（计算机软件与理论专业论文）基于复杂适应系统的群体组织形成模型与仿真.pdf

中文摘要群体组织是指为了达到共同的目标，由个人组成的、能够直接或间接通信、相互依赖、相互影响的群体结构。随着组织规模的不断扩大，组织结构的日益复杂，以及组织环境的变化日趋加剧，组织的生存和发展越来越面临更多的不确定性。传统的社会学理论和组织理论的研究方法偏于静态，缺少整体的、动态的分析。复杂适应系统理论的发展和计算机仿真建模技术的进步，对群体组织的研究提供了全新的视角。本文基于复杂适应系统理论，建立了群体组织形成过程模型。该模型是由环境、主体以及主体之间、主体与环境之间的行为规则三部分组成。环境以二维网格构成的虚拟空间表示，在其上随机分布着a g e n t 主体。通过对主体的各种智能属性和决策行为的抽取，给出了组成群体组织的微观主体行为规则，以及主体与主体、主体与环境之间的相互作用规则；然后在s w a r m 平台上，使用j a v a 面向对象编程技术，利用基于主体的计算机建模方法，实现了模型。该实现平台可通过图形界面对模型仿真进行控制和设置，同时在平台上可以变换组织成员的数量、拥有的资源量及交互行为等参数值，从而模拟现实中不同形式的群体组织；最后，对组织的涌现、组织的运动规律和组织的变化发展进行了仿真实验。在可视化窗口中观察群体组织形成的整体动态演化过程，并对仿真模型的各个涌现结果进行了分析，指出影响群体组织变化发展的关键因素。仿真结果反映了实际群体组织形成过程的一些特征。关键词：复杂适应系统；群体组织；s w a r m 平台；仿真c a s - b a s e dm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fc o m m u n i t yo r g a n i z a t i o nf o r m a t i o ng r a d u a t en a m e ：s h e nw a n w a nm a jo r ：c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r yd i r e c t e db y ：z e n gj i a n c h a o ，t a ny i n ga b s t r a c tc o m m u n i t yo r g a n i z a t i o nc o n s i s t so fi n d i v i d u a l s ，w h i c ha r ec o m m u n i c a t e da n di n f l u e n c e de a c ho t h e rd i r e c t l yo ri n d i r e c t l y a st h ee x p a n d i n go fc o m m u n i t yo r g a n i z a t i o n ss c a l ea n dt h ev a r i a t i o n a le n v i r o n m e n t ，t h es u r v i v a la n dd e v e l o p m e n to fo r g a n i z a t i o n sa r ef a c i n gm o r eu n c e r t a i n t y t h em e t h o d so ft r a d i t i o n a ls o c i o l o g i c a lt h e o r ya n do r g a n i z a t i o n a lt h e o r ya r es t a t i ca n dl a c ko fi n t e g r a t e da n dd y n a m i ca n a l y s i s t h ed e v e l o p m e n to fc o m p l e xa d a p t i v es y s t e m ( c a s ) t h e o r ya n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yh a v ep r o v i d e dan e ww a yf o rt h er e s e a r c ho fc o m m u n i t yo r g a n i z a t i o n i n t h ep a p e r , ac o m p u t e rm o d e lo fc o m m u n i t yo r g a n i z a t i o nf o r m a t i o np r o c e s si sc o n s t r u c t e d ，w h i c hi sb a s e do nt h et h e o r yo fc o m p l e xa d a p t i v es y s t e m t h i sm o d e lc o n s i s t so fe n v i r o n m e n t ，a g e n t sa n di n t e r a c t i o nr u l e sa m o n ga g e n t so rb e t w e e na g e n t sa n de n v i