关于复杂社会经济系统计算研究的讨论

  本文关键词：人工社会、计算实验、平行系统——关于复杂社会经济系统计算研究的讨论，由笔耕文化传播整理发布。

人工社会、计算实验、平行系统——关于复杂社会经济系统计算研究的讨论

目前经济学中的计算实验方法仍存在如下问题：

1) 许多模型经济仍然是静态的和线性外推的；

2) 计算模型多是基于现有经济理论的集成，以仿真和逼近实际经济系统为主要或唯一目的；

3) 计算实验多是用于经济问题的分析或者离线式决策支持和分析，而非在线实时式的决策支持、分析和产生。

社会经济系统计算理论的基本假设和关键问题

假设1：相对于任何有限资源，在本质上，复杂社会经济系统的整体行为不能通过对其各组成部分行为的独立分析而确定。

假设2：相对于任何有限资源，在本质上，复杂社会经济系统的整体行为不能预先在大范围的时间、空间或其它度量内确定。

基于这两个基本假设，可以得到下面的推论：

1) 必须采用整体论的观点考虑复杂社会经济系统的问题。由于此类系统的结构不明确,边界不确定，以往的系统分析方法往往难以刻画系统部分之间的相互关系。

2) 复杂社会经济系统问题不存在“一劳永逸”的解决方案。特别是许多此类系统涉及人与社会的动态变化，问题本身也在不断变化和发展之中，不可避免地需要一个不断深化的认识过程，也导致了对这类系统不存在精确完备的整体解析模型。

3) 复杂社会经济系统问题不存在一般意义下的最优解，更不存在唯一的最优解。可以利用人工与实际系统并举的平行系统方法，追求具有动态适应能力的有效解决方案。

关键问题：

1) 建模问题：如何根据“简单的一致”原理，从对简单对象及其相互作用的基本一致的认识出发，充分考虑简单对象的主动性和随机性，通过综合集成，从行为生成的角度出发，自下而上地建立复杂社会经济系统的综合人工社会模型。

2) 实验问题：如何利用人工社会的思想与方法，通过计算模拟和涌现观察，产生和分析复杂社会经济系统的行为，进而建立计算实验的理论和方法，以此克服难以对复杂系统进行实验的困难，为深入分析复杂社会经济系统的行为和有效评估决策的效果奠定基础。

3) 决策问题：如何利用人工社会模型和计算实验方法，通过实际社会与人工社会的交互运行和过程演绎，构成“平行系统”。基于平行系统的对比、借鉴、实验，采用综合集成研讨厅体系实现复杂社会经济系统的智能管理和控制，在“不断探索和改善”的原则下，建立复杂社会经济系统的决策分析、支持和生成体系。

4) 计算问题：如何利用开放和变结构的高性能计算环境及方法，通过自组织协同计算模式，以可靠、高效、低成本的方式实现自下而上的复杂人工社会模型的生成和演化，并保证计算的可移植性、可扩展性和可交换性，为计算实验、平行系统和综合集成的实施提供保障。

基于人工社会的复杂系统建模方法

研究复杂系统时应采用“多重世界”的观点：即对复杂系统进行建模时，不再以逼近某一实际的复杂系统的程度为唯一的标准，而是把模型也认为是一种“现实”，是实际复杂系统的一种可能的替代形式和另一种可能的实现方式，而实际复杂系统也只是可能出现的现实中的一种，其行为与模型的行为“不同”但却“等价”。

人工社会还是一门试验性的学科，具有如下特点：

1) 强调综合与合成在行为产生中的作用，通过利用人工组件构造复杂行为模式，而不是将自然系统形式拆成部件来理解系统行为，因此采用的是整体而不是还原的方式。

2) 通过把人工创造的系统置于实际、仿真或混合环境下，产生复杂的互动方式和相关行为，利用涌现方法进行观测总结，了解、分析和理解复杂系统的行为及其各种影响因素。

计算实验：从系统仿真到系统实验

研究复杂社会系统时很难，有时不可能对其研究对象进行“试验”，更不用说是“实验”或“重复性”试验了。即使是作了试验，其中的主观和不可控因素也太多了，从而结果和结论往往也不具有一般性。

