工程发展与科技创新：多尺度复杂性的挑战与机遇

工程2（2016）276意见和评论探索知识体系的逻辑和景观：多层结构，每一个多尺度的复杂性在中尺度李景海国际科学理事会副主席中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室，北京1001901. 打破习惯性思维模式要迎接新的科技革命，实现科学研究的新范式，必须打破思维定势我们正面临着一个机遇多于挑战的科技新时代然而，这个新时代要求政府和科学界认识到，最重要的问题可能不是讨论投资和回报。当代科学在20世纪取得了令人瞩目的进步，为可持续发展的知识和人类能力的扩展做出了贡献。随着科学在时间和空间维度上的不断扩展，它产生了许多新技术。特别是能源、材料、信息和生物技术的发展，从根本上改变了人类的生产方式和生活方式，促进了人类文明的发展。另一方面，人们也逐渐认识到，人类可持续发展面临的新挑战需要解决，但自然、工程、社会科学和人类自身的一些问题，并不是现有知识所能解决的。还原论关注的是越来越小尺度上的细节，而整体论强调的是整体行为。将这两种观点联系起来仍然是不可能的。因此，很难在系统的不同层次之间或同一层次上的不同尺度之间建立相关性，这严重限制了人类可持续发展的能力，并对自然科学和社会科学提出了挑战。与此同时，信息技术的进步和知识的爆炸性膨胀正在推动一种新的科学研究范式的可能出现[1]。跨学科性[2当代科学越来越开放，越来越全球化.在这样一个机遇大于挑战的时代，世界各国纷纷出台各种重大科研计划，重构国家创新体系，对科技的贡献寄予越来越高的期望。一场新的科技革命正被广泛期待。各国科学界都呼吁政府增加科技投入，并以此来治理--投资者比以往任何时候都更渴望看到他们的投资回报。因此，政府、产业、大学和研究机构之间的关系越来越受到社会各界的关注，似乎比科学本身更复杂。增加科技投入，促进政府、产业、大学和研究机构之间的协调当然很重要。然而，这种一心一意的关注是否转移了人们对其他可能对科技发展产生更大影响的问题的注意力科学技术本身的演化在应对全球性挑战、加速科学进步、创造新的科学研究范式等方面可能发挥着比目前公认的更为重要的作用举例来说• 知识系统及其缺失的环节：我们能分类吗在现有认识的基础上，理清科学知识的逻辑关系和结构，以优化现代科学技术的布局，进一步寻找知识体系中缺失的环节。• 推动新范式的行动：面对大数据、知识开放和科研全球化的浪潮，我们如何理性引导和推动新的科研范式的形成和发展，而不是被动等待它的出现？此外，理解知识体系的逻辑和结构以及由此带来的科研范式转变，将对各国创新体系和教育体系的结构和管理提出一系列新的要求本文打破了习惯性思维，试图对这些问题进行探讨。2. 厘清当代知识体系要系统地阐明当代知识体系的逻辑和结构，科学知识和应用技术的逻辑和结构及其相互关系，成为研究与发展（R D）和教育体系布局的依据。通过理清知识体系的结构和逻辑，可以把科技的各个学科和领域组织成一个逻辑的天地--http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.03.0012095-8099/© 2016 THE COVERORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/eng李军/工程2（2016）276逃离这样的组织将促进跨学科和学科间的融合，大大提高科学研究的效率，促进科学技术的进步所有学科和领域的研究对象包括物理世界、化学科学、生命科学、社会科学等等。这些对象之间存在逻辑关系，因此，由它们产生的知识和技术应该遵循相同的结构和逻辑。然而，目前的学科和领域布局并不是基于这种内在结构和逻辑，而是在人类认识非常有限的条件下，可能是偶然或人为因素的非理性影响下，从具体利益问题的分类逐渐演变而来的客观地看，目前的布局缺乏对整个知识体系的系统考虑。例如，基础学科包括数学、物理、化学、天文学、地球科学和生物学，每一门学科又进一步分为不同的子学科。应用领域包括能源、材料、信息、环境等，每一个领域又细分为若干子领域。这样的划分和细分产生了许多交叉学科和领域，即交叉学科。据统计，目前可定义的学科和领域约有8530个[2]。