復雜適應系統(tǒng)簡介

1、CASCAS理論的發(fā)展與應用理論的發(fā)展與應用中國人民大學中國人民大學 信息學院信息學院 陳陳 禹禹 二零一零年十月九日二零一零年十月九日 北京大學北京大學前前 言言 最近幾年，在學術界的各種場合，最近幾年，在學術界的各種場合，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的方法論然的。我們認為這反映了科學的方法論的發(fā)展趨勢，的發(fā)展趨勢， 對于各學科都有參考意義對于各學科都有參考意義，值得我們關注。，值得我們關注。目目 錄錄F一、一、CAS理論的由來和地位理論的由來和地位F二、二、CAS理論的基本概念和特點理論的基本概念和特點F三、實現(xiàn)

2、平臺三、實現(xiàn)平臺F四、應用領域四、應用領域F五、啟發(fā)和發(fā)展方向五、啟發(fā)和發(fā)展方向一一、 CAS理論的由來和地位理論的由來和地位 CAS理論理論Complex Adaptive System, 是系統(tǒng)科學領域中，近年來是系統(tǒng)科學領域中，近年來涌現(xiàn)出來的一個新的領域。涌現(xiàn)出來的一個新的領域。 它的出現(xiàn)是人類在認識世界的方它的出現(xiàn)是人類在認識世界的方法論方面的一個進步。法論方面的一個進步。CASCAS的由來的由來FCASCAS的思想是二十世紀這一百年里，人類經(jīng)過長期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生的。的醞釀過程產生的。F愛因斯坦、普郎克愛因斯坦、普郎克單層次思維的突破。單層次思

3、維的突破。F龐加萊龐加萊狀態(tài)空間，狀態(tài)和過程的統(tǒng)一。狀態(tài)空間，狀態(tài)和過程的統(tǒng)一。F維納、香農維納、香農信息和反饋的引入。信息和反饋的引入。F普列高津、哈肯普列高津、哈肯漲落的非線性放大，開放系統(tǒng)漲落的非線性放大，開放系統(tǒng)的自組織現(xiàn)象。的自組織現(xiàn)象。F霍蘭霍蘭遺傳算法，遺傳算法，CAS CAS 理論，主體（理論，主體（Agent)Agent)概念概念的提出，涌現(xiàn)現(xiàn)象的研究。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)科學誕生自從二十世紀三十年代現(xiàn)代系統(tǒng)科學誕生以來，人類對于系統(tǒng)，特別是復雜系統(tǒng)的認以來，人類對于系統(tǒng)，特別是復雜系統(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

4、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； 以熱力學系統(tǒng)為主的階段；以熱力學系統(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（參看西蒙人工科學人工科學第七章的開頭）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主要工具：早期的控制論和運籌學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

5、力學系統(tǒng)為主的階段以熱力學系統(tǒng)為主的階段F代表人物：普里高津代表人物：普里高津,哈肯哈肯F背景：熱力學系統(tǒng)，激光等背景：熱力學系統(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：適應和學習主要思想：適應和學習F主要工具：計算機

6、模擬，遺傳算法主要工具：計算機模擬，遺傳算法F管理模式：機制設計，委托代理管理模式：機制設計，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)驗和學習。益和目標，能夠積累經(jīng)驗和學習。系統(tǒng)科學的發(fā)展系統(tǒng)科學的發(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。（計算機的應用）研究手段不斷改進。（計算機的應用）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 物質物質 VSVS。精神。精神CASCAS理論應運而生理論應運而生

7、 正是在這樣的背景下，SFI 的學者們針對系統(tǒng)科學面對的新問題、新形勢，綜合了現(xiàn)代科學各方面的成果和啟示，提出了復雜適應系統(tǒng)理論（CAS理論），把人們對于復雜系統(tǒng)的理解推向一個新的水平。二、CAS 理論的基本概念和特點 復雜適應系統(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）適應性導致了（個體的）適應性導致了（系統(tǒng)的）復雜性（系統(tǒng)的）復雜性”。CAS 理論

8、的基本概念 1。具有適應性的主體（Adaptive Agent)。 * 與環(huán)境有信息和物質的交流。 * 在反復的交流中改變自身。 * 個體和整體都在過程中演變。 CAS 理論的基本概念（續(xù)）2。適應性的基本機制（刺激反應模型） * “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。染色體及其適應度（Fitness) * 規(guī)則的載體染色體。 * 染色體的評價適應度。 * 適應度的調整。 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） * 兩種流物質流和信息流。 * 主體的二重性每個主體對于其他主體構成環(huán)境的一部分。CAS 理論的基本概念（續(xù)）

