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複雜適應系統理論

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複雜適應系統理論的概述


  複雜適應系統(Complex Adaptive System CAS)理論認為系統演化的動力本質上來源於系統內部,微觀主體的相互作用生成宏觀的複雜性現象,其研究思路著眼於系統內在要素的相互作用,所以它採取「自下而上」 的研究路線;其研究深度不限於對客觀事物的描述,而是更著重於揭示客觀事物構成的原因及其演化的歷程 。與複雜適應系統思考問題的獨特思路相對應,其研究問題的方法與傳統方法也有不同之處,是定性判斷與定量計算相結合,微觀分析與宏觀綜合相結合,還原論與整體論相結合,科學推理與哲學思辨相結合。複雜適應系統建模方法的核心是通過在局部細節模型與全局模型間的循環反饋和校正,來研究局部細節變化如何突現出整體的全局行為,其模型組成一般是基於大量參數的適應性主體,其主要手段和思路是正反饋和適應,其認為環境是演化的,主體應主動從環境中學習。正是由於以上這些特點,CAS理論具有了其它理論所沒有的、更具特色的新功能,提供了模擬生態、社會、經濟、管理、軍事等複雜系統的巨大潛力。


1 複雜適應系統理論 -複雜適應系統理論的產生


  複雜適應系統(Complex Adaptive System,以下簡稱CAS)理論是美國霍蘭(John Holland)教授於1994年,在Santa fe研究所成立十周年時正式提出的。複雜適應系統(CAS)理論的提出對於人們認識、理解、控制、管理複雜系統提供了新的思路。CAS理論包括微觀和宏觀兩個方面。在微觀方面,CAS理論的最基本的概念是具有適應能力的、主動的個體,簡稱主體。這種主體在與環境的交互作用中遵循一般的刺激——反應模型,所謂適應能力表現在它能夠根據行為的效果修改自己的行為規則,以便更好地在客觀環境中生存。在宏觀方面,由這樣的主體組成的系統,將在主體之間以及主體與環境的相互作用中發展,表現出宏觀系統中的分化、湧現等種種複雜的演化過程。CAS理論雖然提出不久,但是由於其思想的新穎和富有啟發,它已經在許多領域得到了應用,推動著人們對於複雜系統的行為規律進行深入研究。

  作為CAS理論的產生背景,有必要對於Santa fe研究所作一簡要的介紹。Santa fe研究所成立於1984年。在許多著名科學家的支持下,第一次研討會於1984年,在美國新墨西哥州的首府桑塔菲市舉行。這次會議以經濟為主題,參加者不但有以諾貝爾經濟學獎得主阿羅(Kenneth Arrow )為首的許多經濟學家,而且有許多物理學家,包括諾貝爾物理學獎得主蓋爾曼(Murray Gell-Mann )和安德森(Philip W. Anderson)。這次成功的交流使與會者十分興奮,並且一致同意按此方向走下去。這就是Santa fe研究所的誕生。它是一個獨立的非贏利的研究所,靠申請各種基金來支持跨學科的研究工作。不久前,它被評為全美國最優秀的十個研究所之一。Santa fe研究所出版了許多出版物,除了已出版的幾十種專著之外,它還出版雜誌《複雜性》(Complexity)。為了加快交流,Santa fe研究所還編髮內部交流的工作論文(Working Papers),每年有一百篇左右,不但印成單份散發,而且放在網站上。這一措施大大加速了該領域的交流。複雜適應系統(CAS)理論就是在這樣一個環境中孕育和誕生的。


2 複雜適應系統理論 -CAS理論的核心思想


  複雜適應系統(CAS)理論的基本思想可以概述如下:

  「我們把系統中的成員稱為具有適應性的主體(Adaptive Agent),簡稱為主體。所謂具有適應性,就是指它能夠與環境以及其它主體進行交互作用。主體在這種持續不斷的交互作用的過程中,不斷地「學習」或「積累經驗」,並且根據學到的經驗改變自身的結構和行為方式。整個宏觀系統的演變或進化,包括新層次的產生,分化和多樣性的出現,新的、聚合而成的、更大的主體的出現等等,都是在這個基礎上逐步派生出來的。」

  複雜適應系統(CAS)理論把系統的成員看作是具有自身目的與主動性的、積極的主體。更重要的是,CAS理論認為,正是這種主動性以及它與環境的反覆的、相互的作用,才是系統發展和進化的基本動因。宏觀的變化和個體分化都可以從個體的行為規律中找到根源。霍蘭把個體與環境之間這種主動的、反覆的交互作用用「適應」一詞加以概括。這就是CAS理論的基本思想——適應產生複雜性。


