复杂适应系统简介

CAS理论的发展与应用中国人民大学信息学院陈禹二零一零年十月九日北京大学,前言,最近几年，在学术界的各种场合，CAS这个词的出现频率越来越高。这不是偶然的。我们认为这反映了科学的方法论的发展趋势，对于各学科都有参考意义，值得我们关注。,目录,一、CAS理论的由来和地位二、CAS理论的基本概念和特点三、实现平台四、应用领域五、启发和发展方向,一、CAS理论的由来和地位,CAS理论ComplexAdaptiveSystem,是系统科学领域中，近年来涌现出来的一个新的领域。它的出现是人类在认识世界的方法论方面的一个进步。,CAS的由来,CAS的思想是二十世纪这一百年里，人类经过长期的酝酿过程产生的。爱因斯坦、普郎克单层次思维的突破。庞加莱状态空间，状态和过程的统一。维纳、香农信息和反馈的引入。普列高津、哈肯涨落的非线性放大，开放系统的自组织现象。霍兰遗传算法，CAS理论，主体（Agent)概念的提出，涌现现象的研究。,自从二十世纪三十年代现代系统科学诞生以来，人类对于系统，特别是复杂系统的认识不断深化，其发展经历了三个阶段：以工程系统为主的阶段；以热力学系统为主的阶段；以生物和社会系统为主的阶段。*（参看西蒙人工科学第七章的开头）,以工程系统为主的阶段,代表人物：维纳，冯.诺意曼背景：机器主要思想：信息和反馈主要工具：早期的控制论和运筹学管理模式：集中控制系统元素：死的，被动的，没有自身利益和目标的对象。,以热力学系统为主的阶段,代表人物：普里高津,哈肯背景：热力学系统，激光等主要思想：涨落，自组织主要工具：概率统计方法管理模式：间接控制，场，环境系统元素：具有随机的运动方式，其本身仍然是无意识的，死的。,以生物和经济系统为主的阶段,代表人物：J.Holland背景：生物和经济系统主要思想：适应和学习主要工具：计算机模拟，遗传算法管理模式：机制设计，委托代理系统元素：活的，主动的，具有自身利益和目标，能够积累经验和学习。,系统科学的发展,研究对象和范围不断扩大。研究手段不断改进。（计算机的应用）更加紧密联系实际。涉及更深层次的理论问题：局部VS。整体确定VS。随机物质VS。精神,CAS理论应运而生,正是在这样的背景下，SFI的学者们针对系统科学面对的新问题、新形势，综合了现代科学各方面的成果和启示，提出了复杂适应系统理论（CAS理论），把人们对于复杂系统的理解推向一个新的水平。,二、CAS理论的基本概念和特点,复杂适应系统（CAS，ComplexAdaptiveSystem)理论,是由霍兰（J.Holland）于1994年的一个报告中正式提出的。该报告后来以HiddenOrder（中文译本名为“隐秩序”）出版。其后他又写了Emergence（中文译本名为“涌现”）。其基本观点为：“（个体的）适应性导致了（系统的）复杂性”。,CAS理论的基本概念,1。具有适应性的主体（AdaptiveAgent)。*与环境有信息和物质的交流。*在反复的交流中改变自身。*个体和整体都在过程中演变。,CAS理论的基本概念（续）,2。适应性的基本机制（刺激反应模型）*“IFTHEN”规则。*规则的多样性和可变性。,CAS理论的基本概念（续）,3。染色体及其适应度（Fitness)*规则的载体染色体。*染色体的评价适应度。*适应度的调整。,CAS理论的基本概念（续）,4。主体与环境的交流（资源流和信息流）*两种流物质流和信息流。*主体的二重性每个主体对于其他主体构成环境的一部分。,CAS理论的基本概念（续）,5。受限生成过程（CGP,ConstrainedGeneratingProcedure)*对每个个体来说，CGP是适应的具体表现。*对于整个系统来说，CGP是演化过程的具体解释。,CAS理论的基本概念（续）,6。回声模型（ECHO模型）*位置（SITE）*资源产地（SOURCE）,CAS理论的基本概念（续）,涌现现象的八个基本特点：A。出现在生成系统中；B。整体大于各部分的和；C。组成部分不断改变的稳定模式；D。这种稳定模式的功能由环境决定；,CAS理论的基本概念（续）,E。随着稳定模式的增加，功能也在增加；F。稳定模式通常满足宏观规律；G。存在差别的稳定性；H。稳定性的强化导致更高层次的生成过程。*参见涌现的结束语,CAS理论的意义,总之，CAS理论的核心思想在于：用具有主动性的、活的“主体”概念取代了完全被动的、死的“元素”、“部分”、“子系统”等概念。这一新颖的思想迅速地被各学科吸取，形成了ABM的热潮。,自底向上的建模方法,CAS理论的特点,与我们以前的分析方法相比，CAS具有四个显著的特点：主动性层次性动态性可操作性,CAS的特点之一主动性,以前的系统方法对于个体（或元素）的主动性考虑不够，因此对于经济、社会、生物、生态等类型的复杂系统的描述和研究显得无能为力。CAS则把构成系统的元素的自身的主动性，当作系统发展变化的最根本的动力来源，从而为认识和控制这样的一大类复杂系统提供了思路。