复杂系统建模与仿真（教育部面向21世纪信息管理与信息系统系列教材）

　　当今社会不同学科的相互沟通、交叉、渗透和综合成为主要趋势，新学科大多是综合性科学。重新统一的科学作为一种系统，要求有一种能把现有纵向划分的学科沟通连缀起来的横断学科，提供不同学科都使用的概念、原理和方法，使科学在整体上具有纵横交错的网络结构。系统科学就是这种横断科学，它的科学使命是使新型科学成为一个按多维网络结构组织起来的复杂巨系统，是一种新型跨学科的学问。基于社会的需要，我们请长期这方面研究的方美琪老师组织编写了本教材，主要介绍了系统科学与复杂理论在经济学等社会科学中的应用，以及各种社会科学计算机模型。具体讲述了多主体系统MAS在社会科学中的应用，基于主体的计算经济学研究ACE，流行的多主体建模的平台工具：Swarm，Repast，Ascape等，人工神经网络、遗传算法、分类器系统在学习与进化模型中的应用等内容。本书前言在15世纪前的整个漫长的历史时期中，人类的认识思维基本上是一种无分析的整体、综合性的模糊思维。当时，科学是综合性的学问，它把自然、社会、人自身的知识统统包容于哲学母体中，在这一时期，真正独立的自然科学还没有形成。伽利略和牛顿开创了近代科学后，笛卡尔发展了一种从“自明性”的原理出发进行演绎的方法，以及把研究课题分得越来越细的分析方法，人类进入了科学发展史上的一个新时代：“还原论时代”。近代自然科学正是以追求精确、清晰、周密的“拆零实验”式的还原分析为基础的。这种还原分析方法大大提高了人类的认识水平，使人类对自然界的认识达到了空前的广度、深度和精度。然而，随着科学的不断发展、科学研究的深入，人们的认识逐步向宇观、宏观、微观、渺观等各个领域迅速扩展，随着认识对象的日趋复杂化，这种还原分析方法就越来越暴露出其局限性。其一，这种“拆零实验”的分析方法固然可以使科学研究不断深化，但是，它把整体肢解为部分，忽略、割裂了事物之间的固有联系，使理论无法全面地、系统地反映事物的整体性。其二，在这种方法基础上形成的理论，基本上属于一种静态的理论，仅是对现有事物及其运动的说明，很难对事物未来的发展变化做出科学的预测和解释。其三，还原分析方法对精确的严格追求与认识对象的复杂性产生了难以调和的矛盾。在认识研究对象的数量之大、层次之繁、结构之复杂、因素之众多日益呈现出前所未有的局面的同时，认识对象还出现了大量的不确定性因素，如隶属的不确定性、外延的不清晰性、内部信息的不完全性、内涵的不确定性、关系的不明确性等。在以精确为目标的探索中，人类自信自己正在逼近客观世界时，实际上却正越来越远地背离客观世界。复杂性与精确性的矛盾日益尖锐，科学的发展面临着严重的危机，人们亟需寻找新的认识方式。到了20世纪中叶，这种发展模式已走到了自己的顶峰，出现了科学重新统一的历史需要。各分支学科在自己的对象领域的中心部分充分研究之后，必然要向与其它学科接壤的边缘地段拓展，导致边缘科学、交叉科学和横断科学纷纷出现。原本分明的学科界限模糊了，不同领域相互过渡的道路打通了，科学逐渐演变为一个在任何一处都没有鸿沟的整体。现代社会日趋大型化、复杂化，出现了大工业、大农业、大经济、大军事、大政治、大科学、大教育、大文化等等。任何一个大型复杂问题的解决都不能由某一学科单独完成，必须综合应用多学科知识，进行跨学科研究。跨学科研究促使不同学科在更深层上交叉和沟通，系统科学的分支学科几乎都是这种跨学科研究的产物。大型化、复杂化的突出后果，使社会生活的各方面都离不开大规模的规划、组织、协调，必须有相应的科学理论和技术方法。