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

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—— 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。

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 ， 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”。

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。

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。

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, 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。

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：

– Starlogo– NETLOG– AgentSheet

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。

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

Repast 平台的特点

充分发挥可视化的功能更加贴近应用

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

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）。

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 Greatness means Distance Distance means Vanishing Vanishing return to Greatness 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Content Oriented VS. Pro

cess OrientedMRCM ， IFS演化和涌现

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”。

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。

结束语 总之，我们认为 CAS 理论的研究将有利于科学的进一步发展。希望能有更多的同行予以关注。