導語

當今社會經濟系統中，參與者為追求短期效率，無意中使整個系統變得極為脆弱，這種現象被稱為“臨界脆弱性”。美國國家科學院院刊（PNAS）近期的評論文章揭示，系統的高連通性與同質性，加上對時間效率的過度優化和缺乏緩沖機制，導致微小擾動可能觸發災難性連鎖反應。從系統科學角度，這表明系統接近相變臨界點。該研究提出“不可避免的技術脆弱性”假設，分析了系統波動放大機制，并呼吁開發“反脆弱”解決方案，使系統在面對沖擊時能自我完善。

研究領域：復雜系統、臨界脆弱性、牛鞭效應、系統韌性、社會技術系統、非線性動力學、網絡科學、反脆弱性

郭瑞東| 作者

在當今社會經濟系統中，隱藏著一個被人們忽視的問題，即系統中的參與者受競爭壓力的強化，短視地優化效率，從而無意中將整個系統面對擾動變得極其脆弱，這被稱為“臨界脆弱性” （Critical fragility） 。PNAS近日的評論文章，指出了該問題的成因與影響，并呼吁采用系統論的視角，認識臨界脆弱性帶來的風險，從而積極加以應對。

論文題目：Critical fragility in sociotechnical systems 論文地址：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2415139122

何為臨界脆弱性

歷史中，曾有這樣的故事：“失了一顆馬蹄釘，丟了一個馬蹄鐵；丟了一個馬蹄鐵，折了一匹戰馬；折了一匹戰馬，損了一位國王；損了一位國王，輸了一場戰爭；輸了一場戰爭，亡了一個帝國。”如今，這樣的案例，更是比比皆是。

例如，小規模事件引發大范圍影響的案例比比皆是：2021年3月蘇伊士運河的單一船只堵塞就導致全球供應鏈中斷；金融市場上，即使在沒有明顯觸發因素的日子，也會出現如1987年10月19日"黑色星期一"的股市崩盤；更典型的是2008年源自美國次貸市場的全球金融危機，盡管次貸市場在美國經濟中占比很小，在全球經濟中占比更是微不足道，卻引發了波及全球的嚴重經濟衰退。

圖1：由外部因素（如氣候，停電）導致鐵路交通系統，并在大范圍擴散的例子。

總結上述事件的共性，即其都屬于社會技術系統 （STSs） ，這是一個由人類元素 （個人、群體和更大規模的組織） 、技術與基礎設施相結合并在目標導向的方式下相互作用的復雜系統。系統要發揮功能，需要系統元素——人類和技術之間設計或計劃的交互。而這些元素往往分布在不同的地理空間中。元素間的交互的方式，被設計為能為社會技術系統提供操作穩定性。

這類系統存在于多個層次：從小型的鄰區垃圾處理系統，到中等規模的區域或國家級廢物管理系統，再到更復雜的“系統中的系統”，如全球經濟中的氣候協調機制。在醫療服務、交通運輸、通信、能源供應、食品供應等各個領域，社會技術系統都扮演著維持社會正常運轉的關鍵角色。

然而，令人擔憂的是，現今這些系統越來越容易受到微小擾動的影響，導致功能的災難性崩潰。從系統科學的角度看，這表明系統正在接近“相變臨界點”——曾經的千鈞一發，當下卻變得稀松平常。

這從系統論的視角，可視為系統正在接近相變的臨界點。近年來，也曾有使用網絡科學的方法，來分析供應鏈端微小擾動帶來的涌現現象。其中典型的是牛鞭效應（Bullwhip Effect），就如同洗澡時熱水調節反應太慢，要么水太熱，要么水太冷。牛鞭效應指在供應鏈中，終端消費者的需求波動在向供應鏈上游 （如零售商、批發商、制造商） 傳遞時被逐級放大的現象。這種放大效應會導致上游企業的訂單量和庫存波動遠大于實際市場需求變化，從而引發庫存積壓、生產過剩或短缺等問題。

牛鞭效應可視為社會技術系統臨界脆弱性在一特定環境中的呈現，其出現的成因與影響也將在之后反復出現。

什么導致了臨界脆弱性

相互依賴+守時

人們往往沒有意識到，許多社會技術系統的共同之處在于它們的運作都基于嚴格的時間表；即基于輸入-輸出系統或在特定時間間隔內依賴于相互關聯的事件和中斷的過程。遵守時間表——元素在正確的時間出現在正確的地方 （如計劃的那樣） ——這就是所謂的及時性。

