（管理科学与工程专业论文）基于多智能体的整体建模仿真方法及其应用研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 人口动力学。在多资源条件下的a g e n t 问的贸易行为和规律，市场的作用与能力，以及价 格波动的原因和规律等。为经济政策的制定者和决策者提供参考和有益的建议，也是对我 们所提出方法的有效检验哆夕一q 广7 关键字：复杂适应系缈多智能体，整体建模仿真；莲查至i i 爹遗传算澎变粒度模 型。 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t c o m p l e x s c i e n c es t u d yh a sn o wb e c o m eo n eo ft h em a i nd i r e c t i o no fs y s t e ms c i e n c e ，t h i s s t u d ys t a r ta tt h e m i d d l eo ft 9 8 0 sa n dh a s g e tm a n y u s e f u lr e s e a r c ho u t c o m e ，n o wt h es t e p so f t h i ss t u d yb e c o m em o r ea n dm o r eq u i c ks i n c et h ea p p e a r a n c eo fs w a l t ns i m u l a t i o np l a t f o r m o u r c o u n t r y ss t u d y o n c o m p l e x s c i e n c ew a s e a r l y , b u tt h eu p s u r g ec a m e a f i e r1 9 9 7 w i t ht h es u p p o r t o ft h en a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef u n dc o m p l e xs p e c i a li t e m s t u d yo fm u l t i a g e n t - b a s e d e n s e m b l em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nm e t h o da n di t sa p p l i c a t i o n ) ) a n dc o l l e g er e s e a r c hi t e m 一( ( t h es t u d yo fm i l i t a r yc o m p l e xa d a p t i v es y s t e mt h e o r y ，m e t h o da n di t sa p p l i c a t i o n ) ) ，t h e a u t h o rh a ss t u d i e dt h ec o m p l e xs y s t e m sm o d e l i n ga n ds i m u l a t i n gm e t h o d ，o p t i m i z i n gt e c h n i q u e a n di t se c o n o m i c a p p l i c a t i o ni n - d e p t h t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o n so f t h i sp a p e ra r ea sf e l l o w s 1 、a i ma tt h em o d e l i n gd i f f i c u l ta n dp r o b l e m so nt h es t u d yo f c o m p l e xa d a p t i v es y s t e m t h e o r ya n di t sa p p l i c a t i o ni ne c o n o m i cs y s t e m ，b a s e do nt h ec o m p l e xa d a p t i v es y s t e mt h e o r y , e n s e m b l em o d e l i n gi d e aa n da g e n t - o r i e n ts i m u l a t i o n ，t h ea u t h o rs u g g e s tam u l t i a g e n tb a s e d e n s e m b l em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nm e t h o d ，t h ea u t h o r a n a l y z e d t h i sm e t h o d ss t r u c t u r e c a r e f u l l y , g a v eac a r e f u ld e f i n ea n de x p l a i