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复杂适应系统理论 复杂适应系统理论 2 CAS理论产生的背景 美国的圣塔菲研究所一直是复杂性研究的中心 1994年 约翰 霍兰德在圣菲研究所举办的吴拉姆纪念讲座中做了名为 隐秩序 的著名演进 而后 出版了 隐秩序 适应性造就复杂性 一书 提出了复杂适应系统 复杂适应系统被认为是 二十一世纪的新科学 属于 第三代系统思想 所提出的系统理论不仅完全颠覆了传统的研究范式 而且也有别于早期的系统思想 目录 涌现圣塔菲的核心理念之一 CAS理论基本观点和核心思想 CAS建模和回声模型 1 2 4 基于主体的适应性刻画 3 CAS理论总结 5 复杂适应系统理论 4 系统理论流派不同时期对涌现的研究 一涌现 5 1 1涌现的特性 什么是涌现 霍兰德观点代表了当时的共识 像涌现这么复杂的问题 不可能只是服从一种简单的定义 我也无法提供这样的定义 按照圣塔菲学着的见解 涌现现象至少具有以下特性 涌现的普遍性 涌现的系统性 涌现的恒新性 如何研究涌现 CAS理论对你研究涌现由何启示 6 2 1 1圣塔菲学派对复杂性的研究 2 1CAS理论核心思想 适应产生复杂性 复杂性从何而来 7 圣塔菲学派和钱学森关于复杂性阐释的比较 8 圣塔菲学派把系统分为非适应性和适应性两类 而适应性又分为直接适应性 自动恒温器 和复杂适应性 社会 经济 自然界 地球生态 2 1 2复杂适应系统的共同特征有大量的不同组分聚集而成 组分之间存在广泛的相互作用 能够在环境中学习 积累经验 通过改进自身行为规则而适应复杂多变的环境 从而在整体上表现出运行的协调性和行为模式的持续性 2 1 3适应性产生复杂性的内涵CAS理论强调子系统具有目的性和主动性 把个体的 适应性 作为系统必不可少的条件 并由此涌现出具有更强适应性的新层次的主体 特别是 主动适应性 是系统整体涌现的根本原因 这也就是 适应性造就复杂性 的根本含义 2 1CAS理论核心思想 适应产生复杂性 9 2 1 4复杂适应系统的核心思想 我们把系统中的成员称为具有适应性的主体 AdaptiveAgent 简称为主体 所谓具有适应性 就是指它能够与环境以及其它主体进行交互作用 主体在这种持续不断的交互作用的过程中 不断地 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 整个宏观系统的演变或进化 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 都是在这个基础上逐步派生出来的 复杂适应系统的核心思想 10 2 2 1CAS理论的核心概念 适应性主体或行为主体为何在CAS系统中引入适应性主体的概念 2 2CAS的基本概念 系统最小组分是机械的或电磁的元件 属于没有个性和主动性的实体 服从物理规律 系统元素是物质或分子 虽然在不停的运动 但没有个性 没有对环境的适应性 把元素当作适应性行动者 具有主动性和目的性 能够学习和积累经验 改变自身行为规则 环境适应能力 CAS理论通过引入适应性行动者的概念 以行动者作为系统的元素 找到一条客服上述缺点的道路 11 2 2 2适应性行动者的根本特点具有主动性 能够感受环境 自我学习 主动的调整 改变自己 以便能动的适应环境 例如 中枢神经系统的神经元 免疫系统的抗体 经济系统的公司 2 2 3从适应性行动者的角度定义复杂适应系统大量具有主动性行动者在相互作用中努力地相互适应 寻找和创建能够相互适应并共同适应外部环境所需要的行为规则 由这样的行动者整合而成的系统 就是复杂适应系统 CAS生成的动力 12 从信息运作的角度来看 