复杂适应系统理论及其应用.doc

(完整word)复杂适应系统理论及其应用第六章 复杂适应系统理论复杂适应系统（Complex Adaptive System，简称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，主体的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。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。1994年霍兰提出复杂适应系统理论，在桑塔费研究所成立10周年时正式提出的.作为CAS理论的产生背景，有必要对该研究所简单介绍.1. 圣菲（桑塔费）研究所CAS理论的诞生地桑塔费研究所成立于1984年.它是一个独立的非盈利的研究所，靠申请各种基金来支持跨学科的研究工作。聚集在这里的研究人员虽然来自不同的阶层和背景,包括从梳着马尾巴发型的研究生到像物理学家盖尔曼、安德森和经济学家阿罗这样的诺贝尔桂冠得主，由年迈的学术巨子（头顶诺贝尔桂冠、地位特殊、声名显赫）创建的机构，但他们都达到了一个基本的共识，都坚信一个将普照自然和人类的新科学复杂性理论，他们正在凌厉地冲破自牛顿时代以来一直统治着科学的线性的还原论的思维方式，但起步非常艰难。1.1 还原论 三百多年来，科学家们热爱的线性系统，在这个系统中,整体正好等于所有部分之和。还原论把世界分解得尽可能小,尽可能简单。为一系列或多或少理想化了的问题寻找解题的方案(通往诺贝尔奖的辉煌殿堂通常是由还原论的思维取道的），但却因此背离了真实世界,把问题限制到你能发现解决办法的地步，这就造成了科学上越来越多的碎裂片。而真实的世界却要求我们用更加整体的眼光去看问题，任何事情都会影响到其它事情，你必须了解事情的整体关联网。 事实上，除了非常简单的物理系统，世界上几乎所有的事情、所有的人都被裹罩在一张充满刺激、限制和相互关系的巨大非线性网络之中，一个地方小小的变化会导致其它地方的震荡（一呼百应、千应，蝴蝶力量),整体几乎永远是远远大于部分的总和（气体整体属性有压强、温度、相变-凝固与蒸发，而单个气体分子只有动能、速度；一台安装好的机器具有它的零部件总和所没有的功能）。到八十年代初，科学家们开始认识到许多混乱而复杂的系统可以被一种强大的理论描述成“非线性系统”。在这个系统中，科学家们被迫面对一个令他们窘迫的事实，整体真的可以大于部分相加的总和。非线性方程式为人工所难以解开是出了名的，这就是为什么科学家们这么久一直在回避这个问题的原因.有一书复杂诞生于秩序与混沌边缘的科学,作者米歇尔，生活读者新知三联书店出版，详细介绍了研究复杂性科学的大师的故事。1。2 研究所成立背景1.2。1 罗沙拉莫斯研究所 创建人-乔治考温，罗沙拉莫斯研究所前主任-一个与新时代截然相反的人物，罗沙拉莫斯研究所以发展核武器为研究领域.在四十年代，对核武器的研究几乎是出于道义的必要性.在二次大战期间，考温和他的科学家同事们是在和纳粹拼命竞争。当时纳粹仍然拥有一些世界上最杰出的物理学家，而且在炸弹设计上领先于美国虽然这个假设后来被证实是错误的。当时考温他们认为如果不能有所突破，希特勒等人研制出原子弹，那就惨了.政府始于一个特殊的挑战，出台了曼哈顿计划-制造原子弹，这个计划把科学家从每一个领域召集到一起，形成一个团队，共同来应付这个挑战。结果是美国向日本的广岛和长崎扔下原子弹，致使战争结束。战争结束之后,美国科学家与希特勒的殊死搏斗变成了与苏联的你死我活的竞争。1。2。2 考温的困惑在二次大战结束后的日子里，美国从战前的孤立主义政策中脱颖而出，清醒地认识到军事力量之至关重要，但在接受这一教训之后，所有的官员除了发展军事力量之外就不再顾及其它事情了，科学研究人员很乐意地返回自己的实验室去了。