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

　　當(dāng)今社會不同學(xué)科的相互溝通、交叉、滲透和綜合成為主要趨勢，新學(xué)科大多是綜合性科學(xué)。重新統(tǒng)一的科學(xué)作為一種系統(tǒng)，要求有一種能把現(xiàn)有縱向劃分的學(xué)科溝通連綴起來的橫斷學(xué)科，提供不同學(xué)科都使用的概念、原理和方法，使科學(xué)在整體上具有縱橫交錯的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)科學(xué)就是這種橫斷科學(xué)，它的科學(xué)使命是使新型科學(xué)成為一個按多維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組織起來的復(fù)雜巨系統(tǒng)，是一種新型跨學(xué)科的學(xué)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(xué)與復(fù)雜理論在經(jīng)濟(jì)學(xué)等社會科學(xué)中的應(yīng)用，以及各種社會科學(xué)計(jì)算機(jī)模型。具體講述了多主體系統(tǒng)MAS在社會科學(xué)中的應(yīng)用，基于主體的計(jì)算經(jīng)濟(jì)學(xué)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(luò)、遺傳算法、分類器系統(tǒng)在學(xué)習(xí)與進(jìn)化模型中的應(yīng)用等內(nèi)容。本書前言在15世紀(jì)前的整個漫長的歷史時期中，人類的認(rèn)識思維基本上是一種無分析的整體、綜合性的模糊思維。當(dāng)時，科學(xué)是綜合性的學(xué)問，它把自然、社會、人自身的知識統(tǒng)統(tǒng)包容于哲學(xué)母體中，在這一時期，真正獨(dú)立的自然科學(xué)還沒有形成。伽利略和牛頓開創(chuàng)了近代科學(xué)后，笛卡爾發(fā)展了一種從“自明性”的原理出發(fā)進(jìn)行演繹的方法，以及把研究課題分得越來越細(xì)的分析方法，人類進(jìn)入了科學(xué)發(fā)展史上的一個新時代：“還原論時代”。近代自然科學(xué)正是以追求精確、清晰、周密的“拆零實(shí)驗(yàn)”式的還原分析為基礎(chǔ)的。這種還原分析方法大大提高了人類的認(rèn)識水平，使人類對自然界的認(rèn)識達(dá)到了空前的廣度、深度和精度。然而，隨著科學(xué)的不斷發(fā)展、科學(xué)研究的深入，人們的認(rèn)識逐步向宇觀、宏觀、微觀、渺觀等各個領(lǐng)域迅速擴(kuò)展，隨著認(rèn)識對象的日趨復(fù)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(shí)驗(yàn)”的分析方法固然可以使科學(xué)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(chǔ)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(yùn)動的說明，很難對事物未來的發(fā)展變化做出科學(xué)的預(yù)測和解釋。其三，還原分析方法對精確的嚴(yán)格追求與認(rèn)識對象的復(fù)雜性產(chǎn)生了難以調(diào)和的矛盾。在認(rèn)識研究對象的數(shù)量之大、層次之繁、結(jié)構(gòu)之復(fù)雜、因素之眾多日益呈現(xiàn)出前所未有的局面的同時，認(rèn)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(biāo)的探索中，人類自信自己正在逼近客觀世界時，實(shí)際上卻正越來越遠(yuǎn)地背離客觀世界。復(fù)雜性與精確性的矛盾日益尖銳，科學(xué)的發(fā)展面臨著嚴(yán)重的危機(jī)，人們亟需尋找新的認(rèn)識方式。到了20世紀(jì)中葉，這種發(fā)展模式已走到了自己的頂峰，出現(xiàn)了科學(xué)重新統(tǒng)一的歷史需要。各分支學(xué)科在自己的對象領(lǐng)域的中心部分充分研究之后，必然要向與其它學(xué)科接壤的邊緣地段拓展，導(dǎo)致邊緣科學(xué)、交叉科學(xué)和橫斷科學(xué)紛紛出現(xiàn)。原本分明的學(xué)科界限模糊了，不同領(lǐng)域相互過渡的道路打通了，科學(xué)逐漸演變?yōu)橐粋€在任何一處都沒有鴻溝的整體。現(xiàn)代社會日趨大型化、復(fù)雜化，出現(xiàn)了大工業(yè)、大農(nóng)業(yè)、大經(jīng)濟(jì)、大軍事、大政治、大科學(xué)、大教育、大文化等等。任何一個大型復(fù)雜問題的解決都不能由某一學(xué)科單獨(dú)完成，必須綜合應(yīng)用多學(xué)科知識，進(jìn)行跨學(xué)科研究。跨學(xué)科研究促使不同學(xué)科在更深層上交叉和溝通，系統(tǒng)科學(xué)的分支學(xué)科幾乎都是這種跨學(xué)科研究的產(chǎn)物。大型化、復(fù)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(yīng)的科學(xué)理論和技術(shù)方法。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)明確的是：科學(xué)重新統(tǒng)一并非取消學(xué)科劃分回到古代科學(xué)的狀況，分支化還繼續(xù)存在，但新的學(xué)科將繼續(xù)產(chǎn)生；科學(xué)重新統(tǒng)一指的是各門類學(xué)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(xué)應(yīng)當(dāng)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(xué)科的相互溝通、交叉、滲透和綜合成為主要趨勢，新學(xué)科大多是綜合性科學(xué)。重新統(tǒng)一的科學(xué)作為一種系統(tǒng)，要求有一種能把現(xiàn)有縱向劃分的學(xué)科溝通連綴起來的橫斷學(xué)科，提供不同學(xué)科都使用的概念、原理和方法，使科學(xué)在整體上具有縱橫交錯的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)科學(xué)就是這種橫斷科學(xué)，它的科學(xué)使命是使新型科學(xué)成為一個按多維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組織起來的復(fù)雜巨系統(tǒng)，是一種新型跨學(xué)科的學(xué)問。同時，在人類文明已經(jīng)跨入21世紀(jì)之際，全面提高民眾的科學(xué)文化素質(zhì)、培養(yǎng)兼通文理、善于綜合掌握和創(chuàng)造性運(yùn)用信息和知識的跨學(xué)科人才，也成為激烈的國際性競爭的焦點(diǎn)。