由于这些学科和领域之间没有系统的逻辑联系，很难清楚地看到知识的不同方面此外，尽管学科、领域及其分支的详细分类在其发展的初始阶段肯定会产生积极的影响，但在发展的后期阶段，它会不知不觉地导致学科和领域之间的隔离这种孤立不利于无缝的跨学科和融合，因此，它对科学技术的未来发展构成了障碍。因此，我们有充分的理由提出以下问题-各学科之间的逻辑关系是什么？在已经积累的知识的各个方面之间有什么规律吗？是否有可能打破现有的学科和领域分类，根据现有知识的逻辑关系，勾画出一个更好的科技布局？目前的知识体系中是否存在缺失的环节？如果是，它们是否构成现代科技发展的瓶颈所有这些问题都需要这可能比投资和回报的辩论更为重要。在现有科学技术知识积累的基础上，理清不同学科和领域之间的逻辑关系，不仅有利于科学研究机构的发展和组织，而且有利于跨学科[3]，实现相关学科的无缝融合，最终减少重复，促进合作。同时，也将极大地促进教育体系的重构和复合型人才的培养。从这个意义上讲，知识体系的结构和逻辑应符合以下标准：• 相似性：科学知识体系的逻辑和结构应与知识产生的研究对象的逻辑和结构相一致。• 普遍性：应尽最大努力提取共同原则，减少知识体系中的任何重复和碎片化，从而促进跨学科和整合。• 适应性：研究对象和知识体系的层次逻辑和结构要与重大社会经济需求有机统一，以便在知识体系的全力支持下，更加科学地应对全球性挑战。3. 知识系统知识系统的多层次、多尺度属性和中尺度复杂性应引起重视。物质世界和人类自身的层次结构，以及其中的逻辑关系，表现为一个多层次的体系结构，每一个层次都表现为一个多尺度的当代科学的核心任务是建立各个层次上不同尺度之间的关系和不同层次之间的相关性。每一层上的中尺度结构是实现这一核心任务的关键因此，科学技术的研究对象如图1所示，包括：物理世界，在这一过程中发展起来的化学科学，图1.一、研究对象的多层次、多尺度特征和中尺度复杂性。278J. 李/工程2（2016）276生命科学是在人类认识自身的过程中发展起来的，社会科学则致力于认识人类的行为。前缀在研究问题或过程时，通常认为一个“系统”是由大量“元素”组成的该系统还受到在系统域与其周围环境之间限定的边界处的影响这里的中尺度不是一个绝对的物理尺度，而是一个相对的概念，用来描述介于要素尺度和系统尺度之间的现象和过程。这些中尺度可能位于物理世界的不同层次和不同的物理维度[7]。物理学中传统讨论的介观尺度只是介于分子尺度和块体物质尺度之间的一种介观尺度[8]。传统的方法关注的是各个层次上的单元尺度和系统尺度，而单元和系统之间的中尺度现象所表现出的动态异质结构是各个领域共同面临的挑战。应该注意的是，中尺度过程不仅依赖于场，而且在一个场中具有特定的水平，如图1所示;这一特征引起了中尺度问题固有的复杂性。3.1. 物理世界在大爆炸假设下，在初始膨胀中形成的基本粒子在极端非平衡的动力学过程中聚集成不同的原子;这些不同的原子进一步聚集成分子和宏观材料或矿物。不同的矿物构成岩石，岩石构成地质单元，地质单元又构成地球和各种天体，以此类推，一直到宇宙。因此，在基本粒子和宇宙之间存在着多层次、多尺度的结构。知识的历史发展导致了不同层次的学科难以整合。一方面，这是知识体系本质的自然反映;另一方面，这种多层次性导致了层次之间的隔离。一个学科的“系统”的对象是它的相邻学科的“元素”，反之亦然。因此，对于同一研究对象，特别是在边界尺度上，不同学科的术语和方法可能有很大差异，导致学科之间的隔离。长期以来，这一直是科学技术领域的一个问题，尽管人们已经认识到这一问题，但对这一问题的关注不够。3.2. 化学科学化学科学还表现出多层次、多尺度的特点。随着研究的深入，我们对化学科学的多层次、多尺度特征的认识越来越清晰。物质转化的过程包括三个层次：物质、反应器和环境[7]。这些层次分别对应于材料加工研发的不同阶段，即材料创新、工艺装备研发和系统集成。具体地说，每一层包含元素尺度、中尺度和系统尺度。尽管这三个层次的研究内容和研究对象完全不同，形成了不同的分支学科，但它们都具有以下共同属性：①这三个层次都具有多尺度特征; ②这三个层次所涉及的边界尺度（即，原子/分子、粒子、单元设备和生态环境）的研究，形成了不同的学科，化学、化学工程和过程系统工程;③三个层次上的两个边界尺度之间的中尺度问题知之甚少，并形成材料创新、过程设备放大和系统集成的瓶颈。这些问题已成为化学科学与工程研究发展中的焦点问题，阻碍了化学科学与工程研究向可持续发展目标的进一步突破。3.3. 