复杂适应系统理论PPT课件
复杂自适应系统理论综述
复杂自适应系统理论综述1 复杂自适应系统理论简介复杂自适应系统（Complex Adaptive System，CAS）理论是现代复杂性科学研究中的一种重要理论，是由美国密歇根大学教授、遗传算法创始人约翰·霍兰（John Holland）于1994年圣塔菲研究所成立10周年时正式提出的。
其后霍兰又在《隐秩序——适应性造就复杂性》以及《涌现：从混沌到有序》两本著作中对该理论进行了完善。
CAS理论的主要思想是：复杂自适应系统是一种“用规则描述的，由相互作用的适应性主体（Active Agent）所构成的系统，这些主体随着经验的积累，靠不断变换规则来适应”（霍兰，2000：10-11）；复杂自适应系统理论的核心是适应性创造复杂性，与以往传统的机械论、还原论不同，复杂自适应系统（CAS）中的个体是具有主观能动性、适应性的智能体，可以在适应外界环境与对外交流中不断学习与积累经验，并能根据自己所学不断调整自己的行为方式以求与系统规则相匹配。
另外，还能通过修改系统规则来达到自身行为与外界环境的匹配。
在该系统中，所有个体都处于一个主要由其他个体所构成的大环境之中，而复杂自适应系统也始终处于一种“混沌的边缘”的环境之中，因而任何主体在适应上所作的努力都是努力适应别的适应性主体，即CAS中的每一个个体都依靠与环境以及与其他个体间的相互作用不断改变着它们的自身，同时也改变着环境。
此外，与自上而下、中心控制的复杂性科学早期研究的贝塔朗菲的一般系统理论不同，复杂自适应系统是一种层次结构分明的自下而上的分散系统，系统中的每个个体在共处一个大环境的同时又分别根据它周围的小环境并行、独立地进行着适应与学习，不同层次间的个体一般没有交集，从而“把对涌现的繁杂的观测还原为简单机制的相互作用”，而相同层级的个体通过一定的竞合行为，又可以在系统的更高层次上突现出新的结构、现象及更复杂的行为。
一般认为像社会系统、股票市场、虚拟社区、蚁群、人体免疫系统、组织中的单位或不同组织所形成的联盟都可看作复杂自适应系统。
复杂系统及其方法论PPT课件
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系统与系统科学
对于系统科学来说，一个是要认识系统，另一 个是在认识系统基础上，去改造、设计和运用系 统，这就要有科学方法论的指导和科学方法的运 用。
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主要内容
现代科学技术的发展 系统与系统科学 综合集成思想与综合集成方法 综合集成理论与综合集成技术 综合集成工程
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综合集成思想与综合集成方法
综合集成方法的实质是把专家体系、信息与知识体系以及计算机体系有机结合起来，构成一个高度 智 能 化 的 人 ·机 结 合 与 融 合 体 系 ， 这 个 体 系 具 有 综 合 优 势 、 整 体 优 势 和 智 能 优 势 。 它 能 把 人 的 思 维 、 思 维 的 成果、人的经验、知识、智慧以及各种情报、资料和信息统统集成起来，从多方面的定性认识上升到定量 认识。
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系统与系统科学
另一方面，从应用角度来看，根据上述性质，为了使系统具有我们期 望的功能，特别是最好的功能，我们可以通过改变和调整系统结构或系统 环境以及它们之间关联关系来实现。但系统环境并不是我们想改变就能改 变的，只能主动去适应。而系统结构却是我们能够改变、调整和设计的。 这样，我们便可以通过改变、调整系统组成部分或组成部分之间、层次结 构之间以及与系统环境之间的关联关系，使它们相互协调与协同，从而在 整体上涌现出我们满意的和最好的功能，这就是系统控制、系统干预 （Intervention）、系统组织管理的基本内涵，也是控制工程、系统工 程等所要实现的主要目标。
适应性分析模型详解课件
案例二：市场经济下的资源分配
01
问题描述