正是在這樣的時代背景下，中國人民大學(xué)經(jīng)濟(jì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室一直堅(jiān)持交叉學(xué)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(xué)與復(fù)雜理論在經(jīng)濟(jì)學(xué)和社會科學(xué)中的應(yīng)用這一新興領(lǐng)域的前沿研究。在不斷變化的科學(xué)世界里，新的研究手段常常導(dǎo)致重大的發(fā)現(xiàn)，從而戲劇性地轉(zhuǎn)變我們的認(rèn)識。二十世紀(jì)最偉大的發(fā)明：計(jì)算機(jī)便是這樣一種新手段。但是，在復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)與基于復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)的多主體仿真建模這門新學(xué)科之前，除工程管理領(lǐng)域外，計(jì)算機(jī)在社會科學(xué)中的應(yīng)用大多還停留在一種記錄文檔、統(tǒng)計(jì)數(shù)字的輔助工具，而不能像在自然科學(xué)或工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)一樣為社會科學(xué)提供一種新的研究手段。然而，隨著復(fù)雜性科學(xué)的興起，越來越多的社會科學(xué)研究者逐漸發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真是理解復(fù)雜的社會-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)動態(tài)過程的優(yōu)良手段。于是自20世紀(jì)90年代，國外社會科學(xué)界開展了復(fù)雜系統(tǒng)理論與計(jì)算機(jī)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(yuǎn)廣泛的發(fā)展前景。然而，相應(yīng)的研究在國內(nèi)社會科學(xué)界卻并沒有引起應(yīng)有的重視。一些高等院校或機(jī)構(gòu)雖然對國外的這場復(fù)雜性科學(xué)運(yùn)動有所認(rèn)識，但由于學(xué)科設(shè)置存在的問題以及缺乏基本的自然科學(xué)素養(yǎng)等原因，進(jìn)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(fù)雜性理論為指導(dǎo)、用來解決現(xiàn)實(shí)社會問題的研究則相對薄弱。而且因?yàn)槿狈ρ芯恳?guī)范，相關(guān)的模擬實(shí)驗(yàn)的過程無法重現(xiàn)論證，缺乏共同溝通的基礎(chǔ)，從而無法有效交流和獲得更多社會科學(xué)界同仁認(rèn)可。此外，作為一個相當(dāng)新的研究領(lǐng)域，相當(dāng)多的社會科學(xué)界研究同仁們在試圖進(jìn)入時常面臨著學(xué)科分割造成的技術(shù)鴻溝。在國內(nèi)的學(xué)術(shù)交流中，我們作為最早引入計(jì)算機(jī)復(fù)雜性仿真研究的科研教學(xué)機(jī)構(gòu)，經(jīng)常接到一些兄弟院?？蒲袡C(jī)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(xué)培訓(xùn)的方式，推動不同學(xué)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(xué)交叉研究的學(xué)生和教師們介紹復(fù)雜性科學(xué)在社會科學(xué)研究中的實(shí)際應(yīng)用。前面幾章先介紹復(fù)雜性科學(xué)的理念和背景，總結(jié)了計(jì)算機(jī)模型研究方法在社會科學(xué)中的地位和作用；然后通過一些成功的典型案例介紹用計(jì)算機(jī)仿真的方法進(jìn)行社會科學(xué)復(fù)雜性的研究的有效性；最后，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室的研究，分章節(jié)介紹一些通用的計(jì)算機(jī)模型方法和相應(yīng)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(fù)雜的方法技巧，對社會科學(xué)仿真研究來說尤其如此，因?yàn)檫@是一個相當(dāng)新的研究領(lǐng)域，沒有多少可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)，但存在很多的仿真方法要加以選擇。此外，進(jìn)入這個領(lǐng)域還需要一些額外的使用計(jì)算機(jī)的能力（所有的仿真現(xiàn)在都在計(jì)算機(jī)中運(yùn)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(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)程序概念的社科類高年級本科生或研究生，或?qū)ι鐣茖W(xué)有興趣、有志于從事交叉學(xué)科研究的、有理工科背景的第二學(xué)位教育、或跨學(xué)科的研究生教育進(jìn)行教學(xué)的基礎(chǔ)課程教材，也可供勇于知識更新的社會科學(xué)研究者們自學(xué)與研究參考。在課程設(shè)置上，根據(jù)不同的學(xué)科，本課程的先行課程可以有高等數(shù)學(xué)或經(jīng)濟(jì)數(shù)學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、社會科學(xué)研究方法論、數(shù)學(xué)模型、運(yùn)籌學(xué)以及計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)等。本書的一、五、六、七章由方美琪負(fù)責(zé)，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(xué)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(bào)告和我們實(shí)驗(yàn)室多年來的研究積累，包括已經(jīng)發(fā)表的論文、作為學(xué)位論文或工作報(bào)告存檔的資料等。這些都附在各章的后面的引文出處中，因?yàn)閬碓幢姸?，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(xué)科，其跨越的學(xué)科和應(yīng)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(xué)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(xué)經(jīng)濟(jì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室

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