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复杂适应系统理论

时间:2012-10-03 11:08:03  来源:  作者: 次数: 1

 

复杂适应系统(Complex Adaptive System CAS)理论认为系统演化的动力本质上来源于系统内部,微观主体的相互作用生成宏观的复杂性现象,其研究思路着眼于系统内在要素的相互作用,所以它采取自下而上的研究路线;其研究深度不限于对客观事物的描述,而是更着重于揭示客观事物构成的原因及其演化的历程 。与复杂适应系统思考问题的独特思路相对应,其研究问题的方法与传统方法也有不同之处,是定性判断与定量计算相结合,微观分析与宏观综合相结合,还原论与 整体论相结合,科学推理与哲学思辨相结合。复杂适应系统建模方法的核心是通过在局部细节模型与全局模型间的循环反馈和校正,来研究局部细节变化如何突现出 整体的全局行为,其模型组成一般是基于大量参数的适应性主体,其主要手段和思路是正反馈和适应,其认为环境是演化的,主体应主动从环境中学习。正是由于以上这些特点,CAS理论具有了其它理论所没有的、更具特色的新功能,提供了模拟生态、社会、经济、管理、军事等复杂系统的巨大潜力。

复杂适应系统理论的产生

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。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。 

作为CAS理论的产生背景,有必要对于Santa fe研究所作一简要的介绍。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 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(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。

CAS理论的核心思想

复杂适应系统(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(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。

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。

复杂适应系统的主要特征

Application Research of Computers 2008 5 人们每时每刻都处在并能看到许许多多的复杂系统, 如蚁群、生态、胚胎、神经网络、人体免疫系统、计算机网络和全球经济系统。所有这些系统中, 众多独立的要素在许多方面进行着相互作用。在每种情况下, 这些无穷无尽的相互作用使每个复杂系统作为一个整体产生了自发性的自组织。霍兰把这类复杂系统称为复杂适应系统。

在霍兰的复杂适应系统理论中, 复杂适应系统被看成是由用规则描述的、相互作用的适应性主体组成的系统 。这些主体不断地学习或积累经验, 并根据学到的经验不断变换其规则、改变自身的结构和行为方式, 从而体现了主体不断适应环境变化的能力。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以及新的、聚合而成的、更大的主体的出现等, 都是在这个基础上逐步派生出来的。在复杂适应系统中, 任何特定的适应性主体所处环境的主要部分都由其他适应性主体组成, 复杂适应系统中的主体在与环境的交互作用中遵循一般的刺激反应模式。所以, 任何主体在适应上所做的努力就是要去适应别的适应性主体。这个特征是复杂适应系统生成的复杂动态模式的主要根源

尽管在不同领域中存在着众多的复杂适应系统, 并且每一个复杂适应系统都表现出各自独有的特征, 但随着人们对 复杂适应系统认识的不断深化, 可以发现它们都有四个方面的主要特征。

基于适应性主体

适应性主体具有感知和效应的能力, 自身有目的性、主动性和积极的活性”, 能够与环境及其他主体随机进行交互作用, 自动调整自身状态以适应环境, 或与其他主体进行合作或竞争 , 争取最大的生存和延续自身的利益。但它不是全知全能的或是永远不会犯错失败的, 错误的预期和判断将导致它趋向消亡。因此, 也正是主体的适应性造就了纷繁复杂的系统复杂性。

共同演化

适应性主体从所得到的正反馈中加强它的存在, 也给其延续带来了变化自己的机会, 它可以从一种多样性统一形式转变为另一种多样性统一形式, 这个具体过程就是主体的演化 。但适应性主体不只是演化, 而且是共同演化。共同演化产生了无数能够完美地相互适应并能够适应于其生存环境的适应性主体, 就像花朵靠蜜蜂的帮助来受精繁殖、蜜蜂靠花蜜来维持生命; 共同演化是任何复杂适应系统突变和自组织的强大力量, 并且共同演化都永远导向混沌的边缘。

趋向混沌的边缘

复杂适应系统具有将秩序和混沌融入某种特殊的平衡的能力, 它的平衡点就是混沌的边缘, 也即一个系统中的各种要素从来没有静止在某一个状态中, 但也没有动荡到会解体的地步。一方面, 每个适应性主体为了有利于自己的存在和连续,都会稍稍加强一些与对手的相互配合, 这样就能很好地根据其他主体的行动来调整自己, 从而使整个系统在共同演化中向着混沌的边缘发展; 另一方面, 混沌的边缘远远不止是简单地介于完全有秩序的系统与完全无序的系统之间的区界, 而是自我发展地进入特殊区界。在这个区界中, 系统会产生涌现现象

