復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真

復(fù)雜系統(tǒng)仿真與建模主要內(nèi)容為什么要用計(jì)算機(jī)仿真為什么是復(fù)雜系統(tǒng)仿真為什么用Repast仿真Repast仿真方法實(shí)例介紹計(jì)算機(jī)仿真什么是計(jì)算機(jī)仿真

計(jì)算機(jī)仿真以計(jì)算機(jī)技術(shù)為手段,通過仿真模型模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)來認(rèn)識(shí)實(shí)際系統(tǒng)規(guī)律的一種研究方法。計(jì)算機(jī)仿真的發(fā)展1946年2月世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC在美國誕生,到四十年代末期首臺(tái)模擬式電子計(jì)算機(jī)就被用于三自由度飛機(jī)系統(tǒng)的仿真。

五十年代末期到六十年代,由于宇航科技發(fā)展的迫切需要,美國科研人員又創(chuàng)造了混合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(由數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)和模擬計(jì)算機(jī)通過一套混合接口聯(lián)接而成),這使得人們能對較復(fù)雜系統(tǒng)的行為進(jìn)行仿真研究。七十年代以來,隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的大大提高以及相應(yīng)的仿真軟件的不斷完善,數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真得到很快發(fā)展,其應(yīng)用范圍也由各種工程領(lǐng)域擴(kuò)展到非工程領(lǐng)域。九十年代,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)又朝智能化仿真(仿真技術(shù)與人工智能相結(jié)合)、分布式并行處理仿真、仿真支持系統(tǒng)等方向發(fā)展。1.為什么用計(jì)算機(jī)仿真？傳統(tǒng)的科研方法實(shí)驗(yàn)的方法——觀察法（植物培育實(shí)驗(yàn)等）理論的方法——數(shù)學(xué)和邏輯方法成果：愛因斯坦的相對論、電磁理論但是？我們?nèi)绾窝芯考膊魅荆课覀內(nèi)绾窝芯可只馂?zāi)的蔓延規(guī)律？我們?nèi)绾窝芯啃畔⒌膫鬟f形式？——我們不可能用人類、森林、來做實(shí)驗(yàn)。提出了要用計(jì)算機(jī)仿真有些問題在現(xiàn)實(shí)中無法解決，或者解決的成本太高（病毒的傳播、火災(zāi)的影響、……）在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，這些都可以通過模型實(shí)現(xiàn)。成本低，效果好計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)點(diǎn)模型參數(shù)任意調(diào)整——不同的參數(shù)、不同結(jié)果系統(tǒng)模型快速求解——立即看到結(jié)果運(yùn)算結(jié)果可靠準(zhǔn)確——模型合理可以得到準(zhǔn)確結(jié)果實(shí)物仿真形象直觀——可視化的模型來展示結(jié)果2.復(fù)雜系統(tǒng)理論“復(fù)雜性”科學(xué)起始于1928年，以奧地利生物學(xué)家貝塔朗菲（L.V.Bertalanffy）在其《生物有機(jī)體》論文中首次提出了“復(fù)雜性”的概念為標(biāo)志。圣菲研究所把計(jì)算機(jī)作為從事復(fù)雜性研究的最基本工具，用計(jì)算機(jī)模擬相互關(guān)聯(lián)的繁雜網(wǎng)絡(luò)，對于復(fù)雜系統(tǒng)仿真有著巨大的推動(dòng)。美國學(xué)者霍蘭于1994年引入了復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)(CAS；ComplexAdaptiveSystem)的概念，區(qū)別于傳統(tǒng)的理論研究方法，復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的研究方法強(qiáng)調(diào)采用計(jì)算機(jī)仿真作為主要的研究工具復(fù)雜系統(tǒng)——中國發(fā)展1989年《哲學(xué)研究》第10期上發(fā)表了錢學(xué)森的文章“基礎(chǔ)科學(xué)研究應(yīng)該接受馬克思主義哲學(xué)的指導(dǎo)”，其中第三節(jié)“開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)的研究與方法論”，把開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)作為宏觀層次基礎(chǔ)科學(xué)研究的重大課題，且對其內(nèi)容及其處理方法做出初步闡述。這標(biāo)志著在1989年秋天，開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)的概念已形成。到1989年底，錢學(xué)森同于景元、戴汝為合作寫成的“一個(gè)科學(xué)新領(lǐng)域——開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)及其方法論”，對復(fù)雜系統(tǒng)概念及其方法論做出了全面系統(tǒng)的論述。1998年，白方周教授出版了國內(nèi)第一部定性仿真專著，對定性仿真、模糊仿真及歸納推理等仿真方法作了較系統(tǒng)的介紹，對這一復(fù)雜系統(tǒng)的核心處理方法起到了一定的推動(dòng)作用。2004年，由青島大學(xué)主辦的國內(nèi)第一份刊登復(fù)雜系統(tǒng)和復(fù)雜性科學(xué)領(lǐng)域研究成果的中文學(xué)術(shù)期刊《復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜性科學(xué)》雜志創(chuàng)刊，提供了供大家就復(fù)雜系統(tǒng)問題交流的一個(gè)平臺(tái)，同時(shí)也反映了國家對復(fù)雜系統(tǒng)研究的認(rèn)可和重視2004年9月是《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》的百期紀(jì)念，李伯虎，王正中，王子才等在《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》百期紀(jì)念特約專家論壇上均發(fā)表了關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)仿真的論文，并且《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》自身也進(jìn)行了國內(nèi)仿真技術(shù)的研究熱點(diǎn)的研究，大家得出了一致結(jié)論：復(fù)雜系統(tǒng)已經(jīng)無可爭議地成為國內(nèi)仿真界研究的最大熱點(diǎn)問題之一。復(fù)雜系統(tǒng)特點(diǎn)自適應(yīng)性/自組織性(self-adaptive/self-organization)。