02
适应性分析模型应用
03
模型输出
案例三：城市规划中的交通流优化
适应性分析模型应用
问题描述
模型输出
CATALOGUE
适应性分析模型的评估与优化
模型的验证与校准
验证方法
介绍如何通过对比模型预测结果 与实际观测数据来验证模型的准 确性。包括视觉对比、统计指标 （如均方误差、决定系数等）的
CATALOGUE
适应性分析模型的构建步骤
确定适应性目标
01
02
长期目标
短期目标
03 利益相关者需求
收集与分析数据
01
历史数据
02
实时数据
03
多源数据融合
04
数据预处理
构建适应性模型
模型选择
。
参数估计
模型验证 模型优化
CATALOGUE
适应性分析模型的应用案例
案例一：气候变化适应策略选择
评估。
校准重要性
阐述模型校准的意义，即调整模 型参数以使其更好地符合实际数 据的过程，以提高模型的预测能
力。
校准方法
详细介绍常用的模型校准方法， 例如基于观测数据的校准、基于 敏感性分析的校准等，并解释它
们的工作原理和适用场景。
பைடு நூலகம் 模型的优化改进
模型算法优化
模型结构优化 数据驱动的优化
未来研究方向与挑 战
模型的重要性和应用领域
重要性 应用领域
模型的基本原理和核心概念
基本原理
适应性分析模型基于系统科学、复杂性科学等理论，通过模拟系统组件之间的相互作用和环境变化下的行为响应， 来分析系统的适应性和演化规律。
复杂适应系统理论
复杂适应系统理论
复杂适应系统理论（CAS）是一种用于探索有关复杂系统结构和运作原理的理论。
CAS由经济学家米尔顿·弗里德曼（Milton Friedman）在1962年提出，旨在表明复杂的系统可以通过自我调整和自我优化来适应环境的变化。
这是一个贯穿进化论和系统科学的概念，它表明，有些系统可以通过探索和利用它们自身的复杂性来克服环境和外部因素的变化。
CAS认为，复杂系统的行为不仅受外部因素的影响，也受内部因素的影响，这些内部因素包括系统内的连接、网络结构和机制。
CAS 假设，系统内的复杂性可以被驱动，从而自我调整以适应环境的变化。
CAS的研究在许多领域都有广泛的应用，包括金融市场、社会和经济系统、生态系统以及人类行为和文化模式。
CAS理论被用来探索如何使系统更具灵活性，以便它们可以更好地应对外部和内部变化。
它也被用来推动改进系统结构，使其更加弹性，以实现更高的效率和稳定性。
此外，CAS理论也被用来研究复杂系统中的社会和技术元素如何交互作用，以及它们如何影响系统的性能。
例如，研究人员使用CAS 理论来研究如何提高金融市场的效率，以及如何最大化生态系统的稳定性。
CAS理论的结果是令人鼓舞的，它表明，复杂的系统可以通过自我调整和自我优化来应对外部变化。
通过加强系统的弹性，可以使系统更加灵活，从而更好地适应它们所处的环境。
CAS理论也被用来改善系统结构，以实现更高的效率和稳定性。
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）。
复杂适应系统理论
复杂适应系统理论
复杂适应系统理论是一种有效的系统分析和控制理论，它提出了一种新颖的视角，以更深入地理解系统的复杂性。
复杂适应系统理论旨在揭示系统中内在的复杂性，以及它如何影响系统的结构和性能。
复杂适应系统理论的基本思想是，系统的结构和性能是由复杂的元素构成的，这些元素之间存在着有机的联系。
因此，系统的行为不仅取决于每个元素的行为，而且还取决于它们之间的相互作用。
这种复杂的相互作用使得系统的行为具有不确定性，这些不确定性会影响系统的行为和性能。
此外，复杂适应系统理论还认为，复杂系统有能力自我调节和自我组织。
这意味着系统会根据环境变化而调整其结构和性能，以适应新的环境。
通过自我调节和自我组织，系统可以保持其内部平衡，同时可以应对外界环境的变化。
复杂适应系统理论为系统分析和控制提供了一种新的视角，它更深入地理解了系统的复杂性，并为实现系统的性能和稳定性提供了可行的方法。
它不仅有助于我们更好地理解复杂系统，而且有助于我们更有效地控制和管理它们。
复杂系统理论
