復(fù)雜系統(tǒng)的智能控制-陳鐵軍 - 鄭州大學(xué)

復(fù)雜系統(tǒng)的智能控制

主講：陳鐵軍教授鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院

SchoolofElectricalEngineeringofZhengzhouUniversity2012.11復(fù)雜系統(tǒng)研究的三個(gè)階段

一般系統(tǒng)論,控制論和人工智能第一階段(20世紀(jì)40年代)第二階段(20世紀(jì)60和70年代)第三階段(20世紀(jì)80年代)耗散結(jié)構(gòu)理論，協(xié)同學(xué)，超循環(huán)理論，突變論，混沌理論，分形理論和元胞自動(dòng)機(jī)理論復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng),開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，行為方法，無尺度網(wǎng)絡(luò)

1.1第一階段（一般系統(tǒng)論）貝塔朗菲于20世紀(jì)40年代創(chuàng)立了一般系統(tǒng)論,在1948年出版《一般系統(tǒng)論:基礎(chǔ)、發(fā)展和應(yīng)用》,此書全面總結(jié)了他40年來的理論研究工作,是說明其一般系統(tǒng)論思想、內(nèi)容和理論框架的代表性著作，標(biāo)志著復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)的誕生。

一般系統(tǒng)論的主要內(nèi)容包括：系統(tǒng)的若干概念及初步的數(shù)學(xué)描述，有機(jī)體和開放系統(tǒng)的模型，生物學(xué)中若干系統(tǒng)論問題，人類科學(xué)中的系統(tǒng)概念,心理學(xué)和精神病學(xué)中的一般系統(tǒng)論。1.2第一階段（控制論）與一般系統(tǒng)論同時(shí)興起的另一復(fù)雜性科學(xué)形態(tài)是維納的控制論；代表性成果是于1948年出版的《控制論》；《控制論》具有技術(shù)學(xué)科的色彩,但主要還是研究在動(dòng)物和機(jī)器中控制與通訊的理論問題,屬于復(fù)雜性科學(xué)的范圍；1961年維納又在此《控制論》中增加了兩章。其第八章“信息、語言和社會(huì)”,集中討論如何把控制論的觀點(diǎn)應(yīng)用于社會(huì)的問題；該書主要研究有目的行為、組織性和整體性；“控制論“的基礎(chǔ)是反饋調(diào)節(jié)的概念,系統(tǒng)通過反饋調(diào)節(jié)維持某一狀態(tài)或趨向于某一目標(biāo)。1.3第一階段（人工智能）人工智能的三大學(xué)派：符號(hào)主義學(xué)派，聯(lián)結(jié)主義學(xué)派，行為主義學(xué)派。進(jìn)化主義或控制論學(xué)派，基于“感知-行動(dòng)”的行為智能模擬。認(rèn)為人工智能源于控制論。行為主義學(xué)派符號(hào)主義學(xué)派基于邏輯推理的智能模擬，啟發(fā)式算法——專家系統(tǒng)——知識(shí)工程。聯(lián)結(jié)主義學(xué)派又稱為仿生學(xué)派或生理學(xué)派?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)間的連接機(jī)制與學(xué)習(xí)算法的智能模擬方法。1.4第一階段（現(xiàn)狀）人工智能經(jīng)過一段停頓后，還在不斷發(fā)展，現(xiàn)在仍是復(fù)雜系統(tǒng)研究的重要組成部分一般系統(tǒng)論發(fā)展緩慢,出現(xiàn)了停滯局面控制論轉(zhuǎn)向了工程技術(shù)層次第一階段發(fā)展現(xiàn)狀

2.1第二階段（耗散結(jié)構(gòu)理論）耗散結(jié)構(gòu)理論(非平衡系統(tǒng)自組織理論)是普利高津于20世紀(jì)60和70年代創(chuàng)立的,來源于物理和化學(xué)研究。這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和生物體有相同特征，即有序結(jié)構(gòu)的形成和維持需要耗散能量和物質(zhì)。普利高津把這類結(jié)構(gòu)稱為耗散結(jié)構(gòu)。幾個(gè)典型實(shí)驗(yàn)貝納德流體實(shí)驗(yàn)激光化學(xué)振蕩反應(yīng)1900年，法國科學(xué)家貝納德(E.Benard)做了著名的對流實(shí)驗(yàn)。