r o n m e n t a g e n t sa r er a n d o m l yd i s t r i b u t e do nt h ee n v i r o n m e n t ，w h i c hi sat w o d i m e n s i o n a lg r i di nav i r t u a ls p a c e b ye x t r a c t i n ga n dm o d e l i n gt h ei n t e l l i g e n tp r o p e r t i e sa n dd e c i s i o n m a k i n ga c t i o n so fa g e n t s ，t h em i c r o b e h a v i o rr u l e so fa g e n t s ，a sw e l la st h ei n t e r a c t i o nr u l e sb e t w e e nt h ea g e n t sa n de n v i r o n m e n ta r eg i v e n ；a n dt h e n ，t h ej a v ap r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yi su s e dt oi m p l e m e n tt h em o d e lo nt h es w a r ms i m u l a t i o np l a t f o r m t h eg r a p h i cu s e ri n t e r f a c e so nt h ep l a t f o r ma r ed e s i g n e dt oc o n t r o la n ds e t u pt h es i m u l a t i o np r o c e s s t h ea m o u n t so fa g e n t sa n dr e s o u r c e s ，a sw e l la st h ei n t e r a c t i o nr u l e sb e t w e e nt h ea g e n t sc a nb ec o n v e n i e n t l yc h a n g e dt os i m u l a t ed i f f e r e n tf o r m so fc o m m u n i t yo r g a n i z a t i o n ；f i n a l l y ，t h es i m u l a t i o no fe m e r g e n c e ，m o v e m e n ta n dd e v e l o p m e n tc h a n g e sa b o u tc o m m u n i t yo r g a n i z a t i o na lem a d eo nt h ep l a t f o r m ，a n dt h ed y n a m i ce v o l u t i o np r o c e s so fc o m m u n i t yo r g a n i z a t i o nf o r m a t i o nc a nb eo b s e r v e db yv i s u a l i z a t i o nw i n d o w s t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ek e yf a c t o r st h a ti m p a c tt h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i t yo r g a n i z a t i o na r ef o u n da n da r ec o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a lp r o p e r t i e so fc o m m u n i t yo r g a n i z a t i o n k e y w o r d s ：c o m p l e xa d a p t i v es y s t e m ( c a s ) ；c o m m u n i t yo r g a n i z a t i o n ；s w a r mp l a t f o r m ；s i m u l a t i o n承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技大学。如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相关的内容，将承担法律责任。除文中已经注明引用的文献资料外，本学位论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。学位论文作者( 签章) ：埠后乃2 0 0 多年厂月加日第一章引言第一章引言1 1 选题背景及研究意义群体组织是指为了达到共同的目标，由个人组成的、能够直接或间接通信、相互依赖、相互影响的群体结构【1 1 。群体组织的形成是一个不断发展的连续过程。