系統(tǒng)是由時(shí)空交疊或分布的智體（Agent）構(gòu)成的。這些智體具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自聚集、自組織等能力，智體能夠通過不斷地學(xué)習(xí)，調(diào)整自身的結(jié)構(gòu)和行為，以適應(yīng)外部和內(nèi)部的變化。智體之間、智體與環(huán)境之間會(huì)發(fā)生各種各樣的交互作用，正是智體的自主性，以及智體間交互的復(fù)雜性，使得整個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)呈現(xiàn)復(fù)雜性，同時(shí)也是復(fù)雜系統(tǒng)不斷演化的驅(qū)動(dòng)力。不確定性（uncertainty）

不確定性與隨機(jī)性相關(guān)，而復(fù)雜系統(tǒng)中的隨機(jī)因素不僅影響狀態(tài)，而且影響組織結(jié)構(gòu)和行為方式，而復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)性使得智體可以自學(xué)習(xí)，能記住這些經(jīng)歷，并“固化”在自己以后的行為方式中。涌現(xiàn)性（emergence）

肩負(fù)不同角色的智體間通過多種交互模式、按局部或全局的行為規(guī)則進(jìn)行交互，智體類型與狀態(tài)、智體之間的交互以及系統(tǒng)行為隨時(shí)間不斷改變，系統(tǒng)中子系統(tǒng)或基本單元之間的局部交互，經(jīng)過一定的時(shí)間之后在整體上演化出一些獨(dú)特的、新的性質(zhì)，形成某些模式，這便體現(xiàn)為涌現(xiàn)性。子系統(tǒng)之間的相互作用，可導(dǎo)致產(chǎn)生與單個(gè)子系統(tǒng)行為顯著不同的宏觀整體性質(zhì)。預(yù)決性（Finality）。

復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展趨向取決于系統(tǒng)的預(yù)決性，預(yù)決性是系統(tǒng)對未來狀態(tài)的預(yù)期和實(shí)際狀態(tài)限制的統(tǒng)一。事實(shí)上，任何有生命的物質(zhì)，都具預(yù)期或預(yù)測的能力，從而影響系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方向。演化（Evolution）

復(fù)雜系統(tǒng)對于外界環(huán)境和狀態(tài)的預(yù)期—適應(yīng)—自組織過程導(dǎo)致系統(tǒng)從功能到結(jié)構(gòu)的不斷演化。這種演化運(yùn)動(dòng)在物理系統(tǒng)中是不存在的。物理系統(tǒng)一般由多個(gè)已有的元素組成，功能和結(jié)構(gòu)都不會(huì)改變。而復(fù)雜系統(tǒng)一般是由簡單的元素組合，經(jīng)過不斷的演化而發(fā)展在為功能和結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的系統(tǒng)。從低級(jí)到高級(jí)，從簡單到復(fù)雜，不斷的演化，是復(fù)雜系統(tǒng)最本質(zhì)特性。開放性（opening）。系統(tǒng)與外部環(huán)境以及子系統(tǒng)之間存在交互作用。系統(tǒng)中智體——Agent疾病傳播模型中——疾病攜帶者，未傳染者獵食模型中——狼、羊、草謠言傳播模型中——接受、未接受謠言的個(gè)體也被稱作：自適應(yīng)主體組件（程序設(shè)計(jì)方面）智體（類似有生命的個(gè)體、聰明的個(gè)體）復(fù)雜系統(tǒng)特性簡單理解預(yù)決性學(xué)習(xí)？不學(xué)習(xí)？自適應(yīng)性學(xué)什么怎么學(xué)涌現(xiàn)性多個(gè)智體學(xué)習(xí)的結(jié)果不確定性知識(shí)信息3.為什么用Repast種類繁多應(yīng)用廣泛/bbs/Repast軟件介紹Repast最早由美國芝加哥大學(xué)和阿爾貢（Argonne）國家實(shí)驗(yàn)室的DavidSallach等研究人員研制成功。目前由非營利的志愿組織ROAD(RepastOrganizationforArchitectureandDevelopment)負(fù)責(zé)后續(xù)版本的升級(jí)。Repast平臺(tái)是免費(fèi)提供的,為分析復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)建立模型而設(shè)計(jì),主要應(yīng)用于社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。Repast優(yōu)點(diǎn)基于多Agent仿真的平臺(tái)（支持復(fù)雜系統(tǒng)的相關(guān)理論）多平臺(tái)。最新的版本支持幾乎所有的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)(例如,Windows,MacOS和Linux),以及多種不同的編程語言(例如Java,C)仿真建模實(shí)現(xiàn)起來方便（可以通過圖形模塊拖出模型）4.Repast建模需要什么Model對象（仿真模型本身）Space對象（環(huán)境）（一般是二維表格）