復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)簡介學(xué)習(xí)資料

1、復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)簡介前前 言言 最近幾年，在學(xué)術(shù)界的各種場合，最近幾年，在學(xué)術(shù)界的各種場合，CASCAS這個詞的出現(xiàn)頻率越來越高。這不是偶這個詞的出現(xiàn)頻率越來越高。這不是偶然的。我們認為這反映了科學(xué)的方法論然的。我們認為這反映了科學(xué)的方法論的發(fā)展趨勢，的發(fā)展趨勢， 對于各學(xué)科都有參考意義對于各學(xué)科都有參考意義，值得我們關(guān)注。，值得我們關(guān)注。 自從二十世紀三十年代現(xiàn)代系統(tǒng)科學(xué)誕生自從二十世紀三十年代現(xiàn)代系統(tǒng)科學(xué)誕生以來，人類對于系統(tǒng)，特別是復(fù)雜系統(tǒng)的認以來，人類對于系統(tǒng)，特別是復(fù)雜系統(tǒng)的認識不斷深化，其發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：識不斷深化，其發(fā)展經(jīng)歷了三個階段： 以工程系統(tǒng)為主的階段；以工程系統(tǒng)為主的階段

2、； 以熱力學(xué)系統(tǒng)為主的階段；以熱力學(xué)系統(tǒng)為主的階段； 以生物和社會系統(tǒng)為主的階段以生物和社會系統(tǒng)為主的階段。* *（參看西蒙（參看西蒙人工科學(xué)人工科學(xué)第七章的開頭）第七章的開頭）以工程系統(tǒng)為主的階段以工程系統(tǒng)為主的階段F代表人物：維納，馮代表人物：維納，馮.諾意曼諾意曼F背景：機器背景：機器F主要思想：信息和反饋主要思想：信息和反饋F主要工具：早期的控制論和運籌學(xué)主要工具：早期的控制論和運籌學(xué)F管理模式：集中控制管理模式：集中控制F系統(tǒng)元素：死的，被動的，沒有自身利系統(tǒng)元素：死的，被動的，沒有自身利益和目標的對象。益和目標的對象。以熱力學(xué)系統(tǒng)為主的階段以熱力學(xué)系統(tǒng)為主的階段F代表人物：普里高津

3、代表人物：普里高津,哈肯哈肯F背景：熱力學(xué)系統(tǒng)，激光等背景：熱力學(xué)系統(tǒng)，激光等F主要思想：漲落，自組織主要思想：漲落，自組織F主要工具：概率統(tǒng)計方法主要工具：概率統(tǒng)計方法F管理模式：間接控制，場，環(huán)境管理模式：間接控制，場，環(huán)境F系統(tǒng)元素：具有隨機的運動方式，其本系統(tǒng)元素：具有隨機的運動方式，其本身仍然是無意識的，死的。身仍然是無意識的，死的。以生物和經(jīng)濟系統(tǒng)為主的階段以生物和經(jīng)濟系統(tǒng)為主的階段F代表人物：代表人物：J.HollandF背景：生物和經(jīng)濟系統(tǒng)背景：生物和經(jīng)濟系統(tǒng)F主要思想：適應(yīng)和學(xué)習(xí)主要思想：適應(yīng)和學(xué)習(xí)F主要工具：計算機模擬，遺傳算法主要工具：計算機模擬，遺傳算法F管理模式：機制

4、設(shè)計，委托代理管理模式：機制設(shè)計，委托代理F系統(tǒng)元素：活的，主動的，具有自身利系統(tǒng)元素：活的，主動的，具有自身利益和目標，能夠積累經(jīng)驗和學(xué)習(xí)。益和目標，能夠積累經(jīng)驗和學(xué)習(xí)。系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展F研究對象和范圍不斷擴大。研究對象和范圍不斷擴大。F研究手段不斷改進。（計算機的應(yīng)用）研究手段不斷改進。（計算機的應(yīng)用）F更加緊密聯(lián)系實際。更加緊密聯(lián)系實際。F涉及更深層次的理論問題：涉及更深層次的理論問題： 局部局部 VSVS。整體。整體 確定確定 VSVS。隨機。隨機 物質(zhì)物質(zhì) VSVS。精神。精神CASCAS理論應(yīng)運而生理論應(yīng)運而生 正是在這樣的背景下，SFI 的學(xué)者們針對系統(tǒng)科學(xué)面對的新問

