复杂系统建模仿真方法概述
复杂系统建模要根据系统模型特点对仿真进行分类,可以将仿真分为两类:连续系统仿真和离散事件系统仿真。实际的工程系统,尤其是复杂工程系统事件的运行一般都是离散的,离散事件系统仿真是指系统状态在某些离散的随机时间点上发生离散变化,它区别于连续系统仿真的一点就是状态变化的时间点是离散的。引起状态变化的行为就称为“事件”,由于事件往往发生在随机的时间点上,故也称为随机事件,所以,离散事件系统仿真一般具有随机性。如典型的排队系统,顾客的状态可分为排队和被服务,服务台的状态可分为忙和闲,当有顾客被服务时,服务台的状态为忙,否则为闲,每当服务结束和有顾客到达这些事件发生时,服务台的状态都会发生改变,对于这种动态的特性,很难用数学方程式来描述,而只能使用流程图或状态活动图来描述。这样,由于无法得到系统动态过程的解析表达,故只能对系统行为的性能进行统计和分析,这也是离散事件系统仿真的一个特点。笔者认为,复杂工程系统的协同不是靠一个有“上帝之眼”的决策者,而是基于规则下的多智能体(Agent)之间的适应和协作。多智能体建模与仿真(Agent-BasedModelingandSimulation,ABMS)起源于人工智能(ArtificialIntelligence,AI)中的分布式人工智能(DistributedAI)。尽管智能体在很多领域(如计算机科学和人工智能)都有研究,但到目前为止没有让各领域都接受的确切定义。本文的智能体是自治的个体,能够根据所得到的信息进行推理,能够和其他个体通信、互相协调、相互协作,从而完成某一特定的任务。在这个过程中,根据自己不同的角色和功能,每一个智能体都可以有自己的目标。
一般来说多智能体仿真研究有两个层面的问题:一个是宏观层面的问题,包括智能体之间的通信、协调、协作以及任务的分解和分配等多方面的机制、协议和策略的研究;另一个是微观层面的问题,包括智能体自身的动力学、推理和行动等方面的研究。传统系统仿真方法中的建模,其侧重点是采用演绎推理方法建立系统模型,然后进行实验和分析,这显然具有工程技术的特点。而在复杂系统的建模中,其侧重点是解决如何采用归纳推理方法建立系统的形式化模型,即系统的抽象表示以获得对客观世界和自然现象的深刻认识,这是面向科学的。国内外的研究表明,已有的基于还原论的传统建模方式并不能很好地描述复杂系统,而采用ABMS方法,通过对复杂系统中的基本元素及其之间交互关系的建模,可以将复杂系统的微观行为和宏观“涌现”现象有机地联系起来,这是一种本体论方法,更是一种系统论方法。本体论方法不排斥分析,分析的目的不是把元素孤立起来,而是充分暴露元素之间的关联与相互作用,从而达到从整体上把握系统的目的,是一种自顶向下分析、自底向上综合的有效建模方式。目前,ABMS方法学是最具有活力、有所突破的仿真方法学。Agent的理论与技术为复杂系统的建模与仿真实现提供了一条崭新的途径。复杂系统由大量相互交互的个体组成,个体之间的交互和个体的行为是系统复杂的原因。ABMS是研究大量个体或Agent之间的交互及它们的交互所展现的宏观尺度行为的一种方法,该方法将复杂系统中各个仿真实体用Agent的方式/思想自底向上对整个系统进行建模,试图通过对Agent的行为及其之间的交互关系、社会性进行描述,来描述复杂系统的行为。这种建模仿真技术,在建模的灵活性、层次性和直观性方面较传统的建模技术都有明显的优势,很适合对如生态系统、经济系统及人类组织等复杂系统的建模与仿真。通过从个体到整体、从微观到宏观来研究复杂系统的复杂性,从而克服了复杂系统难于自上而下建立传统数学分析模型的困难,有利于研究复杂系统具有的涌现性(Emergence)、非线性和复杂的关联性等特点,并有助于发现由于个体的相互关联、作用才涌现出的复杂系统的隐性关系。Agent的思想在各个领域研究应用得非常广泛,以致Agent已经从一种具体的技术方案中超脱而出,成为一种思维方式,成为一种用于复杂系统建模与仿真的方法论。军事领域是ABMS应用的一个新领域。军事对抗、陆战系统是一个复杂适应系统,具有复杂适应系统的主要特征,这一点得到研究人员的共识,因而可用ABMS来研究军事对抗等战场行为。现有的研究成果表明ABMS具有强大的生命力,比当前的基于兰切斯特方程的作战模型更有效,它为人们提供了很好的模拟战场的手段。美国国防部(UnitedStatesDepartmentofDefense,DOD)希望在未来的战场中能够具有对信息实时全方位获取的能力,为使自动化指挥和控制系统(Command/Control/Communication/ComputerIntelligenceSurveillanceReconnaissance,C4SIR)真正有用,必须采用先进的实时分布建模与仿真工具,而复杂性科学可以帮助C4SIR的开发。作为复杂性科学方法论的ABMS方法,自然成了DoD的先进建模与仿真方法论。美国海军作战开发司令部开发的ISAAC(IrreducibeSemi-AutonomousAdaptiveCombat)是基于Agent模型开发的,通过对战争的模拟,可以回答诸如“陆战系统在多大程度上具有自组织CAS(适应性造就复杂性)的特征”等问题。该软件设计的初衷并不是构造一个系统级的战场模型,而是作为一个仿真工具包来探索从不同的低级(如从个体战士到一个班)交互规则到高级的涌现行为。ISAAC的长期目标是其后续产品能成为复杂系统理论分析家的工具包,通过它来探索战场的涌现聚集行为。ISAAC中的Agent具有规则、任务、态势感知和自适应性四个特性,通过简单规则的交互,ISAAC系统展现出如向前推进、前线攻击、当地聚集成群、渗透、撤退、攻击姿态、围堵与牵制、包抄机动和游击式攻击等作战概念。
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