復(fù)雜系統(tǒng)仿真.

1、引言引言o 面向?qū)ο蟮暮诵乃枷耄耗Mo 面向?qū)ο笤谀M現(xiàn)實(shí)世界方面足夠好了嗎？o 在面向?qū)ο蠡A(chǔ)上還需要做什么？o 如何進(jìn)一步改變思維方式和建模方法231. 什么是復(fù)雜系統(tǒng)什么是復(fù)雜系統(tǒng)4復(fù)雜系統(tǒng)：確定性復(fù)雜系統(tǒng)：確定性的的終結(jié)終結(jié)o 拉普拉斯決定論：n 宇宙不過(guò)是一臺(tái)機(jī)械的鐘表n 宇宙的未來(lái)完全由它的過(guò)去決定。n 世界是可被預(yù)知的。只要我們明白了支配宇宙的規(guī)律，那么我們就能推察過(guò)去，預(yù)言未來(lái)。n 宇宙的統(tǒng)一規(guī)律已找到了（牛頓），宇宙的圖景已被描繪出來(lái)了。5詩(shī)人蒲柏為偉大的牛頓寫(xiě)下的墓志銘所言： 自然和自然的法則在黑夜中隱藏， 上帝說(shuō)，讓牛頓去吧 于是一切都已照亮。 6復(fù)雜系統(tǒng)：確定性復(fù)雜系統(tǒng)

2、：確定性的的終結(jié)終結(jié)復(fù)雜系統(tǒng)：確定性的終結(jié)復(fù)雜系統(tǒng)：確定性的終結(jié)o 可是，n 世界其實(shí)很復(fù)雜，并不確定，偶然的小情況可能放大為決定性的事件，影響了整個(gè)歷史進(jìn)程復(fù)雜地發(fā)展。n 牛頓定律本身雖是確定性的，但它所描述的具體事物，很可能出現(xiàn)隨機(jī)行為。n 一場(chǎng)激動(dòng)人心的科學(xué)觀念的革命瞬間照亮了各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，其中的原則和思想影響是如此地深遠(yuǎn)和廣泛，以至于絕大多數(shù)學(xué)科都卷入其中，這就是復(fù)雜性科學(xué)。7無(wú)處不在的復(fù)雜性無(wú)處不在的復(fù)雜性o 生命的復(fù)雜性o 歷史的復(fù)雜性o 社會(huì)經(jīng)濟(jì)的復(fù)雜性o 工程中的復(fù)雜性o 生活中的復(fù)雜性o 戰(zhàn)爭(zhēng)的復(fù)雜性8無(wú)處不在的復(fù)雜性無(wú)處不在的復(fù)雜性o 生命的復(fù)雜性 2002年5月，英國(guó)自然

3、周刊上宣布在冰島北部海下發(fā)現(xiàn)了一種迄今所知最小的生命。這種被稱為“Nanoarchaeum equitans”的微生物屬于古細(xì)菌的一種，其基因組的DNA堿基對(duì)僅有50萬(wàn)左右。假設(shè)一個(gè)基因的平均長(zhǎng)度為1000個(gè)堿基，那么這個(gè)細(xì)菌所擁有的基因大約是500個(gè)。如果每個(gè)基因編碼一種蛋白質(zhì)，那么這個(gè)細(xì)菌最多可以擁有500種蛋白質(zhì)。 哪怕是最小、最簡(jiǎn)單的生物體，也是由許多執(zhí)行不同功能的組分構(gòu)成的。因此，生命復(fù)雜性的第一個(gè)特征是，生命是一種復(fù)合體，不可能由一個(gè)成分（一種基因或蛋白質(zhì)）構(gòu)成。9無(wú)處不在的復(fù)雜性無(wú)處不在的復(fù)雜性o 歷史的復(fù)雜性n 如果沒(méi)有薩拉熱窩事件n 如果沒(méi)有五四運(yùn)動(dòng)n 如果沒(méi)有愛(ài)因斯坦n 如

