復雜系統仿真.

1、引言引言o 面向對象的核心思想：模擬o 面向對象在模擬現實世界方面足夠好了嗎？o 在面向對象基礎上還需要做什么？o 如何進一步改變思維方式和建模方法231. 什么是復雜系統什么是復雜系統4復雜系統：確定性復雜系統：確定性的的終結終結o 拉普拉斯決定論：n 宇宙不過是一臺機械的鐘表n 宇宙的未來完全由它的過去決定。n 世界是可被預知的。只要我們明白了支配宇宙的規(guī)律，那么我們就能推察過去，預言未來。n 宇宙的統一規(guī)律已找到了（牛頓），宇宙的圖景已被描繪出來了。5詩人蒲柏為偉大的牛頓寫下的墓志銘所言： 自然和自然的法則在黑夜中隱藏， 上帝說，讓牛頓去吧 于是一切都已照亮。 6復雜系統：確定性復雜系統

2、：確定性的的終結終結復雜系統：確定性的終結復雜系統：確定性的終結o 可是，n 世界其實很復雜，并不確定，偶然的小情況可能放大為決定性的事件，影響了整個歷史進程復雜地發(fā)展。n 牛頓定律本身雖是確定性的，但它所描述的具體事物，很可能出現隨機行為。n 一場激動人心的科學觀念的革命瞬間照亮了各個學科領域，其中的原則和思想影響是如此地深遠和廣泛，以至于絕大多數學科都卷入其中，這就是復雜性科學。7無處不在的復雜性無處不在的復雜性o 生命的復雜性o 歷史的復雜性o 社會經濟的復雜性o 工程中的復雜性o 生活中的復雜性o 戰(zhàn)爭的復雜性8無處不在的復雜性無處不在的復雜性o 生命的復雜性 2002年5月，英國自然

3、周刊上宣布在冰島北部海下發(fā)現了一種迄今所知最小的生命。這種被稱為“Nanoarchaeum equitans”的微生物屬于古細菌的一種，其基因組的DNA堿基對僅有50萬左右。假設一個基因的平均長度為1000個堿基，那么這個細菌所擁有的基因大約是500個。如果每個基因編碼一種蛋白質，那么這個細菌最多可以擁有500種蛋白質。 哪怕是最小、最簡單的生物體，也是由許多執(zhí)行不同功能的組分構成的。因此，生命復雜性的第一個特征是，生命是一種復合體，不可能由一個成分（一種基因或蛋白質）構成。9無處不在的復雜性無處不在的復雜性o 歷史的復雜性n 如果沒有薩拉熱窩事件n 如果沒有五四運動n 如果沒有愛因斯坦n 如

4、果 n 歷史沒有假如，歷史不能彩排，歷史不能回放。n 歷史是由眾多偶然事件寫成的10無處不在的復雜性無處不在的復雜性o 社會經濟的復雜性n 1987年10月19日的黑色星期一。以美國為震源的西方股市暴跌，損失高達4790億美元。按照傳統的經濟理論，股票市場的波動系由不相關的外來擾動，如戰(zhàn)爭、謠言等引起。而此次暴跌找不到任何原因，最終只能歸結為系統的一種非線性效應。11無處不在的復雜性無處不在的復雜性o 工程的復雜性n 水壩的綜合影響水壩的綜合影響n 為什么為什么鐵路信號系統工作正常時，列車仍然會發(fā)生撞車事故？為什么為什么所有操作人員警覺地堅守著工作崗位，核反應堆依然會發(fā)生災難性的熔化事故？為什