考温参加的白宫科学顾问委员的会议让他回忆起为什么1949年那些研究人员们会如此渴望回到自己的实验室里去,他和他的同僚们正襟危坐于会议室，一群威严的科学家围坐在华盛顿新行政大楼的会议桌前，由总统科学顾问提出一系列的问题,征求各位的评述。会议议题是：艾滋病是关于公众健康的问题?还是一个关于道德的问题?它究竟是个什么性质的问题;核电的问题，又该如何解释呢?在核反应堆熔化的危险和处理核垃圾的困难，与确凿无疑是由燃烧化石燃料而造成的温室效应之间，你又该如何平衡呢?诸如此类的问题没完没了。考温不得不对自己承认,他对所提出的问题无从评述。这段时间的经历令考温非常沮丧.更令他沮丧的是,他感觉到，到了年轻的一代科学家那里，事情变得越发糟糕了。就往来于罗沙拉莫斯的年轻科学家来说，他们既聪明绝顶又生机勃勃，但他们在延续科学的文化，这种文化一直在强行把科学智慧分割成越来越多的互不相干的碎片。从科学机构来看，大学保守得令人无法相信。年轻的博士们不敢打破传统，他们不得不把他们最好的时光耗费在拼命追求在系里谋到一个终身教职.这意味着，他们最好从事能够得到终身教授委员会认可的研究.而年龄大一些的研究人员不得不一睁开眼睛就拼命去争取研究经费。这意味着，他们不得不把自己的研究计划归整到让基金会可以认同的范畴.每个人都必须争取使自己的论文被权威的学术刊物接受和发表，而这些权威的学术刊物几乎只登载属于被认可的领域的论文。后面阿瑟的故事说明了发表一篇观点新颖的论文有多艰难。1。2.3 考温的设想分子生物学的出现,它是对复杂到不可思议的“活系统”的描述，表明传统的还原论思维已经走进了死胡同；到了八十年代，计算机模拟功能已经变得非常强大了，数据化的实验已经变得非常普遍了；八十年代初,科学家开始认识到，许多混乱而复杂的系统可以被强大的理论描述成“非线性动力学。然而,虽然分子生物学、计算机模拟和非线性科学作为单个领域都非常引人入胜，但考温总怀疑这仅仅只是个开始。他觉得在这些领域之下有一个统一的规律，这一统一性规律最终不仅囊括物理化学,也囊括生物学、信息处理、经济学、政治科学,以及人类生活的每一个方面.对考温来说，现在似乎是一个绝妙的机会。大学不乏“交叉学科研究所”，但就考温所见而言,这些研究所无非是一群偶尔过来共用一个办公室的人们。教授和学生仍然要效忠于他们自己的科系,因为他们自己的科系有权授予学位、终身教授和决定升迁。考温认为，如果由大学自由发展，至少再过三十年大学也不会开始对复杂系统的研究。不幸的是，罗沙拉莫斯似乎也不是个理想的研究复杂系统的地方。通常，武器研究所是一个比大学理想得多的从事多学科研究的地方，但实验室以发展核武器为研究领域。唯一的问题是考温宏大的学科整合方案正好不是实验室的基本任务。确实,考温的想法与核武器的发展根本就不粘边。而研究如果不属于实验室的使命之内的课题，几乎没有可能获得项目资金。考温想，只有一个办法。他开始想象创建一个新型的独立机构。最理想的方案是，这个机构能够同时具备两个世界的长处：既有大学的广博，又能保持罗沙拉莫斯融合不同学科的能力。它是一个能够吸引最优秀的科学家的地方-那些在自己的研究领域中真正知道自己在说些什么的人。这个机构要能够为他们提供远比通常更广阔的学科内容。这个机构应该是这样一个地方:在这里，资深学者们可以探究自己还不成熟的想法而不被同事们所讥笑,而最优秀的年轻科学家可以和世界级大师们一起工作，使他们满载而归。但如果可能的话,这个机构最好靠近罗沙拉莫斯，这样就可以共享实验室的人力和计算机设备。假设这个地方距离罗沙拉莫斯最近,例三十五英里处的桑塔费这个城市。