5、題、新形勢，綜合了現(xiàn)代科學(xué)各方面的成果和啟示，提出了復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論（CAS理論），把人們對于復(fù)雜系統(tǒng)的理解推向一個新的水平。二、CAS 理論的基本概念和特點 復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)（CAS，Complex Adaptive System)理論,是由霍蘭（J.Holland） 于1994年的一個報告中正式提出的。 該報告后來以Hidden Order（中文譯本名為“隱秩序”）出版。其后他又寫了Emergence（中文譯本名為“涌現(xiàn)”）。 其基本觀點為：“（個體的）適應(yīng)性導(dǎo)致了（個體的）適應(yīng)性導(dǎo)致了（系統(tǒng)的）復(fù)雜性（系統(tǒng)的）復(fù)雜性”。CAS 理論的基本概念 1。具有適應(yīng)性的主體（Adaptive Agen

6、t)。 * 與環(huán)境有信息和物質(zhì)的交流。 * 在反復(fù)的交流中改變自身。 * 個體和整體都在過程中演變。 CAS 理論的基本概念（續(xù)）2。適應(yīng)性的基本機制（刺激反應(yīng)模型） * “IFTHEN”規(guī)則。 * 規(guī)則的多樣性和可變性。CAS 理論的基本概念（續(xù)） 3。染色體及其適應(yīng)度（Fitness) * 規(guī)則的載體染色體。 * 染色體的評價適應(yīng)度。 * 適應(yīng)度的調(diào)整。 CAS 理論的基本概念（續(xù)）4。主體與環(huán)境的交流（資源流和信息流） * 兩種流物質(zhì)流和信息流。 * 主體的二重性每個主體對于其他主體構(gòu)成環(huán)境的一部分。CAS 理論的基本概念（續(xù)）5。受限生成過程（CGP, Constrained Gene

7、rating Procedure) * 對每個個體來說，CGP是適應(yīng)的具體表現(xiàn)。 * 對于整個系統(tǒng)來說，CGP是演化過程的具體解釋。 CAS 理論的基本概念（續(xù)） 6?；芈暷Ｐ停‥CHO模型） * 位置（SITE） * 資源產(chǎn)地（SOURCE）CAS 理論的基本概念（續(xù)） 涌現(xiàn)現(xiàn)象的八個基本特點：A。出現(xiàn)在生成系統(tǒng)中；B。整體大于各部分的和；C。組成部分不斷改變的穩(wěn)定模式；D。這種穩(wěn)定模式的功能由環(huán)境決定；CAS 理論的基本概念（續(xù)）E。隨著穩(wěn)定模式的增加，功能也在增加；F。穩(wěn)定模式通常滿足宏觀規(guī)律；G。存在差別的穩(wěn)定性；H。穩(wěn)定性的強化導(dǎo)致更高層次的生成過程。*參見涌現(xiàn)的結(jié)束語CAS 理論的

8、意義 總之，CAS理論的核心思想在于： 用具有主動性的、活的用具有主動性的、活的“主體主體”概念取概念取代了完全被動的、死的代了完全被動的、死的“元素元素”、“部分部分”、“子系統(tǒng)子系統(tǒng)”等概念。等概念。 這一新穎的思想迅速地被各學(xué)科吸取，形成了ABM的熱潮。自底向上的建模方法CASCAS理論的特點理論的特點 與我們以前的分析方法相比，與我們以前的分析方法相比，CASCAS具有具有四個顯著的特點：四個顯著的特點： 主動性主動性 層次性層次性 動態(tài)性動態(tài)性 可操作性可操作性CASCAS的特點之一的特點之一主動性主動性 以前的系統(tǒng)方法對于個體（或元素）的主動性考慮不夠，因此對于經(jīng)濟、社會、生物、生

9、態(tài)等類型的復(fù)雜系統(tǒng)的描述和研究顯得無能為力。 CAS則把構(gòu)成系統(tǒng)的元素的自身的主動性，當作系統(tǒng)發(fā)展變化的最根本的動力來源，從而為認識和控制這樣的一大類復(fù)雜系統(tǒng)提供了思路。CASCAS理論的特點之二理論的特點之二層次性層次性 由于CAS理論承認層次的相對性，對于層次問題有了新的理解，所以它能夠比較辯證地看待和處理宏觀和微觀的關(guān)系，不至于過分強調(diào)一個方面，而忽視了另一方面。而且它在應(yīng)用中具有極大的靈活性，因為它可以從不同的層次去深入研究和觀察復(fù)雜系統(tǒng)，給研究者提供了廣泛選擇的余地。CASCAS的特點之三的特點之三動態(tài)性動態(tài)性 傳統(tǒng)方法對于系統(tǒng)的演化過程考慮不夠，因此對于經(jīng)濟、社會、生物、生態(tài)等類型

