复杂适应系统理论

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1、第十讲 复杂适应系统(xit&ng) (CAS)理论复杂适应系统(Complex Adaptive System，以下简称CAS)理论是美国霍兰 (John Holland)教授于1994年，在Santa fe研究所成立十周年时正式提出的。 复杂适应系统(CAS)理论的提出对于人们认识、理解、控制、管理复杂系统 提供了新的思路。CAS理论包括微观和宏观两个(歸nggP)方面。在微观方面， CAS 理论的最基本的概念是具有适应能力的、主动的个体，简称主体。这种主 体在与环境的交互作用中遵循一般的刺激反应模型，所谓适应能力表现在 它能够根据行为的效果修改自己的行为规则，以便更好地在客观环境中生存。

2、 在宏观方面，由这样的主体组成的系统，将在主体之间以及主体与环境的相互 作用中发展，表现出宏观系统中的分化、涌现等种种复杂的演化过程。CAS理 论虽然提出不久，但是(danshi)由于其思想的新颖和富有启发，它已经在许多领 域得到了应用，推动着人们对于复杂系统的行为规律进行深入研究。一、复杂(fJzR适应系统理论的基本观点和概念作为CAS理论的产生背景，有必要对于Santa fe研究所作一简要(jianyao)的 介绍。Santa fe研究所成立于1984年。在许多著名科学家的支持下，第一次研 讨会于 1984年，在美国新墨西哥州的首府桑塔菲市举行。这次会议以经济为主 题，参加者不但有以诺贝尔

3、经济学奖得主阿罗(Kenneth Arrow )为首的许多经 济学家，而且有许多物理学家，包括诺贝尔物理学奖得主盖尔曼(Murray Gell- Mann )和安德森(Philip W. Anderson)。这次成功的交流使与会者十分兴奋， 并且一致同意按此方向走下去。这就是Santa fe研究所的诞生。它是一个独立的非赢利的研究所，靠申请各种基金来支持跨学科的研究工作。不久前，它被 评为全美国最优秀的十个研究所之一。Santa fe研究所出版了许多出版物，除了 已出版的几十种专著之外，它还出版杂志复杂性(Complexity )。为了加 快交流，Santa fe研究所还编发内部交流的工作论文

4、(Working Papers)，每年 有一百篇左右，不但印成单份散发，而且放在网站上。这一措施大大加速了该 领域的交流。复杂适应系统(CAS)理论就是在这样一个环境中孕育和诞生 的。(一)CAS理论(lUJn)的核心思想适应(shiying)产生复杂性复杂适应(shiying)系统(CAS)理论的基本思想可以概述如下：我们把系统中的成员称为具有适应性的主体(zhJtT)(Adaptive Agent)，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(xuQxD”或“积累经验”，并 且根据学到的经验改变自身的结构和

5、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(CAS )理论把系统的成员看作是具有自身目的与主动性的、积 极的主体。更重要的是， CAS 理论认为，正是这种主动性以及它与环境的反复 的、相互的作用，才是系统发展和进化的基本动因。宏观的变化和个体分化都 可以从个体的行为规律中找到根源。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”一词加以概括。这就是 CAS 理论的基本思想适应产生 复杂性。(二)CAS理论(lilun)的基本概念系统中的个体仗逍一般称为元素，部分或

6、子系统。复杂适应系统理论采用了Adaptive Agent具有适应能力的个体这个词，这是为了强调它的主动性，强调它具有自己的目标，内部结构和生存动力。Agent这个词本来是经济学中的 用语，表示代理人或代理商的意思。霍兰借用(jieyong)这个词，明显地表示： 经济系统是他建立CAS理论时心目中的主要背景之一。围绕主体这个最核心(hQxm)的概念，霍兰进一步提出了研究适应和演化过程 中特别要注意的七个有关概念。它们是：聚集(j Jj Daggregation非线性 non-linearity流 flows多样性 diversity标识 tag内部模型 internal models构筑块 b