no f t h i sm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o ns t e p 2 、t h ea u t h o rs u g g e s t e dam u l t i l a y e rg e n e t i ca l g o r i t h m , g a v ea no p t i m i s t i cm e t h o do ft h e c o m p l e xs y s t e mm o d e l o nt h em o d e l ，a g e n ta n d p a r a m e t e rl e v e l s 3 、a i ma tt h ea g e n t ss t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r , t h ea u t h o r s u g g e s t e dt h r e em e t h o d st o a d v a n c et h ea g e n t si n t e l l i g e n c ea n d a d a p t a b i l i t ya n dt h ea b i l i t yo fe x p r e s sc o m p l e xm o d e l t h e f i r s tm e t h o di sa d o p te v o l v i n gt e c h n i c a lt oo p t i m i z ea g e n t sr u l e i nt h es e c o n dm e t h o d ，r e f e rt o t h ci d e ao ft h i c k g r a n u l a r i t y m o d e la n df i n e g r a n u l a r i t ym o d e lu s e d i nt h ep a r a l l e l g e n e t i c a g o r i t h m ，a i ma tt h ec h a n g e dd y n a m i ce n v i r o n m e n to fc o m p l e xa d a p t i v es y s t e m ，t h ea u t h o r s u g g e s t e d a ne n v i r o n m e n t - s e l e c tb a s e d c h a n g eg r a n u l a r i t ym o d e l t h r o u g h t h e e v o l v i n g a n a l y z i n go fa g e n t sp o s i t i o na n ds t r u c t u r e ，s t u d i e dt h ei n f l u e n c eo ft h ea g e n t sp o s i t i o na n d s t r u c t u r e c h a n g eo nt h ee v o l v i n go fa g e n ta n dm o d e l t h el a s tm e t h o d ，t h r o u g hc h a n g et h e r e l a t i o no f a g e n t s ，s u c ha sg a m er e l a t i o n ，b e n e f i tm a t r i xa n df u n c t i o n ，g a i n e dt h ei n t e l l i g e n c e a g e n tw h oc a na d a p tt h es o f te n v i r o n m e n tc o m p o s e do f n e i g h b o ra g e n t ，s i m u l a t e dt h ec o m p l e x g a m ep h e n o m e n o n o f e c o n o m ya g e n ti ne c o n o m i cs y s t e m 1 i i 国防科学技术大学研究生院学位论文 4 、a i ma tt h e c o m p l e xs y s t e m s c h a r a c t e rt h a tt h ep a r a m e t e ri st o om u c ha n dt h e r e l a t i o n s h i p i st o o c o m p l e x i t y , t h e a u t h o r s u g g e s ta d o p t i n gg e n e t i ca l g o f i t h m b a s e d m u l t i p a r a m e t e ro p t i m i z et e c h n i q u et os o l v et h ec o o r d i n a t e ，c o n t r o la n do p t i m i z ep r