在计算实验方法中，传统的计算模拟变成了“计算实验室”里的“试验”过程，成为“生长培育”各类复杂社会经济系统的手段，而实际系统只是这个“计算实验”的一种可能结果而已。因此，不同于计算仿真遵守实际系统是唯一现实存在的理念，把逼真实际系统作为目的，并把实际系统作为检验仿真结果成功与否的唯一参照和标准，追求“真实”。计算实验认为计算模拟也是一种“现实”，是现实系统的一种可能的替代形式和另一种可能的实现方式。根据这一理解，自然就可以利用计算模拟进行“计算实验”了。

计算实验中的被试系统的计算模拟，将主要基于代理方法和相应的面向对象的编程技术，产生人工对象，通过人工对象的相互交往，自下而上地“主动”产生被试系统的各种行为。同时，由于主动性和综合型的模拟方式，在计算“实验”过程中必然会全面综合地考虑各种不同因素对于被试系统行为的影响，所以必须进行整体系统行为的模拟。这与计算仿真可以仅模拟系统行为的一部分不同。

图1 基于人工社会的计算实验和行为分析及决策评估

通过对人工社会设计不同的“实验”方案，并在必要时进行多次大量的重复，就可以全面、准确、及时、量化地对各种复杂社会经济系统解决方案按不同指标体系进行分析评估。

利用人工社会的“计算实验”之可设计性和可反复进行的特点，还可以对实际社会的解决方案，进行各种关于性能可靠性和质量等的“加速”实验，“压力”实验以及“极限”实验等等。

平行系统：人工社会和实际社会的有机结合

所谓平行系统，是指由某一个自然的现实系统和对应的一个或多个虚拟或理想的人工系统所组成的共同系统。

平行系统的应用于复杂社会经济系统问题的基本框架，主要包括实际社会经济系统和人工社会经济系统，通过二者的相互作用，完成对实际系统的管理与控制，对相关行为和决策的实验与评估，对有关人员和系统的学习和培训等等。

图2 平行系统应用于复杂社会经济系统问题的基本框架

实验和评估：在这一过程中，人工社会经济系统主要被用来进行计算实验，分析了解各种不同的社会经济系统的行为和反应，，并对不同的解决方案的效果进行评估，作为选择和支持管理与控制决策的依据。

学习与培训：在这一过程中，人工社会经济系统主要是被用来作为一个学习和培训管理及控制复杂系统的中心。通过将实际与人工系统的适当连接组合，可以使管理和控制实际复杂社会经济系统的有关人员迅速地掌握系统的各种状况以及对应的行动。在条件允许的情况下，应以与实际相当的管理与控制系统来运行人工系统，以期获得更佳的真实效果。同时，人工系统的管理与控制系统也可以作为实际社会经济系统的备用系统，增加其运行的可靠性和应变能力。

管理与控制：在这一过程中，人工社会经济系统试图尽可能地模拟实际社会经济系统，对其行为进行预估，从而为寻找对实际系统有效的解决方案或对当前方案进行改进提供依据。进一步，通过观察实际系统与人工系统评估的状态之间的不同，产生误差反馈信号，对人工系统的评估方式或参数进行修正，减少差别，并开始分析新一轮的优化和评估。

主要研究内容

针对本质性复杂社会经济系统行为的无法分解和不可预测的特点，我们研究的主要目的是建立一套分析和评估其行为的理论和可计算的方法体系。核心思想是利用人工社会的思想对复杂社会经济系统进行“等价”描述，“计算”实验和“平行”管理与控制，从而解决研究复杂社会经济系统时所面对的无法还原、没有解析模型和难以实验、分析和评估系统行为的问题。

