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复杂适应系统协同理论、方法与应用研究

邱世明  
【摘要】:复杂适应系统(Complex Adaptive System, CAS)理论为复杂系统研究提供了 一个新思路与一种新方法,是当前复杂性科学研究的一个热点。本文作为对CAS 理论方法与应用的研究,探讨了其协同理论、方法及在能源系统战略研究中的应 用,主要包括以下几方面的内容。 首先,系统地回顾了CAS理论基础与方法,包括CAS的概念,适应性主体 的概念,以刺激-反映模型描述的主体模型,以回声模型(Echo)描述的CAS的 模型,还有CAS研究的模拟工具——Swarm,介绍了Swarm的基本原理、对具 体领域问题的建模与模拟过程,概括了CAS应用研究的进展,概括了其研究方 法,最后指出了CAS及其理论表述的不足与改进方向。 在第三章借鉴生物系统中的协同进化(Co-evolution)的概念及其启示研究系 统的协同进化。首先概述了生物系统协同进化的现象及协同进化的概念。然后借 鉴生物系统个体之间关系的描述,阐述了系统协同进化的机理,在此基础上提出 系统协同进化的定义及分类,提出了个体-群体-系统的协同进化层次模型。 在第四章对复杂适应系统建模进行了探讨。适宜的建模方法是问题分析的基 础。在分析CAS及Echo模型的基础上,借鉴Multi-Agent System(MAS)的理 论与方法来探讨CAS的建模,并对基于数学模型建模与基于Agent建模进行了 比较分析,提出了基于MAS 的开放、动态、演化建模思路与方法。明确了本文 的研究是从研究组成系统的主体的角度进行,研究系统中主体之间、群体之间的 相互协同进化的方式与方法。 在第五章作为对系统协同进化研究的深入,探讨了几种协同进化的方法/算 法,它们是合作型协同进化、竞争型协同进化。首先回顾了生物系统的适应性及 对复杂性研究的启示,然后介绍了协同进化的算法基础——遗传算法,分别给出 了合作型协同进化、竞争型协同进化的概念,给出了其具体算法过程,并以实例 说明了其应用。最后基于进化博弈理论(Evolutionary Game Theory, EGT)研究 了协同进化系统中个体的进化行为。 在前述理论与方法论述的基础上,第六章以我国能源系统为例进行应用分 析。首先对我国能源形势进行了概括,指出能源形势及能源安全问题的严峻性, 然后分析了能源系统的研究方法,提出采用CAS理论与方法及协同进化方法来 研究能源系统。在此基础上,对我国能源系统进行了系统分析,构造了系统模型, 分析了系统演化机制及协同特性,建立了系统演化模型,构造了Swarm模拟模 型,以我国能源系统现状为基础进行了模拟分析,得到未来我国能源结构变化趋 势及相应的CO 2 排放量情况。同时,应用研究验证了理论方法研究的实用性。


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