摘要：

當(dāng)今社會經(jīng)濟系統(tǒng)中，參與者為追求短期效率，無意中使整個系統(tǒng)變得極為脆弱，這種現(xiàn)象被稱為“臨界脆弱性”。美國國家科學(xué)院院刊（PNAS）近期的評論文章揭示，系統(tǒng)的高連通性與同質(zhì)性，加上對時間效率的過度優(yōu)化和缺乏緩沖機制，導(dǎo)致微小擾動可能觸發(fā)災(zāi)難性連鎖反應(yīng)。從系統(tǒng)科學(xué)角度，這表明系統(tǒng)接近相變臨界點。該研究提出“不可避免的技術(shù)脆弱性”假設(shè)，分析了系統(tǒng)波動放大機制，并呼吁開發(fā)“反脆弱”解決方案，使系統(tǒng)在面對沖擊時能自我完善。

在當(dāng)今社會經(jīng)濟系統(tǒng)中，隱藏著一個被人們忽視的問題，即系統(tǒng)中的參與者受競爭壓力的強化，短視地優(yōu)化效率，從而無意中將整個系統(tǒng)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(tǒng)論的視角，認(rèn)識臨界脆弱性帶來的風(fēng)險，從而積極加以應(yīng)對。

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(zhàn)馬；折了一匹戰(zhàn)馬，損了一位國王；損了一位國王，輸了一場戰(zhàn)爭；輸了一場戰(zhàn)爭，亡了一個帝國。”如今，這樣的案例，更是比比皆是。

例如，小規(guī)模事件引發(fā)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(dǎo)致全球供應(yīng)鏈中斷；金融市場上，即使在沒有明顯觸發(fā)因素的日子，也會出現(xiàn)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(jīng)濟中占比很小，在全球經(jīng)濟中占比更是微不足道，卻引發(fā)了波及全球的嚴(yán)重經(jīng)濟衰退。

圖1：由外部因素（如氣候，停電）導(dǎo)致鐵路交通系統(tǒng)，并在大范圍擴散的例子。

總結(jié)上述事件的共性，即其都屬于社會技術(shù)系統(tǒng)（STSs），這是一個由人類元素（個人、群體和更大規(guī)模的組織）、技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合并在目標(biāo)導(dǎo)向的方式下相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)。系統(tǒng)要發(fā)揮功能，需要系統(tǒng)元素——人類和技術(shù)之間設(shè)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(shè)計為能為社會技術(shù)系統(tǒng)提供操作穩(wěn)定性。

這類系統(tǒng)存在于多個層次：從小型的鄰區(qū)垃圾處理系統(tǒng)，到中等規(guī)模的區(qū)域或國家級廢物管理系統(tǒng)，再到更復(fù)雜的“系統(tǒng)中的系統(tǒng)”，如全球經(jīng)濟中的氣候協(xié)調(diào)機制。在醫(yī)療服務(wù)、交通運輸、通信、能源供應(yīng)、食品供應(yīng)等各個領(lǐng)域，社會技術(shù)系統(tǒng)都扮演著維持社會正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵角色。

然而，令人擔(dān)憂的是，現(xiàn)今這些系統(tǒng)越來越容易受到微小擾動的影響，導(dǎo)致功能的災(zāi)難性崩潰。從系統(tǒng)科學(xué)的角度看，這表明系統(tǒng)正在接近“相變臨界點”——曾經(jīng)的千鈞一發(fā)，當(dāng)下卻變得稀松平常。

這從系統(tǒng)論的視角，可視為系統(tǒng)正在接近相變的臨界點。近年來，也曾有使用網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的方法，來分析供應(yīng)鏈端微小擾動帶來的涌現(xiàn)現(xiàn)象。其中典型的是牛鞭效應(yīng)（Bullwhip Effect），就如同洗澡時熱水調(diào)節(jié)反應(yīng)太慢，要么水太熱，要么水太冷。牛鞭效應(yīng)指在供應(yīng)鏈中，終端消費者的需求波動在向供應(yīng)鏈上游（如零售商、批發(fā)商、制造商）傳遞時被逐級放大的現(xiàn)象。這種放大效應(yīng)會導(dǎo)致上游企業(yè)的訂單量和庫存波動遠大于實際市場需求變化，從而引發(fā)庫存積壓、生產(chǎn)過?；蚨倘钡葐栴}。