生命科学生命系统还表现为典型的多层次、多尺度和中尺度结构，不同层次的研究对象、内容和方法也不尽相同 这四个层次都表现出多尺度特征：生物大分子层次包括氨基酸、核苷酸、二级结构和蛋白质;细胞层次包括蛋白质等生物大分子、超分子机器或由许多分子组成的亚细胞器（包括生物大分子和其他分子）和细胞;器官水平包括细胞、组织和功能器官;生物体层面由器官、功能系统、（如消化系统、血液系统和神经系统）和完整的生命实体。传统的理论研究对基本分子、生物大分子、细胞、器官和生命体四个层次的边界尺度进行了深入的探索，形成了分子生物学、细胞生物学、组织学和系统生物学等不同的学科。然而，对四个层次中的每一个上的两个边界尺度之间的中尺度问题的理解非常少，导致分别在非编码核糖核酸（RNA）和动态蛋白质结构、细胞器调节以及组织和功能系统中的瓶颈问题这些问题已成为现代生物医学研究中尚未解决的焦点问题，其突破将导致生命科学的革命性进展3.4. 社会科学社会科学是一个主要的学科类别，关注社会和社会中个人之间的关系[9]。它还具有多层次，如家庭，城镇，农村等，在每个层次上的多个尺度，和每个层次内的中尺度复杂性。也就是说，每个层次的集体现象也是该领域各个分支中最具挑战性的问题，尽管本文不会详细阐述这个前提。3.5. 四类科学的共同属性上述四类研究对象，也如图1所示，仅是科学研究的代表性选择。事实上，还有许多研究对象不是以有形的形式出现，而是表现出多层次、多尺度的特征和中尺度的复杂性，如神经系统和认知系统、语言逻辑和结构等。无论研究对象如何，四类科学的共同属性是突出的：都具有多层次系统，每一层次都是多尺度的，在单位尺度和系统尺度之间具有中尺度的复杂性。最近的研究表明，多个层次上的中尺度问题已经成为实现所有层次的量化和不同层次之间的相关性的共同的巨大挑战[6 <$8，10，11]。尽管所有的中尺度问题都表现出多样性和复杂性，但它们都可能满足一个共同的原则，即非均匀性，李军/工程2（2016）276动力学和相分离等等。现代科学的一个分支不同层面的融合和融合还是很难的。在单个层面（或子学科）上但对介于要素与系统之间的中尺度问题重视不够。因此，研究者不得不采用平均的方法来处理中尺度的非均匀性。因此，出现了一门复杂性科学，试图将微观尺度与宏观尺度联系起来。然而，复杂性科学并没有对不同层次的中尺度问题给予足够的重视，也没有认识到所有中尺度共同的科学原理的缺失这是中观科学概念提出的根本原因和动力[6]。4. 将知识和技术系统整合到一个单一的景观中知识系统和技术系统可以整合成一个单一的景观。一般来说，所有应用领域的结构和逻辑都涉及同一个科学知识范畴，唯一的区别在于运用知识解决问题的表现形式。因此，所有的应用领域也都具有多层次、多尺度和中尺度的特征，并可以与知识系统集成为一个统一的逻辑景观。具体的技术或应用领域都是在上述知识层次的基础上发展起来的，在发展过程中，为识别知识体系中因此，科学与技术的界限越来越模糊，正是这种属性的结果。根据所涉及研究内容的相似性，可初步将能源、材料、信息、地球系统与气候、生命与健康、农业、空间等与可持续发展有关的主要技术研究，合并为多层次的（当然，还有其他的分类方法，但它们并不影响我们对知识和技术领域之间关系的分析。每一个领域的发展都涉及到上述多层次、多尺度的知识，只是应用的目标不同而已在这里，相对于不同的领域，层次比其他层次更加多样化。但由于认识上的局限，对共同的基础科学问题的研究被称为这样的分类似乎相信随着对知识体系理解的加深，这种差异会逐渐消失。基于以上两部分的讨论，并考虑到现有知识和自然的多层次、多尺度属性，我们可以得出知识体系与应用领域之间的关系，即科学技术的布局或景观，如图2所示。这个图中的同心圆指的是知识，它涉及多个层次，包括基本粒子、分子/原子、材料、工程、地球科学、空间、天文学和宇宙。从中心向外辐射的线条指的是知识应用的领域，并贯穿每个领域的所有知识层次。图的中心是指所有研发活动中常用的工具、理论、方法和知识，如数学、力学、系统科学等。按照图2所示的结构和逻辑组织科学研究，可以提高创新系统的效率，使研究活动的组织更加合理。当然，图2当然不是一个完整的图片，而只是一个粗略的框架，需要进一步改进。然而，尽管不同的人可能会提出不同的组织方案，但图2所描述的景观应该不会有太大的变化。5. 填补现有知识体系的空白应弥补现有知识体系中的空白。