组织中的行为是人类活动最重要的行为，组织的基本特征表现出的自然规律是一定条件的集合和一定现象( 事件) 的集合，它们之间存在着确定的联系。通过组织的部分之间互为条件、互为因果的功能聚合，形成组织局部所不具有的新功能。这就是说，人与人之间的因果关系是构成群体组织的基础【2 】。人与社会的联系需要有一种沟通，承担这种沟通任务的中介物就是组织。组织是人类社会生活中最常见、最普遍的社会现象，它的产生源于人类的生产斗争和社会斗争。以原始人打猎为例，由于他们没有什么“先进”器具，又没有猛兽那样的尖牙利爪，所以一个人打猎很难成功。经过多年实践，他们发现集体打猎效果很好，并且发现听从一个人的指挥比乱哄哄地乱打更好，于是就公推一位能干的人当首领，其它的人听他指挥，这就是最原始的组织。由此我们可以归结出这样一个结论：由于个人有所期望，但又无力实现这一期望，往往需要和他人相互依存、相互合作、联合起来、共同行动、创造群体合力。在长期的实践中，使人们有了发展这种合作，增进相互依存关系，并使这种关系科学化、合理化，借以不断提高群体效能的要求和倾向，组织就是人们对于这种要求、倾向的认识和行动的结果。在竞争的社会中，国家和企业作为组织，它们的目的性就是在竞争中取得优势并获得所需的稀缺资源。人们愿意加入组织的条件是在组织中能够实现个体期望，这就是组织的作用。即在组织条件下个体利益集合大于非组织条件下个体利益集合的能力。在当代世界上，人类社会的群体组织空前发展，其影响已深入到社会政治生活、经济生活、文化生活和家庭生活等各主要的社会生活领域之中1 3 卅。可以说组织对人类生活的渗透已经无所不在。一个人从生到死，无不处于这种或那种社会组织之中，如医院、保健站、幼儿园、各类学校、机关、团体、工厂、商店、企业等等，五花a f ，无不与人类生活密切相关。现代社会中的组织既然已经拟人化为法人，它应该具有自然人所共有的一些属性。组织和自然人一样，要经历生、老、病、死的生命历程，组织的寿命可以定义为从组织诞生、壮大发展到组织死亡的日历时间长短。在组织不断变化发展的历程中，其形式大约经历了几个不同的阶段：第一阶段在1 9 世纪6 0 年代以前，世界各国的组织基本上都是一些小型的，组织形式基于复杂适应系统的群体组织形成模型与仿真也相对简单，且主要集中于棉纺工业和原材料工业方面。真正的现代意义上的大规模的群体组织出现于1 0 0 年前，这就是第二阶段大型组织。这时组织拥有各种功能并具有相当规模。第三个阶段出现于2 0 世纪8 0 年代，竞争的压力迫使传统的大组织开始实施纵向扩散化战略。第四个阶段是由多个战略业务单元组合而成的组织形式，这种组织形式是一种网络化的。技术的发展，特别是互联网的发展正在把组织形式带向下一阶段，即模块化的组织形式【1 卜1 l 】。这种新的组织形式显示了群体组织更进一步细分的趋势。组织和人一样都希望自己健康成长、发展壮大、有所作为，而不希望中途夭折、早衰、碌碌无为。人的寿命是有限的，组织和人相比，其寿命要长得多，但组织的死亡率相对较高。根据荷兰斯特拉提克斯集团的爱伦德鲁吉的研究，在日本和欧洲，公司的平均寿命为1 2 1 5 年。在美国，有6 2 的公司平均寿命不n 5 年，存活超过2 0 年的公司只占公司总数的1 0 ，只有2 的公司能存活5 0年，美国的高新技术企业只有1 0 能活过5 年，美国1 9 9 7 年倒闭的公司有近1 0 万家u2 l 。英荷壳牌石油公司( r o y a ld u t c hs h e l l ) 的一项调查表明，1 9 7 0 年名列美国财富杂志前5 0 0 强的大企业组织，从诞生到衰亡的平均寿命只有4 0 5 0 年，至1 j 1 9 8 3年它们中有i 3 已经消失。总体来说，世界上的组织的平均寿命都不长，组织整体上呈现高死亡、短寿命的态势。由此可见，组织的形成，变化、发展以及消亡是一个复杂的动态演化过程。这种演化过程是如何形成的，演化遵循什么规律，组织是如何壮大发展，组织的不同形式是如何产生，组织是怎样消亡等。以往对这类现象的研究虽然有大量的历史文献记载【1 3 。17 】，但仅仅局限在文字的论述上，而无法用模型的方法进行讨论，缺乏对组织的统一认识。其方法偏于静态研究，缺少整体的、动态的分析。复杂适应系统理论的发展和计算机仿真建模技术的进步，对群体组织的研究提供了全新的视角。基于复杂适应系统的建模方法已经被广泛的应用于社会经济、自然现象、人工生命、生态系统等领域【i s , 1 9 。本文以复杂适应系统理论为基本的指导思想，利用基于主体的计算机建模方法，来研究群体组织宏观的整体行为。研究的意义在于：一、吸取了复杂适应系统的观念，提供了以往对群体组织形成过程分析中的复杂现象无法解释的理论基础。二、运用复杂适应系统研究问题的方法，将组织中的动态、非线形、自组织、突发特性等现象以模型化的方式进行分析，是对传统的群体组织静态分析方法的有利补充。三、同时社会群体组织这一复杂系统是复杂系统理论的重要源泉，在仿真过程中涌现出的许多复杂系统特性，可以反过来验证或者丰富现有的复杂系统理论。2第一章引言1 2 国内外研究动态1 2 1 复杂系统研究和应用进入2 0 世纪的8 0 年代，一门研究复杂系统的复杂性科学逐渐兴起。生命系统、智能系统、计算机系统、经济系统、社会系统等等都是复杂系统。以往，科学家采用了不同方法把这些学科分割开来进行研究。