,CAS理论的特点之二层次性,由于CAS理论承认层次的相对性，对于层次问题有了新的理解，所以它能够比较辩证地看待和处理宏观和微观的关系，不至于过分强调一个方面，而忽视了另一方面。而且它在应用中具有极大的灵活性，因为它可以从不同的层次去深入研究和观察复杂系统，给研究者提供了广泛选择的余地。,CAS的特点之三动态性,传统方法对于系统的演化过程考虑不够，因此对于经济、社会、生物、生态等类型的复杂系统的描述和研究显得无能为力。CAS则把系统的状态当作演化过程的一环或结果，从而为认识系统的复杂性和控制这样的复杂系统提供了思路。,CAS的特点之四可操作性,以前的一些分析方法由于缺乏可以获得的数据，或者计算复杂性的障碍，事实上无法实施和操作。而CAS理论则通过各种模拟平台的建立，为研究者提供了实际的可操作的研究手段，使之切实可行。,三。实现平台。,Swarm类SWARM（Ascape,Repast)专用平台：TNG-lib普及型平台：StarlogoNETLOGAgentSheet,CAS的实现Swarm等软件平台,CAS的一个值得注意的特点是它的可操作性，即它配有可以直接运行的软件平台如Swarm。Swarm是一个可以从网上免费下载的软件平台。从圣菲研究所的网站上，人们可以很容易得到它WWW.SANTAFE.EDU它提供了描述各类主体及其行为，以及环境设置所需要的各种类库（CLASS）。从而为实施基于主体的系统模拟提供了十分方便的条件。,Swarm平台的特点,领域无关性自由软件丰富的类库良好的时间调度机制和通讯机制,利用Swarm进行模拟的例子,“热虫”模型国会山保姆公司的模型国民消费的模型假日经济的模型,其他的类似的软件平台,ASCAPE霍普金斯学院TNG-LabIOWA大学REPAST芝加哥大学,四、应用领域,经济学ACE（Agent_basedComputationalEconomics)。生物学（抗体和免疫系统研究）。环境和生态学（生态系统的演变和保护）。社会科学（文明的演变和融合）。教育和心理学（建构主义）。,二十世纪中经济学也经历了深刻的变化，出现了许多新的理论和方法。经济学为ABM提供了典型的CAS理论背景，AGENT这个词本身就是从经济学中借用来的。其中信息经济学是一个关系十分密切的方面。,1。信息经济学和对策论,经济系统是CAS的一个典型范例,从进化的角度看待经济系统交互是分散的没有控制者交叉的层次组织不断的适应总是创新超越均衡的动态性,生物科学领域对于ABM方法也提供了许多宝贵的启发和思想。如：免疫系统的研究脑科学的研究生态系统的研究,2。生物科学和医学,二十世纪中，人类越来越大规模的社会活动和生产实践，也为新的建模思想的产生提供了许多重要的思想火花。如：大型工程的组织；可靠性问题；软件质量问题；中央控制器是必须的吗？机器人的新思路。,3。工程科学和计算机科学,另外的一些科学与实践的启发，同样也使人们不断地反思我们做事和想问题的方法。如：关于人为事物的科学；没有终极目标的设计；INTERNET的出现；事理学和人理学；决策的分散化；生产的社会化和企业的小型化。,4。对于做事方法的研究,五、启发和发展方向,CAS理论为我们认识和研究复杂系统提供了新的思路和有益的启示。这些启示具有深刻的认识论和哲学意义。,5。1宏观和微观的联系对层次的新认识。,对于层次之间的辩证关系的认识，一直是复杂系统研究的一个关键。许多学科需要系统科学给出一条切实可行的沟通宏观和微观的途径，经济学就是一个典型。,层次问题的症结,传统思维在层次问题上的偏颇主要在于以下几点：1。不承认层次的多样性；2。不承认层次间质的差别；3。试图以一个层次的规律解释所有层次；4。把宏观和微观之间的关系简单化，或者强调一方面，而忽视另一方面，或者简单地、线性地用统计规律解释。,对层次问题的启发,启发在于以下几点：1。承认各层次间质的差别；2。从局部到整体时，出现了新的质；3。局部组成整体时并没有失去自己的特殊的质和活力；4。承认和深入研究跨越层次的机制的多样性，即涌现现象和复杂性的产生。,Klir引用的老子的话,GreatnessmeansDistanceDistancemeansVanishingVanishingreturntoGreatness大曰远远曰逝逝曰返,实际意义,这些启发对于现实有直接的作用：1。社会主义市场经济的理论根据，政府和企业的不同位置和职能；2。管理科学的新思路；3。环境科学和环境保护的思路；4。机器人的设计思想；5。现代生物学和医学的发展方向；6。社会心态的平衡，“小大由之”，层次间的平等。,5。2内因和外因广义的环境观。,内因和外因，究竟哪个是决定系统进化的动力和基础？对于这个永恒的议题，CAS理论用一种广义的环境观加以解决：个体和环境之间的、反复的、长期的交互作用，才是发展的动力来源。这就把“主体”和“客体”、内因和外因辩证地结合起来了。,启发。,内和外，主观和客观的区别都是相对的、变动的。,5。3从注重当前内容和状态到注重演化过程,ContentOrientedVS.ProcessOrientedMRCM，IF