各级的中尺度问题是知识系统中常见的缺失环节，特别是可能遵循一个共同的原则。这一原理的发现和证实将导致科学技术的革命性进展。在上述多层次知识系统中，研究者通常更关注每一层次上的元素和系统（即，边界尺度），以及多个元素如何图二. 科技景观的概念模型。280J。李/工程2（2016）276构成一个系统，试图将元素行为与系统行为相关联。这种特定层次的理解逐渐导致各种子学科的形成然而，研究人员逐渐认识到，每个层次上的元素属性相对简单，可以用现有知识描述，而元素之间的相互作用，在很大程度上决定了同一层次上系统的属性（即，其相邻层的元素），是非常复杂的，并且不能用传统的理论和方法来解决。中尺度问题通常仅根据实验现象或基于假设来处理：统计力学假设分布函数，流体动力学假设本构方程，自适应学甚至推测许多恒星和星系的平均参数忽视中尺度过程及其支配原理，造成了现代科学知识的缺失，严重阻碍了科学技术的进一步发展。例如，工程中的许多问题仍然依赖于平均处理，而不考虑中尺度结构;同样，用于计算湍流、化学过程、天气和气候的许多形式的工程软件倾向于根据经验参数或假设在计算网格内使用粗粒度参数一些学科甚至没有意识到中尺度的重要性，即使他们一直在这样的尺度上工作许多多尺度概念的研究关注的是元素尺度和系统填补现有知识体系的缺失，有力推动各学科的发展和融合。因此，中观科学可以说是一个跨学科、跨领域的共同前沿，在整个科学技术领域都值得关注&，应该属于图1中心的知识范畴。二、化学工程[6，7，10-据认为，所有中尺度问题或过程都至少由两种机制共同支配。这里，我们考虑机制A=极值1和机制B=极值2，共同控制系统行为，作为一般情况，以简化后面的讨论。A-和B-主导状态在时间和空间上交替共存[6]。因此，系统的变分准则可以物理地表示为主导机制之间竞争的竞争，并且可以在数学上可以表述为多目标变分问题，即EMMS原理[6 - 8]：结构变量：X= {x1，x2，竞争机制之间的妥协A不强调中观尺度，忽视了重要管理规则在那里。近年来，这种情况有所改变，但对中尺度的重视还不够。无缝的-极端化根据保护法：B不同层次的知识整合更是难上加难。此外，在一个完整的过程中，两个相邻级别之间的边界尺度受到两个级别的过程的影响，这取决于相应级别的相应中尺度因此，很明显，只有在理解了所涉及的两个中尺度时，才能完全解决两个能级之间的边界尺度。也就是说，关于边界尺度的传统知识也需要在中尺度效应方面得到更新。近年来，中观科学概念的提出引起了人们对这一问题的关注.更重要的是，它导致断言，不同领域的不同层次上的中尺度问题可以遵循共同的物理原理，并由统一的数学框架来表述[6，8]。 一旦这一概念得到确认并发展成为一门跨学科的科学，Fi（X）= 0，i= 1，2，.，m（m n）在改变B相对于A的相对优势的程度时，如图3所示的气-固流化的三种状态相继出现，并且以不同的结构为特征• A-支配的：如果A=极值1起主导作用而B=极值2被抑制，则系统的稳态完全是A-支配的，而B对系统的结构没有影响。• 竞争中的A-B妥协：随着B=极值2对A=极值1的优势增加，存在一个临界条件，在该条件下，A失去对B的绝对优势，不得不与B妥协。这导致了B主导状态和A主导状态的交替出现（不一定完全主导，取决于图三. 随着机制B相对于机制A的相对优势的改变，三种机制相继出现。李俊/工程2（2016）276这两种机制之间的相对优势[13]，如图3所示）在时间和空间上，引起了系统中尺度动力变化的复杂性。• B-支配：当B的支配达到另一个临界值时，A将被完全抑制，而B则完全实现，从而使系统成为完全B-支配的。尽管不同领域不同系统的不同机制之间的相对优势地位的变化可能会导致更复杂和多样的区态转换，但上述三区态特征似乎是普遍的。这种特定于体系的性质，加上依赖于场和能级的差异，使得寻找中尺度现象的共同原理变得复杂[13]。为了确认和扩展EMMS原则的普遍性，需要对不同学科进行跨学科研究，为竞争中的妥协原则的普遍性寻找更多的证据。具体而言，具体的层次性需要通过研究不同层次的不同制度来明确，具体的制度性需要通过改变运行条件来确认 只要在这方面取得进展，就会建立中观科学，解决不同领域的中观问题，从而在理论、计算和实验等不同领域取得革命性进展，如图1所示。 四、由于现实世界的复杂性和多样性总是发生在中尺度上，所以理论、实验和计算都很自然地集中在中尺度现象上，如图4所示。