1.2。4 考温设想的认可 谁会愿意听他说呢？谁有这样的神通能将这个想法付诸实现呢？有一天在华盛顿，他尝试着对科学顾问委员会委员讲了他的想法。令他吃惊的是，他们没有笑话他。事实上，他们都很支持他。所以在1983年春天，考温决定把这个议题带到罗沙拉莫斯的讨论会上由资深研究员（六名像考温这样长期在罗沙拉莫斯效力，对实验室做出了杰出的贡献，他们异常活跃）讨论。结果他们都很喜欢他的这个主意。1。3 组建研究所的简要概况 组建一个研究所，涉及组建的研究所的名称、组建的目的、地点、人员、资金。 名称：里奥格兰德研究所，后一家公司想要此名，这家公司帮他们要回了“桑塔费研究所”这个名称.目的：跨越科学不同学科（物理、化学、生物学、信息处理、经济学、政治学以及人类生活的每一个方面）的大整合复杂性科学。地点：桑塔费,距离罗沙拉莫斯最近,体现了阿瑟的“报酬递增率”。人员：在自己的学科领域已经显示出真才实学和创造力,但思想开通，易于接受新思想的人。对于挑选经济学方面的人才而言，要求此人不仅掌握古典经济学理论的坚实知识，还需要注意那些常规经济学对现实不能解释之处，最终选择了阿瑟。阿瑟主要在第三世界国家人口出生率方面享有盛誉的学者，三十七岁成为人口研究与经济学系主任和终身教授,是斯坦福大学历史上最年轻的终身教授之一。终身教授是一个具有崇高荣誉的职位，一般只授给最有声誉的研究者，终身教授实际上是一个终身职位.正是爱尔兰人的叛逆性格以一种奇怪的方式使他开始了自己的学术生涯。攻读博士期间，为了获取支撑他读完学业的钱,在麦肯锡公司(世界上最优秀的管理咨询公司之一）申请了一份暑假工作。这是阿瑟一生的黄金机遇，发现自己对经济学很感兴趣。出于对山和海的喜爱，从密执安大学转学到了加州大学。加州大学要求每个博士候选人在校的年限是三年，阿瑟已经选修了部分运筹学课程，有富裕时间选修经济学课程。但麦肯锡的经历使他对经济学大为失望。麦肯锡基本上是个出售当代美国管理技术的公司。当时欧洲公司的特点是，每个大公司都拥有上百个下属分支,他们甚至搞不清自己都拥有些什么。麦肯锡确实是世界一流的,他们并不是在兜售理论，也不是在兜售什么时髦的玩艺儿.他们解决问题的方法是完全卷入到错综复杂的情况中，就生活在其中，切身地感受它。麦肯锡派出的班子通常会在一家公司一呆就是五六个月，甚至更长时间,研究一系列极其复杂的情况和相互间的关系,直到把其中的模式摸得一清二楚为止.然后公司所有的人就围坐到办公桌边，大家探讨存在的问题及其解决的方案,然后走出办公室去核对。也许一个地方分支的总经理会说：“嗯，你们基本上是对的，但你们遗漏了这一点或那一点”.所以他们又要花费好几个月的时间一次次地澄清问题,直到完全搞清楚为止。解决问题的答案便在这个过程中自然产生了.这是麦肯锡1969年的工作作风,充分体现了“从实际中来,到实际中去”的指导方针.对我们的启示：务实非纸上谈兵、敏锐的洞察力-从事物之间的相互联系中发现问题,而后才能解决问题。而当时的经济学纯粹是数学的一个分支，最年轻的经济学家都把自己的学术生涯献给了一个个定理的证明，而不顾这些定理和现实世界是否有联系，困扰他的是经济学的不可理喻的非现实性.在经济学教条里,经济运转完全是受制于负反馈的，受制于微小的事件消失的倾向,消失的倾向被清晰地表述在“报酬递减率这一概念中：即第二块糖不如第一块糖好吃.或者说，施两遍化肥不会得到双倍的收成。也可以说，任何事你干的次数越多就越没效用、越无利可图、越索然无味.而正反馈、报酬递增率(拥有者获得），也许真的发生在经济生活中，也许能够解释他周围真实的经济生活中蓬蓬勃勃、错综复杂、丰富多彩的现象。例,QWERTY键盘设计.在当今世界，QWERTY键盘设计几乎用于所有的打字机和计算机键盘。