5、么為什么我們制定得很好的那么多專業(yè)和個人計劃，會如此頻繁地出岔子?n 軟件系統的復雜性n 人類在工程實踐中的盲目自信12無處不在的復雜性無處不在的復雜性o 生活的復雜性n 每個人都是不同的n 個人的規(guī)劃是復雜的n 人際關系是復雜的n 生命是如此多彩13無處不在的復雜性無處不在的復雜性o 戰(zhàn)爭的復雜性n 兵者，詭道也。n 戰(zhàn)爭是藝術。n 科索沃戰(zhàn)爭中的“馬桶效應”n 在戰(zhàn)爭中摧毀一個目標的效果是什么？14復雜系統的特征復雜系統的特征o 混沌o 分形o 涌現o 自適應o 非線性o 不確定o 15混沌混沌o 蝴蝶效應 1963年的一天，氣象學家洛倫茲踱進麻省理工學院的咖啡館。而在他進來之前，他剛把一

6、個數據輸入他那臺現在看來工作速度其慢無比的計算機，以驗證上一次的結果。他知道結果還需要等一個來小時，他大可一邊躲開噪音，一邊來悠閑地享受點咖啡。當他回到自己的工作室時，令他驚訝的事發(fā)生了：這次的結果與上次的結果在開始時相同，但到后來卻出現了很大的差異。他的結果是通過曲線表示的，這就是說兩條曲線只是在開始時相吻合，而到后來兩者卻分道揚鑣了。n 初始條件的微小變動就會導致軌道完全不一樣。 “差之毫厘，失之千里”16混沌混沌o 混沌無處不在n 從一顆釘子到一個帝國n 一根稻草到一只駱駝n 馬屁股的寬度決定了火星探測發(fā)射器的寬度17分形分形o 1967：Mandelbrot：英國的海岸線有多長？o 什

7、么是分形？n 分形是對沒有特征長度但具有一定意義下的自相似圖形和結構的總稱； n 分形是整體與局部在某種意義下的對稱性的集合；n 分形是具有某種意義下的自相似集合；18Koch 曲線曲線自然界中的其他事物自然界中的其他事物o 取下一片蕨類植物葉子似乎與整體有某種相似性。o England的海岸線從視覺上也感覺有某種自相似性更多的分形圖案涌現涌現o 什么叫涌現？o 復雜網絡o 生命游戲21什么叫涌現？什么叫涌現？o 若干個體遵循簡單的規(guī)則，作為整體就會有異常復雜的現象自發(fā)的產生出來，這種現象就是涌現。o 還原論不再起作用22復雜網絡復雜網絡o 很多復雜系統都可以抽象為網絡n WWW網絡：網站是節(jié)

8、點，網站之間的連接是邊n 社會關系網絡：人是節(jié)點，人和人的熟識是邊n 演員網絡：演員是節(jié)點，出演同一部電影是邊技術網絡技術網絡WWW電力網因特網社會網絡社會網絡朋友關系網科學引文網演員網科學家合著網交通運輸網絡交通運輸網絡航空網道路交通網城市公共交通網生物網絡生物網絡神經網絡基因網絡蛋白質相互作用網絡生態(tài)網絡新陳代謝網絡不同領域的復雜網絡不同領域的復雜網絡o 社會網：演員合作網，友誼網，姻親關系網，科研合作網，Email網o 生物網：食物鏈網，神經網，新陳代謝網，蛋白質網，基因網絡o 信息網絡：WWW，專利使用，論文引用，計算機共享o 技術網絡：電力網，Internet，電話線路網，o 交通運

9、輸網：航線網，鐵路網，公路網，自然河流網復雜網絡的特性復雜網絡的特性o 少數節(jié)點擁有大量連接n 少數節(jié)點擁有大量的連接、大多數節(jié)點連接數很少o 若干超級站點如Google, Yahoo等擁有大量的連接o 少數幾個社會活動家認識大量的人這是一個小世界這是一個小世界o 著名的“六度分離”試驗和小世界特性n “六度分離”試驗：1967年，美國的社會心理學家Milgram寄出了數百封信給公眾，并請求他們把信轉交給某位相識的人，條件是對方必須是最有可能把信再轉給波士頓一位股票經紀人手里的人。最后發(fā)現，平均經過6個人的手信件就會達到目的地o 通過社會網絡，平均相隔6個人，你就可以與世界上的任意一個人相連o