首先，建立理论来表达竞争中的妥协原则，并通过多目标变分方法来表达多尺度动力学结构。越来越多的证据表明问题，中观科学可以作为一门跨学科的科学发展。其次，实验将产生多尺度数据，可以使用中尺度科学方法来识别这些数据背后的主导机制，并使用中尺度建模对这些数据进行建模，这也有望为中尺度科学的普遍性提供证据。第三，计算将以中观科学为基础，建立多尺度模型，通过实现软件和硬件之间的逻辑和结构相似性来构建软件和硬件[11]，以实现所谓的虚拟现实。如果如预期的那样发展中观科学，将实现一种新的科学研究范式，在这种范式中，中观科学不仅将在揭示现象背后的机制方面发挥重要作用，而且将在提升建模的可预测性和加速计算以实现虚拟现实方面发挥重要作用[14]。6. 演绎中观科学中观科学的共同原则可能必须通过研究具体的中观问题来推导，同时牢记一般性;也就是说，从特殊性到一般性。我们今天面临的大多数挑战的本质都植根于中尺度的复杂性。由于这种复杂性的多样性，直接制定一个中尺度的一般理论可能是不切实际的。相反，中观的共同原理的更多证据应该从具体问题的研究中推导出来根据上述分析，并考虑到当前各领域的前沿和挑战，以下问题可以作为中尺度问题的典型例子。中观科学概念的应用，如图所示。 4、将加速这些问题的解决。此外，对这些问题的认识的突破将推动相应学科和领域的重大进展图四、 大数据、超级计算、中观科学、虚拟现实之间的关系，以及通往科学和技术新范式的道路。[3]）。282J. 李/工程2（2016）276这将反过来提供具体的例子，从而为中观科学的普遍性提供证据。一些典型的中尺度问题包括：• 揭示光伏过程、光合现象和催化作用的内在机理，推动可持续能源和材料技术的革命，为应对气候变化和实现可持续发展提供解决方案;• 从蛋白质三维动态结构和细胞内动力学过程两个层次理解中尺度问题，以有力地推动生命健康科学的革命;• 了解湍流、天气、气候、工程动力系统、天文学和宇宙的复杂系统，以大大提高人类可持续发展的能力，并提高我们了解自然和预防灾害的能力;• 了解神经系统多层次、多尺度的信息传递和处理机制，以推动认知、脑、计算和智能科学的发展;• 揭示超导体、储能（热、电）、量子材料、功能材料的机理和设计，引领能源、信息、材料领域的重大• 材料设计的定量化、合理化和各种材料的智能化大生产，以加速工业特别是制造业的现代化进程;• 将中尺度概念应用于超级计算、大数据、虚拟现实等领域，以极大地提高人们认识自然的能力，引起科学研究和开发模式的重大变革，进一步革命我们的此外，在图2所示的两个极端水平上的中尺度问题（例如，最小极值的量子力学和最大极值的宇宙演化规律），将从根本上加深人类对物理世界的认识。用中观科学的理念解决这些来自不同领域的问题，将从三个方面理性地促进跨学科的发展。第五章：• 跨学科方法1：跨同一学科中不同层次的子学科。这里讨论的中科学概念是在研究化学科学不同层次（子学科）的中尺度问题时提出的[7，8]，例如材料水平上的界面和材料结构;反应器水平上的气-固系统、气-液系统和湍流的动态非均匀性;以及环境水平上的过程合成超结构[15]。• 跨学科方法2：跨学科。研究上面列出的具有挑战性的问题涉及许多不同的领域。例如，在神经系统中，不同层次的中观尺度的动力学变化与复杂流、相关电子系统、蛋白质结构和催化作用的动力学变化遵循相同的支配规律，这些都可能与不同主导机制之间竞争的妥协原则有关。• 跨学科方法3：跨越所有学科共同的全球性问题。跨学科可以扩展到所有领域的共同全球问题的研究，如大数据，超级计算和虚拟现实，如图所示。 四、如果这三种跨学科方法能够由不同的学科和领域共同探索，我们将看到一个基于共享共同原则的图五. 三种方法的跨学科性：跨同一学科中不同层次的子学科，跨不同学科，跨全球问题（参考文献[3]，经修改）。NBIC代表纳米技术、生物技术、信息技术和认知科学。李俊/工程2（2016）276在中尺度。这种说法可能有风险;然而，它至少值得关注和探索。EMMS在中观科学竞争中的妥协原则的策略（在第5节中描述）不同于热力学遵循的策略，热力学试图建立一个单一的变分函数来定义系统的稳态事实上，只要涉及两种或更多种主导机制（即，第5节和图3中讨论的A-B折衷机制），由于不同主导机制之间的“利益”冲突，很难直接推导出单一的变分准则具有两种不同机制（可能与不同耗散过程有关）的两个变分函数之间的竞争中的妥协必须考虑在内。