向包括复杂网络、Multi-agent系统的集体行为、经济和生物系统中组织和结构的涌现等。

一、揭示生命系统中的相互作用与自组织行为

生命科学是复杂性研究的重要领域,生命现象所展示出的丰富多彩的自组织行为一直是系统科学关注的热点。狄增如教授科研小组与美国加州大学洛杉矶分校屈支林教授合作开展的关于可激发系统中螺旋波的研究工作,探讨和解释了不同性质的螺旋波在各种环境下的响应。已有研究表明稠密波和稀疏波在外加电场的作用下会沿不同的方向漂移,而这一工作则利用计算机数值模拟研究了螺旋波在各种非均匀介质下的飘移行为,并给出了相关漂移动力学的理论解释。这一研究揭示了心脏的不同区域对电信号的可能影响。研究成果Drifting dynamics of dense and sparse spiral waves in heterogeneous excitable media于2009年发表后,被Nature China的研究亮点(Research Highlight)专栏关注和评述。

鉴于相互作用对于生命系统产生有序结构和功能的意义,在对于生命系统的进一步研究中,狄增如教授与法国巴黎第七大学的Bertrand Roehner教授合作开展研究,将研究的重点放在对于生物体系相互作用的度量和定量刻画,他们利用新的思路和方法,对生命群体例如蚁群、蜂群、果蝇群体等生物系统中个体之间的相互作用强度进行了刻画,研究结果揭示了人类之间的相互作用强度高于果蝇和蚁群,但弱于蜂群之间的关联强度。麻省理工技术评论网站(MIT Technology Review)指出,相关研究的思路和方法将创新对生物群体行为的研究。

二、探索复杂网络的结构与功能

复杂系统的涌现性源自系统内部个体和单元之间的相互作用,而相互作用的结构性质,将在很大程度上决定系统的宏观性质和功能。复杂网络是刻画系统相互作用结构的重要手段,因此研究复杂网络的结构和性质就成为系统科学的重要研究领域。狄增如教授自本世纪初就进入复杂网络研究领域,一直积极推动复杂网络研究在国内的发展,并在加权网络、网络的空间结构、网络的动力学和控制等方面获得了成果。

2009年,他提出了同步能力和同步收敛速度同时最优的网络结构分析方法,研究工作被EPL选为封面文章。2011年,在社会网络空间结构的研究中,利用最大信息熵原理,揭示了社会网络空间标度性质的形成机制,成果发表于物理学杂志Physical Review Letters,随后在PHYSICS REPORTS以主题为Spatial Networks的综述文章做了介绍。在此基础上进一步研究,探讨了人类和动物空间迁移机制的普适性解释,以相关研究工作为主要内容的博士学位论文获评北京市优秀博士学位论文,并获全国优秀博士学位论文提名。最近参与完成的关于网络重构以及网络可控性方面的研究工作也获得了出色的成果,产生了广泛的学术影响。

三、积极开展系统科学普及与学科建设工作

狄增如教授是第六、七届国务院学位委员会系统科学学科评议组召集人、中国系统工程学会副理事长、中国工业与应用数学学会复杂系统与复杂网络专业委员会副主任、中国“双法”学会复杂系统研究会常务理事。《系统工程理论与实践》《系统与控制纵横》《上海理工大学学报》杂志副主编,Journal of Economic Organization and BehaviorJournal of Systems Science and Complexity等学术期刊编委。

作为国务院学位委员会系统科学学科评议组召集人,狄增如教授主持完成了系统科学一级学科简介以及系统科学博士生、硕士生培养要求等文件的编纂工作,开展了系统科学学科点合格评估以及系统科学学科点建设基本条件的制定工作。同时,以北京师范大学系统科学学院为平台,积极组织参与系统科学的普及和推广工作,组织召开了系统学系列专题研讨会,系统科学学科建设、教育与普及研讨会等学术交流活动,作为副主编,参与组织了郭雷院士主编的《中国大百科全书第三版——系统科学卷》的编撰工作,为系统科学学科建设与学术发展作出了贡献。