1、復雜適應系統簡介前前 言言 最近幾年，在學術界的各種場合，最近幾年，在學術界的各種場合，CASCAS這個詞的出現頻率越來越高。這不是偶這個詞的出現頻率越來越高。這不是偶然的。我們認為這反映了科學的方法論然的。我們認為這反映了科學的方法論的發展趨勢，的發展趨勢， 對于各學科都有參考意義對于各學科都有參考意義，值得我們關注。，值得我們關注。 自從二十世紀三十年代現代系統科學誕生自從二十世紀三十年代現代系統科學誕生以來，人類對于系統，特別是復雜系統的認以來，人類對于系統，特別是復雜系統的認識不斷深化，其發展經歷了三個階段：識不斷深化，其發展經歷了三個階段： 以工程系統為主的階段；以工程系統為主的階段

2、； 以熱力學系統為主的階段；以熱力學系統為主的階段； 以生物和社會系統為主的階段以生物和社會系統為主的階段。* *（參看西蒙（參看西蒙人工科學人工科學第七章的開頭）第七章的開頭）以工程系統為主的階段以工程系統為主的階段F代表人物：維納，馮代表人物：維納，馮.諾意曼諾意曼F背景：機器背景：機器F主要思想：信息和反饋主要思想：信息和反饋F主要工具：早期的控制論和運籌學主要工具：早期的控制論和運籌學F管理模式：集中控制管理模式：集中控制F系統元素：死的，被動的，沒有自身利系統元素：死的，被動的，沒有自身利益和目標的對象。益和目標的對象。以熱力學系統為主的階段以熱力學系統為主的階段F代表人物：普里高津

3、代表人物：普里高津,哈肯哈肯F背景：熱力學系統，激光等背景：熱力學系統，激光等F主要思想：漲落，自組織主要思想：漲落，自組織F主要工具：概率統計方法主要工具：概率統計方法F管理模式：間接控制，場，環境管理模式：間接控制，場，環境F系統元素：具有隨機的運動方式，其本系統元素：具有隨機的運動方式，其本身仍然是無意識的，死的。身仍然是無意識的，死的。以生物和經濟系統為主的階段以生物和經濟系統為主的階段F代表人物：代表人物：J.HollandF背景：生物和經濟系統背景：生物和經濟系統F主要思想：適應和學習主要思想：適應和學習F主要工具：計算機模擬，遺傳算法主要工具：計算機模擬，遺傳算法F管理模式：機制

4、設計，委托代理管理模式：機制設計，委托代理F系統元素：活的，主動的，具有自身利系統元素：活的，主動的，具有自身利益和目標，能夠積累經驗和學習。益和目標，能夠積累經驗和學習。系統科學的發展系統科學的發展F研究對象和范圍不斷擴大。研究對象和范圍不斷擴大。F研究手段不斷改進。（計算機的應用）研究手段不斷改進。（計算機的應用）F更加緊密聯系實際。更加緊密聯系實際。F涉及更深層次的理論問題：涉及更深層次的理論問題： 局部局部 VSVS。整體。整體 確定確定 VSVS。隨機。隨機 物質物質 VSVS。精神。精神CASCAS理論應運而生理論應運而生 正是在這樣的背景下，SFI 的學者們針對系統科學面對的新問

5、題、新形勢，綜合了現代科學各方面的成果和啟示，提出了復雜適應系統理論（CAS理論），把人們對于復雜系統的理解推向一個新的水平。二、CAS 理論的基本概念和特點 復雜適應系統（CAS，Complex Adaptive System)理論,是由霍蘭（J.Holland） 于1994年的一個報告中正式提出的。 該報告后來以Hidden Order（中文譯本名為“隱秩序”）出版。其后他又寫了Emergence（中文譯本名為“涌現”）。 其基本觀點為：“（個體的）適應性導致了（個體的）適應性導致了（系統的）復雜性（系統的）復雜性”。CAS 理論的基本概念 1。具有適應性的主體（Adaptive Agen

6、t)。 * 與環境有信息和物質的交流。 * 在反復的交流中改變自身。 * 個體和整體都在過程中演變。 CAS 理論的基本概念（續）2。適應性的基本機制（刺激反應模型） * “IFTHEN”規則。 * 規則的多樣性和可變性。CAS 理論的基本概念（續） 3。染色體及其適應度（Fitness) * 規則的載體染色體。 * 染色體的評價適應度。 * 適應度的調整。 CAS 理論的基本概念（續）4。主體與環境的交流（資源流和信息流） * 兩種流物質流和信息流。 * 主體的二重性每個主體對于其他主體構成環境的一部分。CAS 理論的基本概念（續）5。受限生成過程（CGP, Constrained Gene