这是最有效地安排打字机键盘的设计吗？事实本非如此。QWERTY键盘是1873年由一个工程师设计的。他特意设计成这样是为了放慢打字人的打字速度.因为那时如果打字人的打字速度太快的话，打字机就很容易卡壳。当时，仁民顿缝纫机公司大批量生产了一种用这种设计制作键盘的打字机.这意味着，许多打字的人都开始学习用这种键盘打字.这又意味着,其它打字机公司也开始产销QWERTY键盘设计的打字机。这意味着有更多的人学习用这种键盘打字机打字，依此类推。阿瑟想,这便是拥有者获得，这便是报酬递增率。现在，QWERTY键盘设计变成了被成千上万人使用的标准键盘。这类例子不胜枚举。“在现实世界里，最终结果不是碰巧发生,而是积累而来的，是一个个小小的机会被正反馈扩大而来的”.假如你要买车，假设有两种车型A、B，由于介绍非常雷同，你读完后仍无法确定到底买哪辆车。怎么办？你会像所有明智的人一样开始咨询朋友。然后正好碰巧，纯粹是碰巧，你咨询的前两个、或前三个说，他们开的都是A型车。他们告诉你这种车开着感觉不错。所以你就决定也买一辆A型车。但你必须注意到,现在这个世界上又多了一个开A型车的人,那就是你自己。这意味着，下一个想向人咨询买车的人有了更多一点的机会碰上一个开A型车的人。所以这个人比你有更多一点的可能性会选择A型车。如果A型车有很多这样小小的成功机会的话，它就有可能占领市场了。相反，假如这样一个个小小的机会换给了B型车，那你也许会选择购买B型车，那么B型车可能占优势,最终占领市场，即拥有者获得。高科技公司聚集在硅谷。报酬递增率能够解释许多过程和特有形式，但被认可经历了漫长的六、七年。1983年夏天,当阿瑟为正式发表而撰写他的第一篇关于报酬递增率的论文时，他用直白朴素的英文写的。1984年初，美国最富声誉的美国经济评论杂志寄回了他的论文，结果没戏！经济学季刊在寄还他的论文时说，此文虽然没有技术上的错误，但他们不会认为所描述的这项研究有任何价值.美国经济评论杂志在换了一个总编以后暂时接受了他第二次寄去的这篇论文，但在内部被来回推诿长达两年半之久，同时要求作者做了无数次修改之后，最终又一次退稿.英国的经济学杂志只是简单地答复说：“不!。在重写了十四次以后，这篇论文最终被经济学杂志接受，于1989年3月以竞争中的技术、报酬递增率、历史事件导致的锁定为题目刊登了出来。“锲而不舍，金石为开”！阿瑟这个爱尔兰人的叛逆性格有多坚强。最终得到了科学界的认可,这从他能够入选桑塔费研究所得到佐证.资金：“百分之零点五最优秀的人杰(盖尔曼研究粒子物理学，二十世纪的一位科学大师,他性格急躁、聪明过人、魅力四射，有着滔滔不绝的辩才,外加他那近乎于傲慢的自信；安德森1977年因凝聚态物理学方面的杰出贡献而获得了诺贝尔奖；阿罗-当今主流经济学的创始人。一个人能够带动一个学科）”，让精英阶层相信你。一旦你成功地获得了精英们的认同，筹集资金等问题只是比较小的问题。策略是对的,精英对招募人才、筹集资金起到了不可替代的作用。但筹集资金远远比想象的要难得多。一些主要的基金会并不急于把钱投向这样一个稀奇古怪的项目,并且研究所还没有形成一个正式建议书，现在大部分人员还在做兼职。按预计大约需要1000万美元,结果才筹集了几万美元。 同学们都听说过“硅谷”吧?硅谷高科技聚集地。一本书硅谷传奇，作者杰里卡普兰，四川人民出版社,该书描写了一批计算机精英为了开发笔录式笔记本电脑，组建了一个公司，在万事俱备的状况下（目的、地点、人员）由于没有筹集到资金，万般无奈，与ATT合作.结果呢？最终被ATT吃掉.对于公司合作,作者分析了我们小时候经常见到的一种情形。还记得我们小时候吹肥皂泡的样子吗?当一个大泡泡和一个小泡泡粘在一起的时候会发生什么结果呢?