这可能是为什么在耗散结构的非线性和非平衡热力学中很难定义一个通用的变分准则[16]，导致研究人员之间的许多争论[18]的从EMMS原理，其普遍性已在许多系统中得到证实[6，8，11]，我们将进一步预测，上述这些争论是由于忽视了竞争中的妥协原则和变分准则的特定制度性质，如第5节和图5所示。 3，虽然需要更多的证据来澄清这一推论。也就是说，耗散的最小值[19]和最大值[20]（控制不同的主导机制）都参与了复杂系统结构的塑造，如湍流[21，22]、气固流化[12，13]和反应-扩散过程[23]（详见参考文献[13]）所示。两者都可以发生在同一系统中，但仅在图3所示的A-B折衷状态中，并且以在同一时间但在不同位置或在同一位置但在不同时间交替实现其各自的极值趋势的形式发生。然而，对于A主导和B主导的可以使用最小耗散或最大耗散），因为在这两种情况中的任一种情况下的耗散过程是由单一机制支配的。从现有的证据来看，可以预测，通过考虑对应于不同变分标准的不同主导机制之间的竞争中的妥协以及它们的特定体制性质，将澄清上述争论。这意味着在A-B折衷状态下，总耗散（熵产生）方面的单一变分临界点可能是不可能的。这样一个重要的问题没有得到重视。中观科学的任务之一就是解决这个问题，详见参考文献110。[13]第10段。另一个需要证明的问题是：这种普遍性能在多大程度上适用？中国自然科学基金委员会（NSFC）启动了一项中观科学计划，以资助来自不同领域的研究人员[24，25]。本课题的目的是从EMMS竞争妥协原则本身和竞争妥协的变分准则等不同方面收集更多的证据，探讨EMMS竞争妥协原则的一般性。7. 能源技术规划研究案例分析目前，能源研究可能是根据能源类别组织的，如核能，可再生能源和化石能源。未来，能源研究综合体应按照知识体系的逻辑进行综合性、跨学科的设计，明确整个领域的关键技术和共性科学问题，并以此为基础组建团队、建立分部、打造平台。能源是社会和生态最重要的因素之一经济上的可持续发展;然而，它的使用引起了气候变化的全球挑战。自然，能源已被视为大多数政府和工业研发机构的使命。能源研究的效率与人类的可持续发展能力密切相关。合理规划和组织这些组织中的研发活动是有效开展研究活动的必要条件，从而能够实现所谓的能源革命然而，世界范围内能源领域的研究活动往往没有考虑到知识体系的逻辑和结构，因此，由于组织和管理推理的限制，跨学科很难实现。例如，核能、可再生能源和化石燃料通常在不同的实验室中分别进行研究，并且几乎以彼此隔离的方式进行开发。更糟糕的是，它们是由完全不同的学科研究和开发的，忽视了它们之间固有的共同知识和互补性。在未来讨论新的科技革命、探索新的科学研究范式、应对全球性挑战的过程中，这种状况应该得到改变根据知识体系的结构和逻辑，图6提出了一个从事核能、可再生能源和化石燃料能源的能源研究综合体的初步设计。也就是说，在组织能源领域的研究时，应遵循以下程序。• 组建特定团队：应确定不同层次的每类能源最具挑战性的科学问题，如核能、可再生能源和化石燃料，以便组织专门的研究小组，专注于这些特定类别的问题。• 建立跨学科部门：分析同一层次上不同能源的具体问题之间的关系，找出共同的科学问题，从而在同一层次上组织更多的不同能源的一般性研究部门，即跨学科部门。• 创建跨学科中心：应寻找不同层面的共同挑战，如中尺度问题，这表明最重要的研究重点。这就需要一个研究能源领域一般问题的部门，也就是一个跨学科的中心。• 建立公共平台：为不同的团队和部门建立公共平台，重点是理论，实验和计算的全球能力能源研究综合体的这种分层设计可能会使研究的重复性最小化，并使不同团队和部门之间的互动最大化，从而产生极高的研发能力。当然，与这种设计相一致的治理对于实现这一目标也至关重要8. 新的科学研究范式引导新的科学研究范式的形成知识体系的逻辑和结构的明晰，将导致理论、方法、工具和思维方式在信息技术和数据科学的推动如何应对这些变化是另一个需要科学界、政府和所有利益相关者关注的关键问题。(1) 信息技术引起的变化：随着信息技术的发展，284J. 李/工程2（2016）276图六、 规划一个综合性的能源研究综合体，同时考虑知识体系的逻辑和结构。随着信息技术的发展和大数据浪潮的兴起，一种新的科学研究范式正在形成[1]。这一过程伴随着科学的开放性和全球化的迅速发展。