10、 這真是一個名副其實的“小世界”Game of Life生命游戲生命游戲o 1970年，John Conway提出了一個有趣的計算機程序：生命游戲o 這是一個方格世界，每個方格僅僅有黑、白兩種顏色生命游戲的規(guī)則生命游戲的規(guī)則想象一個外星空間存活著很多方格生命，如果一個方格是黑色的，那么這里就有一個生命，如果是白色的就沒有每個方格周圍都有8個鄰居誕生規(guī)則誕生規(guī)則如果某時刻，一個空方格（白色）周圍鄰居中有三個活的生命（黑色方格），那么該方格就會誕生一個新生生命（白色黑色）死亡規(guī)則死亡規(guī)則 在某時刻，對于已經占領某方格的生命體（黑色）只有當它的鄰居中有2個或者3個是活的（黑色），它才會繼續(xù)存活，否則

11、不是因為過分擁擠就是因為過分孤獨而死亡（黑色白色）復雜系統仿真復雜系統仿真o 為什么要仿真o 復雜仿真的基本方法o 復雜系統仿真軟件36為什么要仿真為什么要仿真o 1860 年，法國天文學家 Delaunay（ Charles Eugene Delaunay，1816-1872）為計算受到地球與太陽重力影響的月球運動軌跡，花了二十年,計算過程填滿一本書，也只得到一個近似解o 1970年, 用符號方程檢查他的計算,計算機只花了20個小時,不但求出更精確的近似解,還找出 Delaunay 的三個計算錯誤o 四色圖問題o 整體大于部分之和:個體設計上的簡單規(guī)則不能預料交互過程中涌現出的整體新特征o

12、根本原因:非線性方程的不可積，不能精確求解，不能長期預測37復雜系統仿真的方法復雜系統仿真的方法o 復雜網絡理論o CAS理論理論o 元胞自動機理論o 38Agent的基本知識的基本知識o 對Agent的一種狹義的定義是：Agent是處在某個環(huán)境中的計算機系統，該系統有能力在這個環(huán)境中自主行動以實現其設計目標。o Agent是能夠通過傳感器感知其所處的環(huán)境，并根據所處環(huán)境通過其執(zhí)行器采取相應行動的任何事物。39Agent的基本知識的基本知識40Agent的基本知識的基本知識41Agent的基本知識的基本知識智能Agent具有如下特點:o 自治性：Agent的運行無需人類或其它Agent的直接干

13、預，并能對其自身行為及其內部狀態(tài)進行某種控制。o 反應性 ：智能Agent可以感知它們的環(huán)境，并可以對環(huán)境發(fā)生的變化以及時的方式做出反應，以滿足它們的設計目標。o 主動性：Agent不但能對環(huán)境作出反應，而且它們能夠積極主動地做出使其目標得以實現的行為。o 社會行為能力： 智能Agent可以與其他Agent（也可能是人）交互，以滿足它們的設計目標。從從Object到到Agento 不是對象，但可以通過對象構建不是對象，但可以通過對象構建o 對象對象一般是被動的一般是被動的n 客戶服務器型軟件中的服務器客戶服務器型軟件中的服務器n 方法的調用使用傳統的過程調用實現方法的調用使用傳統的過程調用實現

14、o Agents 一般是主動的一般是主動的n 客戶服務器型軟件中的客戶端客戶服務器型軟件中的客戶端n 消息的發(fā)送和消息的接收都是由消息的發(fā)送和消息的接收都是由Agent執(zhí)行執(zhí)行的主動行為的主動行為43Agent vs. Object主體主體對象對象概念定義方式概念定義方式外在行為特征外在行為特征內部結構內部結構抽象程度抽象程度相對較高相對較高/ /貼近于現實世界貼近于現實世界相對較低相對較低/ /貼近于計算機世界貼近于計算機世界自主性自主性狀態(tài)自主性狀態(tài)自主性/ /行為自主性行為自主性狀態(tài)自主性狀態(tài)自主性/ /不具備行為自主性不具備行為自主性靈活性靈活性具備具備有限具備有限具備主體主體對象對象