牛鞭效應(yīng)可視為社會技術(shù)系統(tǒng)臨界脆弱性在一特定環(huán)境中的呈現(xiàn)，其出現(xiàn)的成因與影響也將在之后反復(fù)出現(xiàn)。

什么導(dǎo)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(shù)系統(tǒng)的共同之處在于它們的運作都基于嚴(yán)格的時間表；即基于輸入-輸出系統(tǒng)或在特定時間間隔內(nèi)依賴于相互關(guān)聯(lián)的事件和中斷的過程。遵守時間表——元素在正確的時間出現(xiàn)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(shù)社會技術(shù)系統(tǒng)中，及時性是極為關(guān)鍵的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，在諸如運輸系統(tǒng)、供應(yīng)鏈系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)、應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)、計算機和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)或農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中。及時性被視為提高效率和降低運營成本的開創(chuàng)性創(chuàng)新。盡管這些方案在全球范圍內(nèi)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(dǎo)致全線生產(chǎn)出現(xiàn)重大中斷。未來應(yīng)對這種風(fēng)險，系統(tǒng)設(shè)計者通常會設(shè)置各種各樣的“緩沖機制”（例如，增加庫存、擴大供應(yīng)商基礎(chǔ)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(tǒng)操作者優(yōu)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(dǎo)致社會技術(shù)系統(tǒng)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(yīng)因物流暫停中斷后被迫停產(chǎn)，從而導(dǎo)致巨大損失。

優(yōu)化效率+短視

社會技術(shù)系統(tǒng)中的參與者常受到多重激勵因素的驅(qū)動，尤其是在競爭環(huán)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(yōu)勢。然而，這種追求效率的過程往往忽視了系統(tǒng)的長期韌性。

以運輸系統(tǒng)為例：負(fù)責(zé)調(diào)度列車的操作者可能的目標(biāo)是最大化通過網(wǎng)絡(luò)運輸?shù)某丝蛿?shù)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?shù)某丝蛿?shù)量。 列車系統(tǒng)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(fā)的列車的乘務(wù)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(tǒng)吸收可能延誤的時間緩沖，或者在車站備有替換乘務(wù)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(guān)注并且體驗到良好運行的列車服務(wù)的運營商，可能會考慮減少替換乘務(wù)人員的緩沖，因為運營商必須承擔(dān)維持這個緩沖的成本。而減少了這樣的緩沖，會導(dǎo)致系統(tǒng)系統(tǒng)變得脆弱。

過度優(yōu)化的例子，在供應(yīng)鏈中，體現(xiàn)在為了獲得更好的合同條件，一家企業(yè)可能會與其中一個供應(yīng)商簽訂獨家合同。這種供應(yīng)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(yīng)鏈不多樣化的企業(yè)缺乏適當(dāng)?shù)摹疤崆捌凇薄磿r間緩沖——會對外部沖擊更為脆弱 。烏克蘭戰(zhàn)爭初期歐洲高度依賴俄羅斯的天然氣供應(yīng)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(dāng)決策者過于關(guān)注短期效率而忽視系統(tǒng)韌性時，看似理性的個體決策可能積累為系統(tǒng)性風(fēng)險，使整個網(wǎng)絡(luò)在面對擾動時變得異常脆弱。

系統(tǒng)如何走向崩潰邊緣

在追求效率的過程中，許多系統(tǒng)的"最優(yōu)狀態(tài)"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(fēng)就可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果。這種小擾動引發(fā)大災(zāi)難的情況，無論擾動來源于系統(tǒng)外部還是內(nèi)部，都可能出現(xiàn)。
外部擾動例如大范圍電網(wǎng)故障或突發(fā)暴風(fēng)雪相對容易理解。而內(nèi)部擾動，如一列火車的小機械故障或某位乘務(wù)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(tǒng)中引發(fā)連鎖反應(yīng)。實際上，外部和內(nèi)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(xiàn)象：當(dāng)六家相互依賴的企業(yè)組成供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時，隨著時間緩沖減少到某個臨界值以下，系統(tǒng)不會表現(xiàn)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(xiàn)。