他们暂时还会粘在一起,然后要么分开，要么就变成一个了.这其实和公司之间的合作情形是一样的，即使现在有一家大公司和一家小公司是合作伙伴，如果小公司想不被吞并掉,那它最终要与大公司分手，其实更重要的是，大公司不会冒风险,即容忍小公司就这样自由发展下去，它唯一的选择就是最终吃掉小公司，只有这两种可能，不会有例外。简言之，以复杂性为研究的中心议题,是桑塔费研究所的一大特色。在80年代中期，虽然已有不少学者提出并开始研究复杂性，但是还没有专门的机构从事这方面的工作。其主要的原因之一是近代科学长期形成的学科分隔的局面，阻碍了科学家们的相互了解和交流。所谓隔行如隔山的情况,越来越成为科学进步的障碍。资金分配，成果认定以至学术圈子的划定，都使得跨学科的研究工作举步维艰.一种和谐的氛围,一个不受各种传统体制束缚的交流场所，一套鼓励创新的运行机制，成为许多希望科学进步的学者所追求的理想。桑塔费研究所很快就吸引了一大批富有创新精神的、勇于探索这个新开辟领域的科学家。他们来自许多不同的传统学科。1.4 研究所取得的成绩进入90年代以来，桑塔费研究所的工作进一步深入，以下事情具有特别重要的意义. 从1994年开始举办一年一度的乌拉姆讲座,用以展示复杂性研究的最新成果。 设计了公用的、为复杂系统建立模型所需SWARM软件平台。 重视人才培养,把扩散和普及系统科学的思想作为研究所最重要的任务之一. 出版了几十种专著,创办了复杂性杂志。2. CAS理论的基本观点和概念2。1 CAS理论的核心思想适应性造就复杂性 CAS理论回答了复杂产生的机制-适应性造就复杂性。当然,这是产生复杂性的机制之一，而不是复杂性的唯一来源。CAS理论完全不排除还可能会有其它的产生复杂性的机制与渠道.CAS理论的基本思想：系统中的成员是具有适应性的主体。所谓具有适应性,就是指主体能够与环境以及其他主体进行交互作用.在这种持续不断的交互作用过程中,不断地“学习或“积累经验,并且根据学到的经验改变自身的结构和行为方式.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。这些主体可以是分子、神经元、物种、消费者，或甚至是企业。 复杂性究竟是从何而来？按照传统的看法,复杂性主要来自系统的外部.例如,结构的复杂性，系统内部的分工或分化，复杂性被归之于外部力量(神）的创造。系统行为之复杂和不可预测，也总是归之于外部的随机性的干扰。现代系统科学的发展，特别是对于自组织现象的研究,引导人们从系统内部寻找复杂性的来源。然而，最初研究的自组织现象，在某种意义上还是比较简单的。这些系统中的元素或个体还是被动的、“死的，并没有自身的目的和主动性。例，前面学习的平衡结构、耗散结构？这使得这一阶段的理论和方法，难以有效地应用到生物、生态、经济和社会等领域。CAS理论正是在这方面向前迈进了一大步，即把系统的成员看作是具有自身目的与主动性的、积极的“活”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“适应性”一词加以概括。这就是CAS理论的基本思想适应性造就复杂性。2。2 CAS理论的基本概念系统中的个体一般称为元素、组分或子系统。复杂适应系统理论采用了“具有适应能力的个体”这个词，是为了强调个体的主动性，强调个体具有自己的目标、内部结构和生存动力，在此称之为主体。学习主体的4个特性和3个主体与环境进行交流时的机制.2。2.1 聚集主要用于个体通过“粘着”形成较大的所谓的多主体的聚集体。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，在系统中像一个单独的个体那样行动。