产生涌现现象

涌现现象最为本质的特征是由小到大、由简入繁 。沃尔德罗普认为: “复杂的行为并非出自复杂的基本结构, 极为有趣的复杂行为是从极为简单的元素群中涌现出来的。生物体在共同进化过程中既合作又竞争, 从而形成了协调精密的生态系统; 原子通过形成相互间的化学键而寻找最小的能量形式, 从而形成分子这个众所周知的涌现结构; 人类通过相互间的买卖和贸易来满足自己的物质需要, 从而创建了市场 个无处不见的涌现结构。涌现现象产生的根源是适应性主体在某种或多种毫不相关的简单规则的支配下的相互作用。主体间的相互作用是主体适应规则的表现, 这种相互作用具有耦合性的前后关联, 而且更多地充满了非线性作用, 使得涌现的整体行为比各部分行为的总和更为复杂。在涌现生成过程中, 尽管规律本身不会改变, 然而规律所决定的事物却会变化, 因而会存在大量的不断生成的结构和模式。这些永恒新奇的结构和模式, 不仅具有动态性还具有层次性, 涌现能够在所生成的既有结构的基础上再生成具有更多组织层次的生成结构。也就是说, 一种相对简单的涌现可以生成更高层次的涌现, 涌现是复杂适应系统层级结构间整体宏观的动态现象。

复杂适应系统模型的基本特性

复杂适应系统是由适应性主体相互作用、共同演化并层层涌现出来的系统。霍兰围绕适应性主体这个最核心的概念提出了在复杂适应系统模型中应具备的七个基本特性, 分别是聚集、非线性、流、多样性、标志、内部模型以及积木。其中前四个是复杂适应系统的通用特性, 它们将在适应和进化中发挥作用; 后三个则是个体与环境进行交流时的机制和有关概念。

1) 聚集聚集有两个含义, 第一个含义是指简化复杂系统的一种标准方法, 即是把相似的主体聚集成类, 相互作用, 这是指主体聚集的条件。在这个意义上讲, 聚集是构建复杂适应系统模型的主要手段之一。聚集的第二个含义是指较为简单的主体的聚集相互作用, 必然会涌现出复杂的大尺度行为。这是指主体聚集后产生的结果, 这种涌现的结果是复杂适应系统的一个基本特征。

主体通过聚集可以形成更高一级的主体———介主体( meta-agents) 。这些介主体又能够进行再聚集, 产生介介主体( meta-meta-agents) 。这个过程重复几次后, 就得到了复杂适应系统的层次组织。

在复杂系统的演变过程中, 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键步骤。这往往是宏观形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。聚集不是简单的合并, 也不是消灭个体的吞并, 而是新类型的、更高层次上的个体的出现; 原来的个体没有消失, 而是在新的更适宜自己生存的环境中得到了发展。

2) 非线性指主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。特别在主体与系统或环境反复的交互作用中, 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采的变化和发展。复杂适应系统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, 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。

复杂适应系统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必然的、内在的要素, 从而大大丰富和加深了对于非线性的理解。正因为如此, 霍兰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, 并且认为这是复杂性产生的内在根源。

3) 流流可以看成是有着众多节点与连接者的某个网络上的某种资源的流动。一般来说, 节点即是指主体, 而连接者表明可能的相互作用。在复杂适应系统中, 网络上的流动因时而异, 节点和连接会随着主体的适应和不适应而出现或消失。因此, 无论是流还是网络, 皆随时间而变化, 它们是随着时间的流逝和经验的积累而反映出变易适应性的模式。

4) 多样性复杂适应系统的多样性是一种动态模式, 其多样性是复杂适应系统不断适应的结果。每一次新的适应都为进一步的相互作用和新的生态位开辟了可能性。如果与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的涌现, 即所谓自组织现象的出现。

5) 标志在聚集体形成的过程中, 始终有一种机制在起作用, 这种机制就是标志。在复杂适应系统理论中, 标志是为了聚集和边界生成而普遍存在的一个机制。标志能够促进选择性相互作用, 为了相互识别和选择, 主体的标志在主体与环境的相互作用中是非常重要的。设置良好的、基于标志的相互作用, 为筛选、特化和合作提供了合理的基础, 这就使介主体和组织结构得以涌现。标志是隐含在复杂适应系统中具有共性的层次组织结构背后的机制。

6) 内部模型霍兰用内部模型来定义实现主体实现某项功能的机制。在复杂适应系统中, 当适应性主体接收到大量涌入的输入时, 就会选择相应的模式去响应这些输入, 而这些模式最终会凝固成具有某项功能的结构———内部模型。

7) 积木复杂系统常常是在一些相对简单的部件的基础上, 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, 而在于原有积木的重新组合。内部模型和积木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, 当跨越层次时就会有新的规律与特征出现。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积木和其他积木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。这种思想与计算机领域中的模块化技术以及近年来作为软件设计、开发主流技术的面向对象的方法是完全一致的。