4、果 n 歷史沒(méi)有假如，歷史不能彩排，歷史不能回放。n 歷史是由眾多偶然事件寫(xiě)成的10無(wú)處不在的復(fù)雜性無(wú)處不在的復(fù)雜性o 社會(huì)經(jīng)濟(jì)的復(fù)雜性n 1987年10月19日的黑色星期一。以美國(guó)為震源的西方股市暴跌，損失高達(dá)4790億美元。按照傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)理論，股票市場(chǎng)的波動(dòng)系由不相關(guān)的外來(lái)擾動(dòng)，如戰(zhàn)爭(zhēng)、謠言等引起。而此次暴跌找不到任何原因，最終只能歸結(jié)為系統(tǒng)的一種非線性效應(yīng)。11無(wú)處不在的復(fù)雜性無(wú)處不在的復(fù)雜性o 工程的復(fù)雜性n 水壩的綜合影響水壩的綜合影響n 為什么為什么鐵路信號(hào)系統(tǒng)工作正常時(shí)，列車(chē)仍然會(huì)發(fā)生撞車(chē)事故？為什么為什么所有操作人員警覺(jué)地堅(jiān)守著工作崗位，核反應(yīng)堆依然會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的熔化事故？為什

5、么為什么我們制定得很好的那么多專業(yè)和個(gè)人計(jì)劃，會(huì)如此頻繁地出岔子?n 軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性n 人類在工程實(shí)踐中的盲目自信12無(wú)處不在的復(fù)雜性無(wú)處不在的復(fù)雜性o 生活的復(fù)雜性n 每個(gè)人都是不同的n 個(gè)人的規(guī)劃是復(fù)雜的n 人際關(guān)系是復(fù)雜的n 生命是如此多彩13無(wú)處不在的復(fù)雜性無(wú)處不在的復(fù)雜性o 戰(zhàn)爭(zhēng)的復(fù)雜性n 兵者，詭道也。n 戰(zhàn)爭(zhēng)是藝術(shù)。n 科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中的“馬桶效應(yīng)”n 在戰(zhàn)爭(zhēng)中摧毀一個(gè)目標(biāo)的效果是什么？14復(fù)雜系統(tǒng)的特征復(fù)雜系統(tǒng)的特征o 混沌o 分形o 涌現(xiàn)o 自適應(yīng)o 非線性o 不確定o 15混沌混沌o 蝴蝶效應(yīng) 1963年的一天，氣象學(xué)家洛倫茲踱進(jìn)麻省理工學(xué)院的咖啡館。而在他進(jìn)來(lái)之前，他剛把一

6、個(gè)數(shù)據(jù)輸入他那臺(tái)現(xiàn)在看來(lái)工作速度其慢無(wú)比的計(jì)算機(jī)，以驗(yàn)證上一次的結(jié)果。他知道結(jié)果還需要等一個(gè)來(lái)小時(shí)，他大可一邊躲開(kāi)噪音，一邊來(lái)悠閑地享受點(diǎn)咖啡。當(dāng)他回到自己的工作室時(shí)，令他驚訝的事發(fā)生了：這次的結(jié)果與上次的結(jié)果在開(kāi)始時(shí)相同，但到后來(lái)卻出現(xiàn)了很大的差異。他的結(jié)果是通過(guò)曲線表示的，這就是說(shuō)兩條曲線只是在開(kāi)始時(shí)相吻合，而到后來(lái)兩者卻分道揚(yáng)鑣了。n 初始條件的微小變動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致軌道完全不一樣。 “差之毫厘，失之千里”16混沌混沌o 混沌無(wú)處不在n 從一顆釘子到一個(gè)帝國(guó)n 一根稻草到一只駱駝n 馬屁股的寬度決定了火星探測(cè)發(fā)射器的寬度17分形分形o 1967：Mandelbrot：英國(guó)的海岸線有多長(zhǎng)？o 什

7、么是分形？n 分形是對(duì)沒(méi)有特征長(zhǎng)度但具有一定意義下的自相似圖形和結(jié)構(gòu)的總稱； n 分形是整體與局部在某種意義下的對(duì)稱性的集合；n 分形是具有某種意義下的自相似集合；18Koch 曲線曲線自然界中的其他事物自然界中的其他事物o 取下一片蕨類植物葉子似乎與整體有某種相似性。o England的海岸線從視覺(jué)上也感覺(jué)有某種自相似性更多的分形圖案涌現(xiàn)涌現(xiàn)o 什么叫涌現(xiàn)？o 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)o 生命游戲21什么叫涌現(xiàn)？什么叫涌現(xiàn)？o 若干個(gè)體遵循簡(jiǎn)單的規(guī)則，作為整體就會(huì)有異常復(fù)雜的現(xiàn)象自發(fā)的產(chǎn)生出來(lái)，這種現(xiàn)象就是涌現(xiàn)。o 還原論不再起作用22復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)o 很多復(fù)雜系統(tǒng)都可以抽象為網(wǎng)絡(luò)n WWW網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)站是節(jié)