貝納德流體實(shí)驗(yàn)

在一水平容器中放一薄層液體，從底部徐徐均勻地加熱，開始液體沒有任何宏觀的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)上下溫差達(dá)到一定的程度，液體中突然出現(xiàn)規(guī)則的六邊形對流圖案。這是現(xiàn)代用硅油做實(shí)驗(yàn)拍攝的照片。照片中每個(gè)小六角形中心較暗處液塊向上浮，邊緣較暗處液塊向下沉，在二者之間較明亮的環(huán)狀區(qū)域里液塊作水平運(yùn)動(dòng)。當(dāng)上下溫差加大時(shí)，為什么對流不積微漸著，而是突然從無到有地產(chǎn)生?2.1第二階段（耗散結(jié)構(gòu)理論）耗散結(jié)構(gòu)理論可概括為：一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線性的開放系統(tǒng)通過不斷地與外界交換物質(zhì)和能量，在系統(tǒng)內(nèi)部某個(gè)參量的變化達(dá)到一定的閾值時(shí)，通過漲落，系統(tǒng)可能發(fā)生突變即非平衡相變，由原來的混沌無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時(shí)間上、空間上或功能上的有序狀態(tài)。這種在遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)形成的新的穩(wěn)定的宏觀有序結(jié)構(gòu)，由于需要不斷與外界交換物質(zhì)或能量才能維持，因此稱之為“耗散結(jié)構(gòu)”(dissipativestructure)。普利高津等人把來源于自然科學(xué)的耗散結(jié)構(gòu)理論、非平衡態(tài)物理學(xué)推廣應(yīng)用于研究經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化等問題,取得了一定成效。

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12.2第二階段（協(xié)同學(xué)理論）協(xié)同學(xué)是由德國學(xué)者哈肯創(chuàng)立的,它的產(chǎn)生和形成時(shí)間基本上與耗散結(jié)構(gòu)理論相同。協(xié)同學(xué)研究有序結(jié)構(gòu)形成和演化的機(jī)制,描述各類非平衡相變的條件和規(guī)律。協(xié)同學(xué)從物理學(xué)和化學(xué)系統(tǒng)出發(fā),研究激光等非平衡相變,闡明系統(tǒng)中子系統(tǒng)如何協(xié)同作用形成有序結(jié)構(gòu)。

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協(xié)同學(xué)擺脫了經(jīng)典熱力學(xué)的限制，進(jìn)一步明確了系統(tǒng)穩(wěn)定性和目的性的具體機(jī)制,可推廣應(yīng)用于社會(huì)科學(xué)的研究范圍,如輿論形成、人口動(dòng)力學(xué)、投資模型、經(jīng)濟(jì)模型、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的分析、社會(huì)管理以及戰(zhàn)爭與和平等問題。4協(xié)同學(xué)中的演化均勻?qū)恿黛o態(tài)花樣動(dòng)態(tài)花樣2.3第二階段（超循環(huán)理論）超循環(huán)理論由德國學(xué)者艾根(M.Eigen)創(chuàng)立于20世紀(jì)70年代,是直接建立在生命系統(tǒng)演化行為基礎(chǔ)上的自組織理論。在超循環(huán)理論出現(xiàn)之前,生命的起源和進(jìn)化分為兩個(gè)階段,即化學(xué)進(jìn)化階段和生物進(jìn)化階段。艾根研究發(fā)現(xiàn),把這兩個(gè)階段直接連接起來是困難的,在這兩個(gè)階段之間還應(yīng)該存在著一個(gè)分子自組織的進(jìn)化階段,在此階段中完成從生物大分子到原生細(xì)胞的進(jìn)化。超循環(huán)理論就是研究分子自組織進(jìn)化現(xiàn)象的理論。2.3第二階段（超循環(huán)理論）在生命現(xiàn)象中包含許多由酶的催化作用所推動(dòng)的各種循環(huán)，基層的循環(huán)組成更高層次的循環(huán)，即超循環(huán)，還可組成再高層次的超循環(huán)。超循環(huán)系統(tǒng)即經(jīng)循環(huán)聯(lián)系把自催化或自復(fù)制單元連接起來的系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，每一個(gè)復(fù)制單元既能指導(dǎo)自己的復(fù)制，又能對下一個(gè)中間物的產(chǎn)生提供催化幫助。艾肯在分子生物學(xué)水平上，把生物進(jìn)化的達(dá)爾文學(xué)說通過巨系統(tǒng)高階循環(huán)理論，建立了一個(gè)通過自我復(fù)制、自然選擇而進(jìn)化到高度有序水平的自組織系統(tǒng)模型，以解釋多分子體系向原始生命的進(jìn)化。2.4第二階段（混沌理論和分形理論）混沌理論和分形理論主要利用數(shù)學(xué)對復(fù)雜系統(tǒng)的演化過程進(jìn)行形式化描述。用相空間中的吸引子來描述系統(tǒng)演化的終極狀態(tài)：常見的吸引子有4類,它們分別是：焦點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)、極限環(huán)、環(huán)面、奇怪吸引子。焦點(diǎn)和結(jié)點(diǎn),代表系統(tǒng)的平衡態(tài);極限環(huán),代表系統(tǒng)的周期運(yùn)動(dòng);環(huán)面,代表系統(tǒng)的準(zhǔn)周期運(yùn)動(dòng);奇怪吸引子,表示系統(tǒng)的混沌運(yùn)動(dòng)。奇怪吸引子是混沌運(yùn)動(dòng)的吸引子,是相空間中的分形點(diǎn)集,具有分?jǐn)?shù)維,需要分形理論來刻畫它。