o b l e mo f p a r a m e t e r s 5 、r e a rt ot h ei d e a so f a r t i f i c i a ll i f e ) ) a n da s p e n m o d e l ，u s i n gt h i s m e t h o d sa n d t e c h n i q u e ss u g g e s t e da b o v e ，t h ea u t h o rg a v ea ne v a l u t i n ge x a m p l eo f a r i t i f i c a ls o c i e t yw h i c h d e v e l o pf r o mt h es i n g l er e s o u r c ec o l l e c t i o na n d a u t a r k i cs o c i e t yt oas o c i e t yw i t hs i n g l em a r k e t a n dt r a d ea b i l i t y , s t u d i e da n d e x p l a i n e dt h et y p i c a lp h e n o m e n o n i nl i f e s u c ha st h em o v er u l eo f a g e n tu n d e rt h ed r i v i n go fb e n e f i t ，c o m p e t f f i o na n dc o n f l i c tb e t w e e na g e n t s ，t h ei n f l u e n c eo f p o l l u t i o no na g e n t sm o v i n g ，t h eb u r t h e no fe n v i r o n m e n t ，t h ep o p u l a t i o nd y n a m i co fa g e n tw i t h p r o p a g a t ea b i l i t y , t h ea g e n t st r a d eb e h a v i o ra n dr u l e su n d e rt h em u l t i - r e s o u r c ec o n d i t i o n ，t h e f u n c t i o na n da b i l i t yo fm a r k e t , t h el e a s o na n dl a w so ft h ep r i c e f l u c t u a t i n g t h i sg i v et h e e c o n o m yp o l i c yc o n s t i t u t o ra n dd e c i s i o n m a k i n gar e f e r e n c ea n du s e f u ls u g g e s t i o n ，a l s oi t i sa t e s t i f y i n go f o u r m e t h o d s k e yw o r d s ：c o m p l e xa d a p t i v es y s t e m ，m u i t i a g e n e n s e m b l em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ，m u l t i l a y e rg e n e t i c a l g o r i t h m ，c h a n g eg r a n u l a r i t y m o d e i v 里堕型兰茎查盔兰堑茎生堕兰垒丝苎 - - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ l _ - 一。 一一 一 1 1 复杂性研究的重要性 第一章绪论 复杂性研究在科学方向上体现了现代科学技术发展的综合趋势。现代科学技术呈现出 既高度分化又高度综合的两种明显趋势。一方面是学科越分越细，新学科、新领域不断产 生；另一方面是不同学科、不同领域之间相互交叉、综合与融合，向综合和整体化方向发 展【l 】， 2 1 ，【3 】 4 1 。这两者是相辅相成，相互促进的。所以复杂性研究在这个方向上确实有了良 好开端【5 】，f 6 】，【7 l 嘲。早在上世纪3 0 年代，德国著名的物理学家彼兰克( p l a n k ) 就讲了一段颇具 哲理的话：“科学是内在的整体，它被分解为单独的整体，不是取决于事物本身，而是取 决于人类认识能力的局限性，实际上存在着从物理学到化学，通过生物学和人类学到社会 学的连续链条，这是任何一处都不能打断的链条”。这个观点是很深刻的。客观世界的事 物是相互联系的，因而反映这些事物规律的各门科学也是相互联系的，不是彼此孤立的p 1 。 但由于人类认识能力的局限性，只能从一个部分、一个方面、一个层次上来认识，因而被 人为的割断了。科学发展的进程也表明，早期的科学研究也只能是这样。但科学发展到今 天，自然科学、社会科学、思维科等都有了很大的发展，使我们有可能把这根链条联接起 来进行研究，寻求它们的内在联系和规律。