当然，应当明确的是：科学重新统一并非取消学科划分回到古代科学的状况，分支化还继续存在，但新的学科将继续产生；科学重新统一指的是各门类学科的知识形式化表示上的规范化，能纳入统一的逻辑体系，根据哥德尔不完备性定理，一个逻辑体系不可能既是完备的、又是无矛盾的，科学应当追求的是一个无矛盾的、逻辑自恰的、非完备的统一体系，这个体系有着清晰规定的边界和开放的问题定义。正由于人类对于知识明晰性和完整性的渴望，目前不同学科的相互沟通、交叉、渗透和综合成为主要趋势，新学科大多是综合性科学。重新统一的科学作为一种系统，要求有一种能把现有纵向划分的学科沟通连缀起来的横断学科，提供不同学科都使用的概念、原理和方法，使科学在整体上具有纵横交错的网络结构。系统科学就是这种横断科学，它的科学使命是使新型科学成为一个按多维网络结构组织起来的复杂巨系统，是一种新型跨学科的学问。同时，在人类文明已经跨入21世纪之际，全面提高民众的科学文化素质、培养兼通文理、善于综合掌握和创造性运用信息和知识的跨学科人才，也成为激烈的国际性竞争的焦点。正是在这样的时代背景下，中国人民大学经济科学实验室一直坚持交叉学科的综合研究，注重对国外研究前沿中出现的新思潮新方法的跟踪与引介，特别关注系统科学与复杂理论在经济学和社会科学中的应用这一新兴领域的前沿研究。在不断变化的科学世界里，新的研究手段常常导致重大的发现，从而戏剧性地转变我们的认识。二十世纪最伟大的发明：计算机便是这样一种新手段。但是，在复杂自适应系统与基于复杂自适应系统的多主体仿真建模这门新学科之前，除工程管理领域外，计算机在社会科学中的应用大多还停留在一种记录文档、统计数字的辅助工具，而不能像在自然科学或工程技术领域内一样为社会科学提供一种新的研究手段。然而，随着复杂性科学的兴起，越来越多的社会科学研究者逐渐发现计算机仿真是理解复杂的社会-经济系统动态过程的优良手段。于是自20世纪90年代，国外社会科学界开展了复杂系统理论与计算机仿真建模相结合的广泛深入研究，并明显呈现出越来越深远广泛的发展前景。然而，相应的研究在国内社会科学界却并没有引起应有的重视。一些高等院校或机构虽然对国外的这场复杂性科学运动有所认识，但由于学科设置存在的问题以及缺乏基本的自然科学素养等原因，进行的一些相关研究多是概念描述性、综述介绍性的，真正能够自觉以复杂性理论为指导、用来解决现实社会问题的研究则相对薄弱。而且因为缺乏研究规范，相关的模拟实验的过程无法重现论证，缺乏共同沟通的基础，从而无法有效交流和获得更多社会科学界同仁认可。此外，作为一个相当新的研究领域，相当多的社会科学界研究同仁们在试图进入时常面临着学科分割造成的技术鸿沟。在国内的学术交流中，我们作为最早引入计算机复杂性仿真研究的科研教学机构，经常接到一些兄弟院校科研机构的咨询；在国际交流中，我们发现一些国家主要以短期研讨班和教学培训的方式，推动不同学科的研究人员掌握这一全新的研究方法；正是这些发现促使我们撰写这样一本教材。因此，我们把本教材的宗旨定位于：面向国内有志于社会科学交叉研究的学生和教师们介绍复杂性科学在社会科学研究中的实际应用。前面几章先介绍复杂性科学的理念和背景，总结了计算机模型研究方法在社会科学中的地位和作用；然后通过一些成功的典型案例介绍用计算机仿真的方法进行社会科学复杂性的研究的有效性；最后，结合本实验室的研究，分章节介绍一些通用的计算机模型方法和相应的模拟软件工具。所有的研究都需要具备丰富的理论知识和复杂的方法技巧，对社会科学仿真研究来说尤其如此，因为这是一个相当新的研究领域，没有多少可资借鉴的经验，但存在很多的仿真方法要加以选择。