事实上，聚集现象在许多系统中都存在。例，生物界中的共生现象.人体中的线粒体，一方面，它们是独立的个体，按照自身的规律生存和发展；另一方面，它把人体内的条件作为自己的生存环境，进行着物质、能量和信息的交流。再如,分子组合成细胞、神经元组合成大脑、物种组合成生态平衡系统。如果把目光转向社会，这种例证又可以增加许多.个人、团队与组织之间，反映了不同层次的主体之间的有效的协调和共生，但层次之间有质的差别。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。2.2.2 非线性 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。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，各种反馈作用(正、负反馈）交互影响，互相缠绕。正因为这样，复杂系统的行为才会如此难以预测，经历如此曲折的进化过程,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。提出具有适应性的主体这一概念时,强调其行为的非线性特征,并且认为这是产生复杂性的内在根源.2。2。3 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。2.2.4 多样性 在适应过程中，由于相互作用和不断适应的过程，造成个体向不同的方面发展变化,从而形成个体类型的多样性,个体之间的差别会发展与扩大，最终形成分工,这是CAS的一个显著特点。例，生物的多样性、文化的多样性、行业的多样性。2。2。5 标识 标识的作用主要在于实现信息的交流，其意义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。2。2.6 内部模型 每个个体都是有复杂的内部机制的。刻划内部机制的模型，称为内部模型。2.2。7 积木（构件）复杂系统常常是在一些相对简单的构件的基础上,通过改变它们的组合方式而形成的。复杂性往往不在于构件的多少和大小，而在于原有构件的重新组合。通过以上7个概念的表述，主体的特点就充分表现出来了：它是多层次的、和外界不断交互作用的、不断发展和演化的、活生生的个体。2.3 CAS理论的主要特点CAS理论的核心思想：适应性造就复杂性,可以从以下4个方面来加以说明。1）主体是主动的、活的个体主体的主动性是系统进化的基本动因；个体主动的程度,决定了整个系统行为的复杂性的程度。2)主体与环境（包括个体之间)的相互作用和影响重视主体之间以及个体与环境之间的相互作用，再一次阐述了“内因是变化的根据，外因是变化的条件”，外因主要指环境，注意环境划分的相对性。3） 宏观与微观有机地联系由于个体是“活的”，有主动性和适应性，以往的经历会“固化”到它的内部，有了以往的经验，那么，它的运动和变化，就不再是一般的统计方法所能描述的。统计方法对于某些属性是可以运用的，如气体温度之于分子的动能，但这不是反映宏观和微观的唯一方法.曾有人做过这样的计算：如果地球上的有机物只是由于按照统计规律的偶然结合而产生的话，那么,从地球诞生到今天，连第一个蛋白质分子都还没有产生！4) 随机因素的作用CAS理论处理随机因素的方法是很特别的，集中表现为遗传算法。而遗传算法的基本思想则在于：随机因素的影响不仅影响状态，而且影响组织结构和行为方式。“活的”具有主动性的个体会接受教训，总结经验，并且以某种方式把“经历记住，使之“固化在自己以后的行为方式中。正因为这样，CAS理论提供了模拟生物、生态、经济、社会等复杂系统的巨大潜力，明显地超越了以往的一般的随机方法。7