8、點(diǎn)，網(wǎng)站之間的連接是邊n 社會(huì)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)：人是節(jié)點(diǎn)，人和人的熟識(shí)是邊n 演員網(wǎng)絡(luò)：演員是節(jié)點(diǎn)，出演同一部電影是邊技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)WWW電力網(wǎng)因特網(wǎng)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)朋友關(guān)系網(wǎng)科學(xué)引文網(wǎng)演員網(wǎng)科學(xué)家合著網(wǎng)交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)航空網(wǎng)道路交通網(wǎng)城市公共交通網(wǎng)生物網(wǎng)絡(luò)生物網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基因網(wǎng)絡(luò)蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)新陳代謝網(wǎng)絡(luò)不同領(lǐng)域的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)不同領(lǐng)域的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)o 社會(huì)網(wǎng)：演員合作網(wǎng)，友誼網(wǎng)，姻親關(guān)系網(wǎng)，科研合作網(wǎng)，Email網(wǎng)o 生物網(wǎng)：食物鏈網(wǎng)，神經(jīng)網(wǎng)，新陳代謝網(wǎng)，蛋白質(zhì)網(wǎng)，基因網(wǎng)絡(luò)o 信息網(wǎng)絡(luò)：WWW，專利使用，論文引用，計(jì)算機(jī)共享o 技術(shù)網(wǎng)絡(luò)：電力網(wǎng)，Internet，電話線路網(wǎng)，o 交通運(yùn)

9、輸網(wǎng)：航線網(wǎng)，鐵路網(wǎng)，公路網(wǎng)，自然河流網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的特性復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的特性o 少數(shù)節(jié)點(diǎn)擁有大量連接n 少數(shù)節(jié)點(diǎn)擁有大量的連接、大多數(shù)節(jié)點(diǎn)連接數(shù)很少o 若干超級(jí)站點(diǎn)如Google, Yahoo等擁有大量的連接o 少數(shù)幾個(gè)社會(huì)活動(dòng)家認(rèn)識(shí)大量的人這是一個(gè)小世界這是一個(gè)小世界o 著名的“六度分離”試驗(yàn)和小世界特性n “六度分離”試驗(yàn)：1967年，美國(guó)的社會(huì)心理學(xué)家Milgram寄出了數(shù)百封信給公眾，并請(qǐng)求他們把信轉(zhuǎn)交給某位相識(shí)的人，條件是對(duì)方必須是最有可能把信再轉(zhuǎn)給波士頓一位股票經(jīng)紀(jì)人手里的人。最后發(fā)現(xiàn)，平均經(jīng)過(guò)6個(gè)人的手信件就會(huì)達(dá)到目的地o 通過(guò)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)，平均相隔6個(gè)人，你就可以與世界上的任意一個(gè)人相連o

10、 這真是一個(gè)名副其實(shí)的“小世界”Game of Life生命游戲生命游戲o 1970年，John Conway提出了一個(gè)有趣的計(jì)算機(jī)程序：生命游戲o 這是一個(gè)方格世界，每個(gè)方格僅僅有黑、白兩種顏色生命游戲的規(guī)則生命游戲的規(guī)則想象一個(gè)外星空間存活著很多方格生命，如果一個(gè)方格是黑色的，那么這里就有一個(gè)生命，如果是白色的就沒(méi)有每個(gè)方格周?chē)加?個(gè)鄰居誕生規(guī)則誕生規(guī)則如果某時(shí)刻，一個(gè)空方格（白色）周?chē)従又杏腥齻€(gè)活的生命（黑色方格），那么該方格就會(huì)誕生一個(gè)新生生命（白色黑色）死亡規(guī)則死亡規(guī)則 在某時(shí)刻，對(duì)于已經(jīng)占領(lǐng)某方格的生命體（黑色）只有當(dāng)它的鄰居中有2個(gè)或者3個(gè)是活的（黑色），它才會(huì)繼續(xù)存活，否則

11、不是因?yàn)檫^(guò)分擁擠就是因?yàn)檫^(guò)分孤獨(dú)而死亡（黑色白色）復(fù)雜系統(tǒng)仿真復(fù)雜系統(tǒng)仿真o 為什么要仿真o 復(fù)雜仿真的基本方法o 復(fù)雜系統(tǒng)仿真軟件36為什么要仿真為什么要仿真o 1860 年，法國(guó)天文學(xué)家 Delaunay（ Charles Eugene Delaunay，1816-1872）為計(jì)算受到地球與太陽(yáng)重力影響的月球運(yùn)動(dòng)軌跡，花了二十年,計(jì)算過(guò)程填滿一本書(shū)，也只得到一個(gè)近似解o 1970年, 用符號(hào)方程檢查他的計(jì)算,計(jì)算機(jī)只花了20個(gè)小時(shí),不但求出更精確的近似解,還找出 Delaunay 的三個(gè)計(jì)算錯(cuò)誤o 四色圖問(wèn)題o 整體大于部分之和:個(gè)體設(shè)計(jì)上的簡(jiǎn)單規(guī)則不能預(yù)料交互過(guò)程中涌現(xiàn)出的整體新特征o