7、rating Procedure) * 對每個個體來說，CGP是適應的具體表現。 * 對于整個系統來說，CGP是演化過程的具體解釋。 CAS 理論的基本概念（續） 6。回聲模型（ECHO模型） * 位置（SITE） * 資源產地（SOURCE）CAS 理論的基本概念（續） 涌現現象的八個基本特點：A。出現在生成系統中；B。整體大于各部分的和；C。組成部分不斷改變的穩定模式；D。這種穩定模式的功能由環境決定；CAS 理論的基本概念（續）E。隨著穩定模式的增加，功能也在增加；F。穩定模式通常滿足宏觀規律；G。存在差別的穩定性；H。穩定性的強化導致更高層次的生成過程。*參見涌現的結束語CAS 理論的

8、意義 總之，CAS理論的核心思想在于： 用具有主動性的、活的用具有主動性的、活的“主體主體”概念取概念取代了完全被動的、死的代了完全被動的、死的“元素元素”、“部分部分”、“子系統子系統”等概念。等概念。 這一新穎的思想迅速地被各學科吸取，形成了ABM的熱潮。自底向上的建模方法CASCAS理論的特點理論的特點 與我們以前的分析方法相比，與我們以前的分析方法相比，CASCAS具有具有四個顯著的特點：四個顯著的特點： 主動性主動性 層次性層次性 動態性動態性 可操作性可操作性CASCAS的特點之一的特點之一主動性主動性 以前的系統方法對于個體（或元素）的主動性考慮不夠，因此對于經濟、社會、生物、生

9、態等類型的復雜系統的描述和研究顯得無能為力。 CAS則把構成系統的元素的自身的主動性，當作系統發展變化的最根本的動力來源，從而為認識和控制這樣的一大類復雜系統提供了思路。CASCAS理論的特點之二理論的特點之二層次性層次性 由于CAS理論承認層次的相對性，對于層次問題有了新的理解，所以它能夠比較辯證地看待和處理宏觀和微觀的關系，不至于過分強調一個方面，而忽視了另一方面。而且它在應用中具有極大的靈活性，因為它可以從不同的層次去深入研究和觀察復雜系統，給研究者提供了廣泛選擇的余地。CASCAS的特點之三的特點之三動態性動態性 傳統方法對于系統的演化過程考慮不夠，因此對于經濟、社會、生物、生態等類型

10、的復雜系統的描述和研究顯得無能為力。 CAS則把系統的狀態當作演化過程的一環或結果，從而為認識系統的復雜性和控制這樣的復雜系統提供了思路。CASCAS的特點之四的特點之四可操作性可操作性 以前的一些分析方法由于缺乏可以獲得的數據，或者計算復雜性的障礙，事實上無法實施和操作。而CAS理論則通過各種模擬平臺的建立，為研究者提供了實際的可操作的研究手段，使之切實可行。三。實現平臺。FSwarmF類SWARM（Ascape, Repast)F專用平臺：TNG-libF普及型平臺： Starlogo NETLOG AgentSheetCAS的實現Swarm等軟件平臺FCAS的一個值得注意的特點是它的可操

11、作性，即它配有可以直接運行的軟件平臺 如Swarm。FSwarm是一個可以從網上免費下載的軟件平臺。F從圣菲研究所的網站上，人們可以很容易得到它 WWW.SANTAFE.EDUF它提供了描述各類主體及其行為，以及環境設置所需要的各種類庫（CLASS）。從而為實施基于主體的系統模擬提供了十分方便的條件。 Swarm平臺的特點F領域無關性領域無關性F自由軟件自由軟件F豐富的類庫豐富的類庫F良好的時間調度機制和通訊機制良好的時間調度機制和通訊機制 利用Swarm進行模擬的例子F“熱蟲熱蟲”模型模型F國會山保姆公司的模型國會山保姆公司的模型F國民消費的模型國民消費的模型F假日經濟的模型假日經濟的模型

12、其他的類似的軟件平臺FASCAPEASCAPE霍普金斯學院霍普金斯學院FTNG-LabIOWATNG-LabIOWA大學大學FREPASTREPAST芝加哥大學芝加哥大學四、四、 應用領域應用領域F 經濟學經濟學ACEACE（Agent_based Agent_based Computational Economics)Computational Economics)。F生物學（抗體和免疫系統研究）。生物學（抗體和免疫系統研究）。F環境和生態學（生態系統的演變和保護環境和生態學（生態系統的演變和保護）。）。F社會科學（文明的演變和融合）。社會科學（文明的演變和融合）。F教育和心理學（建構主義）