3 複雜適應系統理論 -複雜適應系統的主要特徵


  Application Research of Computers 2008 年5 月 人們每時每刻都處在並能看到許許多多的複雜系統, 如蟻群、生態、胚胎、神經網路、人體免疫系統、計算機網路和全球經濟系統。所有這些系統中, 眾多獨立的要素在許多方面進行著相互作用。在每種情況下, 這些無窮無盡的相互作用使每個複雜系統作為一個整體產生了自發性的自組織。霍蘭把這類複雜系統稱為複雜適應系統。

  在霍蘭的複雜適應系統理論中, 複雜適應系統被看成是由用規則描述的、相互作用的適應性主體組成的系統 。這些主體不斷地學習或積累經驗, 並根據學到的經驗不斷變換其規則、改變自身的結構和行為方式, 從而體現了主體不斷適應環境變化的能力。整個宏觀系統的演變或進化, 包括新層次的產生、分化和多樣性的出現以及新的、聚合而成的、更大的主體的出現等, 都是在這個基礎上逐步派生出來的。在複雜適應系統中, 任何特定的適應性主體所處環境的主要部分都由其他適應性主體組成, 複雜適應系統中的主體在與環境的交互作用中遵循一般的刺激—反應模式。所以, 任何主體在適應上所做的努力就是要去適應別的適應性主體。這個特徵是複雜適應系統生成的複雜動態模式的主要根源 。

  儘管在不同領域中存在著眾多的複雜適應系統, 並且每一個複雜適應系統都表現出各自獨有的特徵, 但隨著人們對 複雜適應系統認識的不斷深化, 可以發現它們都有四個方面的主要特徵。

  基於適應性主體

  適應性主體具有感知和效應的能力, 自身有目的性、主動性和積極的「活性」, 能夠與環境及其他主體隨機進行交互作用, 自動調整自身狀態以適應環境, 或與其他主體進行合作或競爭 , 爭取最大的生存和延續自身的利益。但它不是全知全能的或是永遠不會犯錯失敗的, 錯誤的預期和判斷將導致它趨向消亡。因此, 也正是主體的適應性造就了紛繁複雜的系統複雜性。

  共同演化

  適應性主體從所得到的正反饋中加強它的存在, 也給其延續帶來了變化自己的機會, 它可以從一種多樣性統一形式轉變為另一種多樣性統一形式, 這個具體過程就是主體的演化 。但適應性主體不只是演化, 而且是共同演化。共同演化產生了無數能夠完美地相互適應並能夠適應於其生存環境的適應性主體, 就像花朵靠蜜蜂的幫助來受精繁殖、蜜蜂靠花蜜來維持生命; 共同演化是任何複雜適應系統突變和自組織的強大力量, 並且共同演化都永遠導向混沌的邊緣。

  趨向混沌的邊緣

  複雜適應系統具有將秩序和混沌融入某種特殊的平衡的能力, 它的平衡點就是混沌的邊緣, 也即一個系統中的各種要素從來沒有靜止在某一個狀態中, 但也沒有動蕩到會解體的地步。一方面, 每個適應性主體為了有利於自己的存在和連續,都會稍稍加強一些與對手的相互配合, 這樣就能很好地根據其他主體的行動來調整自己, 從而使整個系統在共同演化中向著混沌的邊緣發展; 另一方面, 混沌的邊緣遠遠不止是簡單地介於完全有秩序的系統與完全無序的系統之間的區界, 而是自我發展地進入特殊區界。在這個區界中, 系統會產生湧現現象 。

  產生湧現現象

  湧現現象最為本質的特徵是由小到大、由簡入繁 。沃爾德羅普認為: 「複雜的行為並非出自複雜的基本結構, 極為有趣的複雜行為是從極為簡單的元素群中湧現出來的。生物體在共同進化過程中既合作又競爭, 從而形成了協調精密的生態系統; 原子通過形成相互間的化學鍵而尋找最小的能量形式, 從而形成分子這個眾所周知的湧現結構; 人類通過相互間的買賣和貿易來滿足自己的物質需要, 從而創建了市場這個無處不見的湧現結構。」湧現現象產生的根源是適應性主體在某種或多種毫不相關的簡單規則的支配下的相互作用。主體間的相互作用是主體適應規則的表現, 這種相互作用具有耦合性的前後關聯, 而且更多地充滿了非線性作用, 使得湧現的整體行為比各部分行為的總和更為複雜。在湧現生成過程中, 儘管規律本身不會改變, 然而規律所決定的事物卻會變化, 因而會存在大量的不斷生成的結構和模式。這些永恆新奇的結構和模式, 不僅具有動態性還具有層次性, 湧現能夠在所生成的既有結構的基礎上再生成具有更多組織層次的生成結構。也就是說, 一種相對簡單的湧現可以生成更高層次的湧現, 湧現是複雜適應系統層級結構間整體宏觀的動態現象。