复杂性研究，实际上是朝着这个方向所进行的 努力和探索【6 1 。 从科学方法论上来看，复杂性研究需要新的方法论。从近代科学到现代科学，还原论 方法起了重要作用，并取得了很大成功 1 0 l 。这种方法是把事物分解开来进行研究，以为低 层次和局部问题弄清楚了，高层次和整体问题也就自然清楚了。但复杂性问题通常都有层 次结构，高层次事物可以具有低层次事物所没有的性质，或者说整体可以具有其组成部分 所没有的性质，也就是通常所说的“一加一大于二”。在把事物分解成部分后，事物的整 体性质在部分层次上就可能消失了【】。这样，即使部分层次上研究得再清楚，还是回答不 了整体问题。 采用什么样的思想和方法，怎样才能有效地解决局部与整体之间的这种复杂性问题是 我们面对的，也是我们力求解决的主要问题。这其中的几个分问题是： 1 、如何建立复杂系统比较准确的模型? 复杂系统复杂性产生的根源在于复杂系统各 个组成部分之间，以及它们与环境之间的相互影响、相互作用，对复杂系统进行研究，必 第1 页 里堕型兰茎查盔兰堑茎生堕兰垒丝苎 - - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ l _ - 一。 一一 一 1 1 复杂性研究的重要性 第一章绪论 复杂性研究在科学方向上体现了现代科学技术发展的综合趋势。现代科学技术呈现出 既高度分化又高度综合的两种明显趋势。一方面是学科越分越细，新学科、新领域不断产 生；另一方面是不同学科、不同领域之间相互交叉、综合与融合，向综合和整体化方向发 展【l 】， 2 1 ，【3 】 4 1 。这两者是相辅相成，相互促进的。所以复杂性研究在这个方向上确实有了良 好开端【5 】，f 6 】，【7 l 嘲。早在上世纪3 0 年代，德国著名的物理学家彼兰克( p l a n k ) 就讲了一段颇具 哲理的话：“科学是内在的整体，它被分解为单独的整体，不是取决于事物本身，而是取 决于人类认识能力的局限性，实际上存在着从物理学到化学，通过生物学和人类学到社会 学的连续链条，这是任何一处都不能打断的链条”。这个观点是很深刻的。客观世界的事 物是相互联系的，因而反映这些事物规律的各门科学也是相互联系的，不是彼此孤立的p 1 。 但由于人类认识能力的局限性，只能从一个部分、一个方面、一个层次上来认识，因而被 人为的割断了。科学发展的进程也表明，早期的科学研究也只能是这样。但科学发展到今 天，自然科学、社会科学、思维科等都有了很大的发展，使我们有可能把这根链条联接起 来进行研究，寻求它们的内在联系和规律。复杂性研究，实际上是朝着这个方向所进行的 努力和探索【6 1 。 从科学方法论上来看，复杂性研究需要新的方法论。从近代科学到现代科学，还原论 方法起了重要作用，并取得了很大成功 1 0 l 。这种方法是把事物分解开来进行研究，以为低 层次和局部问题弄清楚了，高层次和整体问题也就自然清楚了。但复杂性问题通常都有层 次结构，高层次事物可以具有低层次事物所没有的性质，或者说整体可以具有其组成部分 所没有的性质，也就是通常所说的“一加一大于二”。在把事物分解成部分后，事物的整 体性质在部分层次上就可能消失了【】。这样，即使部分层次上研究得再清楚，还是回答不 了整体问题。 采用什么样的思想和方法，怎样才能有效地解决局部与整体之间的这种复杂性问题是 我们面对的，也是我们力求解决的主要问题。这其中的几个分问题是： 1 、如何建立复杂系统比较准确的模型? 复杂系统复杂性产生的根源在于复杂系统各 个组成部分之间，以及它们与环境之间的相互影响、相互作用，对复杂系统进行研究，必 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 须对复杂系统本身进行抽象，形成反映复杂系统本质的模型，在模型抽象过程中，哪些是 影响和产生复杂系统复杂性的关键因素? 复杂系统与环境，与其它系统是紧密联系在一起 的，如何根据研究的问题和重点将复杂系统与周围环境及其它系统区分开来? 在模型中， 复杂系统各组成部分之间的相互关系，相互作用是如何体现出来的，是用变量、参量、关 系式还是反应模型? 2 、模型建立之后，如何判断模型的正确性? 复杂系统是动态变化、不断演进的，随 着环境的不断变化，系统也会作出一系列相关反应和变化。一个固定不变，不具有灵活性、 动态性和开放性的模型肯定不能反映复杂系统的本质。在模型中，这种灵活性、动态性、 开放性通过什么方式体现出来呢? 最后模型正确的评价标准是什么? 解决前面所提出的 一系列问题需要有一套建立复杂系统模型和对它进行仿真分析的有效方法。 3 、模型对于我们研究现实中的复杂系统什么帮助? 如果复杂系统的模型是正确，那 么我们可以通过对复杂系统的分析研究，以及对模型的运行结果分析来预测系统特定输入 和特定状态下的行为和结果。例如利用经济模型对未来几年内的增长率进行预测等【i “。通 过对模型结果和实际数据的分析比较可以找出系统中隐含的关键因素，各个因素间的关联 程度，以及各因素的相对重要程度。最后可以利用模型来进行各种评估分析。模型对于复 杂系统研究的上面这些帮助是我们完全可以理解和想像得到的，但真正实现起来肯定会存 在不少的问题，对于这些问题我们应如何处理? 