CAS 理论的发展与应用 中国人民大学 信息学院 陈 禹 二零零七年十月十三日 北京大学

1. CAS理论的发展与应用中国人民大学 信息学院 陈 禹 二零零七年十月十三日 北京大学

2. 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。

3. 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

4. 一、 CAS理论的由来和地位 CAS理论——Complex Adaptive System, 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。

5. 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。

6. 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：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）

7. 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。

8. 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。

9. 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。

10. 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

11. 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。

12. 二、CAS 理论的基本概念和特点 复杂适应系统（CAS，Complex Adaptive System)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《Hidden Order》（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”。

13. CAS 理论的基本概念 1。具有适应性的主体（Adaptive Agent)。 * 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。

14. CAS 理论的基本概念（续） 2。适应性的基本机制（刺激——反应模型） * “IF——THEN”规则。 * 规则的多样性和可变性。

15. 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。

16. 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。

17. CAS 理论的基本概念（续） 5。受限生成过程（CGP, Constrained Generating Procedure) * 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。

18. 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）

19. 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；

20. 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

21. 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。

22. 自底向上的建模方法

23. 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

24. 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。

25. 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。

26. 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。

27. 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。

28. 三。实现平台。 • Swarm • 类SWARM（Ascape, Repast…) • 专用平台：TNG-lib • 普及型平台： • Starlogo • NETLOG • AgentSheet

29. 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， Repast等。 • 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。

30. 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

31. 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

32. Repast平台的特点 • 充分发挥可视化的功能 • 更加贴近应用

33. 其他的类似的软件平台 • ASCAPE——霍普金斯学院 • TNG-Lab——IOWA大学 • Starlogo——MIT

34. 四、 应用领域 • 经济学——ACE（Agent_based Computational Economics)。 • 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）。

35. 1。 信息经济学和对策论 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。

36. 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

37. 2。 生物科学和医学 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

38. 3。 工程科学和计算机科学 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。

39. 4。 对于做事方法的研究 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。

40. 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。

41. 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。

42. 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。

43. 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。

44. Klir 引用的老子的话 • Greatness means Distance • Distance means Vanishing • Vanishing return to Greatness • 大曰远 • 远曰逝 • 逝曰返

45. 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。

46. 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。

47. 启发。 • 内和外，主观和客观的区别都是相对的、变动的。

48. 5。3 从注重当前内容和状态到注重演化过程 • Content Oriented VS. Process Oriented • MRCM，IFS • 演化和涌现

49. 5。4 对策论思想的运用 • 对策论思想的要旨： • 承认对方是活的； • 承认对方追求利益最大化的合理性； • 认识到双方利益的一致的方面。 • 对策论的认识论意义：从“一厢情愿”的到更加符合实际的、切实可行的NASH均衡。 • 对策论思想的现实意义：从“你死我活”到“双赢”。

50. 5 .5 更深入的问题 • 信息是什么？（维纳） • 人是怎样做事的？（事理学） • 物质和精神的相对性。