12、根本原因:非線性方程的不可積，不能精確求解，不能長(zhǎng)期預(yù)測(cè)37復(fù)雜系統(tǒng)仿真的方法復(fù)雜系統(tǒng)仿真的方法o 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論o CAS理論理論o 元胞自動(dòng)機(jī)理論o 38Agent的基本知識(shí)的基本知識(shí)o 對(duì)Agent的一種狹義的定義是：Agent是處在某個(gè)環(huán)境中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)有能力在這個(gè)環(huán)境中自主行動(dòng)以實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)目標(biāo)。o Agent是能夠通過(guò)傳感器感知其所處的環(huán)境，并根據(jù)所處環(huán)境通過(guò)其執(zhí)行器采取相應(yīng)行動(dòng)的任何事物。39Agent的基本知識(shí)的基本知識(shí)40Agent的基本知識(shí)的基本知識(shí)41Agent的基本知識(shí)的基本知識(shí)智能Agent具有如下特點(diǎn):o 自治性：Agent的運(yùn)行無(wú)需人類或其它Agent的直接干

13、預(yù)，并能對(duì)其自身行為及其內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行某種控制。o 反應(yīng)性 ：智能Agent可以感知它們的環(huán)境，并可以對(duì)環(huán)境發(fā)生的變化以及時(shí)的方式做出反應(yīng)，以滿足它們的設(shè)計(jì)目標(biāo)。o 主動(dòng)性：Agent不但能對(duì)環(huán)境作出反應(yīng)，而且它們能夠積極主動(dòng)地做出使其目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)的行為。o 社會(huì)行為能力： 智能Agent可以與其他Agent（也可能是人）交互，以滿足它們的設(shè)計(jì)目標(biāo)。從從Object到到Agento 不是對(duì)象，但可以通過(guò)對(duì)象構(gòu)建不是對(duì)象，但可以通過(guò)對(duì)象構(gòu)建o 對(duì)象對(duì)象一般是被動(dòng)的一般是被動(dòng)的n 客戶服務(wù)器型軟件中的服務(wù)器客戶服務(wù)器型軟件中的服務(wù)器n 方法的調(diào)用使用傳統(tǒng)的過(guò)程調(diào)用實(shí)現(xiàn)方法的調(diào)用使用傳統(tǒng)的過(guò)程調(diào)用實(shí)現(xiàn)

14、o Agents 一般是主動(dòng)的一般是主動(dòng)的n 客戶服務(wù)器型軟件中的客戶端客戶服務(wù)器型軟件中的客戶端n 消息的發(fā)送和消息的接收都是由消息的發(fā)送和消息的接收都是由Agent執(zhí)行執(zhí)行的主動(dòng)行為的主動(dòng)行為43Agent vs. Object主體主體對(duì)象對(duì)象概念定義方式概念定義方式外在行為特征外在行為特征內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)抽象程度抽象程度相對(duì)較高相對(duì)較高/ /貼近于現(xiàn)實(shí)世界貼近于現(xiàn)實(shí)世界相對(duì)較低相對(duì)較低/ /貼近于計(jì)算機(jī)世界貼近于計(jì)算機(jī)世界自主性自主性狀態(tài)自主性狀態(tài)自主性/ /行為自主性行為自主性狀態(tài)自主性狀態(tài)自主性/ /不具備行為自主性不具備行為自主性靈活性靈活性具備具備有限具備有限具備主體主體對(duì)象對(duì)象

15、運(yùn)行持續(xù)性運(yùn)行持續(xù)性持續(xù)性運(yùn)行持續(xù)性運(yùn)行/ /活的、動(dòng)態(tài)、多線程活的、動(dòng)態(tài)、多線程的實(shí)體的實(shí)體間斷性運(yùn)行間斷性運(yùn)行/ /靜態(tài)實(shí)體靜態(tài)實(shí)體交互本質(zhì)交互本質(zhì)社會(huì)性交互社會(huì)性交互/ /語(yǔ)義和知識(shí)層次語(yǔ)義和知識(shí)層次/ /由主體自身在運(yùn)行時(shí)由主體自身在運(yùn)行時(shí)刻決定刻決定方法激活方法激活/ /語(yǔ)法層次語(yǔ)法層次/ /由軟件開(kāi)發(fā)人員在軟由軟件開(kāi)發(fā)人員在軟件設(shè)計(jì)階段決定件設(shè)計(jì)階段決定Agent vs. Object主體、對(duì)象、過(guò)程和函數(shù)主體、對(duì)象、過(guò)程和函數(shù)主體主體對(duì)象對(duì)象過(guò)程和函數(shù)過(guò)程和函數(shù)封裝封裝封裝封裝111.n1.n復(fù)雜系統(tǒng)仿真軟件復(fù)雜系統(tǒng)仿真軟件o TRANSIMSo Repasto SWARMo A