混沌理論分形理論2.5第二階段（元胞自動(dòng)機(jī)）

元胞自動(dòng)機(jī)是一時(shí)間和空間都離散的動(dòng)力系統(tǒng)。散布在規(guī)則格網(wǎng)(latticegrid)中的每一元胞(cell)取有限的離散狀態(tài)，遵循同樣的作用規(guī)則，依據(jù)確定的局部規(guī)則作同步更新。大量元胞通過簡單的相互作用而構(gòu)成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的演化。不同于一般的動(dòng)力學(xué)模型，元胞自動(dòng)機(jī)不是由嚴(yán)格定義的物理方程或函數(shù)確定，而是用一系列模型構(gòu)造的規(guī)則構(gòu)成。凡是滿足這些規(guī)則的模型都可以算作是元胞自動(dòng)機(jī)模型。

元胞自動(dòng)機(jī)可用來模擬生命現(xiàn)象,研究系統(tǒng)的整體突現(xiàn)性質(zhì)。2.6第二階段（突變論）突變論研究不連續(xù)的突變現(xiàn)象,對演化中的突變行為給予抽象的、形式的和定量化的描述與說明。在自然界和人類社會(huì)活動(dòng)中，除了漸變的和連續(xù)光滑的變化現(xiàn)象外，還存在著大量的突然變化和躍遷現(xiàn)象，如水的沸騰、巖石的破裂、橋梁的崩塌、地震、細(xì)胞的分裂、生物的變異、人的休克、情緒的波動(dòng)、戰(zhàn)爭、市場變化、經(jīng)濟(jì)危機(jī)等等。3.1第三階段（復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論）20世紀(jì)80年代，美國國家實(shí)驗(yàn)室的三位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者為了開展對復(fù)雜系統(tǒng)的研究，聯(lián)合了一批不同學(xué)科科學(xué)家，于1984年組建了圣菲研究所（SantaFeInstitute，簡稱SFI）。某種新性質(zhì)是如何涌現(xiàn)出來的，而不是有意地去保持某種已經(jīng)確定的性質(zhì)，這種思想導(dǎo)致復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)（CAS）的研究。許多長期困擾我們的問題——貿(mào)易不平衡、可持續(xù)發(fā)展、艾滋病、遺傳病、精神衛(wèi)生和計(jì)算機(jī)病毒等，共同具有一些顯著的特征，即具有復(fù)雜自適應(yīng)性。CAS理論的核心思想是適應(yīng)性造就復(fù)雜性?；籼m引入內(nèi)部模型、涌現(xiàn)、積木等概念，使用計(jì)算機(jī)模擬、遺傳算法和隱喻等方法，為復(fù)雜系統(tǒng)的研究提供了新思路。3.1第三階段（復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論）3.1第三階段（復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論）復(fù)雜產(chǎn)生于混沌的邊緣，而系統(tǒng)就是通過對環(huán)境的適應(yīng)到達(dá)混沌邊緣的。CAS理論最基本的概念是具有適應(yīng)能力的活性主體(AdaptiveAgent)，簡稱主體。主體則隨著時(shí)間而不斷進(jìn)化，特點(diǎn)是：能學(xué)習(xí)，會(huì)成長，具有積極主動(dòng)性特征。引入積木概念組成內(nèi)部模型。CAS的演化本質(zhì)就在于發(fā)現(xiàn)新的積木，進(jìn)行新的組合。那些表現(xiàn)出較強(qiáng)的綜合適應(yīng)能力、強(qiáng)度比較大的積木會(huì)被頻繁地使用積木有不同層次，能涌現(xiàn)出許多前所未有的優(yōu)良性狀。3.1第三階段（復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論）建立計(jì)算機(jī)仿真模型----回聲模型（Echo），試圖用計(jì)算機(jī)仿真的方法揭示適應(yīng)性造就復(fù)雜性的根本規(guī)律。采用計(jì)算機(jī)仿真，透過不同的事務(wù)現(xiàn)象的類比，揭示出隱藏在背后的共同規(guī)律。用隱喻解釋涌現(xiàn)性。3.1第三階段（復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論）