复杂适应系统(CAS)理论复杂适应系统理论的概述复杂适应系统(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。
复杂适应系统理论
复杂适应系统理论
复杂适应系统理论（complex adaptive systems，CAS）是一种基于网络和复杂性科
学研究的复合理论，它旨在从复杂模式中抽象出机制以及动态调节和控制系统演化的方法。
复杂适应系统理论包括多学科研究，如计算机科学，数学，物理学，生物学，社会学，经
济学等，目标是提供一种框架，通过研究发掘社会和经济系统的诞生，演化和发展的方式，以及它们如何影响当前的复杂的和活跃的系统。
因此，复杂适应系统理论也用来理解大型
系统如市场资源配置、社会和经济变革等过程。
研究者们发现，复杂适应系统包含三种元素：复杂性、能够适应其环境并学习以改善
自己的子系统，以及交互作用的网络。
它们构成一个嵌套的微观物理宇宙系统，伴随着额
外的社会、经济、文化和心理因素。
这些元素彼此交互，在层层嵌套的复杂性之间形成非
常动态的结构，而传统的模型不具备解释这种复杂性的能力。
复杂适应系统理论是一个重要的研究领域，它可以帮助我们理解复杂现象如市场有所
不同，社会难以预料，基本上没有集体意识，可以解释多种原因的新型社会系统；它可以
帮助研究潜在的不同的行为，如政治和社会结构，技术变革，全球变化，经济行为等。
它
还用来理解复杂环境中的重要事件以及人类介入如何影响这些事件。
最后，复杂适应系统理论是一种基于系统思维的多学科内在结构，它提供了一种理解
模式，帮助人类了解复杂社会系统。
它使我们特别能够深入研究这些系统，弄清系统中的
结构，从而掌握多种交互机制，改变和适应现代的社会现象。
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（3）观察这些图示如何与附加信息相结合得出适用于现实世界的结果。
这一整套操作如下图所示：
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12
把内部模式与实时信 息结合，描述环境，
预测未来
结果 （现实世界）
采取行动， 作用与现实
世界
反馈行动后果的 信息，评价、改
进内部模式
复
描述、预言、行动
杂 适
（现实世界）
处理信息，总结研 究，提炼内部模式
应
.
2
复杂适应系统理论
1 涌现 圣塔菲的核心理念之一 2 CAS理论基本观点和核心思想 3 基于主体的适应性刻画 4 CAS建模和回声模型 5 CAS理论总结
目录
移动改变生活
一涌 现
系统理论流派不同时期对 涌现的研究
.
4
1.1 涌现的特性
什么是涌现，霍兰德观点代表了当时的共识：“像涌现这么复杂的问 题，不可能只是服从一种简单的定义，我也无法提供这样的定义。”
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。”
.
9
2.2 CAS的基本概念
2.2.1 CAS理论的核心概念——适应性主体或行为主体 为何在CAS系统中引入适应性主体的概念？
控制理论
自组织理论
复杂适应系统 理论
系统最小组分是机械
系统元素是物质或分子。
把元素当作适应性行动者，
.
17
四 从微观到宏观—回声模型
从信息运作角度看，就是把前面描述的理论框架转换为计算机模型，
“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”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
具有主动性，能够感受环境，自我学习，主动的调整、改
变自己，以便能动的适应环境。
例如：中枢神经系统的神经元，免疫系统的抗体，经济系
统的公司…… 2.2.3 从适应性行动者的角度定义复杂适应系统
CAS生 成的 动力
大量具有主动性行动者在相互作用中努力地相互适应，寻
找和创建能够相互适应并共同适应外部环境所需要的行为规
E
从反馈信息中提炼作为处理外部环境关系时的规则
F
观察行为带来的反应信息，调整行为适应环境
G
整个组织内部成员有自身的个体模式
.
供应 链系 统为 复杂 适应 系统
15
.