1. 基于代理的人工社会的建模、分析、设计和综合方法

代理是描述复杂行为和决策的基本构件，应以代理的思想为基础，建立人工社会的一套具有灵活表示和精确定义的完备建模和分析体系，主要内容应包括：

1) 代理的元胞自动机模型及其广义形式

2) 代理行为的语言动力学描述及词计算方法

3) 代理相互作用的Petri网模型和翻译器等衍生模型及其分析

4) 代理决策的计算智能算法和博弈对策

5) 代理的可调多分辨率观测、分析和商空间描述方法

着重解决： 1)利用代理按照“简单的一致”原理进行建模的方法； 2)形成人工社会模型生成的支持环境和解析工具

2. 计算实验理论的基本方法

应当利用计算实验方法对复杂社会经济系统进行各种“实验”,对其行为进行预测和分析，其具体内容应包括：

1) 研究从计算仿真到计算实验的修正过渡方法

2) 研究“加速”、“压力”、“极限”、“失效”或“突变”等试验的计算实验方法

3) 研究基于涌现的观察和解释方法及其各种核心算法

4) 研究多尺度多粒度的行为分析方法和对应的计算实验过程。

5) 研究计算实验的设计方法及其标定、分析和验证算法

应着重解决：1)利用人工社会对实际社会进行实验；2)针对实际需要设计不同的计算实验方案；3)计算实验的标定、观察和解释方法

3. 平行系统理论的基本方法

应利用平行系统方法对复杂社会经济系统进行管理和控制，使常规的被动仿真模拟转为平行的主动人工社会，并使其角色从被动到主动、静态到动态、离线到在线，以至最后由从属的地位提高到平等的地位，充分发挥人工社会在实际系统的管理与控制中的作用，主要内容应包括：

1) 建立平行系统运行的基本框架以及人工社会与实际社会相互作用的过程和协议；

2) 建立平行系统的多目标、多有效解决方案的评估体系；

3) 建立平行系统内部的反馈机制和对应的控制及自适应算法；

4) 建立基于摄动分析和序贯优化的平行系统的新型优化方法；

5) 利用计算实验对实际系统的组成与行为进行辨识和控制的方法。

着重解决：1)人工社会经济系统与实际社会经济系统相互作用的方式；2)平行系统内部的反馈和借鉴机制；3)按照“不断探索与改善”的原理实现对复杂社会经济系统的控制和管理。

4. 综合集成研讨厅决策分析与支持体系

综合集成研讨厅决策体系是我国学者提出的处理开放的复杂巨系统的一种有效途径。人工社会、计算实验和平行系统提供了利用综合集成研讨厅体系研究复杂社会经济系统新的环境和手段。主要内容应包括：

1) 人机结合的综合集成理论及其在决策支持中的应用

2) 复杂社会经济系统决策的综合集成研讨厅的总体实现策略

3) 复杂社会经济系统决策问题的研讨流程设计

4) 综合集成研讨厅体系的软件和网络支撑环境

5) 利用计算实验和平行系统建立管理和控制决策的集成评估环境

着重解决：1)面向人工社会的综合集成研讨厅体系；2)计算实验和平行系统与综合集成研讨厅的有机融合；3)复杂社会经济系统决策分析与支持系统。

5. 复杂系统的并行分布式计算平台

并行分布式计算平台是最终实现我们各种目标的基础。在计算环境方面，应同时探讨高端的网格计算和低端的对等计算以及二者的集成。在数据处理和管理方面，可着重考虑分布式数据库的设计与管理、海量数据的处理与挖掘问题。此外，应研究面向计算实验、平行系统和综合集成研讨厅的智能化人机界面，形成一个集成试验和演示系统,主要内容应包括：

1) 开放式人工社会计算过程的并行分布模型的研究

2) 面向人工社会的并行分布式计算过程的Petri网模型

3) 面向人工社会的多源异构海量数据的管理、挖掘、融合和约简

4) 支持计算实验、平行系统和综合集成研讨厅的高效算法和分布协同技术

5) 支持计算实验、平行系统和综合集成研讨厅的计算环境及工具

6) 虚拟统一的智能化用户界面设计

7) 建立集成试验和演示系统

着重解决：1)实现开放式人工社会的并行分布模型；2)人工社会的多源异构海量数据的分布式存储和实时处理；3)支撑计算实验、平行系统和综合集成研讨厅的网格环境和计算平台

参考文献：

[1] 王飞跃. 人工社会、计算实验、平行系统——关于复杂社会经济系统计算研究的讨论. 复杂系统与复杂性科学, 2004,10

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