开放存取（OA）以及各种新的出版和传播模式将使科研环境发生革命性的变化如何合理引导这场革命，是当前科研管理面临的重大挑战。例如，开放式办公固然有助于新知识的共享，但开放式办公应如何健康发展，以避免知识的“过度商业化”，从而阻碍知识的应该建立什么样的法规来确保OA造福人类？又如，信息技术在知识传播方式的变革中固然重要，但如何保证知识的质量和知识传播的秩序？我们如何确保从海量数据中及时获取可靠的知识？第三个例子，大数据被认为极有可能重塑科学研究的模式[1];但大数据背后的科学原理是什么？这个问题需要充分考虑在ST社区。这类问题很多，需要全球性的法规来规范。正如专利制度是在技术发展的过程中逐步建立起来的，新的全球协议和联合行动是指导新的科学研究范式发展所必需的(2) 研究方法的突破引起的变化，理论和技术：考虑到知识体系的结构和逻辑，如上所述，以及中观层面的缺失环节，研究方法，理论和工具应该产生相应的变化。这些变化将是新的科学研究范式的重要特征，并需要进行一些学科重组。例如，中尺度结构往往表现出时空动态和高度异质性，具有有序和无序的耦合这种耦合对测量和实验技术提出了巨大的挑战，因为需要在时间和空间上都具有高分辨率。蛋白质三维动态结构的测量、电子在材料中的集体运动和介观信号转导在神经系统的每一个层次上，等等，都将是未来科学研究的重要部分。研究方法也将发生根本性的变化。目前以分析、演绎和确定性为主导的研究方法将继续让位于数值和图形模拟以及其他非确定性方法。虚拟现实也将成为未来研究的重要手段.传统的以静态、线性、平衡为基础的理论将被以中尺度结构为中心的动态、非线性、非平衡和系统理论所中尺度问题在不同层次上的突破，将使不同层次的知识融合、整合成为可能，从而导致不同学科的跨学科性。研究机构和组织应进行系统重组，以采用知识体系的逻辑所有这些变化都可能成为未来发展的趋势我们要做好充分准备，从这两个方面分析科学研究和思维变革所带来的问题，合理防止传统思维对科学发展的阻碍，引导科学技术健康快速发展。9. 结论需要所有利益攸关方共同努力，以实现必要的变革。对知识体系的结构和逻辑的完整理解以及科研环境的变化，将会导致新的科技布局和新的科研范式的逐步形成。这一范式将成为21世纪科学技术的特征之一然而，这需要有意识的共同努力;否则，由于我们的思维惯性，这一进程可能会非常缓慢。本文旨在提醒全球社会，这一进程的推进需要各学科的共同努力，也需要各国政府的坚定支持。消除学科界限、欣赏新思想等，需要科技界、政府和所有国际科学机构的开放心态和推动力。各方对这些变化的态度，李俊/工程2（2016）276这在很大程度上决定了新科技革命的发生和新的科学研究范式的形成，这对科学的开放性和全球性至关重要，其中自然科学、人文科学和社会科学将在某种程度上通过中观的共同道路得到统一，并对可能的共同原则有更多的了解。这一点，有关各方都应充分认识。只有这样，人类才能有效地应对全球化的挑战。这些变化将要求各国在国家创新体系、教育体制、科研管理模式等方面进行改革各国政府应积极适应这些变化，对国家创新体系进行必要的调整，优化科技体系的规模和结构。在全球层面上，国际科学组织应该考虑所有国家创新体系之间的关系，甚至建立一个全球创新体系--或者至少在“开放和全球科学”的背景下，不同国家只有这样，才能在科研投入增长有限的情况下，有效地提高创新体系的效率和能力，保证科技的快速发展这种范式的转变可能比仅仅要求投资和追求科技投资的回报要重要得多。最后，作者想强调的是，我们正处于一个快速变化的时代。适应这些变化的能力和灵活性对于加快科学技术的发展，从而应对全球挑战至关重要。科学界、工业界、政府，特别是有能力和责任在全球范围内发出科学声音的国际机构，应该将这种范式转变作为其工作的优先事项！确认作者感谢EMMS小组的同事们在EMMS模型和现在的中观科学方面的长期合作和贡献。对教授们表示衷心的感谢。感谢胡英、曹晓晔、潘教峰教授阅读了论文初稿并提出了建议。赵忠贤、王志珍、徐建中、陈运泰和李伟在草案小组讨论会上发言。特别感谢王正宇先生、庄岩先生、冯凯女士、黄文来博士、王晓伟博士和王健博士在英语和数字方面的帮助。特别是，作者要感谢安吉拉韦尔奇博士抛光英语。国家自然科学基金（91334000）对中观科学项目的资助，题目为引用[1] 嘿T坦斯利S托尔K编辑们第四范式：数据密集型科学发现。