7、uilding blocks在这七个概念中前面四个是个体的某种属性，它们将在适应和进化中发挥作 用，而后三个则是个体与环境进行交流时的机制和有关概念。在这里我们先做 一简单说明。其详细含义需要在实际应用中去体会。聚集：主要用于个体通过“粘合” (Adhesion)形成较大的所谓的多主体的聚集 体(Aggregation Agent)。由于个体具有这样的属性，它们可以在一定条件下，在 双方彼此接受时，组成一个新的个体聚集体，在系统中象一个单独的个体 那样行动在复杂系统的演变(y右nb诒n)过程中，较小的、较低层次的个体通过某种特定 的方式结合起来，形成较大的、较高层次的个体，这是一个十分重要的关

8、键步 骤。这往往是宏观性态发生变化的转折点。然而，对于这个步骤，以往基于还 原论的思想方法是很难加以说明和理解的。聚集这个概念正是归纳与反映了复杂系统在这方面的行为特征(馆zhang)。由于 承认了个体的主动作用，由于克服了在整体与局部之间，非此即彼的绝对的对 立，CAS理论提供了理解与描述上述现象的新的视角。聚集不是简单的合并， 也不是消灭个体的吞并，而是新的类型的、更高层次上的个体的出现；原来的 个体不仅没有消失，而是在新的更适宜自己生存的环境中得到了发展。这就是 后面将要讲到的粘合(zhan he)(Adhesion)的意义(ylyi)。还有一点应当指出的是，聚集的概念对于层次的理解也提

9、供了有益的启发。层 次之间是有质的差别(chabie)的。把层次之间的差别仅仅理解为量的差别，是一 种常见的误解。然而，层次之间的质的差别究竟是怎样涌现出来的。在这里， 聚集也起了关键的作用。关于层次的问题，后面还要谈到，这里只是作一简单 的提示。非线性：指个体以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的交互作用中，这一点更为明显。近代科学之所 以在许多方面遇到了困难，重要原因之一是它把自己的眼界局限于线性关系的 狭窄范围内，从而无法描述和理解丰富多彩的变化和发展。CAS理论认为个体 之间相互影响不是简单的、被动的、单向的因果关系，而是主动的“适应”关 系

10、。以往的“历史”会留下痕迹，以往的“经验”会影响将来的行为。在这种情况 下，线性的、简单的、直线式的因果链已经不复存在，实际的情况往往是各种 反馈作用(包括负反馈和正反馈)交互影响的、互相缠绕的复杂关系。正因为这 样，复杂系统的行为才会如此难以预测；也正因为这样，复杂系统才会经历曲 折的进化过程，呈现出丰富多彩的性质和状态。CAS 理论把非线性的产生归之于内因，归之于个体的主动性和适应能力。这 就进一步把非线性理解为系统行为的必然的、内在的要素，从而大大丰富和加 深了对于(duiyu)非线性的理解。正因为如此，霍兰德在提出具有适应性的主体 这一概念时，特别强调其行为的非线性特征，并且认为这是复

11、杂性产生的内在 根源。流：在个体与环境之间，以及个体相互之间存在着物质流。能量流和信息流。这些流的渠道(qddo )是否通畅，周转迅速到什么程度，都直接影响系统的 演化过程。自古以来人们就认识到各种流的重要性，并且把这些(zhexie)流的顺畅当作系统 正常运行的基本条件。例如，中医所谓的“气”，“血”，就是典型。通则健康发 展，不通则生百病。又如，信息系统工程对信息流的分析(fenxf)和设计，也是 从流的分析入手，去认识和理解复杂系统。越复杂的系统，其中的各种交换 (物质，能量，信息)就越频繁，各种流也就越错综复杂。所以，复杂适应系 统的理论把对于各种流的分析，当作一个值得注意的重要问题。