然而，复杂性科学的兴起首先使人们开始打破学科之间的分离界限，广泛地开展跨学科的研究。之后，人们逐渐发现了蕴藏在各个复杂系统中普遍存在的现象和规律。复杂性科学存在着多个学派，其中以著名的圣塔菲研究所( s a n t af ei n s t i t u t e ，简称s f i ) 为代表的圣塔菲学派则是该理论的权威。s f i 学派研究复杂适应系统的主要方法就是基于a g e n t 的计算机仿真或模拟。复杂适应系统理论把系统的成员看作是具有自身目的与主动性、积极的主体。更重要的是，霍兰认为就是这种主动性以及它与环境反复交互的作用，是促进系统发展和进化的基本动因。宏观的变化和个体的分化都可以从个体的行为规律中找到根源，强调个体的主动性、交互性、智能性等特点主要是强调个体具有自己的利益和目标、不断优化的内部结构和顽强的生存动力。霍兰把个体与环境之间这种主动的、反复的交互作用用“适应”来概括，这就是c a s 的核心思想适应性造就复杂性【2 们。基于a g e n t 的计算机模拟方法与传统的方法最大的不同就是在于该方法分析问题的出发点是系统中的个体而不整体。通过建立个体a g e n t 的模型，就可以在计算机中营造一个虚拟的社会、经济环境，a g e n t 通过复杂的相互作用而涌现出规律或现象。这些宏观的现象并不是建模者设计进去的，而是系统自发地自下而上地涌现生成的【2 0 2 4 】。对于复杂性的研究，国内外几乎是同时的。我国著名科学家钱学森在系统科学、思维科学和人体科学三大科学技术部门所做的大量工作基础上，于8 0 年代末提出“开放的复杂巨系统”的概念，形成“从定性到定量的综合集成法”( m e t a s y n t h e s i s ) 的方法论。1 9 9 2 年3 月，他又在此基础上提出了“从定性到定量综合集成研讨厅体系”的实践形式【2 5 1 。这套方法论是从整体上研究和解决问题的方法，采取人机结合以人为主的思维方法和研究方式，对不同层次、不同领域的信息和知识进行综合集成，达到对整体知识的定量认识。1 9 9 4 年6 月以来，“香山科学会议”多次召开开放的复杂巨系统和复杂性科学以及一系列有关复杂性的专题讨论会，对推动我国关于复杂性研究起到积极的作用【2 5 2 6 期。3基于复杂适应系统的群体组织形成模型与仿真1 2 。2 群体组织的研究概况人们对组织的认识己久，研究者们从社会学、生物学和管理学等不同视角对组织问题展开了研究m j 。不同的学术流派基于不同的研究范式阐述了组织的形成、发展和结果等问题，极大地推动了组织的研究及相关知识的传播、积累和创新。二十世纪三十年代的古典组织理论和四五时年代的新古典组织理论在研究组织形成时，都隐含地假定：总体是由部分按照机械的方式而构成，即总体是由部分加和而成。因此，这些组织理论家都对各部分进行孤立的研究，再将各部分联合成总体。把组织视为一部机器，企图通过对局部的认识实现对组织总体的理解。六十年代的有机系统方法，它与机械原子论完全相反。它基于的指导思想是：只有将组织作为一个系统来研究才是有意义的。系统是处于一定关系中并与环境发生关系的各组成部分( 要素) 的总体集。组织系统是一个开放系统，它不断地与外部环境进行着相互的作用。然而整体思想由于其固有的抽象性和高度的概括性使人们在具体应用中往往感到无从下手。进入七十年代，组织研究呈现出跨学科研究的趋势，这些组织研究者们并不局限于组织分析的固有工具，而是借助其他学科的分析工具对组织现象进行分析。七十年代后期不断涌现出来的新理论有种群生态理论、资源依赖理论、交易费用理论和制度理论。群体生态理论借用生态学“适者生存”的自然选择原理，利用同形理论、竞争理论及位理论等来研究组织群体与环境更好匹配的演化趋势 3 2 , 3 3 , 3 4 。资源依赖学派则利用政治学的权力分析工具来分析组织与环境之间的关系，他们强调由于组织对不确定的、变化着的环境的依赖，组织从环境中获取资源是组织生存和发展的关键功能。交易费用理论从经济学角度来研究组织，它把企业组织看作是一种规制结构，把交易作为分析的基本单位，利用比较制度分析方法来分析交易与规制结构的匹配问题【3 5 3 9 】。对组织中复杂现象的研究开始于二十世纪八十年代，尤其是在专门从事复杂科学研究的桑塔费研究所( s a n t af ei n s t i t u t e ，s f i ，1 9 8 4 ) 成立以后。美国和英国的一些学者运用复杂科学来研究组织与管理问题，取得了初步的成效【1 3 , 1 4 。这些研究展现了新的世界图像，开始影响人类的观念并将渗透到人类生活的方方面面。复杂性科学之所以能够引起人们的普遍兴趣，在于它的思想假定与传统科学有着很多本质上的不同，揭示了世界上事物发展中普遍存在的一些规律性和传统科学理论所不能够很好解释的社会经济现象和自然现象。组织中的动态、非线形、自组织、突发特性4第一章引言等现象充分说明群体组织是典型的复杂系统，复杂适应系统理论的出现，为群体组织研究提供了新的方法。近年来，计算机仿真已被应用于研究组织学习【4 0 4 2 1 、组织适应和选择【4 3 】、以及组织演化删中。国内有陈禹和丁浩【4 5 1 论述了实验经济学、复杂适应系统与经济建模的关系；熊辉1 4 6 】研究了基于a g e n t 的经济学模拟的研究。另外，我国学者在社会学仿真方面也作了很多工作，这些工作一般集中在复杂性科学、复杂适应系统的领域中。