此外，进入这个领域还需要一些额外的使用计算机的能力（所有的仿真现在都在计算机中运行）。这本书将会给出一些编写简单程序的知识，但在这本书的前半部分并不需要编程方面的知识，在后半部分和附录部分介绍了一些常见的建模仿真软件，通常也只要求读者具备有入门级的编程水平，因此本书适合于为有初步计算机应用基础和计算机程序概念的社科类高年级本科生或研究生，或对社会科学有兴趣、有志于从事交叉学科研究的、有理工科背景的第二学位教育、或跨学科的研究生教育进行教学的基础课程教材，也可供勇于知识更新的社会科学研究者们自学与研究参考。在课程设置上，根据不同的学科，本课程的先行课程可以有高等数学或经济数学、数理统计、社会科学研究方法论、数学模型、运筹学以及计算机程序设计等。本书的一、五、六、七章由方美琪负责，第二、三、四、八章主要由张树人编撰。书中内容综合了我们最近几年的教学讲义。全书编写过程中，我们还参考了大量国内外相关的研究报告和我们实验室多年来的研究积累，包括已经发表的论文、作为学位论文或工作报告存档的资料等。这些都附在各章的后面的引文出处中，因为来源众多，这里不一一言谢，但没有前人的研究成果和一个集体的共同努力，形成这样一本教材是不可能的。我们编写这门教材的目的，也是为了传乘薪火，引介新知。对于这样一门新兴的交叉学科，其跨越的学科和应用是如此广泛，国内相关的资料又是如此稀少，编写这样一本教材性质的书籍，真是一件很有挑战性的工作，其中可能的谬误或值得商榷之处可能会很多，加上作者的学识局限，疏漏不妥之处在所难免，恳请同行和广大读者不吝赐教，给予指正。方美琪2005年3月中国人民大学经济科学实验室

暂缺《复杂系统建模与仿真（教育部面向21世纪信息管理与信息系统系列教材）》作者简介

第一章　引论
第一节　计算机建模方法导论
第二节　计算机建模兴起的时代背景
第三节　计算机建模方法的基础理论
　关键词
　习题与思考
　延伸阅读
第二章　基于多主体系统的计算机模型
　第一节　多主体系统及建模
　第二节　作为方法论的多主体建模
　第三节　多主体建模的一般流程
　第四节　多主体建模的设计准则和适用范围
　关键词
　习题与思考
　参考文献
　延伸阅读
第三章　基于主体的计算经济学
　第一节　超越新古典经济学
　第二节　ACE的理论框架
　第三节　ACE的研究范畴
　第四节　ACE研究的共性与一般过程
　关键词
　习题与思考
　参考文献
　延伸阅读
第四章　多主体建模的软件工具
　第一节　多主体建模软件综述
　第二节　Swarm
　第三节　Repast
　第四节 Ascape
　关键词
　习题与思考
第五章　多主体模型实例
　第一节　阿克洛夫模型
　第二节　ASPEN的Swarm模型
　第三节　国会山保姆公司模型
　第四节　SARS的爆发和控制机制模拟
　关键词
　习题与思考
　参考文献
　延伸阅读
第六章　系统动力学与DYNAMO语言
　第一节　系统动力学概述
　第二节　DYNAMO语言
　第三节　模型实例
　关键词
　习题与思考
　延伸阅读
第七章　GPSS和SIMSCRPT：离散事件模型
　第一节　GPSS语言
　第二节　SIMSCRIPT
　关键词
　习题与思考
　附：模拟语言SIMSCRIPT和GPSS的比较
第八章　学习和进化模型
　第一节　人工神经网络
　第二节　遗传算法
　第三节　分类器系统
　关键词
　习题与思考
　参考文献
附录A　计算实验室平台——TNG　Lab
附录B　一个简单易学的MAS仿真工具——StarLogo