CAS理論的發(fā)展與應(yīng)用

中國(guó)人民大學(xué)信息學(xué)院

陳禹

二零一零年十月九日北京大學(xué)前言

最近幾年，在學(xué)術(shù)界的各種場(chǎng)合，CAS這個(gè)詞的出現(xiàn)頻率越來(lái)越高。這不是偶然的。我們認(rèn)為這反映了科學(xué)的方法論的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于各學(xué)科都有參考意義，值得我們關(guān)注。目錄一、CAS理論的由來(lái)和地位二、CAS理論的基本概念和特點(diǎn)三、實(shí)現(xiàn)平臺(tái)四、應(yīng)用領(lǐng)域五、啟發(fā)和發(fā)展方向一、CAS理論的由來(lái)和地位

CAS理論——ComplexAdaptiveSystem,是系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域中，近年來(lái)涌現(xiàn)出來(lái)的一個(gè)新的領(lǐng)域。它的出現(xiàn)是人類(lèi)在認(rèn)識(shí)世界的方法論方面的一個(gè)進(jìn)步。CAS的由來(lái)CAS的思想是二十世紀(jì)這一百年里，人類(lèi)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的醞釀過(guò)程產(chǎn)生的。愛(ài)因斯坦、普郎克——單層次思維的突破。龐加萊——狀態(tài)空間，狀態(tài)和過(guò)程的統(tǒng)一。維納、香農(nóng)——信息和反饋的引入。普列高津、哈肯——漲落的非線(xiàn)性放大，開(kāi)放系統(tǒng)的自組織現(xiàn)象。霍蘭——遺傳算法，CAS理論，主體（Agent)概念的提出，涌現(xiàn)現(xiàn)象的研究。

自從二十世紀(jì)三十年代現(xiàn)代系統(tǒng)科學(xué)誕生以來(lái)，人類(lèi)對(duì)于系統(tǒng)，特別是復(fù)雜系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)不斷深化，其發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：以工程系統(tǒng)為主的階段；以熱力學(xué)系統(tǒng)為主的階段；以生物和社會(huì)系統(tǒng)為主的階段。*（參看西蒙《人工科學(xué)》第七章的開(kāi)頭）以工程系統(tǒng)為主的階段代表人物：維納，馮.諾意曼背景：機(jī)器主要思想：信息和反饋主要工具：早期的控制論和運(yùn)籌學(xué)管理模式：集中控制系統(tǒng)元素：死的，被動(dòng)的，沒(méi)有自身利益和目標(biāo)的對(duì)象。以熱力學(xué)系統(tǒng)為主的階段代表人物：普里高津,哈肯背景：熱力學(xué)系統(tǒng)，激光等主要思想：漲落，自組織主要工具：概率統(tǒng)計(jì)方法管理模式：間接控制，場(chǎng)，環(huán)境系統(tǒng)元素：具有隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式，其本身仍然是無(wú)意識(shí)的，死的。以生物和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)為主的階段代表人物：J.Holland背景：生物和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)主要思想：適應(yīng)和學(xué)習(xí)主要工具：計(jì)算機(jī)模擬，遺傳算法管理模式：機(jī)制設(shè)計(jì)，委托代理系統(tǒng)元素：活的，主動(dòng)的，具有自身利益和目標(biāo)，能夠積累經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)。系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展研究對(duì)象和范圍不斷擴(kuò)大。研究手段不斷改進(jìn)。（計(jì)算機(jī)的應(yīng)用）更加緊密聯(lián)系實(shí)際。涉及更深層次的理論問(wèn)題： 局部VS。整體確定VS。隨機(jī)物質(zhì)VS。精神CAS理論應(yīng)運(yùn)而生正是在這樣的背景下，SFI的學(xué)者們針對(duì)系統(tǒng)科學(xué)面對(duì)的新問(wèn)題、新形勢(shì)，綜合了現(xiàn)代科學(xué)各方面的成果和啟示，提出了復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論（CAS理論），把人們對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的理解推向一個(gè)新的水平。二、CAS理論的基本概念和特點(diǎn)復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)（CAS，ComplexAdaptiveSystem)理論,是由霍蘭（J.Holland）于1994年的一個(gè)報(bào)告中正式提出的。該報(bào)告后來(lái)以《HiddenOrder》（中文譯本名為“隱秩序”）出版。其后他又寫(xiě)了《Emergence》（中文譯本名為“涌現(xiàn)”）。其基本觀點(diǎn)為：“（個(gè)體的）適應(yīng)性導(dǎo)致了（系統(tǒng)的）復(fù)雜性”。CAS理論的基本概念