上面这些问题是我在研究复杂系统复杂性 过程中所遇到的一些比较普遍的问题，也是必须解决的问题。 目前，复杂性研究的观念，已深刻影响到经济学和管理科学等学科的研究。经济系统 是一个复杂系统，经济系统中，既存在线性关系又存在非线性关系1 3 4 1 。线性关系体现了 经济变量之间按比例变化的特征，反映了部分和整体之间的加和性【l5 1 ，然而在现实经济系 统中，非线性关系才是最普遍的，造成经济系统中经济行为复杂多变的一个主要原因就是 系统内部的非线性相互作用和个体的自主性和自适应性【16 】，【1 7 】。分析、处理经济系统中的运 作，需要考虑系统中各要素间、各要素与系统之间、系统与环境之间的相互作用，需要对 对象系统给予界定，确定所要把握对象的系统环境和系统范围。这对于传统的经济分析研 究方法是一个极大的困难。虽然如此，还是有许多人试图通过不同的方法，不同的途径， 以及不同的角度来分析研究经济系统及其中的问题。来研究经济系统中的各种非线性关系 【1 3 】，正反馈机制【1 蚋，复杂状态下的动力学行为、特征 1 9 - 2 5 】，分析经济系统中的各种吸引子 2 6 - 2 们，突现现象 3 0 - 3 5 1 和混沌【3 明产生的原因。也有不少人，试图采用神经网络，统计学等 方法来研究经济系统中的各种问题1 4 1 删并探讨对经济系统在不同条件下，如信息不充分， 第2 页 璺堕型兰垫查杰堂堕壅生堕兰垒笙兰 _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - 一 各部分间信息不对称情况下的经济行为巧0 1 ，以及进行预测的更好的办法【5 l 】【5 出现了 计算经济学和实验经济学等经济学新分枝 5 3 “1 。 鉴于经济系统的复杂性和传统分析研究方法的局限，采用演化的思想和方法来看待、 研究经济系统中的问题已经成为一个极具前途的研究方向。早在1 9 5 0 年，经济学家阿尔 钦在不确定性、演化与经济理论一书中就建议在经济分析中用自然选择的概念来代替 显性最大化的概念，并指出，这一方法体现了生物演化和自然选择的原则。它把经济系统 解释成为在“成功”和“利润”形成的压力下生成的探索性行为之间进行选择的一个适应 性机制。这就是演化思想在经济上的一个运用，是上世纪8 0 年代形成的演化经济学的基 础。虽然对经济系统采取演化分析方法来进行研究的思路早已提出，但要真正达到对经济 系统的演化分析，还有相当长的距离，其中的困难主要来自以下几个方面。 首先是对经济系统的一个准确的动态行为进行抽象有相当的难度。经济是_ 个复杂的 演化系统，其中包含了上千个变量和参量，它们之间相互联系，相互作用，构成了一幅非 线性的图像，这是一个高维的系统【7 1 。要对这样多的系统变量进行分析和计算，不仅在实 际上行不通，而且计算结果也很难检验【65 1 。 难度的另一方面来自经济系统的层次结构。经济看来是这样一个系统，它有很多的层 次，每一个层次都有其自身的结构【6 6 枷】。例如整体的经济、各部门经济以及所属的企业、 工厂等。每一个经济单位，不论是整体的、部门的或是一个企业、工厂单位，都按其经济 结构的性质实现它自身的功能【协7 3 1 。在这些经济结构中最基本的一项功能就是实现其利益 的最大化。但是对于一个多层次的经济结构，各个层次的经济利益通常并不是一致的，这 种层次之间的利益协调就成为经济系统复杂性本质问题之一。 经济分析的困难还来自信息的不完备与不确定性【4 3 l 。与传统的那些有确切实验数据的 经典学科不同，经济由于其复杂性以及外界环境的变化，经济系统时刻存在各种随机的和 + 不确定的因素。完全掌握系统的全部信息不仅由于系统的复杂而变得不可能，同时，也因 为获得信息需要成本而变得不可行。于是，在不完备信息和不确定性的条件下寻找经济规 律便成为经济分析的特殊困难。这种情况在均衡分析中早已存在，但动态的分析要求数据 有一个时间序列，对经济数据的质和量的要求更高，增加了困难的程度7 4 。7 7 】。 最后，经济分析中需要考虑各种政策因素，包括政府的政策措旄、各级经济当事人对 经济发展所采取的各种对策等等已经有一些理论在讨论这些问题中取得了进展，如理性 预期4 刀【7 8 l ，珊1 ( r a t i o n a le x p e c t a t i o n ) ，它讨论经济当事人使用所有可以利用的信息，形 成预期，并由此给出对未来发展的决策判断。但是这些理论讨论，仍然是初步的，一个完 第3 页 里堕型堂茎垄盔主堕塑生堕兰焦笙苎一 整的动态理论的形成还需要很多努力。虽然面对着众多的难点，经济的演化规律探索仍然 在发展并已成为当前研究的热点，这个问题的重要性是不言而喻的。经济问题实在与人类 社会的关系太密切了，不仅密切联系着人们的生活，而且关系到决策者的行为。对经济规 律的把握与政策考虑，是各层次经济管理人员关注的重点。对于研究工作来说，把经济建 立在科学分析的基础上是多个学科的学者们的愿望。解决系统的演化规律不仅使人们对经 济系统的性质有本质上的突破和认识提高，而且对于其相关的学科，如数学、物理、系统 科学、计算机科学等也是实质上的促进。 1 2 国内外研究现状 关于复杂性科学的研究，以美国和英国发表的文献居多。最早的文献资料包括美国 g e o r g em a s o n 大学沃菲尔德( w a r f i e l d ) 教授于1 9 7 6 年出版的专著：社会系统：计划、政策 与复杂性，只是当时没能g l 起人们足够的重视。