9、5。受限生成過程（CGP, Constrained Generating Procedure) * 對每個個體來說，CGP是適應的具體表現(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

10、強化導致更高層次的生成過程。*參見涌現(xiàn)的結束語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

11、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)等類型的復雜系統(tǒng)的描述和研究顯得無能為力。 CAS則把構成系統(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系，不至于過分強調一個方面，而忽視了另一方面。而且它在應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

12、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)或結果，從而為認識系統(tǒng)的復雜性和控制這樣的復雜系統(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

13、現(xiàn)Swarm等軟件平臺FCAS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。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領域無關性領域無關性F自由軟件自由軟件F豐富的類庫豐富的類庫F良好的時間調度機制和通訊機制良好的時間調度機制和通訊機制 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

14、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 其他的類似的軟件平臺FASCAPEASCAPE霍普金斯學院霍普金斯學院FTNG-LabTNG-LabIOWAIOWA大學大學FREPASTREPAST芝加哥大學芝加哥大學四、四、 應用領域應用領域F 經(jīng)濟學經(jīng)濟學ACEACE（Agent_based Agent_based Computational Economics)Computational Economics)。F生物學（抗體和免疫系統(tǒng)研究）。生物學（抗體和免疫系統(tǒng)研究）。F環(huán)境和生態(tài)學（生態(tài)系統(tǒng)的演變和保護環(huán)境和生態(tài)學（生態(tài)系統(tǒng)的演變和保護）。）。F社會科學（文明的演變和融合

15、）。社會科學（文明的演變和融合）。F教育和心理學（建構主義）。教育和心理學（建構主義）。 二十世紀中經(jīng)濟學也經(jīng)歷了深刻的變化，二十世紀中經(jīng)濟學也經(jīng)歷了深刻的變化，出現(xiàn)了許多新的理論和方法。經(jīng)濟學為出現(xiàn)了許多新的理論和方法。經(jīng)濟學為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)濟學中借用來的。身就是從經(jīng)濟學中借用來的。 其中信息經(jīng)濟學是一個關系十分密切的其中信息經(jīng)濟學是一個關系十分密切的方面。方面。 1。 信息經(jīng)濟學和對策論經(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

16、適應 總是創(chuàng)新 超越均衡的動態(tài)性 生物科學領域對于生物科學領域對于ABMABM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 腦科學的研究腦科學的研究 生態(tài)系統(tǒng)的研究生態(tài)系統(tǒng)的研究2。 生物科學和醫(yī)學 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實踐，也為新的建模思想的產生提動和生產實踐，也為新的建模思想的產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； 軟件質量問題；軟件質量問題； 中央控制器是必須的嗎？中央控制器是必須的嗎

17、？ 機器人的新思路。機器人的新思路。3。 工程科學和計算機科學 另外的一些科學與實踐的啟發(fā)，同樣也使人們另外的一些科學與實踐的啟發(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： 關于人為事物的科學；關于人為事物的科學； 沒有終極目標的設計；沒有終極目標的設計； INTERNETINTERNET的出現(xiàn)；的出現(xiàn)； 事理學和人理學；事理學和人理學； 決策的分散化；決策的分散化； 生產的社會化和企業(yè)的小型化。生產的社會化和企業(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雜理論為我們認識和研究復雜系統(tǒng)提供

18、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。這些啟示具有深刻的認識論和哲學意這些啟示具有深刻的認識論和哲學意義。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系的認識，對于層次之間的辯證關系的認識，一直是復雜系統(tǒng)研究的一個關鍵。許一直是復雜系統(tǒng)研究的一個關鍵。許多學科需要系統(tǒng)科學給出一條切實可多學科需要系統(tǒng)科學給出一條切實可行的溝通宏觀和微觀的途徑，經(jīng)濟學行的溝通宏觀和微觀的途徑，經(jīng)濟學就是一個典型。就是一個典型。 層次問題的癥結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

19、；F2。不承認層次間質的差別；F3。試圖以一個層次的規(guī)律解釋所有層次；F4。把宏觀和微觀之間的關系簡單化，或者強調一方面，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。承認各層次間質的差別；F2。從局部到整體時，出現(xiàn)了新的質；F3。局部組成整體時并沒有失去自己的特殊的質和活力；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)象和復雜性的產生。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。管理科學的新思路；F3。環(huán)境科學和環(huán)境保護的思路；F4。機器人的設計思想；F5?，F(xiàn)代生物學和醫(yī)學的發(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 內因和外因內因和外因廣義的環(huán)境觀廣義的環(huán)境觀。F內因和外因，究竟哪個是決定系統(tǒng)進內因和外因，究竟哪個是決定系統(tǒng)進化的動力和基礎？對于這個永恒的議化的動力和基礎？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