15、運行持續(xù)性運行持續(xù)性持續(xù)性運行持續(xù)性運行/ /活的、動態(tài)、多線程活的、動態(tài)、多線程的實體的實體間斷性運行間斷性運行/ /靜態(tài)實體靜態(tài)實體交互本質交互本質社會性交互社會性交互/ /語義和知識層次語義和知識層次/ /由主體自身在運行時由主體自身在運行時刻決定刻決定方法激活方法激活/ /語法層次語法層次/ /由軟件開發(fā)人員在軟由軟件開發(fā)人員在軟件設計階段決定件設計階段決定Agent vs. Object主體、對象、過程和函數主體、對象、過程和函數主體主體對象對象過程和函數過程和函數封裝封裝封裝封裝111.n1.n復雜系統仿真軟件復雜系統仿真軟件o TRANSIMSo Repasto SWARMo A

16、SCAPEo NetLogo47NetLogo簡介簡介o Logo語言最早是為了樂高機器人玩具設計的，這些機器人被稱為: Turtle（海龜）.之后，Mitchel Resnick等人把 Logo語言擴展成為Star-Logo工具，NetLogo是Star-Logo的最新版本o NetLogo是一個多主體建模仿真集成環(huán)境o 由美國西北大學連接學習與計算機建模中心開發(fā)o 2002年發(fā)布了1.0版本，最新5.0 .4模型模型的抽象的抽象o 大量的可移動主體在二維空間中交互作用，隨著時間推進，微觀個體的屬性不斷發(fā)生變化，系統的宏觀特征也因此而變化。o 從三個方面理解：n 主體:turtles, pa

17、tches, observer, linksn 空間表達n 仿真推進 NetLogo基礎知識基礎知識o 主體n 虛擬世界由主體構成，主體能夠接受命令，進行活動，所有主體的行為并并行行發(fā)生。n NetLogo中共有三類基本主體o turtles（小海龜）o patches（瓦片）o observer（觀察者）n 4.0以后將Links作為一類主體 50主體類型主體類型o turtles指能夠在世界中移動的主體。o 世界是二維的，劃分為由patches組成的網格，每個patch占據一個矩形小塊。n patch不能移動n patch也是主體n patch和turtle一樣可以有自己的屬性和行為o o

18、bserver是一個全局主體，它觀察著由turtles和patches構成的世界，能夠執(zhí)行指令獲取世界全部或部分的狀態(tài)，或實現對世界的控制。 虛擬世界虛擬世界空間空間表達表達o 每個patch有二維坐標（pxcor,pycor）坐標值為整數整數。 o 默認情況下，二維世界的水平、垂直坐標范圍為（-17，17） o 每個turtle也有坐標（xcor,ycor）n turtle坐標不必是整數不必是整數，因此turtle不一定正好位于某個patch的中心。o 一個patch上也可以同時有多個turtles。o 實際上對turtle而言，NetLogo的空間是連續(xù)的。 仿真仿真推進推進o 沒有明確的仿真時鐘變量，也沒有提供特定的事件處理機制o 仿真推進是通過不斷重復執(zhí)行某個例程實現o 模型中至少要有初始化初始化例程和仿真執(zhí)行執(zhí)行例程n 初始化例程初始化例程實現對模型初始狀態(tài)的設置，生成所需的turtles，設置其狀態(tài)，以及其它工作。n 仿真的執(zhí)行仿真的執(zhí)行通過例程go實現，在go例程中編寫所需執(zhí)行的各種指令，完成一個仿真步的工作。 n 需要在Interface頁中建立一個按鈕與go例程相聯系，該按鈕是一個永久（forever)按鈕，點擊后將不斷重復執(zhí)行go例程，直到遇到stop指令或用戶再次點擊該按鈕則仿真終止。2.建模基本過程建?；具^程o Net