后来，在上世纪8 0 年代。由于非线性与 浑沌理论的出现才在世界范围内的多种学科里掀起复杂科学的研究高潮。1 9 8 4 年，在诺贝 尔物理学奖获得者盖尔曼( m u r r a yg e l l - - m a n n ) 和安德逊( p l l i l i p a n d e r s o n ) 、经济学奖获 得者阿若( k e n n e t h a r r o w ) 等人的支持下，聚集了一批从事物理、经济、理论生物、计算 机等学科的研究人员，组织了桑菲研究所6 】 7 1 ( s a n t af ei n s t i t u t e ，s f i ) ，专门从事复杂科 学的研究，试图由此找到一条通过学科间的融合来解决复杂性问题的道路。 美国的复杂科学研究者相当重视在经济和管理方面的应用。比较著名的著作有盛冶 ( p e t e rs e n g e ) 的第五项修炼( t h ef i f t hd i s c i p l i n e ) ，阿瑟( b r i a na r t h u r ) 的经济中 的递增回报与路径依存等。另外，马拉什卡( m a l k a ) 等( 1 9 8 6 ) 研究发现组织决策能导致 存储问题的浑沌、无序和意外的结果。斯爵菲( s t r e u f e r t ) 等于1 9 8 6 年出版了复杂性、管 理者和组织一书。罗叶( l o y e ) 等于1 9 8 7 年研究了社会科学中的浑沌和非均衡现象。沃尔 费于1 9 9 0 年出版了通过系统设计的方法管理复杂性的著作，提出了通过结构化系统分析， 处理在复杂环境下有效提高决策效果的系统方法。瑞查德( r i c h a r d s ) 于1 9 9 0 年研究证实了 战略计划存在的浑沌与复杂性。科尔j e l ) 等研究发现政府预算是一个充满变化的非线性复 杂系统。康夫特( c o m f b r o 证明了复杂科学能作为一种模型在自然的或技术的灾难发生期间 协调组织内部的活动。考夫曼( k a u f f m a n ) 于1 9 9 5 年出版了浑沌的边缘一书，认为复杂 性存在于浑沌的边缘，从进化生物学中引申出适切性图像的概念，即进化是沿着高低不平 的图像行进的过程。斯太尔斯( s t a c e y ) 等人研究了组织复杂性、创造性和自组织【8 0 州 第4 页 里堕型堂茎垄盔主堕塑生堕兰焦笙苎一 整的动态理论的形成还需要很多努力。虽然面对着众多的难点，经济的演化规律探索仍然 在发展并已成为当前研究的热点，这个问题的重要性是不言而喻的。经济问题实在与人类 社会的关系太密切了，不仅密切联系着人们的生活，而且关系到决策者的行为。对经济规 律的把握与政策考虑，是各层次经济管理人员关注的重点。对于研究工作来说，把经济建 立在科学分析的基础上是多个学科的学者们的愿望。解决系统的演化规律不仅使人们对经 济系统的性质有本质上的突破和认识提高，而且对于其相关的学科，如数学、物理、系统 科学、计算机科学等也是实质上的促进。 1 2 国内外研究现状 关于复杂性科学的研究，以美国和英国发表的文献居多。最早的文献资料包括美国 g e o r g em a s o n 大学沃菲尔德( w a r f i e l d ) 教授于1 9 7 6 年出版的专著：社会系统：计划、政策 与复杂性，只是当时没能g l 起人们足够的重视。后来，在上世纪8 0 年代。由于非线性与 浑沌理论的出现才在世界范围内的多种学科里掀起复杂科学的研究高潮。1 9 8 4 年，在诺贝 尔物理学奖获得者盖尔曼( m u r r a yg e l l - - m a n n ) 和安德逊( p l l i l i p a n d e r s o n ) 、经济学奖获 得者阿若( k e n n e t h a r r o w ) 等人的支持下，聚集了一批从事物理、经济、理论生物、计算 机等学科的研究人员，组织了桑菲研究所6 】 7 1 ( s a n t af ei n s t i t u t e ，s f i ) ，专门从事复杂科 学的研究，试图由此找到一条通过学科间的融合来解决复杂性问题的道路。 美国的复杂科学研究者相当重视在经济和管理方面的应用。比较著名的著作有盛冶 ( p e t e rs e n g e ) 的第五项修炼( t h ef i f t hd i s c i p l i n e ) ，阿瑟( b r i a na r t h u r ) 的经济中 的递增回报与路径依存等。另外，马拉什卡( m a l k a ) 等( 1 9 8 6 ) 研究发现组织决策能导致 存储问题的浑沌、无序和意外的结果。斯爵菲( s t r e u f e r t ) 等于1 9 8 6 年出版了复杂性、管 理者和组织一书。罗叶( l o y e ) 等于1 9 8 7 年研究了社会科学中的浑沌和非均衡现象。沃尔 费于1 9 9 0 年出版了通过系统设计的方法管理复杂性的著作，提出了通过结构化系统分析， 处理在复杂环境下有效提高决策效果的系统方法。瑞查德( r i c h a r d s ) 于1 9 9 0 年研究证实了 战略计划存在的浑沌与复杂性。