復雜系統(tǒng)建模與仿真（教育部面向21世紀信息管理與信息系統(tǒng)系列教材）

　　當今社會不同學科的相互溝通、交叉、滲透和綜合成為主要趨勢，新學科大多是綜合性科學。重新統(tǒng)一的科學作為一種系統(tǒng)，要求有一種能把現(xiàn)有縱向劃分的學科溝通連綴起來的橫斷學科，提供不同學科都使用的概念、原理和方法，使科學在整體上具有縱橫交錯的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)科學就是這種橫斷科學，它的科學使命是使新型科學成為一個按多維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)組織起來的復雜巨系統(tǒng)，是一種新型跨學科的學問。基于社會的需要，我們請長期這方面研究的方美琪老師組織編寫了本教材，主要介紹了系統(tǒng)科學與復雜理論在經(jīng)濟學等社會科學中的應用，以及各種社會科學計算機模型。具體講述了多主體系統(tǒng)MAS在社會科學中的應用，基于主體的計算經(jīng)濟學研究ACE，流行的多主體建模的平臺工具：Swarm，Repast，Ascape等，人工神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、分類器系統(tǒng)在學習與進化模型中的應用等內(nèi)容。本書前言在15世紀前的整個漫長的歷史時期中，人類的認識思維基本上是一種無分析的整體、綜合性的模糊思維。當時，科學是綜合性的學問，它把自然、社會、人自身的知識統(tǒng)統(tǒng)包容于哲學母體中，在這一時期，真正獨立的自然科學還沒有形成。伽利略和牛頓開創(chuàng)了近代科學后，笛卡爾發(fā)展了一種從“自明性”的原理出發(fā)進行演繹的方法，以及把研究課題分得越來越細的分析方法，人類進入了科學發(fā)展史上的一個新時代：“還原論時代”。近代自然科學正是以追求精確、清晰、周密的“拆零實驗”式的還原分析為基礎的。這種還原分析方法大大提高了人類的認識水平，使人類對自然界的認識達到了空前的廣度、深度和精度。然而，隨著科學的不斷發(fā)展、科學研究的深入，人們的認識逐步向宇觀、宏觀、微觀、渺觀等各個領域迅速擴展，隨著認識對象的日趨復雜化，這種還原分析方法就越來越暴露出其局限性。其一，這種“拆零實驗”的分析方法固然可以使科學研究不斷深化，但是，它把整體肢解為部分，忽略、割裂了事物之間的固有聯(lián)系，使理論無法全面地、系統(tǒng)地反映事物的整體性。其二，在這種方法基礎上形成的理論，基本上屬于一種靜態(tài)的理論，僅是對現(xiàn)有事物及其運動的說明，很難對事物未來的發(fā)展變化做出科學的預測和解釋。其三，還原分析方法對精確的嚴格追求與認識對象的復雜性產(chǎn)生了難以調(diào)和的矛盾。在認識研究對象的數(shù)量之大、層次之繁、結(jié)構(gòu)之復雜、因素之眾多日益呈現(xiàn)出前所未有的局面的同時，認識對象還出現(xiàn)了大量的不確定性因素，如隸屬的不確定性、外延的不清晰性、內(nèi)部信息的不完全性、內(nèi)涵的不確定性、關(guān)系的不明確性等。在以精確為目標的探索中，人類自信自己正在逼近客觀世界時，實際上卻正越來越遠地背離客觀世界。復雜性與精確性的矛盾日益尖銳，科學的發(fā)展面臨著嚴重的危機，人們亟需尋找新的認識方式。到了20世紀中葉，這種發(fā)展模式已走到了自己的頂峰，出現(xiàn)了科學重新統(tǒng)一的歷史需要。各分支學科在自己的對象領域的中心部分充分研究之后，必然要向與其它學科接壤的邊緣地段拓展，導致邊緣科學、交叉科學和橫斷科學紛紛出現(xiàn)。