Redmond：Microsoft Research; 2009.[2] 联合国教育、科学及文化组织哲学和伦理司。跨学科：激发协同效应，整合知识。巴黎：联合国教育、科学及文化组织，1998年。[3] Li J.中尺度：跨学科之路Chem Eng J 2015;277：112[4] Nicolescu B编辑跨学科：理论与实践。New York：Hampton Press.[5] 刘志现代学科。杭州：浙江教育出版社; 1998. 中文.[6] Li J，Ge W，Wang W，Yang N，Liu X，Wang L，et al.从多尺度模拟到中观科学：化学工程的观点。Berlin：Springer; 2013.[7] 李杰，葛伟，郭明.妥协引起的中尺度现象--一个共同的挑战，不仅仅是化学工程。2009. arXiv：0912.5407。[8] 用中观科学探索虚拟过程工程。Chem Eng J 2015;278：541[9] 社会科学[互联网]。旧金山：维基媒体基金会[2016年6月21日]。可从以下网址获得：https://en.wikipedia.org/wiki/social_science[10] 李杰，黄伟.走向中观科学：竞争中的妥协原则。Berlin：Springer; 2014.[11] 葛伟，王伟，杨宁，李军，郭明，陈锋，等.面向虚拟过程工程的中尺度仿真--EMMS范式.化学与工程科学2011;66（19）：4426[12] 李军，张军，葛伟，刘翔.复杂系统的多尺度方法。化学与工程科学2004;59（8[13] 李军，葛伟，王伟，杨宁，王军，黄伟.聚焦中尺度：从能量最小化多尺度模式到中尺度科学。Curr Opin Chem Eng 2016;13：10[14] Guo L，Li Z，Li J，Liu X，Lu B，Meng F，et al. Harnessing the power ofvirtual reality. Chem Eng Prog 2012;108（7）：28[15] Floudas CA，Niziolek AM，Onel O，Matthews LR.能源与环境的多尺度系统AIChE J 2016;62（3）：602-23。[16] Gage DH，Schiffer M，Kline SJ，Reynolds WC.一般热动力学变分原理的不存在性。In：Donnelly RJ，Herman R，Prigogine I，editors Non-equilibriumthermodynamics variational techniques and stability.芝加哥：芝加哥大学出版社，1966年。p. 283-6[17] 作者：Nicolis G，Prigogine I非平衡系统中的自组织：从耗散结构到涨落有序。New York：Wiley.[18] Martyushev LM.熵和熵产生：旧的误解和新的突破。Entropy（Basel）2013;15（4）：1152[19] 普里戈金岛不可逆过程热力学导论。第3版纽约：约翰威利父子公司;一九六八年[20] 齐格勒·H热力学导论。阿姆斯特丹：北荷兰出版公司，1983年。[21] 李军，张志，葛伟，孙勤，袁军.管内湍流的一个简单变分准则化学与工程科学1999;54（8）：1151[22] 王玲，邱旭，张玲，李军。粘性与惯性竞争的相互作用引起的湍流。Chem EngJ 2016;300：83- 97.[23] 黄伟，李军。可逆Gray-Scott模型中熵产生最小化与最大化的折衷。ChemEngSci 2016.在出版社。 http://dx.doi.org/10.1016/j.ces.2016.08.022。[24] 国家自然科学基金启动中观科学重大研究计划[Internet]。北京：国家自然科学基金国际合作局; c2007 [更新于2012年9月13日;引用于2016年6月21日]。可查阅：http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal1/tab158/info39251.htm。[25] 李 军 ， 胡 毅 ， 袁 强 . 中 观 科 学 ： 从 新 角 度 探 索 老 问 题 。 Scientia Sinica（Chimica）2014;44（3）：277-81. 中文.