科尔j e l ) 等研究发现政府预算是一个充满变化的非线性复 杂系统。康夫特( c o m f b r o 证明了复杂科学能作为一种模型在自然的或技术的灾难发生期间 协调组织内部的活动。考夫曼( k a u f f m a n ) 于1 9 9 5 年出版了浑沌的边缘一书，认为复杂 性存在于浑沌的边缘，从进化生物学中引申出适切性图像的概念，即进化是沿着高低不平 的图像行进的过程。斯太尔斯( s t a c e y ) 等人研究了组织复杂性、创造性和自组织【8 0 州 第4 页 里堕型兰茎查盔兰竺塞兰坚堂竺兰苎 一 问题，指出组织是复杂的演化系统等。 近两年来，一些以复杂科学方法及其在管理中的应用为基础的咨询公司也开始诞生， 例如知识基础发展公司( k n o w l e d g eb a s e dd e v e l o p m e n tl i d ，k b d ) ，复杂性解答公司 ( c o m d l e x i t ys o l u t i o n sl t d ，c s l ) ，社区智能实验室( c o m m u n i t y i n t e l l i g e n c el a b s ) ，k b d l a v o i c 公司等个别商业化的软件也已有出售，例如i m ( 交互式管理软件) ，i s m ( 解释 性结构化建模软件) 等。k b d 公司每季度在伦敦举办一次复杂性论坛，每次三天。其论题 包括：突现的设计，复杂性理论的应用，复杂性与技术，创瓶的组织，组织设计等。讨论 的核心问题包括：什么是复杂性的适当的业务形式以及它们如何与新兴的技术相联系? 它 们对组织的创新能力有何影响? 公司的生产率与创新如何关联? 公司在信息时代如何学 习成长并迅速适应? 等等【耶j 。 s f i 研究的问题是很有意义的，他们试图通过对大量具体系统的研究，总结出一些普 适的规律，这一思想和路线都很正确，但他们的研究方法也是有局限性的。在s f i 的研究 成果中，复杂适应系统理论是最具有价值的一个。1 9 9 4 年桑菲研究所成立十周年时，早就 因提出遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 而享有盛名的霍兰( j h o l l a n d ) 教授，在桑菲研究所 的乌拉姆系列讲座上以“隐藏的秩序”( h i d d e no r d e r ) 为题作了演讲。在这个报告中，霍兰 在多年研究复杂系统的基础上，提出了关于复杂适应系统的比较完整的理论。复杂适应系 统理论包括微观和宏观两个方面。在微观方面，c a s 理论的最基本的概念是具有适应能力 的、主动的个体，简称主体。这种主体在与环境的交互作用中遵循般的刺激- 反应模型， 所谓适应能力表现在它根据行为的效果修改自己的行为规则，以便更好地在客观环境中生 存。在宏观方面。由这样的主体组成的系统，将在主体之间，以及主体与环境的相互作用 中发展，表现出宏观系统的分化、突现等各种复杂的演化过程。 复杂适应系统理论的基本思想是“适应产生了复杂性”。所谓具有适应性，就是指主 体能够与环境以及其它主体进行交流，在这种交流的过程中不断“学习”或“积累经验”， 并且根据学到的经验改变自身的结构和行为方式。整个系统的演变或进化，包括新层次的 产生，分化和多样性的出现，新的、聚合而成的、更大的主体的出现等等，都是在这个基 础上出现的。他的关于系统适应性的研究、自组织的探讨以及人工生命的研究，对系统生 长、演化的贡献，都直接推动了对系统科学中一些基本问题的研究。正是c a s 理论这一点 使得它能够用于经济、社会、生态等其它方法难于应用的领域【8 扪。 复杂适应系统是一类常见又十分重要的复杂系统。对于这样一类系统，霍兰教授在他 首先提出的遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 基础上，建立了所谓“回声”( e c h o ) 模型， 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 用以模拟和研究一般的复杂适应系统的行为。桑菲研究所的研究人员基于霍兰的模型，建 立了相应的建模工具s w 姗仿真平台。作为复杂系统中的重要的一类，复杂适应系统 的建模和研究目前已经成为一个热点。 在霍兰教授的复杂适应系统理论的应用过程了，他应用了不少遗传算法的方法。遗传 算法也是霍兰教授于1 9 7 5 年首先提出来的。它是一种模拟生物界自然选择和自然遗传机 制的随机搜索算法，它的主要特点是群体搜索策略和群体中个体之间的信息交换，搜索不 依赖于梯度信息，在实现机制上，它又是一种离散动力学系统，在给定初始群体和遗传操 作的前提下，通过迭代实现群体的进化 8 9 - 9 。它尤其适用于处理传统搜索方法难于解决的 复杂和非线性问题，可广泛用于组合优化、机器学习、自应控制、规划设计和人工生命等 领域1 1 4 8 1 5 3 1 。 遗传算法作为一种非确定性的拟自然随机优化算法在过去2 0 年中得到了广泛的应用 1 9 2 1 。例如：复杂函数系统优化1 9 3 1 【9 4 1 、机器学习、系统识别、故障诊断、分类系统、控制 器设计、神经网络设计、自适应滤波器设计等9 5 。9 刀。g o l d b e r g 的专著和d a v i s 的专著都对 遗传算法的应用有更详细的论述。