3.2第三階段（開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)）凡現(xiàn)在不能用還原論方法處理的，或不宜用還原論方法處理的問題，而要用或宜用新的科學(xué)方法處理的問題，都是復(fù)雜性問題，復(fù)雜巨系統(tǒng)就是這類問題。

復(fù)雜巨系統(tǒng)如生物體系統(tǒng)、人體系統(tǒng)、人腦系統(tǒng)、地理系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、星系系統(tǒng)等。社會(huì)系統(tǒng)是最復(fù)雜的系統(tǒng)，又稱作特殊復(fù)雜巨系統(tǒng)，這些系統(tǒng)又都是開放的，和環(huán)境有物質(zhì)、能量和信息的交換，所以又稱作開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代初，錢學(xué)森就提出將還原論方法和整體論方法結(jié)合起來。到了80年代末90年代初，他先后提出“從定性到定量綜合集成方法”以及“從定性到定量綜合集成研討廳體系”（以下簡稱綜合集成方法論），并把運(yùn)用這套方法的集體稱為總體設(shè)計(jì)部。3.2第三階段（開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)）綜合集成方法的實(shí)質(zhì)是把專家體系、數(shù)據(jù)和信息體系以及計(jì)算機(jī)體系有機(jī)結(jié)合起來，構(gòu)成一個(gè)高度智能化的人、機(jī)結(jié)合，人、網(wǎng)結(jié)合的體系。它的成功應(yīng)用就在于發(fā)揮這個(gè)體系的綜合優(yōu)勢、整體優(yōu)勢和智能優(yōu)勢。它能把人的思維、思維的成果、人的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)、智慧以及各種情報(bào)、資料和信息統(tǒng)統(tǒng)集成起來，從多方面的定性認(rèn)識(shí)上升到定量認(rèn)識(shí)。3.2第三階段（開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)）3.2第三階段（開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)）3.2第三階段（開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)）3.2第三階段（開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)）3.3第三階段（行為方法）3.3第三階段（行為方法）3.3第三階段（行為方法）3.4第三階段（無尺度網(wǎng)絡(luò)）如果網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接數(shù)與此節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生新連接的概率成增函數(shù)關(guān)系，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)就叫無尺度網(wǎng)絡(luò)。按生長方式定義如果網(wǎng)絡(luò)中有一定數(shù)量的連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)與此連接數(shù)量成減函數(shù)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)就叫無尺度網(wǎng)絡(luò)。按分布定義

3.4第三階段（無尺度網(wǎng)絡(luò)）許多網(wǎng)絡(luò)包括因特網(wǎng)、人類社會(huì)和人體細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)等，都是無尺度網(wǎng)絡(luò)。研究無尺度網(wǎng)絡(luò)，對于防備黑客攻擊、防治流行病和開發(fā)新藥等，都具有重要的意義。因特網(wǎng)是一個(gè)無尺度網(wǎng)絡(luò)，其中某些站點(diǎn)似乎與無數(shù)的其他站點(diǎn)相連結(jié)。本圖繪制于2003年2月6日，描繪了從某一測試站點(diǎn)到其他約10萬個(gè)站點(diǎn)的最短連結(jié)路徑。圖中以相同的顏色來表示相類似的站點(diǎn)。