復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)簡介

CAS理論的發(fā)展與應(yīng)用

中國人民大學(xué)信息學(xué)院

陳禹

二零一零年十月九日北京大學(xué)前言

最近幾年，在學(xué)術(shù)界的各種場合，CAS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)的方法論的發(fā)展趨勢，對于各學(xué)科都有參考意義，值得我們關(guān)注。目錄一、CAS理論的由來和地位二、CAS理論的基本概念和特點三、實現(xiàn)平臺四、應(yīng)用領(lǐng)域五、啟發(fā)和發(fā)展方向一、CAS理論的由來和地位

CAS理論——ComplexAdaptiveSystem,是系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域中，近年來涌現(xiàn)出來的一個新的領(lǐng)域。它的出現(xiàn)是人類在認識世界的方法論方面的一個進步。CAS的由來CAS的思想是二十世紀這一百年里，人類經(jīng)過長期的醞釀過程產(chǎn)生的。愛因斯坦、普郎克——單層次思維的突破。龐加萊——狀態(tài)空間，狀態(tài)和過程的統(tǒng)一。維納、香農(nóng)——信息和反饋的引入。普列高津、哈肯——漲落的非線性放大，開放系統(tǒng)的自組織現(xiàn)象?；籼m——遺傳算法，CAS理論，主體（Agent)概念的提出，涌現(xiàn)現(xiàn)象的研究。

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。*（參看西蒙《人工科學(xué)》第七章的開頭）以工程系統(tǒng)為主的階段代表人物：維納，馮.諾意曼背景：機器主要思想：信息和反饋主要工具：早期的控制論和運籌學(xué)管理模式：集中控制系統(tǒng)元素：死的，被動的，沒有自身利益和目標的對象。以熱力學(xué)系統(tǒng)為主的階段代表人物：普里高津,哈肯背景：熱力學(xué)系統(tǒng)，激光等主要思想：漲落，自組織主要工具：概率統(tǒng)計方法管理模式：間接控制，場，環(huán)境系統(tǒng)元素：具有隨機的運動方式，其本身仍然是無意識的，死的。以生物和經(jīng)濟系統(tǒng)為主的階段代表人物：J.Holland背景：生物和經(jīng)濟系統(tǒng)主要思想：適應(yīng)和學(xué)習(xí)主要工具：計算機模擬，遺傳算法管理模式：機制設(shè)計，委托代理系統(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)。系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展研究對象和范圍不斷擴大。研究手段不斷改進。（計算機的應(yīng)用）更加緊密聯(lián)系實際。涉及更深層次的理論問題： 局部VS。整體確定VS。隨機物質(zhì)VS。精神CAS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，ComplexAdaptiveSystem)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《HiddenOrder》（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（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（AdaptiveAgent)。 *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）*“IF——THEN”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,ConstrainedGeneratingProcedure)*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理論的意義

總之，CAS理論的核心思想在于：

用具有主動性的、活的“主體”概念取代了完全被動的、死的“元素”、“部分”、“子系統(tǒng)”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CAS理論的特點

與我們以前的分析方法相比，CAS具有四個顯著的特點：——主動性——層次性——動態(tài)性——可操作性CAS的特點之一——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(dāng)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。CAS理論的特點之二——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。CAS的特點之三——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(dāng)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。CAS的特點之四——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。Swarm類SWARM（Ascape,Repast…)專用平臺：TNG-lib普及型平臺：StarlogoNETLOGAgentSheetCAS的實現(xiàn)——Swarm等軟件平臺CAS的一個值得注意的特點是它的可操作性，即它配有可以直接運行的軟件平臺——如Swarm。Swarm是一個可以從網(wǎng)上免費下載的軟件平臺。從圣菲研究所的網(wǎng)站上，人們可以很容易得到它WWW.SANTAFE.EDU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平臺的特點領(lǐng)域無關(guān)性自由軟件豐富的類庫良好的時間調(diào)度機制和通訊機制利用Swarm進行模擬的例子“熱蟲”模型國會山保姆公司的模型國民消費的模型假日經(jīng)濟的模型其他的類似的軟件平臺ASCAPE——霍普金斯學(xué)院TNG-Lab——IOWA大學(xué)REPAST——芝加哥大學(xué)四、應(yīng)用領(lǐng)域

經(jīng)濟學(xué)——ACE（Agent_basedComputationalEconomics)。生物學(xué)（抗體和免疫系統(tǒng)研究）。環(huán)境和生態(tài)學(xué)（生態(tài)系統(tǒng)的演變和保護）。社會科學(xué)（文明的演變和融合）。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，出現(xiàn)了許多新的理論和方法。經(jīng)濟學(xué)為ABM提供了典型的CAS理論背景，AGENT這個詞本身就是從經(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贏BM方法也提供了許多寶貴的啟發(fā)和思想。如：——免疫系統(tǒng)的研究——腦科學(xué)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：——大型工程的組織；——可靠性問題；——軟件質(zhì)量問題；——中央控制器是必須的嗎？——機器人的新思路。3。工程科學(xué)和計算機科學(xué)

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：——關(guān)于人為事物的科學(xué)；——沒有終極目標的設(shè)計；——INTERNET的出現(xiàn)；——事理學(xué)和人理學(xué)；——決策的分散化；——生產(chǎn)的社會化和企業(yè)的小型化。