刘颖和陈禹1 4 7 l 用计算机模拟的方法分析了s a r s 疫情的控制问题。宣慧玉、高宝俊计算机仿真模拟技术应用到社会科学领域，用模型来表示主体之间非线性的交互。还有国防科大谭跃进等的基于多智能体( a g e n t ) 的整体建模仿真方法。国外有l o m i 和l a r s e n 利用计算模型，指出群体组织中研究的人口密度依赖性，提出了自相似理论。拉尔夫d 斯泰西利用网络模型来描述组织中行为主体之间的联系和相互作用，采用结构分析的方法，指出主体之间是彼此以不同方式联系起来的复杂网络并说明该网络具有自相似特征【4 8 】。近来这种网络分析方法渐居主流。欧文拉兹洛【4 9 1 1 9 6 9 年提出了一个自组自稳系统( 人类) 的基本信息流程图。欧文拉兹洛运用这个模型对人类经验的各种复杂层次进行了说明。这些层次包括体内平衡反馈、感觉反馈、后感觉反馈。拉尔夫d 斯泰西把类似上述个人信息反馈的网络纳入一个组织中。组织的结构具有分形的特征，组织的学习类似于个人的学习，根据不同的反馈类型，相应的组织学习可分为单向学习和双向学习。另一个研究热点是组织生态学。它通过考察环境对组织死亡率的影响【5 0 1 ，对变革频率和作用的影响【5 l 】，以及对组织表现的影响，来研究组织选择和适应。该领域的中心问题是组织群的演化。b i l lm c k e l v e y 运用s t e w a r tk a u f m a n 的“n k 模型”来研究协同进化企业群1 52 。在多种计算实验的基础上指出战略组织方法( s t r a t e g i co r g a n i z i n ga p p r o a c h ) 最易于创造竞争优势。通过不同的纳什均衡适应性水平，来展示一个组织内和介于其与竞争对手之间的价值链竞争优势与内外协同进化密度的联系。人们对组织的认识仍处于不断深入的过程中，随着实践的不断向前发展，人们的认识还会进一步演变和深化，已有的研究模型都假定组织已经存在，在此基础上讨论组织和环境之间的关系，它们似乎都忽视了组织从环境中产生的原因。群体组织是如何形成的，组织的演化遵循什么规律，组织是如何壮大发展，组织的不同形式是如何产生，组织是怎样消亡等，这一系列动态的复杂现象在既有的组织理论研究中缺乏对组织的统一认识，不能完整反映组织的形成过程。5基于复杂适应系统的群体组织形成模型与仿真1 3 本文的主要工作传统的群体组织研究方法偏于静态，缺少整体的、动态的分析。复杂性科学对组织形成过程的研究仍然不算成熟，比较局限。应用的范围与广度也还不能跟其它方法相比。本文基于复杂适应系统理论，结合基于主体的建模仿真方法，按照自下而上的思想对群体组织形成进行建模与仿真。本文的主要工作包括以下三个方面：( 1 ) 首先基于复杂适应系统理论，构建了群体组织形成过程模型。该模型是由环境、主体以及主体之间、主体与环境之间的行为规则三部分组成。环境以二维网格构成的虚拟空间表示，在其上随机分布着a g e n t 主体。通过对主体的各种智能属性和决策行为的抽取，给出了组成群体组织的微观主体行为规则，以及主体与主体、主体与环境之间的相互作用规则。( 2 ) 其次，在s w a r m 仿真平台上，利用j a v a 面向对象的编程技术实现了群体组织形成过程模型。该实现平台可通过图形界面对模型仿真进行控制和设置，同时在平台上可以变换组织成员的数量、拥有的资源量及交互行为等参数值，从而模拟现实中不同形式的群体组织。该仿真模型体现了基于主体建模的一般关键技术和方法。( 3 ) 最后，对组织的涌现、组织的运动规律和组织的变化发展进行仿真实验。在可视化窗口中观察群体组织形成的整体动态演化过程，并对仿真模型的各个涌现结果进行了分析，指出影响群体组织变化发展的关键因素。这些丰富的涌现结果不仅源于模型的简单规则设计而且是从一种非常抽象的层面深刻揭示了组织的形成与动态演化规律，仿真结果能反映实际群体组织形成过程的一些特征。6第二章复杂适应系统理论及其研究方法第二章复杂适应系统理论及其研究方法2 1 复杂适应系统理论复杂系统研究是当前系统科学的主要研究方向之一，复杂适应系统( c o m p l e xa d a p t i v es y s t e m c a s ) 是一类很具有代表性的复杂系统，复杂适应系统理论是美国计算机科学家霍兰德教授在多年研究复杂系统的基础上于1 9 9 4 年提出来的。复杂适应系统理论的基本思想是：c a s 的复杂性起源于其中的个体( a c t i v ea g e n t ) 的适应性，正是这些个体与环境以及与其它个体间的相互作用，不断改变着它们的自身，同时也改变着环境。c a s 最重要的特征是适应性，即系统中的个体能够与环境以及其它个体进行交流，在这种交流的过程中“学习”或“积累经验”，不断进行着演化学习，并且根据学到的经验改变自身的结构和行为方式【2 3 1 。各个底层个体通过相互间的交互、交流，可以在上一层次，在整体层次上突现出新的结构、现象和更复杂的行为，如新层次的产生，分化和多样性的出现，新聚合的形成，更大的个体的出现等。在复杂适应系统中，所有个体都处于一个共同的大环境中，但各自又根据它周围的局部小环境，并行地、独立地进行着适应性学习和演化，个体的这种适应性和学习能力是智能的一种表现行式，所以有人也把这种个体称为智能体。