尽管遗传算法已经在许多领域中得到广泛的应用，但它 还有很大的发展潜力，许多人针对简单遗传算法( s o a ) 的不足，以及实际应用问题的需要， 对它进行了不断的改进，提出了许多改进型遗传算法f 9 8 _ l 。针对遗传算法的三个操作算子 的局限性提出了单亲遗传算法、加速遗传算法、自适应并行遗传算法等1 0 2 1 0 5 1 。针对遗传 算法的应用局限性提出了各种广义遗传算法、混合遗传算法、杂合遗传算法、启发式遗传 算法等等【1 0 6 。1 1 3 j 。另外还有许多人对遗传算法的并行性、寻优能力、收敛性、收敛速度、 编码机制等进行了研究和分析【5 】 1 1 1 4 - 1 2 0 ，针对不同的应用背景提出了许多改进型遗传算法。 研究了各种遗传算法工具包【1 2 i 。1 2 2 1 。 此外，在复杂性研究方面，杰尔夫( a l a ne g e l f a n d ) 也于1 9 8 4 年提出一种用来研究复 杂开关网络模型整体行为的整体建模f 1 2 3 】思想。在这类开关网络模型中引入了不同层次的动 力学，即每个结点表示一个子系统，它们各自的动态行为、结点之间的联接强度可能发生 变化，由此反映元素问作用关系的变化。从这种意义上讲，这类网络模型能更好地表示和 描述一般复杂系统【1 2 3 1 。对于一个复杂系统，没有足够的时间或者不可能了解它的全部复杂 性。因此，设想建立许多能够掌握的原型或现象的局部细节，通过建立一些反映典型的局 部细节的模型集合，采用统计的方法i 棚，从局部细节中产生出与原型相似的“整体”。整 体建模思想就是通过在系统局部细节模型与全局表现( 整体行为，涌现现象) 间的循环反 馈和校正，来研究局部细节交化如何涌现出复杂的全局行为。这一方法在遗传控制系统、 第6 页 璺堕型堂茎查奎堂堑墨生堕堂垡笙塞 一 _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ - _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ - 一 1 3 本文的研究内容和组织 1 、本文的研究内容 结合国家自然科学基金，复杂性研究专项基金项目基于多智能体的整体建模仿 真方法及其应用研究，学校管理理论方法重要研究项目军事复杂适应系统理论、 方法及应用，本文在下几个方面进行了一系列的分析、探讨和研究a 在理论上，运用复杂适应系统理论的基本思想。复杂适应系统理论的基本思想是：复 杂性起源于其中的个体( a c t i v e a g e m ) 的适应性，正是这些个体与环境以及与其它个体的相 互作用，不断改变着它们自身，同时也改变着环境。整个c a s 的演化和发展变化就是以这 样的机制为基础的。在经济系统的演化分析过程中，我们把经济系统当作一个复杂适应系 统进行研究经济系统中的经济人看作个体。正是经济人的主动性、适应性和智能性以及 经济人与经济环境，经济人与经济人之间的相互关系和相互作用导致了经济系统的复杂 性。 在方法上，提出了一种基于多智能体的整体建模仿真方法。这是一种在复杂适应系统 理论指导下，采用还原论与整体论相结合，结合自动机网络中的整体建模思想、分布式人 工智能中的多智能体技术和基于多智能体的计算机仿真技术来研究复杂系统的种有效 方法。 在技术上，针对实际应用过程中所遇到的问题和困难，结合了遗传算法中的遗传学习 算法，提出了一种复合多层次遗传算法，从经济系统的模型优化演化，a g e n t 优化演化及 多参数优化演化三个方面来研究和提高智能体的适应性和智能水平，来研究复杂系统局部 与整体之间的关系。 在应用上，借鉴人工生命和a s p e n 模型的思想，采用上面所提出的方法和技术， 给出了一个从单纯资源采集和自给自足到具有单一市场和贸易能力的“人工社会”的演化 例。研究和解释了社会生活中的一些典型现象，例如：利益驱动下的a g e n t 移动规律，a g e n t 间的竞争和冲突，污染对a g e n t 移动的影响，环境的负荷能力，具有生殖能力情况下的a g e n t 人口动力学，在多资源条件下的a g e n t 间的贸易行为和规律，市场的作用与能力，以及价 格波动的原因和规律等。为经济政策的制定者和决策者提供参考和有益的建议，也是对我 们所提出方法的有效检验。 2 、本文的组织和安排 本文全文共分八章： 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论，主要分析了当前复杂科学的研究现状，应用前景，复杂适应系统理论和 经济系统演化分析、研究的重要性、紧迫性，及存在的困难、问题，提出用基于多智能体 的整体建模仿真方法来研究复杂系统，特别是经济系统中的复杂现象和问题。 第二章主要是提出了基于多智能体的整体建模仿真方法，分析了它的理论基础。 第三章对基于多智能体的整体建模仿真方法的框架结构进行了详细的定义、分析和说 明。 第四章提出了一种复合多层次遗传算法，研究了多层次遗传算法最上层模型层的 演化技术、方法。 第五章主要是对a g e n t 层次上的规则演化方法、基于环境选择的变粒度模型和基于博 弈的a g e n t 演化进行了分析和研究。 第六章是参数层的多参数演化、优化技术。 第七章给出