16
三 基于主体的适应性刻画
行动者在获得经验时如何改变系统行为方式，即适应者的行动能力，CAS理论通过 和生物系统的类比并联系社会系统的经验来制定描述框架。具体归结为三个步骤：
2.1.3 适应性产生复杂性的内涵
CAS理论强调子系统具有目的性和主动性，把个体的“适应性”作为 系统必不可少的条件，并由此涌现出具有更强适应性的新层次的主体。 特别是“主动适应性”，是系统整体涌现的根本原因。这也就是“适应 性造就复杂性”的根本含义。
.
8
复杂适应系统的核心思想
2.1.4 复杂适应系统的核心思想
.
7
2.1 CAS理论核心思想—适应产生复杂性
圣塔菲学派把系统分为非适应性和适应性两类，而适应性又分为直接适
应性（自动恒温器）和复杂适应性（社会、经济、自然界、地球生态）。
2.1.2 复杂适应系统的共同特征
有大量的不同组分聚集而成，组分之间存在广泛的相互作用，能够在环 境中学习，积累经验，通过改进自身行为规则而适应复杂多变的环境，从 而在整体上表现出运行的协调性和行为模式的持续性。
系
现有资料
展开
统
运
概述规律性并能给出预言的图示
作
（许多竞争者的图示之一）
图
收集信息，积累
经验
规律的辨识与压缩
过去的资料包括行为及其效果
.
13
2.4 CAS的基本特性
CAS基本 特征
.
机制
特性
聚集 非线性
流 多样性
标
识
内部模型
积பைடு நூலகம்
木
CAS 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。前 四个是CAS 的通用特性, 它 们将在适应和进化中发挥作 用; 后三个是个体与环境进 行交流时的机制和有关概念。
的或电磁的元件，属
虽然在不停的运动，但
具有主动性和目的性，能
于没有个性和主动性
没有个性，没有对环境
够学习和积累经验，改变
的实体，服从物理规
的适应性
自身行为规则，环境适应
律
能力
CAS理论通过引入适应性行动者的概念，以行动者作为系统的元素，找到一条客
服上述缺点的道路。 .
10
2.2.2 适应性行动者的根本特点
则，由这样的行动者整合而成的系统，就是复杂适应系统。
.
11
2.3 CAS的运作机制
从信息运作的角度来看，CAS的行为是一整套发达的信息运作，包
括信息的获取、加工、压缩、提炼、传送、利用和消除等。按照盖尔
曼的总结，研究CAS主要关注：
（1）信息怎样以数据流的形式到达系统；
（2）CAS如何寻找数据流中的规律性，如何把它们从一些偶然的特征中 提取出来，并提炼成可调整的图示；
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供应链复杂适应系统分析
供应链涉及供应商、制造商、零售商、消费者等各类实体及相关的 一系列业务活动，呈复杂的网络结构，因此供应链是一类典型的复 杂系统。它具有以下特点：
A
整个组织具有一个鲜明地目标，执行任务并生存下去
B
由大量相互作用的行为主体构成
C
与包含其他复杂系统的主体环境相互作用
D
发现，即通过反馈获取有关同环境作用的行为信息
复杂适应系统理论
复杂适应系统理论
移动改变生活
CAS理论产生的背景
美国的圣塔菲研究所一直是复杂性研究的中心。1994年， 约翰·霍兰德在圣菲研究所举办的吴拉姆纪念讲座中做了名 为“隐秩序”的著名演进，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。复杂适应系统被 认为是“二十一世纪的新科学”，属于“第三代系统思想”， 所提出的系统理论不仅完全颠覆了传统的研究范式，而且也 有别于早期的系统思想。
按照圣塔菲学着的见解，涌现现象至少具有以下特性： 1. 涌现的普遍性； 2. 涌现的系统性； 3. 涌现的恒新性； 如何研究涌现，CAS理论对你研究涌现由何启示？
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2.1 CAS理论核心思想—适应产生复杂性
2.1.1 圣塔菲学派对复杂性的研究
复杂性从何 而来？？
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圣塔菲学派和钱学森关于复杂性阐释的比较