CAS的行为是一整套发达的信息运作 包括信息的获取 加工 压缩 提炼 传送 利用和消除等 按照盖尔曼的总结 研究CAS主要关注 1 信息怎样以数据流的形式到达系统 2 CAS如何寻找数据流中的规律性 如何把它们从一些偶然的特征中提取出来 并提炼成可调整的图示 3 观察这些图示如何与附加信息相结合得出适用于现实世界的结果 这一整套操作如下图所示 2 3CAS的运作机制 13 结果 现实世界 描述 预言 行动 现实世界 现有资料展开概述规律性并能给出预言的图示 许多竞争者的图示之一 规律的辨识与压缩过去的资料包括行为及其效果 复杂适应系统运作图 处理信息 总结研究 提炼内部模式 反馈行动后果的信息 评价 改进内部模式 把内部模式与实时信息结合 描述环境 预测未来 采取行动 作用与现实世界 收集信息 积累经验 14 CAS基本特征 特性 机制 聚集非线性流多样性 标识内部模型积木 CAS是由适应性主体相互作用 共同演化并层层涌现出来的系统 霍兰围绕适应性主体这个最核心的概念提出了在复杂适应系统模型中应具备的七个基本特性 前四个是CAS的通用特性 它们将在适应和进化中发挥作用 后三个是个体与环境进行交流时的机制和有关概念 2 4CAS的基本特性 15 供应链涉及供应商 制造商 零售商 消费者等各类实体及相关的一系列业务活动 呈复杂的网络结构 因此供应链是一类典型的复杂系统 它具有以下特点 供应链系统为复杂适应系统 供应链复杂适应系统分析 16 17 三基于主体的适应性刻画 行动者在获得经验时如何改变系统行为方式 即适应者的行动能力 CAS理论通过和生物系统的类比并联系社会系统的经验来制定描述框架 具体归结为三个步骤 18 从信息运作角度看 就是把前面描述的理论框架转换为计算机模型 把系统运行转换为数据的抽取 组织 传送 由此 建立了回声模型 这是在系统中主体模型的基础上 建立整个系统的宏观模型 一 位置和资源位置 具有一定的环境条件和资源条件 城市 树林 湖泊 资源 可以向主体不断的提供所需要的物质和能量 人力 银行 能源 二 回声模型的基本框架在这个基本模型中 主体具有最简单的功能 寻找交换资源的其他主体 与其他资源进行交流 保存及加工资源 为此 主体要有三个基本部分 回声模型中的行动者如下图所以 四从微观到宏观 回声模型 19 吸取cbbaa 资源来自位置和相互作用 繁殖 当仓库存有生成标识副本的足够资源时 图 回声模型中的行动者 行动者 aaba ccb 进攻标识Tag 防御标识Tag aabbbbccc 仓库 他们的功能包括 主动与其他主体接触 同时也与其他主体的接触进行应答 如果匹配成功则进行资源交流 在自己内部加工和存储资源 如果资源足够 则繁殖新的主体 在此基础上 我们整个回声模型就成为如下情况 整个系统包括若干位置 每个位置中有若干主体 主体之间进行交流 交流资源和信息 进攻标识 用于主动的与其他主体联系和接触 防御标识 用于其他主体与自己联系时决定应答与否 仓库 用于存储的加工资源 20 三 模型的局限层次结构是CAS的普遍特征 但是上述模型还不足以表现各种复杂层次结构的涌现方式 必须加以扩展 使得他能够模拟从单个 种子 逐渐演变为一个有组织的 复杂的聚集体的过程 这就要增强行动者的适应能力 扩充模型的机制 21 以往研究的系统是基于构成论的 CAS理论最大的特点是把复杂性视为生成的 而非既成的 基于生成论来建立描述复杂性的概念框架 提出了受限生成过程 CGP 概念 给复杂性的涌现建立普适的描述框架 从信息运作的角度考察复杂适应系统的运作 与分形论相比 CAS理论对系统生成起点即 微 的刻画不够有力 但对生成过程的刻画较为丰富 CAS着眼于描述生成过程行动者的学习和适应行为 信息的采集 加工