12、多样性：在适应过程中，由于种种原因，个体之间的差别会发展与扩大，最终(zul zhong)形成分化，这是CAS的一个显著特点。多样性的概念目前已经在许多领域中得到了广泛的使用，应该说，这是一个 很大的进步。长期以来，人们误以为世界的统一性就意味着单一性。经过了二世纪科学的多方探索，今天我们已经开始承认和认真地面对多样性了。生物的多样性已经成为国际论坛上的热门话题，已经以国际公约的形式表达了人们 的共识。文化的多样性也已经得到了越来越多的认同。其实，马克思早就表示 过这样的意见，为什么一定要让玫瑰花发出茉莉花的芳香呢?用通俗的话说，苹 果的味道和梨的味道根本没有必要相同。系统复杂性的重要思想之一

13、就是个体 之间的差别，个体类型的多样性。当前的复杂性研究着眼于个体类型多种多样 的情况，而其中的CAS理论则进一步研究这种多样性是怎样产生的，即分化的 过程(gubchQng)。霍兰德指出，正是相互作用和不断适应的过程，造成了个体 向不同的方面发展变化，从而形成了个体类型的多样性。而从整个系统来看， 这事实上是一种分工。如果和前面讲到的聚集结合起来看，这就是系统从宏观 尺度上看到的结构(jiegou)的涌现(ybngx诒n),即所谓(subwpi)自组织(zJzhD 现象”的出现。标识：为了相互识别和选择，个体的标识在个体与环境的相互作用中是非 常重要的，因而无论在建模中，还是实际系统中，标识

14、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。流的概念包括物质流和信息流，起关 键作用的是信息流。在以往的系统研究中，信息和信息交流的作用没有得到足 够的重视。这是对于复杂系统行为的研究难以深入的原因之一。CAS理论在这 方面的发展就在于把信息的交流和处理作为影响系统进化过程的重要因素加以 考虑。强调流和标识就为把信息因素引入系统研究创造了条件。谈到信息的作用，现在大家都承认(chengren),它是人类社会经济生活中的 基本要素之一。然而，一般地说，在复杂系统中，它是怎样发挥作用的呢?对此 一直没有深入的研究。以前的系统研究中缺乏对于信息流的具体机制的思考。 标识的意

15、义就在于提出了个体在环境中搜索和接收信息的具体实现方法。在下 面即将介绍的基本的刺激反应模型中，个体的标识将在信息的传递中起关 键(gu冃nj诒n)的作用。众所周知，在经济学中，由于承认了信息的不平衡，深入研究了信息和信息流的作用，使得(shlde)经济学的研究方法与深度有了突破性的进步，产生了 新的经济学的思想信息经济学。可以预见，在复杂系统的研究中，对信息 和信息流的深入研究，必将对科学的发展产生积极0帀)的作用，开辟新的思 路。内部模型：这一点表明了层次的观念。每个个体都是有复杂的内部机制的。对于整个系统(xltbng)来说，这就统称为内部模型。构筑块：复杂系统常常是在一些相对简单的部件

16、的基础上，通过改变它们 的组合方式而形成的。因此，事实上的复杂性往往不在于块的多少和大小，而 在于原有构筑块的重新组合。内部模型和构筑块的作用在于加强层次的概念。客观世界的多样性不仅表现在 同一层次中个体类型的多种多样，还表现在层次之间的差别和多样性。当我们 跨越层次的时候，就会有新的规律与特征出现。这样一来，我们需要深入考虑 的就是这样一些问题：怎样合理地区分层次，不同层次的规律之间怎样相互联 系和相互转化。内部模型和构筑块的概念就是用来回答这些问题的。概括地 说，它们提供了这样一条思路，把下一层次的内容和规律，作为内部模型“封 装”起来，作为一个整体参与上一层次的相互作用，暂时“忽略”或“搁置”其内部 细节，而把注意力集中于这个构筑块和其他构筑块之间的相互作用和相互影 响，因为在上一层次中，这种相互作用和相互影响是关键性的，起决定性作用 的主导因素。了解计算机科