原本分明的學科界限模糊了，不同領域相互過渡的道路打通了，科學逐漸演變?yōu)橐粋€在任何一處都沒有鴻溝的整體?，F(xiàn)代社會日趨大型化、復雜化，出現(xiàn)了大工業(yè)、大農(nóng)業(yè)、大經(jīng)濟、大軍事、大政治、大科學、大教育、大文化等等。任何一個大型復雜問題的解決都不能由某一學科單獨完成，必須綜合應用多學科知識，進行跨學科研究?？鐚W科研究促使不同學科在更深層上交叉和溝通，系統(tǒng)科學的分支學科幾乎都是這種跨學科研究的產(chǎn)物。大型化、復雜化的突出后果，使社會生活的各方面都離不開大規(guī)模的規(guī)劃、組織、協(xié)調(diào)，必須有相應的科學理論和技術(shù)方法。當然，應當明確的是：科學重新統(tǒng)一并非取消學科劃分回到古代科學的狀況，分支化還繼續(xù)存在，但新的學科將繼續(xù)產(chǎn)生；科學重新統(tǒng)一指的是各門類學科的知識形式化表示上的規(guī)范化，能納入統(tǒng)一的邏輯體系，根據(jù)哥德爾不完備性定理，一個邏輯體系不可能既是完備的、又是無矛盾的，科學應當追求的是一個無矛盾的、邏輯自恰的、非完備的統(tǒng)一體系，這個體系有著清晰規(guī)定的邊界和開放的問題定義。正由于人類對于知識明晰性和完整性的渴望，目前不同學科的相互溝通、交叉、滲透和綜合成為主要趨勢，新學科大多是綜合性科學。重新統(tǒng)一的科學作為一種系統(tǒng)，要求有一種能把現(xiàn)有縱向劃分的學科溝通連綴起來的橫斷學科，提供不同學科都使用的概念、原理和方法，使科學在整體上具有縱橫交錯的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)科學就是這種橫斷科學，它的科學使命是使新型科學成為一個按多維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)組織起來的復雜巨系統(tǒng)，是一種新型跨學科的學問。同時，在人類文明已經(jīng)跨入21世紀之際，全面提高民眾的科學文化素質(zhì)、培養(yǎng)兼通文理、善于綜合掌握和創(chuàng)造性運用信息和知識的跨學科人才，也成為激烈的國際性競爭的焦點。正是在這樣的時代背景下，中國人民大學經(jīng)濟科學實驗室一直堅持交叉學科的綜合研究，注重對國外研究前沿中出現(xiàn)的新思潮新方法的跟蹤與引介，特別關(guān)注系統(tǒng)科學與復雜理論在經(jīng)濟學和社會科學中的應用這一新興領域的前沿研究。在不斷變化的科學世界里，新的研究手段常常導致重大的發(fā)現(xiàn)，從而戲劇性地轉(zhuǎn)變我們的認識。二十世紀最偉大的發(fā)明：計算機便是這樣一種新手段。但是，在復雜自適應系統(tǒng)與基于復雜自適應系統(tǒng)的多主體仿真建模這門新學科之前，除工程管理領域外，計算機在社會科學中的應用大多還停留在一種記錄文檔、統(tǒng)計數(shù)字的輔助工具，而不能像在自然科學或工程技術(shù)領域內(nèi)一樣為社會科學提供一種新的研究手段。然而，隨著復雜性科學的興起，越來越多的社會科學研究者逐漸發(fā)現(xiàn)計算機仿真是理解復雜的社會-經(jīng)濟系統(tǒng)動態(tài)過程的優(yōu)良手段。于是自20世紀90年代，國外社會科學界開展了復雜系統(tǒng)理論與計算機仿真建模相結(jié)合的廣泛深入研究，并明顯呈現(xiàn)出越來越深遠廣泛的發(fā)展前景。然而，相應的研究在國內(nèi)社會科學界卻并沒有引起應有的重視。一些高等院?