在大多數社會技術系統中，及時性是極為關鍵的質量標準，在諸如運輸系統、供應鏈系統、醫療系統、應急響應系統、計算機和網絡服務系統或農業系統中。及時性被視為提高效率和降低運營成本的開創性創新。盡管這些方案在全球范圍內被廣泛采用，但如果缺少了一個不可替代的組件 （例如，一個芯片） ，那么就有可能導致全線生產出現重大中斷。未來應對這種風險，系統設計者通常會設置各種各樣的“緩沖機制” （例如，增加庫存、擴大供應商基礎或替代輸入） ，可以抽象化視為整合到時間表中的時間緩沖，部分緩解延遲。然而，如果系統操作者優先考慮成本和時間效率——實際上就是減少時間緩沖——那就會導致社會技術系統變得脆弱。例如在新冠時，汽車廠商因“零庫存”策略，在芯片供應因物流暫停中斷后被迫停產，從而導致巨大損失。

優化效率+短視

社會技術系統中的參與者常受到多重激勵因素的驅動，尤其是在競爭環境下，這些激勵會強化他們追求成本和時間效率的行為，以獲取短期運營優勢。然而，這種追求效率的過程往往忽視了系統的長期韌性。

以運輸系統為例：負責調度列車的操作者可能的目標是最大化通過網絡運輸的乘客數量，即在越來越緊湊的時間表中安排列車。如果每列火車都按計劃運行，確實會增加運輸的乘客數量。列車系統中的各個元素在其運行中是相互依賴的——如果另一列火車還沒有到達，出發的列車的乘務人員來自到達的那列火車，因此只有通過減少通常用于允許系統吸收可能延誤的時間緩沖，或者在車站備有替換乘務人員的緩沖，才能實施更緊密的時刻表。一個對成本效率有額外關注并且體驗到良好運行的列車服務的運營商，可能會考慮減少替換乘務人員的緩沖，因為運營商必須承擔維持這個緩沖的成本。而減少了這樣的緩沖，會導致系統系統變得脆弱。

過度優化的例子，在供應鏈中，體現在為了獲得更好的合同條件，一家企業可能會與其中一個供應商簽訂獨家合同。這種供應鏈中的可替代性缺乏，增加了找到替代原材料來源的難度。保持低庫存或供應鏈不多樣化的企業缺乏適當的“提前期”——即時間緩沖——會對外部沖擊更為脆弱 。烏克蘭戰爭初期歐洲高度依賴俄羅斯的天然氣供應中斷的影響，在國家層面就是一個例子 。

這些案例共同揭示了一個深層次問題：當決策者過于關注短期效率而忽視系統韌性時，看似理性的個體決策可能積累為系統性風險，使整個網絡在面對擾動時變得異常脆弱。

系統如何走向崩潰邊緣

在追求效率的過程中，許多系統的"最優狀態"實際上處于一個危險的臨界點——就像站在懸崖邊上，看似安全，卻只需一陣微風就可能導致災難性后果。這種小擾動引發大災難的情況，無論擾動來源于系統外部還是內部，都可能出現。

外部擾動例如大范圍電網故障或突發暴風雪相對容易理解。而內部擾動，如一列火車的小機械故障或某位乘務員的臨時缺勤，雖然看似微不足道，卻可能像多米諾骨牌一樣，在高度緊密連接的系統中引發連鎖反應。實際上，外部和內部擾動的界限常常并不明確。

圖2的模型清晰地展示了這一現象：當六家相互依賴的企業組成供應網絡時，隨著時間緩沖減少到某個臨界值以下，系統不會表現出緩慢退化，而是突然崩潰——延遲時間不是漸進增加，而是呈爆炸式增長，形成“延遲雪崩”。這正是臨界點特有的非線性表現。

圖2：企業間生產網絡運作的簡化模型 。(a) 六家企業 A 至 F 及其在相繼時間層中的操作依賴關系，由箭頭表示。(b) 該網絡操作依賴關系中生產延遲逐層傳播的示例。(c) 時間緩沖區大小 B 和依賴關系數量的相圖中的關鍵性曲線，對于每家企業具有相同總數操作依賴關系的情況。(d) 對于 (c) 中的情況，企業平均延遲的典型演變隨時間的變化。特別注意延遲雪崩。

當社會技術系統長時間保持穩定時，過度優化的傾向尤為強烈，因為系統管理者往往過度自信和/或松懈，他們認為各種這些安全措施或規定顯得不必要。由于短期優化的驅動，他們開始拆除保護措施，無意中使系統接近崩潰的邊緣。