16、SCAPEo NetLogo47NetLogo簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介o Logo語(yǔ)言最早是為了樂(lè)高機(jī)器人玩具設(shè)計(jì)的，這些機(jī)器人被稱為: Turtle（海龜）.之后，Mitchel Resnick等人把 Logo語(yǔ)言擴(kuò)展成為Star-Logo工具，NetLogo是Star-Logo的最新版本o NetLogo是一個(gè)多主體建模仿真集成環(huán)境o 由美國(guó)西北大學(xué)連接學(xué)習(xí)與計(jì)算機(jī)建模中心開(kāi)發(fā)o 2002年發(fā)布了1.0版本，最新5.0 .4模型模型的抽象的抽象o 大量的可移動(dòng)主體在二維空間中交互作用，隨著時(shí)間推進(jìn)，微觀個(gè)體的屬性不斷發(fā)生變化，系統(tǒng)的宏觀特征也因此而變化。o 從三個(gè)方面理解：n 主體:turtles, pa

17、tches, observer, linksn 空間表達(dá)n 仿真推進(jìn) NetLogo基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)o 主體n 虛擬世界由主體構(gòu)成，主體能夠接受命令，進(jìn)行活動(dòng)，所有主體的行為并并行行發(fā)生。n NetLogo中共有三類基本主體o turtles（小海龜）o patches（瓦片）o observer（觀察者）n 4.0以后將Links作為一類主體 50主體類型主體類型o turtles指能夠在世界中移動(dòng)的主體。o 世界是二維的，劃分為由patches組成的網(wǎng)格，每個(gè)patch占據(jù)一個(gè)矩形小塊。n patch不能移動(dòng)n patch也是主體n patch和turtle一樣可以有自己的屬性和行為o o

18、bserver是一個(gè)全局主體，它觀察著由turtles和patches構(gòu)成的世界，能夠執(zhí)行指令獲取世界全部或部分的狀態(tài)，或?qū)崿F(xiàn)對(duì)世界的控制。 虛擬世界虛擬世界空間空間表達(dá)表達(dá)o 每個(gè)patch有二維坐標(biāo)（pxcor,pycor）坐標(biāo)值為整數(shù)整數(shù)。 o 默認(rèn)情況下，二維世界的水平、垂直坐標(biāo)范圍為（-17，17） o 每個(gè)turtle也有坐標(biāo)（xcor,ycor）n turtle坐標(biāo)不必是整數(shù)不必是整數(shù)，因此turtle不一定正好位于某個(gè)patch的中心。o 一個(gè)patch上也可以同時(shí)有多個(gè)turtles。o 實(shí)際上對(duì)turtle而言，NetLogo的空間是連續(xù)的。 仿真仿真推進(jìn)推進(jìn)o 沒(méi)有明確的仿真時(shí)鐘變量，也沒(méi)有提供特定的事件處理機(jī)制o 仿真推進(jìn)是通過(guò)不斷重復(fù)執(zhí)行某個(gè)例程實(shí)現(xiàn)o 模型中至少要有初始化初始化例程和仿真執(zhí)行執(zhí)行例程n 初始化例程初始化例程實(shí)現(xiàn)對(duì)模型初始狀態(tài)的設(shè)置，生成所需的turtles，設(shè)置其狀態(tài)，以及其它工作。n 仿真的執(zhí)行仿真的執(zhí)行通過(guò)例程go實(shí)現(xiàn)，在go例程中編寫(xiě)所需執(zhí)行的各種指令，完成一個(gè)仿真步的工作。 n 需要在Interface頁(yè)中建立一個(gè)按鈕與go例程相聯(lián)系，該按鈕是一個(gè)永久（forever)按鈕，點(diǎn)擊后將不斷重復(fù)執(zhí)行g(shù)o例程，直到遇到stop指令或用戶再次點(diǎn)擊該按鈕則仿真終止。2.建模基本過(guò)程建?；具^(guò)程o Net