10、的復(fù)雜系統(tǒng)的描述和研究顯得無能為力。 CAS則把系統(tǒng)的狀態(tài)當作演化過程的一環(huán)或結(jié)果，從而為認識系統(tǒng)的復(fù)雜性和控制這樣的復(fù)雜系統(tǒng)提供了思路。CASCAS的特點之四的特點之四可操作性可操作性 以前的一些分析方法由于缺乏可以獲得的數(shù)據(jù)，或者計算復(fù)雜性的障礙，事實上無法實施和操作。而CAS理論則通過各種模擬平臺的建立，為研究者提供了實際的可操作的研究手段，使之切實可行。三。實現(xiàn)平臺。FSwarmF類SWARM（Ascape, Repast)F專用平臺：TNG-libF普及型平臺： Starlogo NETLOG AgentSheetCAS的實現(xiàn)Swarm等軟件平臺FCAS的一個值得注意的特點是它的可操

11、作性，即它配有可以直接運行的軟件平臺 如Swarm。FSwarm是一個可以從網(wǎng)上免費下載的軟件平臺。F從圣菲研究所的網(wǎng)站上，人們可以很容易得到它 WWW.SANTAFE.EDUF它提供了描述各類主體及其行為，以及環(huán)境設(shè)置所需要的各種類庫（CLASS）。從而為實施基于主體的系統(tǒng)模擬提供了十分方便的條件。 Swarm平臺的特點F領(lǐng)域無關(guān)性領(lǐng)域無關(guān)性F自由軟件自由軟件F豐富的類庫豐富的類庫F良好的時間調(diào)度機制和通訊機制良好的時間調(diào)度機制和通訊機制 利用Swarm進行模擬的例子F“熱蟲熱蟲”模型模型F國會山保姆公司的模型國會山保姆公司的模型F國民消費的模型國民消費的模型F假日經(jīng)濟的模型假日經(jīng)濟的模型

12、其他的類似的軟件平臺FASCAPEASCAPE霍普金斯學(xué)院霍普金斯學(xué)院FTNG-LabIOWATNG-LabIOWA大學(xué)大學(xué)FREPASTREPAST芝加哥大學(xué)芝加哥大學(xué)四、四、 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域F 經(jīng)濟學(xué)經(jīng)濟學(xué)ACEACE（Agent_based Agent_based Computational Economics)Computational Economics)。F生物學(xué)（抗體和免疫系統(tǒng)研究）。生物學(xué)（抗體和免疫系統(tǒng)研究）。F環(huán)境和生態(tài)學(xué)（生態(tài)系統(tǒng)的演變和保護環(huán)境和生態(tài)學(xué)（生態(tài)系統(tǒng)的演變和保護）。）。F社會科學(xué)（文明的演變和融合）。社會科學(xué)（文明的演變和融合）。F教育和心理學(xué)（建構(gòu)主義）

13、。教育和心理學(xué)（建構(gòu)主義）。 二十世紀中經(jīng)濟學(xué)也經(jīng)歷了深刻的變化，二十世紀中經(jīng)濟學(xué)也經(jīng)歷了深刻的變化，出現(xiàn)了許多新的理論和方法。經(jīng)濟學(xué)為出現(xiàn)了許多新的理論和方法。經(jīng)濟學(xué)為ABMABM提供了典型的提供了典型的CASCAS理論背景，理論背景，AGENTAGENT這個詞本這個詞本身就是從經(jīng)濟學(xué)中借用來的。身就是從經(jīng)濟學(xué)中借用來的。 其中信息經(jīng)濟學(xué)是一個關(guān)系十分密切的其中信息經(jīng)濟學(xué)是一個關(guān)系十分密切的方面。方面。 1。 信息經(jīng)濟學(xué)和對策論經(jīng)濟系統(tǒng)是CAS的一個典型范例F從進化的角度看待經(jīng)濟系統(tǒng) 交互是分散的 沒有控制者 交叉的層次組織 不斷的適應(yīng) 總是創(chuàng)新 超越均衡的動態(tài)性 生物科學(xué)領(lǐng)域?qū)τ谏锟茖W(xué)領(lǐng)

14、域?qū)τ贏BMABM方法也提供了許多方法也提供了許多寶貴的啟發(fā)和思想。如：寶貴的啟發(fā)和思想。如： 免疫系統(tǒng)的研究免疫系統(tǒng)的研究 腦科學(xué)的研究腦科學(xué)的研究 生態(tài)系統(tǒng)的研究生態(tài)系統(tǒng)的研究2。 生物科學(xué)和醫(yī)學(xué) 二十世紀中，人類越來越大規(guī)模的社會活二十世紀中，人類越來越大規(guī)模的社會活動和生產(chǎn)實踐，也為新的建模思想的產(chǎn)生提動和生產(chǎn)實踐，也為新的建模思想的產(chǎn)生提供了許多重要的思想火花。如：供了許多重要的思想火花。如： 大型工程的組織；大型工程的組織； 可靠性問題；可靠性問題； 軟件質(zhì)量問題；軟件質(zhì)量問題； 中央控制器是必須的嗎？中央控制器是必須的嗎？ 機器人的新思路。機器人的新思路。3。 工程科學(xué)和計算機科