這種現象在金融領域尤為明顯，經濟學家明斯基曾對此做出經典解釋：每次金融危機后，監管機構都會制定嚴格規定限制金融機構冒險行為，降低整體風險。然而，隨著時間推移，上次危機的教訓逐漸被淡忘，這些“礙事”的保護措施會被逐步削弱或取消，為下一次危機埋下伏筆——這也解釋了為什么金融危機似乎總是周期性出現。

此外，在諸如相互依賴的生產企業的集群中，各個企業的運營本身也是復雜系統，可以預見的是，競爭壓力迫使各個企業積極優化自身的成本和時間效率。當供應鏈運行順暢時，公司會通過去除冗余、從特定地點采購原材料并保持最低庫存來優化其供應鏈。當許多企業——實際上幾乎所有的企業——同時進行這種短視的優化時，整個生產系統將被推向懸崖邊緣，變得脆弱。可以說，優化越短視，整個系統的脆弱性就越高。

臨界脆弱性的影響，還體現在波動性的顯著增加。金融市場和大型經濟體表現出顯著的波動性遠大于傳統均衡模型的預測。這一現象通常被稱為“過度波動之謎”或“小沖擊、大商業周期之謎”。這些均衡模型中存在一個假設：它們通常假設參與者能完美協調，并忽略了供需不平衡的影響。研究者們已經開始關注生產網絡結構在放大波動方面的作用，但這些研究通常仍基于系統處于穩定狀態的假設。此外，這類研究很少擴展到宏觀經濟層面，難以全面揭示系統性風險的形成機制。

事實上，當系統組件高度相互依賴且缺乏足夠緩沖時，微小的局部波動會通過網絡連接被逐級放大。這就像音響系統中的反饋循環——當麥克風捕捉到揚聲器發出的聲音并再次放大時，會產生刺耳的嘯叫聲。同樣，在經濟系統中，初始的小擾動可能通過各種反饋機制被放大，最終引發全系統的劇烈波動。

這種放大效應解釋了為什么看似穩健的系統有時會對小沖擊做出過度反應，也說明了為什么傳統風險模型常常低估系統性風險的嚴重程度。

綜合啟示：脆弱性與韌性的平衡

復雜的系統往往很脆弱，相互關系使得崩潰和連鎖故障變得越來越危險。該文不僅是提出了一種新的“不可避免的技術脆弱性”假設，說明了社會技術系統走向臨界脆弱性是不可避免，還指出臨界脆弱性出現的緣由和其影響。例如，供應鏈的良好運轉會使管理者低估了其對中斷的帶來的影響，從而忽視了尾部風險；新冠疫情和烏克蘭戰爭促使企業采取措施 （近岸生產、供應商多元化） 以減輕某些及時性威脅。這些增強韌性的措施雖然提高了成本，使系統運行不再完全遵循短期效益導向，但有助于使系統遠離臨界狀態。然而，一旦我們再次經歷一段平靜期，企業可能會再次采取行為，使系統處于臨界狀態。

因此，闡明導致社會技術系統中不穩定性、失敗和系統性危機的機制，對于找到補救措施、緩解措施和提出適當法規至關重要。事實上，仍需進行大量研究以找到“反脆弱”的解決方案，使系統在遭受巨大沖擊時能夠自發改進，自我完善。

本文為科普中國-創作培育計劃扶持作品 作者 | 郭瑞東 審核 | 張江（北京師范大學系統科學學院教授） 出品 | 中國科協科普部 監制 | 中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

復雜網絡動力學讀書會

集智俱樂部聯合合肥工業大學物理系教授李明、同濟大學副教授張毅超、北京師范大學特聘副研究員史貴元與在讀博士生邱仲普、張章共同發起 。本次讀書會將探討：同步相變的臨界性、如何普適地刻畫多穩態與臨界點、如何識別并預測臨界轉變、如何通過局部干預來調控系統保持或回到期望穩態、爆炸逾滲臨界行為的關鍵特征、不同類型的級聯過程對逾滲相變的影響有何異同、高階相互作用的影響能否等效為若干簡單機制的疊加、如何有效地促進人類個體間的合作等問題。

讀書會計劃從3月7日開始，每周五晚19:30-21:30進行，持續8-10周。誠摯邀請領域內研究者、尋求跨領域融合的研究者加入，共同探討。

詳情請見：

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