13、。教育和心理學（建構主義）。 二十世紀中經濟學也經歷了深刻的變化，二十世紀中經濟學也經歷了深刻的變化，出現了許多新的理論和方法。經濟學為出現了許多新的理論和方法。經濟學為ABMABM提供了典型的提供了典型的CASCAS理論背景，理論背景，AGENTAGENT這個詞本這個詞本身就是從經濟學中借用來的。身就是從經濟學中借用來的。 其中信息經濟學是一個關系十分密切的其中信息經濟學是一個關系十分密切的方面。方面。 1。 信息經濟學和對策論經濟系統是CAS的一個典型范例F從進化的角度看待經濟系統 交互是分散的 沒有控制者 交叉的層次組織 不斷的適應 總是創新 超越均衡的動態性 生物科學領域對于生物科學領

14、域對于ABMABM方法也提供了許多方法也提供了許多寶貴的啟發和思想。如：寶貴的啟發和思想。如： 免疫系統的研究免疫系統的研究 腦科學的研究腦科學的研究 生態系統的研究生態系統的研究2。 生物科學和醫學 二十世紀中，人類越來越大規模的社會活二十世紀中，人類越來越大規模的社會活動和生產實踐，也為新的建模思想的產生提動和生產實踐，也為新的建模思想的產生提供了許多重要的思想火花。如：供了許多重要的思想火花。如： 大型工程的組織；大型工程的組織； 可靠性問題；可靠性問題； 軟件質量問題；軟件質量問題； 中央控制器是必須的嗎？中央控制器是必須的嗎？ 機器人的新思路。機器人的新思路。3。 工程科學和計算機科

15、學 另外的一些科學與實踐的啟發，同樣也使人們另外的一些科學與實踐的啟發，同樣也使人們不斷地反思我們做事和想問題的方法。如：不斷地反思我們做事和想問題的方法。如： 關于人為事物的科學；關于人為事物的科學； 沒有終極目標的設計；沒有終極目標的設計； INTERNETINTERNET的出現；的出現； 事理學和人理學；事理學和人理學； 決策的分散化；決策的分散化； 生產的社會化和企業的小型化。生產的社會化和企業的小型化。4。 對于做事方法的研究五、五、啟發和發展方向啟發和發展方向 CAS理論為我們認識和研究復雜理論為我們認識和研究復雜系統提供了新的思路和有益的啟示。系統提供了新的思路和有益的啟示。這些

16、啟示具有深刻的認識論和哲學意這些啟示具有深刻的認識論和哲學意義。義。5 。 1 宏 觀 和 微 觀 的 聯 系宏 觀 和 微 觀 的 聯 系 對層次的新認識對層次的新認識。 對于層次之間的辯證關系的認識，對于層次之間的辯證關系的認識，一直是復雜系統研究的一個關鍵。許一直是復雜系統研究的一個關鍵。許多學科需要系統科學給出一條切實可多學科需要系統科學給出一條切實可行的溝通宏觀和微觀的途徑，經濟學行的溝通宏觀和微觀的途徑，經濟學就是一個典型。就是一個典型。 層次問題的癥結F傳統思維在層次問題上的偏頗主要在于以下幾點：F1。不承認層次的多樣性；F2。不承認層次間質的差別；F3。試圖以一個層次的規律解釋

17、所有層次；F4。把宏觀和微觀之間的關系簡單化，或者強調一方面，而忽視另一方面，或者簡單地、線性地用統計規律解釋。對層次問題的啟發F啟發在于以下幾點：F1。承認各層次間質的差別；F2。從局部到整體時，出現了新的質；F3。局部組成整體時并沒有失去自己的特殊的質和活力；F4。承認和深入研究跨越層次的機制的多樣性，即涌現現象和復雜性的產生。Klir 引用的老子的話FGreatness means DistanceFDistance means VanishingFVanishing return to GreatnessF大曰遠F遠曰逝F逝曰返實際意義F這些啟發對于現實有直接的作用：F1。社會主義市場

18、經濟的理論根據，政府和企業的不同位置和職能；F2。管理科學的新思路；F3。環境科學和環境保護的思路；F4。機器人的設計思想；F5。現代生物學和醫學的發展方向；F6。社會心態的平衡，“小大由之”，層次間的平等。5 5。2 2 內因和外因內因和外因廣義的環境觀廣義的環境觀。F內因和外因，究竟哪個是決定系統進內因和外因，究竟哪個是決定系統進化的動力和基礎？對于這個永恒的議化的動力和基礎？對于這個永恒的議題，題，CASCAS理論用一種廣義的環境觀加理論用一種廣義的環境觀加以解決：個體和環境之間的、反復的以解決：個體和環境之間的、反復的、長期的交互作用，才是發展的動力、長期的交互作用，才是發展的動力來源來源。這就把。這就把“主