1。具有適應(yīng)性的主體（AdaptiveAgent)。 *與環(huán)境有信息和物質(zhì)的交流。*在反復(fù)的交流中改變自身。*個(gè)體和整體都在過(guò)程中演變。

CAS理論的基本概念（續(xù)）2。適應(yīng)性的基本機(jī)制（刺激——反應(yīng)模型）*“IF——THEN”規(guī)則。*規(guī)則的多樣性和可變性。CAS理論的基本概念（續(xù)）

3。染色體及其適應(yīng)度（Fitness)*規(guī)則的載體——染色體。*染色體的評(píng)價(jià)——適應(yīng)度。*適應(yīng)度的調(diào)整。

CAS理論的基本概念（續(xù)）4。主體與環(huán)境的交流（資源流和信息流）

*兩種流—物質(zhì)流和信息流。*主體的二重性——每個(gè)主體對(duì)于其他主體構(gòu)成環(huán)境的一部分。CAS理論的基本概念（續(xù)）5。受限生成過(guò)程（CGP,ConstrainedGeneratingProcedure)*對(duì)每個(gè)個(gè)體來(lái)說(shuō)，CGP是適應(yīng)的具體表現(xiàn)。*對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，CGP是演化過(guò)程的具體解釋。

CAS理論的基本概念（續(xù)）

6。回聲模型（ECHO模型）*位置（SITE）*資源產(chǎn)地（SOURCE）CAS理論的基本概念（續(xù)）

涌現(xiàn)現(xiàn)象的八個(gè)基本特點(diǎn)：A。出現(xiàn)在生成系統(tǒng)中；B。整體大于各部分的和；C。組成部分不斷改變的穩(wěn)定模式；D。這種穩(wěn)定模式的功能由環(huán)境決定；CAS理論的基本概念（續(xù)）E。隨著穩(wěn)定模式的增加，功能也在增加；F。穩(wěn)定模式通常滿(mǎn)足宏觀規(guī)律；G。存在差別的穩(wěn)定性；H。穩(wěn)定性的強(qiáng)化導(dǎo)致更高層次的生成過(guò)程。*參見(jiàn)《涌現(xiàn)》的結(jié)束語(yǔ)CAS理論的意義

總之，CAS理論的核心思想在于：

用具有主動(dòng)性的、活的“主體”概念取代了完全被動(dòng)的、死的“元素”、“部分”、“子系統(tǒng)”等概念。這一新穎的思想迅速地被各學(xué)科吸取，形成了ABM的熱潮。自底向上的建模方法CAS理論的特點(diǎn)