通过上述七个基本特性的刻画, 复杂适应系统模型可以看做是以内部模型为积木, 通过标志进行聚集等相互作用并层层涌现出来的动态系统。

CAS理论在管理领域的应用

在当前的经济环境下,企业的生存与发展不仅取决于企业自身制定的战略,更取决于与其它企业和组织之间的作用关系以及相应的应变能力。因而,适应性成为企业生存与发展的一个重要能力,企业如何增强其适应性能力已成为当前管理领域研究的热点。复杂性科学的发展,尤其是CAS理论的提出,正好满足了管理科学对这些问题研究的需要。现在管理科学发展的一个趋势,就是将企业管理作为一个复杂系统的管理来研究,利用复杂性科学尤其是CAS理论的成果,探讨复杂环境条件下企业管理的原理与方法。

对于企业系统来说,首先企业是有层次性的,企业员工主要是在所属部门形成团队 相互作用,同时企业内部可划分为两个层次:企业中的每一位员工和以员工为基本个体组成的部门,这两个层次上的个体均具有智能性、适应性、主动 等特征;其次企业发展过程中,个体的性能参数在变,个体的功能、属性也在变,整个企业系统的结构、功能随之产生变化;最后企业系统中个体并行地对环境中的 各种刺激做出反应、进行演化,而且存在大量随机复杂性因素。企业系统的特征和CAS理论有很好的契合性,用CAS理论对企业更具有描述性和表达能力,这也 使 CAS理论在管理领域的应用具有广阔的前景。

CAS理论最先应用于经济管理领域是1987ArthurHolland合作开发了一个模拟股票市场的计算机程序:圣塔菲人工证券市场,以此来研究股票市场的泡沫增长或 象。他们的系统是由很多具有不同信念和期望的主体组成,这些主体依据市场的变化,通过归纳的方法不断地学习,从而修正或抛弃自己已有的信念和期望,这样个 人的信念和期望对市场来说就成了内生变量,通过相互竞争,整个信念组成的生态式系统就随着时间而共同进化。他们用一种基于心理或认知的观点来描述系统,如 各种信念、预估、期望和解释,以及所有的基于这些信念和期望的决策战略规划和行动等。运用这样一种观点来看待经济管理系统是很有帮助的,这是因为一切经济人的行动或选择,都是基于他们现在对未来的价格竞争者未来的行动或者他们对世界未来特征的假设或信念,而当这些选择或假设累积起来后,反过来又会重新塑造价格、市场战略以及他们所面对的世界。Arthur认为如果我们不只是研究经济管理系统中的最简单的问题,那么采用这样一种生态学的观点将是不可避免的。这个系统的计算机试验结果解释了古典经济学所不能解释的一些困惑,比如股票市场中存在的技术性交易、市场心理学流行效应等,这一成功是对Holland所提出的CAS理论的支持,也促进了CAS理论在管理领域的应用研究。

Jun KamoFred Phillips提出了基于CAS理沦的进化型组织观点。他们认为进化型组织符合CAS的四个特征:并行性、新颖性、重组和多样性。相应于这四个特征的进化型组织的概念模型中,并行性特征包括多主体、非线性、分散化、混沌边缘,新颖性特征包括涌现、非简单加和与弱蝴蝶效应(The Weak Butterfly Efect),重组是指内部规则,多样性指远离单重优化。同时他们给出了进化型组织演化示意图(如下图),在此基础上,他们对美国高科技上市公司进行实证分析,得出了MicrosoftIntelNetseape的组织状况符合进化型组织的标准

复杂适应系统和复杂适应组织

美国的圣菲研究所(Santa Fe Institute,简称SFI)一直是复杂性研究的中心。1994年,约翰·霍兰德(John Holland)在圣菲研究所举办的乌拉姆纪念讲座中做了名为隐秩序的著名演讲,而后,出版了《隐秩序——适应性造就复杂性》一书,提出了复杂适应系统的理论。复杂适应系统理论被认为是二十一世纪的新科学,属于第三代系统思想,所提出的系统理念不仅完全颠覆和替代了传统的研究范式,而且也有别于早期的系统思想。

霍兰德围绕着适应性主体(Adaptive Agent,简称主体)这一中心,构造了复杂适应系统的回声模型(ECHO模型)。复杂适应系统理论的核心在于系统中的个体具有主动性和能动性。主体的适应性体现为能与其他主体和环境进行信息和资源的交流,为实现自身目标而调整和改变行为模式,从而适应环境变化的要求¨ 。霍兰德将主体的学习过程表述为:接受刺激一做出反应一得到反馈一修正规则一提高适应度(fit—ness)”¨ 。适应性主体的学习能力 使其不断成长和演化,而回声模型研究的涌现(Emergence)”现象则将个体进化和系统演化联接了起来。详细来说,复杂适应系统由大量适应性主体构 成,主体之间以及主体和环境之间存在着复杂的非线性相互作用,这种相互作用导致了系统的涌现现象,即微观个体的进化使宏观系统呈现出新的状态和新的结 构,因此,涌现就将个体的适应与系统的演化这两个不同的层次联接了起来

 


 

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