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

當(dāng)社會技術(shù)系統(tǒng)長時間保持穩(wěn)定時，過度優(yōu)化的傾向尤為強烈，因為系統(tǒng)管理者往往過度自信和/或松懈，他們認(rèn)為各種這些安全措施或規(guī)定顯得不必要。由于短期優(yōu)化的驅(qū)動，他們開始拆除保護措施，無意中使系統(tǒng)接近崩潰的邊緣。

這種現(xiàn)象在金融領(lǐng)域尤為明顯，經(jīng)濟學(xué)家明斯基曾對此做出經(jīng)典解釋：每次金融危機后，監(jiān)管機構(gòu)都會制定嚴(yán)格規(guī)定限制金融機構(gòu)冒險行為，降低整體風(fēng)險。然而，隨著時間推移，上次危機的教訓(xùn)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(xiàn)。

此外，在諸如相互依賴的生產(chǎn)企業(yè)的集群中，各個企業(yè)的運營本身也是復(fù)雜系統(tǒng)，可以預(yù)見的是，競爭壓力迫使各個企業(yè)積極優(yōu)化自身的成本和時間效率。當(dāng)供應(yīng)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(yōu)化其供應(yīng)鏈。當(dāng)許多企業(yè)——實際上幾乎所有的企業(yè)——同時進行這種短視的優(yōu)化時，整個生產(chǎn)系統(tǒng)將被推向懸崖邊緣，變得脆弱。可以說，優(yōu)化越短視，整個系統(tǒng)的脆弱性就越高。

臨界脆弱性的影響，還體現(xiàn)在波動性的顯著增加。金融市場和大型經(jīng)濟體表現(xiàn)出顯著的波動性遠大于傳統(tǒng)均衡模型的預(yù)測。這一現(xiàn)象通常被稱為“過度波動之謎”或“小沖擊、大商業(yè)周期之謎”。這些均衡模型中存在一個假設(shè)：它們通常假設(shè)參與者能完美協(xié)調(diào)，并忽略了供需不平衡的影響。研究者們已經(jīng)開始關(guān)注生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在放大波動方面的作用，但這些研究通常仍基于系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)的假設(shè)。此外，這類研究很少擴展到宏觀經(jīng)濟層面，難以全面揭示系統(tǒng)性風(fēng)險的形成機制。

事實上，當(dāng)系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)連接被逐級放大。這就像音響系統(tǒng)中的反饋循環(huán)——當(dāng)麥克風(fēng)捕捉到揚聲器發(fā)出的聲音并再次放大時，會產(chǎn)生刺耳的嘯叫聲。同樣，在經(jīng)濟系統(tǒng)中，初始的小擾動可能通過各種反饋機制被放大，最終引發(fā)全系統(tǒng)的劇烈波動。
這種放大效應(yīng)解釋了為什么看似穩(wěn)健的系統(tǒng)有時會對小沖擊做出過度反應(yīng)，也說明了為什么傳統(tǒng)風(fēng)險模型常常低估系統(tǒng)性風(fēng)險的嚴(yán)重程度。

綜合啟示：脆弱性與韌性的平衡

復(fù)雜的系統(tǒng)往往很脆弱，相互關(guān)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(shù)脆弱性”假設(shè)，說明了社會技術(shù)系統(tǒng)走向臨界脆弱性是不可避免，還指出臨界脆弱性出現(xiàn)的緣由和其影響。例如，供應(yīng)鏈的良好運轉(zhuǎn)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(fēng)險；新冠疫情和烏克蘭戰(zhàn)爭促使企業(yè)采取措施（近岸生產(chǎn)、供應(yīng)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(tǒng)運行不再完全遵循短期效益導(dǎo)向，但有助于使系統(tǒng)遠離臨界狀態(tài)。然而，一旦我們再次經(jīng)歷一段平靜期，企業(yè)可能會再次采取行為，使系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)。
因此，闡明導(dǎo)致社會技術(shù)系統(tǒng)中不穩(wěn)定性、失敗和系統(tǒng)性危機的機制，對于找到補救措施、緩解措施和提出適當(dāng)法規(guī)至關(guān)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(tǒng)在遭受巨大沖擊時能夠自發(fā)改進，自我完善。

本文為科普中國?創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者：郭瑞東

審核：張江 北京師范大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院教授

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司