與我們以前的分析方法相比，CAS具有四個(gè)顯著的特點(diǎn)：——主動(dòng)性——層次性——?jiǎng)討B(tài)性——可操作性CAS的特點(diǎn)之一——主動(dòng)性以前的系統(tǒng)方法對(duì)于個(gè)體（或元素）的主動(dòng)性考慮不夠，因此對(duì)于經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生物、生態(tài)等類(lèi)型的復(fù)雜系統(tǒng)的描述和研究顯得無(wú)能為力。CAS則把構(gòu)成系統(tǒng)的元素的自身的主動(dòng)性，當(dāng)作系統(tǒng)發(fā)展變化的最根本的動(dòng)力來(lái)源，從而為認(rèn)識(shí)和控制這樣的一大類(lèi)復(fù)雜系統(tǒng)提供了思路。CAS理論的特點(diǎn)之二——層次性由于CAS理論承認(rèn)層次的相對(duì)性，對(duì)于層次問(wèn)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(guān)系，不至于過(guò)分強(qiáng)調(diào)一個(gè)方面，而忽視了另一方面。而且它在應(yīng)用中具有極大的靈活性，因?yàn)樗梢詮牟煌膶哟稳ド钊胙芯亢陀^察復(fù)雜系統(tǒng)，給研究者提供了廣泛選擇的余地。CAS的特點(diǎn)之三——?jiǎng)討B(tài)性傳統(tǒng)方法對(duì)于系統(tǒng)的演化過(guò)程考慮不夠，因此對(duì)于經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生物、生態(tài)等類(lèi)型的復(fù)雜系統(tǒng)的描述和研究顯得無(wú)能為力。CAS則把系統(tǒng)的狀態(tài)當(dāng)作演化過(guò)程的一環(huán)或結(jié)果，從而為認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的復(fù)雜性和控制這樣的復(fù)雜系統(tǒng)提供了思路。CAS的特點(diǎn)之四——可操作性以前的一些分析方法由于缺乏可以獲得的數(shù)據(jù)，或者計(jì)算復(fù)雜性的障礙，事實(shí)上無(wú)法實(shí)施和操作。而CAS理論則通過(guò)各種模擬平臺(tái)的建立，為研究者提供了實(shí)際的可操作的研究手段，使之切實(shí)可行。三。實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。Swarm類(lèi)SWARM（Ascape,Repast…)專(zhuān)用平臺(tái)：TNG-lib普及型平臺(tái)：StarlogoNETLOGAgentSheetCAS的實(shí)現(xiàn)——Swarm等軟件平臺(tái)CAS的一個(gè)值得注意的特點(diǎn)是它的可操作性，即它配有可以直接運(yùn)行的軟件平臺(tái)——如Swarm。Swarm是一個(gè)可以從網(wǎng)上免費(fèi)下載的軟件平臺(tái)。從圣菲研究所的網(wǎng)站上，人們可以很容易得到它WWW.SANTAFE.EDU它提供了描述各類(lèi)主體及其行為，以及環(huán)境設(shè)置所需要的各種類(lèi)庫(kù)（CLASS）。從而為實(shí)施基于主體的系統(tǒng)模擬提供了十分方便的條件。Swarm平臺(tái)的特點(diǎn)領(lǐng)域無(wú)關(guān)性自由軟件豐富的類(lèi)庫(kù)良好的時(shí)間調(diào)度機(jī)制和通訊機(jī)制利用Swarm進(jìn)行模擬的例子“熱蟲(chóng)”模型國(guó)會(huì)山保姆公司的模型國(guó)民消費(fèi)的模型假日經(jīng)濟(jì)的模型其他的類(lèi)似的軟件平臺(tái)ASCAPE——霍普金斯學(xué)院TNG-Lab——IOWA大學(xué)REPAST——芝加哥大學(xué)四、應(yīng)用領(lǐng)域

經(jīng)濟(jì)學(xué)——ACE（Agent_basedComputationalEconomics)。生物學(xué)（抗體和免疫系統(tǒng)研究）。環(huán)境和生態(tài)學(xué)（生態(tài)系統(tǒng)的演變和保護(hù)）。社會(huì)科學(xué)（文明的演變和融合）。教育和心理學(xué)（建構(gòu)主義）。

二十世紀(jì)中經(jīng)濟(jì)學(xué)也經(jīng)歷了深刻的變化，出現(xiàn)了許多新的理論和方法。經(jīng)濟(jì)學(xué)為ABM提供了典型的CAS理論背景，AGENT這個(gè)詞本身就是從經(jīng)濟(jì)學(xué)中借用來(lái)的。其中信息經(jīng)濟(jì)學(xué)是一個(gè)關(guān)系十分密切的方面。

1。信息經(jīng)濟(jì)學(xué)和對(duì)策論經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)是CAS的一個(gè)典型范例從進(jìn)化的角度看待經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)交互是分散的沒(méi)有控制者交叉的層次組織不斷的適應(yīng)總是創(chuàng)新超越均衡的動(dòng)態(tài)性

生物科學(xué)領(lǐng)域?qū)τ贏BM方法也提供了許多寶貴的啟發(fā)和思想。如：——免疫系統(tǒng)的研究——腦科學(xué)的研究——生態(tài)系統(tǒng)的研究2。生物科學(xué)和醫(yī)學(xué)

二十世紀(jì)中，人類(lèi)越來(lái)越大規(guī)模的社會(huì)活動(dòng)和生產(chǎn)實(shí)踐，也為新的建模思想的產(chǎn)生提供了許多重要的思想火花。如：——大型工程的組織；——可靠性問(wèn)題；——軟件質(zhì)量問(wèn)題；——中央控制器是必須的嗎？——機(jī)器人的新思路。3。工程科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)

另外的一些科學(xué)與實(shí)踐的啟發(fā)，同樣也使人們不斷地反思我們做事和想問(wèn)題的方法。如：——關(guān)于人為事物的科學(xué)；——沒(méi)有終極目標(biāo)的設(shè)計(jì)；——INTERNET的出現(xiàn)；——事理學(xué)和人理學(xué)；——決策的分散化；——生產(chǎn)的社會(huì)化和企業(yè)的小型化。