在环境中演化着的个体，为了生存的需要，不断地调整自己的行为，修改自身的规则，以求更好地适应环境选择的需要。大量适应性个体在环境中的各种行为又反过来不断地影响和改变着环境，结合环境自身的变化规律，动态变化的环境则以一种“约束”的形式对个体的行为产生约束和影响。如此反复，个体和环境就处于一种永不停止的相互作用、相互影响、相互进化过程之中。2 1 1 复杂适应系统理论的特点复杂适应系统不同于一般复杂系统的特点，也是它吸引大量研究者进行研究的原因是：( 1 ) 系统具有明显的层次性，各层之间的界线分明。( 2 ) 层与层间具有相对的独立性，层与层之间的直接关联作用少，个体层的体主要是与同一层次的个体进行交互。( 3 ) 个体具有智能性、适应性、主动性。系统中的个体可以自动调整自身的状态、参数以适应环境，或与其它个体进行协同、合作或竞争，争取最大的生存机会或利益。这种自发的协作和竞争正是自然界生物“适者生存，不适者淘汰”根源。这同时也反应出复杂适应系统是一个基于个体的，不断演化发展的演化系统。在这7基于复杂适应系统的群体组织形成模型与仿真个演化过程中，个体的性能参数在变，个体的功能、属性在变，整个系统的功能、结构也产生了相应的变化。( 4 ) 个体具有并发性。系统中的个体是并行地对环境中的各种刺激作出反应，进行演化。( 5 ) 在复杂适应系统的模型里还可引进随机因素的作用，使它具有更强的描述和表达能力。以上这些特点使得c a s 具有了许多与其他方法不同的功能和特点。2 1 2 复杂适应系统的基本性质复杂适应系统采用了a d a p ti v ea g e n t 具有适应能力的个体这个词，是为了强调它的主动，强调它具有自己的目标、内部结构和生存动力。个体在适应和演化过程中特别要注意的七个要素是：聚集、非线性、流、多样性、标识、内部模型和构筑块【2 0 川】。聚集( a g g r e g a t i o n ) ：主要用于个体通过“粘合 ( a d h e s i o n ) 形成多主体的聚合体( a g g r e g a t i o na g e n t ) 。聚合体具有新的功能和属性，在系统中像一个单独主体一样行动。非线性( n o n l i n e a r i t y ) ：指个体及它们的属性在发生变化时，并非遵从简单的线性关系。特别是在和系统或环境的反复交互作用中，这一点更为明显。流( f l o w ) ：在主体与环境之间、主体与主体之间存在着物质流、能量流和信息流。这些流的渠道是否通畅、周转迅速到什么程度，都直接影响着系统的演化过程。多样性( d i v e r s i t y ) ：在适应过程中，个体之间的差别会发展与扩大，最终形成分化，这是系统复杂性的重要思想之一。c a s 理论强调，正是相互作用和不断适应的过程，造成了个体向不同方向的发展变化，从而形成了个体类型的多样性。而从整体来看，这事实上是一种分工。如果和前面提到的聚合结合起来看，就是宏观上看到的“结构”的“涌现 ，即所谓“自组织现象”的出现。标识( t a g g i n g ) ：为了相互识别和选择，主体的标识在主体与环境的相互作用中是非常重要的。无论在建模中，还是在实际系统中标识的功能与效率是必须认真考虑的因素。标识的作用主要在于实现信息的交流。流的概念包括物质、能量和信息，起关键作用的是信息流。c a s 理论把信息的交流和处理作为影响系统进化过程8第二章复杂适应系统理论及其研究方法的重要因素来考虑，标识的意义就在于提出了主体在环境中搜索和接收信息的具体实现方法。内部模型( i n t e r n a lm o d e l s ) ：这一点表明了层次观念。每个主体都是有复杂的内部机制的。对整个系统来说，统称为内部模型。构筑块( b u i l d i n gb l o c k ) ：复杂系统常常是在相对简单的构件基础上，通过改变它们的组合方式形成的。通过上述7 个概念，就可把主体的特点充分表现出来：它是多层次的、和外界不断交互的、不断发展和演化的活生生的个体。2 1 3 复杂适应系统理论的最大贡献复杂适应系统理论的最大贡献在于它提供了一种自底向上建模的研究方法。这种方法赋予组成系统的个体a g e n t 以简单的规则和关系，通过仿真来重现真实世界的复杂现象。传统的自顶向下建模方法要求明确给出目标系统的所有规则和关系，包括定性的和定量的、内部的和外部的，这种巨大的任务在实际系统研究中往往是不可行的，因此自顶向下建模方法经常运用简化的方式，但是经常被简化到不能充分反映实际情况的程度；而自底向上建模集中于构造具有相对简单行为的个体a g e n t ，这些a g e n t 可以被描述得很细，于是系统的复杂行为就来自于这些a g e n t之间的交互。2 2 基于主体a g e m 的建模方法复杂适应系统理论的核心概念是a g e n t ，其方法学基础是基于a g e n t 的建模方法。传统系统仿真方法中的建模，其侧重点是对形式化模型进行演绎推理、实验、分析，这显然具有工程技术的特点；而在复杂系统的建模中，其侧重点是解决如何建立系统的形式化模型，建立一种抽象的表示方法以获得对客观世界和自然现象的深刻认识【5 3 】。国内外的研究表明，已有的基于数学模型的传统建模方式并不能很好地刻画复杂系统，而采用基于a g e n t 的建模方法，通过对复杂系统中的基本元素及其之间的交互的建模与仿真，可以将复杂系统的微观行为和宏观“涌现”现象有机地结合到一起，是一种自底向上综合的有效建模方式。