复杂系统的智能控制-陈铁军 - 郑州大学

复杂系统的智能控制

主讲：陈铁军教授郑州大学电气工程学院

SchoolofElectricalEngineeringofZhengzhouUniversity2012.11复杂系统研究的三个阶段

一般系统论,控制论和人工智能第一阶段(20世纪40年代)第二阶段(20世纪60和70年代)第三阶段(20世纪80年代)耗散结构理论，协同学，超循环理论，突变论，混沌理论，分形理论和元胞自动机理论复杂适应系统,开放的复杂巨系统，行为方法，无尺度网络

1.1第一阶段（一般系统论）贝塔朗菲于20世纪40年代创立了一般系统论,在1948年出版《一般系统论:基础、发展和应用》,此书全面总结了他40年来的理论研究工作,是说明其一般系统论思想、内容和理论框架的代表性著作，标志着复杂系统科学的诞生。

一般系统论的主要内容包括：系统的若干概念及初步的数学描述，有机体和开放系统的模型，生物学中若干系统论问题，人类科学中的系统概念,心理学和精神病学中的一般系统论。1.2第一阶段（控制论）与一般系统论同时兴起的另一复杂性科学形态是维纳的控制论；代表性成果是于1948年出版的《控制论》；《控制论》具有技术学科的色彩,但主要还是研究在动物和机器中控制与通讯的理论问题,属于复杂性科学的范围；1961年维纳又在此《控制论》中增加了两章。其第八章“信息、语言和社会”,集中讨论如何把控制论的观点应用于社会的问题；该书主要研究有目的行为、组织性和整体性；“控制论“的基础是反馈调节的概念,系统通过反馈调节维持某一状态或趋向于某一目标。1.3第一阶段（人工智能）人工智能的三大学派：符号主义学派，联结主义学派，行为主义学派。进化主义或控制论学派，基于“感知-行动”的行为智能模拟。认为人工智能源于控制论。行为主义学派符号主义学派基于逻辑推理的智能模拟，启发式算法——专家系统——知识工程。联结主义学派又称为仿生学派或生理学派。基于神经网络及网络间的连接机制与学习算法的智能模拟方法。1.4第一阶段（现状）人工智能经过一段停顿后，还在不断发展，现在仍是复杂系统研究的重要组成部分一般系统论发展缓慢,出现了停滞局面控制论转向了工程技术层次第一阶段发展现状

2.1第二阶段（耗散结构理论）耗散结构理论(非平衡系统自组织理论)是普利高津于20世纪60和70年代创立的,来源于物理和化学研究。这些实验现象和生物体有相同特征，即有序结构的形成和维持需要耗散能量和物质。普利高津把这类结构称为耗散结构。几个典型实验贝纳德流体实验激光化学振荡反应1900年，法国科学家贝纳德(E.Benard)做了著名的对流实验。

贝纳德流体实验

在一水平容器中放一薄层液体，从底部徐徐均匀地加热，开始液体没有任何宏观的运动。当上下温差达到一定的程度，液体中突然出现规则的六边形对流图案。这是现代用硅油做实验拍摄的照片。照片中每个小六角形中心较暗处液块向上浮，边缘较暗处液块向下沉，在二者之间较明亮的环状区域里液块作水平运动。当上下温差加大时，为什么对流不积微渐著，而是突然从无到有地产生?2.1第二阶段（耗散结构理论）耗散结构理论可概括为：一个远离平衡态的非线性的开放系统通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构”(dissipativestructure)。普利高津等人把来源于自然科学的耗散结构理论、非平衡态物理学推广应用于研究经济、社会、文化等问题,取得了一定成效。

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12.2第二阶段（协同学理论）协同学是由德国学者哈肯创立的,它的产生和形成时间基本上与耗散结构理论相同。协同学研究有序结构形成和演化的机制,描述各类非平衡相变的条件和规律。协同学从物理学和化学系统出发,研究激光等非平衡相变,阐明系统中子系统如何协同作用形成有序结构。

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协同学摆脱了经典热力学的限制，进一步明确了系统稳定性和目的性的具体机制,可推广应用于社会科学的研究范围,如舆论形成、人口动力学、投资模型、经济模型、经济系统的分析、社会管理以及战争与和平等问题。4协同学中的演化均匀层流静态花样动态花样2.3第二阶段（超循环理论）超循环理论由德国学者艾根(M.Eigen)创立于20世纪70年代,是直接建立在生命系统演化行为基础上的自组织理论。在超循环理论出现之前,生命的起源和进化分为两个阶段,即化学进化阶段和生物进化阶段。艾根研究发现,把这两个阶段直接连接起来是困难的,在这两个阶段之间还应该存在着一个分子自组织的进化阶段,在此阶段中完成从生物大分子到原生细胞的进化。超循环理论就是研究分子自组织进化现象的理论。2.3第二阶段（超循环理论）在生命现象中包含许多由酶的催化作用所推动的各种循环，基层的循环组成更高层次的循环，即超循环，还可组成再高层次的超循环。超循环系统即经循环联系把自催化或自复制单元连接起来的系统。在此系统中，每一个复制单元既能指导自己的复制，又能对下一个中间物的产生提供催化帮助。艾肯在分子生物学水平上，把生物进化的达尔文学说通过巨系统高阶循环理论，建立了一个通过自我复制、自然选择而进化到高度有序水平的自组织系统模型，以解释多分子体系向原始生命的进化。2.4第二阶段（混沌理论和分形理论）混沌理论和分形理论主要利用数学对复杂系统的演化过程进行形式化描述。用相空间中的吸引子来描述系统演化的终极状态：常见的吸引子有4类,它们分别是：焦点和结点、极限环、环面、奇怪吸引子。焦点和结点,代表系统的平衡态;极限环,代表系统的周期运动;环面,代表系统的准周期运动;奇怪吸引子,表示系统的混沌运动。奇怪吸引子是混沌运动的吸引子,是相空间中的分形点集,具有分数维,需要分形理论来刻画它。