15、學(xué) 另外的一些科學(xué)與實踐的啟發(fā)，同樣也使人們另外的一些科學(xué)與實踐的啟發(fā)，同樣也使人們不斷地反思我們做事和想問題的方法。如：不斷地反思我們做事和想問題的方法。如： 關(guān)于人為事物的科學(xué)；關(guān)于人為事物的科學(xué)； 沒有終極目標的設(shè)計；沒有終極目標的設(shè)計； INTERNETINTERNET的出現(xiàn)；的出現(xiàn)； 事理學(xué)和人理學(xué)；事理學(xué)和人理學(xué)； 決策的分散化；決策的分散化； 生產(chǎn)的社會化和企業(yè)的小型化。生產(chǎn)的社會化和企業(yè)的小型化。4。 對于做事方法的研究五、五、啟發(fā)和發(fā)展方向啟發(fā)和發(fā)展方向 CAS理論為我們認識和研究復(fù)雜理論為我們認識和研究復(fù)雜系統(tǒng)提供了新的思路和有益的啟示。系統(tǒng)提供了新的思路和有益的啟示。這些

16、啟示具有深刻的認識論和哲學(xué)意這些啟示具有深刻的認識論和哲學(xué)意義。義。5 。 1 宏 觀 和 微 觀 的 聯(lián) 系宏 觀 和 微 觀 的 聯(lián) 系 對層次的新認識對層次的新認識。 對于層次之間的辯證關(guān)系的認識，對于層次之間的辯證關(guān)系的認識，一直是復(fù)雜系統(tǒng)研究的一個關(guān)鍵。許一直是復(fù)雜系統(tǒng)研究的一個關(guān)鍵。許多學(xué)科需要系統(tǒng)科學(xué)給出一條切實可多學(xué)科需要系統(tǒng)科學(xué)給出一條切實可行的溝通宏觀和微觀的途徑，經(jīng)濟學(xué)行的溝通宏觀和微觀的途徑，經(jīng)濟學(xué)就是一個典型。就是一個典型。 層次問題的癥結(jié)F傳統(tǒng)思維在層次問題上的偏頗主要在于以下幾點：F1。不承認層次的多樣性；F2。不承認層次間質(zhì)的差別；F3。試圖以一個層次的規(guī)律解釋

17、所有層次；F4。把宏觀和微觀之間的關(guān)系簡單化，或者強調(diào)一方面，而忽視另一方面，或者簡單地、線性地用統(tǒng)計規(guī)律解釋。對層次問題的啟發(fā)F啟發(fā)在于以下幾點：F1。承認各層次間質(zhì)的差別；F2。從局部到整體時，出現(xiàn)了新的質(zhì)；F3。局部組成整體時并沒有失去自己的特殊的質(zhì)和活力；F4。承認和深入研究跨越層次的機制的多樣性，即涌現(xiàn)現(xiàn)象和復(fù)雜性的產(chǎn)生。Klir 引用的老子的話FGreatness means DistanceFDistance means VanishingFVanishing return to GreatnessF大曰遠F遠曰逝F逝曰返實際意義F這些啟發(fā)對于現(xiàn)實有直接的作用：F1。社會主義市場

18、經(jīng)濟的理論根據(jù)，政府和企業(yè)的不同位置和職能；F2。管理科學(xué)的新思路；F3。環(huán)境科學(xué)和環(huán)境保護的思路；F4。機器人的設(shè)計思想；F5?，F(xiàn)代生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展方向；F6。社會心態(tài)的平衡，“小大由之”，層次間的平等。5 5。2 2 內(nèi)因和外因內(nèi)因和外因廣義的環(huán)境觀廣義的環(huán)境觀。F內(nèi)因和外因，究竟哪個是決定系統(tǒng)進內(nèi)因和外因，究竟哪個是決定系統(tǒng)進化的動力和基礎(chǔ)？對于這個永恒的議化的動力和基礎(chǔ)？對于這個永恒的議題，題，CASCAS理論用一種廣義的環(huán)境觀加理論用一種廣義的環(huán)境觀加以解決：個體和環(huán)境之間的、反復(fù)的以解決：個體和環(huán)境之間的、反復(fù)的、長期的交互作用，才是發(fā)展的動力、長期的交互作用，才是發(fā)展的動力來源來源。這就把。這就把“主