目前，基于a g e n t 的建模与仿真方法学是最具有活力、有所突破的仿真方法学【5 4 1 。a g e n t 与多a g e n t ( m u l t i a g e m ) 的理论与技术为复杂系统的建模与仿真实现提供了一个崭新的途径。该建模方法将复杂系统中各个仿真实体用a g e n t 的方式思想来仿真，试图通过对a g e n t 的行为及其之间的交互关系进行刻画，来描述复杂系统9基于复杂适应系统的群体组织形成模型与仿真的行为。可以用归纳的方法对模型运行所产生的仿真数据进行分析，但又与传统的归纳方法不同的是，仿真数据不是来自于对真实世界的直接测量，而是来源于一套严密而又明确定义的规则。2 2 1 基于a g e n t 的仿真基于a g e n t 的仿真包括a g e n t 主体、环境以及交互规则、通讯方式等概念。在复杂适应系统理论中的a g e n t 被定义为基于规则的刺激一一反应实体；在基于a g e n t 的仿真中，所有的a g e n t 都具有自治性( a u t o n o m y ) 、可通信性( c o m m u n i c a b i l i t y ) 、反应能力( r e a c t i v i t y ) 和能动性( a c t i v i t y ) 这四个特征。环境是所研究的目标复杂系统中a g e n t 的活动范围，规则是环境中a g e n t 有关约束和限制。通讯方式是a g e n t 与环境和其他a g e n t 联系的方法5 5 1 。基于a g e n t 的仿真其优点在于：；1 具有对复杂系统的自然描述能力，使得对复杂系统的建模更为方便；2 可以仿真高度的动态环境中的行为，研究传统方法难以获得的“涌现”行为。通过将复杂系统中的个体用a g e n t 来刻画，具有很大的自由度和灵活性，对于复杂系统的微观行为具有良好的描述能力；3 支持对主动行为的仿真；4 仿真的动态性和高度灵活性，仿真过程中a g e n t 和相应的仿真实体或人可以方便地进行交互，而且在仿真过程中可以方便地增加或删除实体；5 有利于模型的重用，可以提高软件开发的效率。基于a g e n t 的仿真目前依赖于面向对象的编程，每个自主a g e n t 可以被看成由变量和方法组成的对象。环境也是一个对象。a g e n t 间运用规定的通信方法进行通信，通过与环境通信来探知、改变他们在环境中的位置。2 2 2 仿真步骤图2 1 是基于a g e n t 的复杂系统建模仿真方法及步骤。这其中，建立a g e n t模型是其中的重点，也是基于a g e n t 的建模与仿真的精髓5 3 1 。1 0第二章复杂适应系统理论及j 研究方法图2 1 仿真方法及步骤基于复杂适应系统的群体组织形成模型与仿真2 3 仿真开发平台s w a r ms w a r m 软件平台是美国s a n t af ei n s t i t u t e 在复杂适应系统理论基础上开发的一个标准的计算机仿真的多主体软件工具集。它提供了一个高效率的、可信的、可重用的的软件实验平台。通过建立基于s w a r m 的计算机模型，调用平台中提供的丰富的类库，可以方便地对许多领域的研究进行模拟。s w a r m 的建模思想就是让一系列独立的a g e n t 通过独立事件进行交互，帮助研究由多个体组成的复杂适应系统的行为。s w a r m 最初被发布是一组用o b j e c t i v e c 语言写成的库类。1 9 9 9 年，s w a r m 提供了对j a v a 的支持，它将会被更广泛接受。目前，s d g 正在将s w a r m进一步通用化，使之支持更多操作系统，并能采用更多的计算机语言进行编程。现在，s w a r m 已经被移植到w i n d o w s 平台上，最新的s w a r m 2 2 版本已经可以支持包括w i n d o w s x p 在内的多种环境。2 3 1s w a r m 的逻辑结构s w a r m 模拟程序一般包括四个部分，分别是模型s w a r m ( m o d e l s w a r m ) 、观察员s w a r m ( o b s e r v e rs w a r m ) 、仿真主体和环境5 6 。5 8 1 。1 模型s w a r m 是许多个体( 对象) 组成的群体，这些对象共享一个行为时间表。它还包括一系列输入( 环境参数) 和输出( 运行结果) 。2 观察员s w a r m 用来观测模型s w a r m 。观察员对象可以向模型s w a r m 输入模拟参数并读出统计数据。同时，它还负责将数据输出到图形界面。3 仿真主体包括一系列规则、刺激和反应。仿真主体就是模型s w a r m 中的对象。4 在s w a r m 中，环境自身也可以看作是一个a g e n t 。2 3 2s w a r m 的仿真系统结构s w a r m 仿真系统模型结构一般都大同小异。其核心是模型s w a r m 文件、观察员s w a r m 文件和m a i n 文件。由于仿真系统的模板化程度非常高，建立仿真主要是考虑主体属性和方法【5 6 6 0 】。1 m a i n 文件m a i n 文件是s w a r m 模型的入口。