混沌理论分形理论2.5第二阶段（元胞自动机）

元胞自动机是一时间和空间都离散的动力系统。散布在规则格网(latticegrid)中的每一元胞(cell)取有限的离散状态，遵循同样的作用规则，依据确定的局部规则作同步更新。大量元胞通过简单的相互作用而构成动态系统的演化。不同于一般的动力学模型，元胞自动机不是由严格定义的物理方程或函数确定，而是用一系列模型构造的规则构成。凡是满足这些规则的模型都可以算作是元胞自动机模型。

元胞自动机可用来模拟生命现象,研究系统的整体突现性质。2.6第二阶段（突变论）突变论研究不连续的突变现象,对演化中的突变行为给予抽象的、形式的和定量化的描述与说明。在自然界和人类社会活动中，除了渐变的和连续光滑的变化现象外，还存在着大量的突然变化和跃迁现象，如水的沸腾、岩石的破裂、桥梁的崩塌、地震、细胞的分裂、生物的变异、人的休克、情绪的波动、战争、市场变化、经济危机等等。3.1第三阶段（复杂适应系统理论）20世纪80年代，美国国家实验室的三位诺贝尔奖获得者为了开展对复杂系统的研究，联合了一批不同学科科学家，于1984年组建了圣菲研究所（SantaFeInstitute，简称SFI）。某种新性质是如何涌现出来的，而不是有意地去保持某种已经确定的性质，这种思想导致复杂适应系统（CAS）的研究。许多长期困扰我们的问题——贸易不平衡、可持续发展、艾滋病、遗传病、精神卫生和计算机病毒等，共同具有一些显著的特征，即具有复杂自适应性。CAS理论的核心思想是适应性造就复杂性。霍兰引入内部模型、涌现、积木等概念，使用计算机模拟、遗传算法和隐喻等方法，为复杂系统的研究提供了新思路。3.1第三阶段（复杂适应系统理论）3.1第三阶段（复杂适应系统理论）复杂产生于混沌的边缘，而系统就是通过对环境的适应到达混沌边缘的。CAS理论最基本的概念是具有适应能力的活性主体(AdaptiveAgent)，简称主体。主体则随着时间而不断进化，特点是：能学习，会成长，具有积极主动性特征。引入积木概念组成内部模型。CAS的演化本质就在于发现新的积木，进行新的组合。那些表现出较强的综合适应能力、强度比较大的积木会被频繁地使用积木有不同层次，能涌现出许多前所未有的优良性状。3.1第三阶段（复杂适应系统理论）建立计算机仿真模型----回声模型（Echo），试图用计算机仿真的方法揭示适应性造就复杂性的根本规律。采用计算机仿真，透过不同的事务现象的类比，揭示出隐藏在背后的共同规律。用隐喻解释涌现性。3.1第三阶段（复杂适应系统理论）

3.2第三阶段（开放的复杂巨系统）凡现在不能用还原论方法处理的，或不宜用还原论方法处理的问题，而要用或宜用新的科学方法处理的问题，都是复杂性问题，复杂巨系统就是这类问题。

复杂巨系统如生物体系统、人体系统、人脑系统、地理系统、社会系统、星系系统等。社会系统是最复杂的系统，又称作特殊复杂巨系统，这些系统又都是开放的，和环境有物质、能量和信息的交换，所以又称作开放的复杂巨系统。20世纪80年代初，钱学森就提出将还原论方法和整体论方法结合起来。到了80年代末90年代初，他先后提出“从定性到定量综合集成方法”以及“从定性到定量综合集成研讨厅体系”（以下简称综合集成方法论），并把运用这套方法的集体称为总体设计部。3.2第三阶段（开放的复杂巨系统）综合集成方法的实质是把专家体系、数据和信息体系以及计算机体系有机结合起来，构成一个高度智能化的人、机结合，人、网结合的体系。它的成功应用就在于发挥这个体系的综合优势、整体优势和智能优势。它能把人的思维、思维的成果、人的经验、知识、智慧以及各种情报、资料和信息统统集成起来，从多方面的定性认识上升到定量认识。3.2第三阶段（开放的复杂巨系统）3.2第三阶段（开放的复杂巨系统）3.2第三阶段（开放的复杂巨系统）3.2第三阶段（开放的复杂巨系统）3.3第三阶段（行为方法）3.3第三阶段（行为方法）3.3第三阶段（行为方法）3.4第三阶段（无尺度网络）如果网络的每个节点的连接数与此节点产生新连接的概率成增函数关系，这个网络就叫无尺度网络。按生长方式定义如果网络中有一定数量的连接的节点数与此连接数量成减函数，这个网络就叫无尺度网络。按分布定义

3.4第三阶段（无尺度网络）许多网络包括因特网、人类社会和人体细胞代谢网络等，都是无尺度网络。研究无尺度网络，对于防备黑客攻击、防治流行病和开发新药等，都具有重要的意义。因特网是一个无尺度网络，其中某些站点似乎与无数的其他站点相连结。本图绘制于2003年2月6日，描绘了从某一测试站点到其他约10万个站点的最短连结路径。图中以相同的颜色来表示相类似的站点。