；驒C構(gòu)雖然對國外的這場復雜性科學運動有所認識，但由于學科設置存在的問題以及缺乏基本的自然科學素養(yǎng)等原因，進行的一些相關(guān)研究多是概念描述性、綜述介紹性的，真正能夠自覺以復雜性理論為指導、用來解決現(xiàn)實社會問題的研究則相對薄弱。而且因為缺乏研究規(guī)范，相關(guān)的模擬實驗的過程無法重現(xiàn)論證，缺乏共同溝通的基礎，從而無法有效交流和獲得更多社會科學界同仁認可。此外，作為一個相當新的研究領域，相當多的社會科學界研究同仁們在試圖進入時常面臨著學科分割造成的技術(shù)鴻溝。在國內(nèi)的學術(shù)交流中，我們作為最早引入計算機復雜性仿真研究的科研教學機構(gòu)，經(jīng)常接到一些兄弟院?？蒲袡C構(gòu)的咨詢；在國際交流中，我們發(fā)現(xiàn)一些國家主要以短期研討班和教學培訓的方式，推動不同學科的研究人員掌握這一全新的研究方法；正是這些發(fā)現(xiàn)促使我們撰寫這樣一本教材。因此，我們把本教材的宗旨定位于：面向國內(nèi)有志于社會科學交叉研究的學生和教師們介紹復雜性科學在社會科學研究中的實際應用。前面幾章先介紹復雜性科學的理念和背景，總結(jié)了計算機模型研究方法在社會科學中的地位和作用；然后通過一些成功的典型案例介紹用計算機仿真的方法進行社會科學復雜性的研究的有效性；最后，結(jié)合本實驗室的研究，分章節(jié)介紹一些通用的計算機模型方法和相應的模擬軟件工具。所有的研究都需要具備豐富的理論知識和復雜的方法技巧，對社會科學仿真研究來說尤其如此，因為這是一個相當新的研究領域，沒有多少可資借鑒的經(jīng)驗，但存在很多的仿真方法要加以選擇。此外，進入這個領域還需要一些額外的使用計算機的能力（所有的仿真現(xiàn)在都在計算機中運行）。這本書將會給出一些編寫簡單程序的知識，但在這本書的前半部分并不需要編程方面的知識，在后半部分和附錄部分介紹了一些常見的建模仿真軟件，通常也只要求讀者具備有入門級的編程水平，因此本書適合于為有初步計算機應用基礎和計算機程序概念的社科類高年級本科生或研究生，或?qū)ι鐣茖W有興趣、有志于從事交叉學科研究的、有理工科背景的第二學位教育、或跨學科的研究生教育進行教學的基礎課程教材，也可供勇于知識更新的社會科學研究者們自學與研究參考。在課程設置上，根據(jù)不同的學科，本課程的先行課程可以有高等數(shù)學或經(jīng)濟數(shù)學、數(shù)理統(tǒng)計、社會科學研究方法論、數(shù)學模型、運籌學以及計算機程序設計等。本書的一、五、六、七章由方美琪負責，第二、三、四、八章主要由張樹人編撰。書中內(nèi)容綜合了我們最近幾年的教學講義。全書編寫過程中，我們還參考了大量國內(nèi)外相關(guān)的研究報告和我們實驗室多年來的研究積累，包括已經(jīng)發(fā)表的論文、作為學位論文或工作報告存檔的資料等。這些都附在各章的后面的引文出處中，因為來源眾多，這里不一一言謝，但沒有前人的研究成果和一個集體的共同努力，形成這樣一本教材是不可能的。我們編寫這門教材的目的，也是為了傳乘薪火，引介新知。對于這樣一門新興的交叉學科，其跨越的學科和應用是如此廣泛，國內(nèi)相關(guān)的資料又是如此稀少，編寫這樣一本教材性質(zhì)的書籍，真是一件很有挑戰(zhàn)性的工作，其中可能的謬誤或值得商榷之處可能會很多，加上作者的學識局限，疏漏不妥之處在所難免，懇請同行和廣大讀者不吝賜教，給予指正。方美琪2005年3月中國人民大學經(jīng)濟科學實驗室

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