即使是很复杂的模型，m a i n 文件也是非常简短的，其作用就是启动整个模型。在m a i n 文件中，必不可少的方法是i n i t s w a r m ( ) ，它用来初始化整个模型。之后，只需要调用模型s w a r m 文件中的方法，模型就可以开始启动了。1 2第二章复杂适应系统理论及其研究方法2 观察员s w a r m 文件通过探测器接口，观察员s w a r m 可以观察其它主体a g e n t ，并建立一个时序图来跟踪其动态变化。观察员s w a r m 文件中定义了一个o b s e r v e r s w a r m 类。从构架程序中可以直接看到，这个类是g u i s w a r m i m p l 的子类，属于s i m t o o l s g u i 库。由此可以看出，o b s e r v e r s w a r m 类主要负责的是图形界面的输出。s w a r m 提供了五个基本的控键s t a r t 、s t o p 、n e x t 、s a v e 和q u i t ，其功能分别是：开始运行一个新的模型、停止运行模型、以“步进”的方式运行模型、保存模型和退出模型。这个控制条由g u i s w a r m 类提供。图形界面的输出是一个复杂的过程，但是由于s w a r m 中提供了的丰富的图形界面类库，用户需要做的只是根据需要选择适合的输出界面，如平面网络图、折线图或探测器。3 模型s w a r m 文件模型s w a r m 中的每一个对象对应模型世界中的每一个主体。在模型s w a r m中，用户需要为这些主体编写一个时间表，通过产生一系列具有特定顺序的行为来体现模型中的时间。时间表可以通过a c t i v i t y 库中的s c h e d u l e l m p l 类的实例对象来建立。建好时间表，s w a r m 模型就可以运行了。模型s w a r m 中，一般会定义几种主要的方法，包括b u i l d o b j e c t s 0 、b u i i d a c t i o n s 0 和a c t i v a t e i n 0 。b u i i d o b j e c t s0 用来建立模型的对象。b u i l d a c t i o n s0 用来建立完成对象的一系列动作，并确定动作相应的时间。a c t i v a t e i n 0 的作用是确定模型运行的内容，并激活模型。值得注意的是，对于不同的模型，b u i l d o b j e c t s 0 的内容必须随之而改变，但是b u i l d a c t i o n s0 和a c t i v a t e i n0 由于框架化的处理，仅根据需要作出一定的调整即可。只有将模型s w a r m 和观察员s w a r m 合并在一起，才能建立一个完整的实验模型。通过使用模型s w a r m 和观察员s w a r m ，可将模型的界面和模型的实现分离。模型就像一个玻璃器皿中的世界，不会受到观察者的影响。不同的观察员s w a r m 可用来实现不同的数据收集和控制协议，但是模型本身不会发生变化。4 主体a g e n t 文件主体a g e n t 一般仅定义一个对象，它包括一系列规则、刺激和反应。主体程序的编写比较自由，能够表现主体的特性即可。一般来说，主体中所定义的类仍然是s w a r m 的子类。主体中的类一般会用到s p a c e 、o b j e c t b a s e 等类库基于复杂适应系统的群体组织形成模型与仿真其一般结构如图2 2 所示。图2 2 仿真系统模型结构2 3 3s w a r m 的仿真实验步骤及其类库基于s w a r m 平台的建模仿真实验的步骤如下【6 0 , 6 1 】：1 创建包括时间和空间的人工系统环境，该环境能够让a g e n t 在其中活动，能够让a g e n t 观察周围环境和其他a g e n t 的状态；2 创建一个观察者s w a r m ，负责观察记录并且分析在人工系统环境中所有主体的活动属性所对应的特征值；3 在观察者s w a r m 中创建一个模型s w a r m ，并为之分配内存空间，然后在模型s w a r m 中建立模型的主体以及主体的行为；4 通过空间活动让模型s w a r m 和观察者s w a r m 按照一定顺序运动，让每个a g e n t 活动产生的数据影响系统中其他的a g e n t 和环境，使整个系统不断地运动，并记录各种特征数据和曲线；5 根据第4 步观察的结果修改实验用的a g e n t 模型，如果需要也可改变对物理世界的抽象和修改程序代码，回到第3 步；6 记录整个仿真过程以及数据、曲线等，通过分析记录结果，对物理世界中的各种现象加以解释；1 4第二章复杂适应系统理论及其研究方法s w a r m 有7 个核心库：d e f o b j 、c o l l e c t i o n 、r a n d o m 、t k o b j c 、a c t i v i t y 、s w a r m o b j e c t 和s i m t o o l s 。前4 个是支持库，有可能在s w a r m 之外用到；后3 个是s w a r m 专有的类库。目前，s w a r m 还为建模提供3 个与领域相关的库：s p a c e 、g a和n e