4 複雜適應系統理論 -複雜適應系統模型的基本特性


  複雜適應系統是由適應性主體相互作用、共同演化並層層湧現出來的系統。霍蘭圍繞適應性主體這個最核心的概念提出了在複雜適應系統模型中應具備的七個基本特性, 分別是聚集、非線性、流、多樣性、標誌、內部模型以及積木。其中前四個是複雜適應系統的通用特性, 它們將在適應和進化中發揮作用; 后三個則是個體與環境進行交流時的機制和有關概念。

  1) 聚集聚集有兩個含義, 第一個含義是指簡化複雜系統的一種標準方法, 即是把相似的主體聚集成類, 相互作用, 這是指主體聚集的條件。在這個意義上講, 聚集是構建複雜適應系統模型的主要手段之一。聚集的第二個含義是指較為簡單的主體的聚集相互作用, 必然會湧現出複雜的大尺度行為。這是指主體聚集后產生的結果, 這種湧現的結果是複雜適應系統的一個基本特徵。

  主體通過聚集可以形成更高一級的主體———介主體( meta-agents) 。這些介主體又能夠進行再聚集, 產生介介主體( meta-meta-agents) 。這個過程重複幾次后, 就得到了複雜適應系統的層次組織。

  在複雜系統的演變過程中, 較小的、較低層次的個體通過某種特定的方式結合起來, 形成較大的、較高層次的個體, 這是一個十分重要的關鍵步驟。這往往是宏觀形態發生變化的轉折點。然而對於這個步驟, 以往基於還原論的思想方法是很難加以說明和理解的。聚集不是簡單的合併, 也不是消滅個體的吞併, 而是新類型的、更高層次上的個體的出現; 原來的個體沒有消失, 而是在新的更適宜自己生存的環境中得到了發展。

  2) 非線性非線性指主體以及它們的屬性在發生變化

  時, 並非遵從簡單的線性關係。特別在主體與系統或環境反覆的交互作用中, 這一點更為明顯。近代科學之所以在許多方面遇到困難, 重要原因之一是它把自己的眼界局限於線性關係的狹窄範圍內, 從而無法描述和理解豐富多採的變化和發展。複雜適應系統理論認為個體之間相互影響不是簡單的、被動的、單向的因果關係, 而是主動的適應關係。以往的歷史會留下痕迹, 以往的經驗會影響將來的行為。在這種情況下, 線性的、簡單的、直線式的因果鏈已經不復存在, 實際的情況往往是各種反饋作用( 包括負反饋和正反饋) 交互影響的、互相纏繞的複雜關係。正因為這樣, 複雜系統的行為才會如此難以預測; 也正因為這樣, 複雜系統才會經歷曲折的進化過程, 呈現出豐富多彩的性質和狀態。

  複雜適應系統理論把非線性的產生歸之於內因, 歸之於個體的主動性和適應能力。這就進一步把非線性理解為系統行為必然的、內在的要素, 從而大大豐富和加深了對於非線性的理解。正因為如此, 霍蘭在提出具有適應性的主體這一概念時, 特彆強調其行為的非線性特徵, 並且認為這是複雜性產生的內在根源。

  3) 流流可以看成是有著眾多節點與連接者的某個網路上的某種資源的流動。一般來說, 節點即是指主體, 而連接者表明可能的相互作用。在複雜適應系統中, 網路上的流動因時而異, 節點和連接會隨著主體的適應和不適應而出現或消失。因此, 無論是流還是網路, 皆隨時間而變化, 它們是隨著時間的流逝和經驗的積累而反映出變易適應性的模式。

  4) 多樣性複雜適應系統的多樣性是一種動態模式, 其多樣性是複雜適應系統不斷適應的結果。每一次新的適應都為進一步的相互作用和新的生態位開闢了可能性。如果與前面講到的聚集結合起來看, 這就是系統從宏觀尺度上看到的結構的湧現, 即所謂自組織現象的出現。

  5) 標誌在聚集體形成的過程中, 始終有一種機制在起作用, 這種機制就是標誌。在複雜適應系統理論中, 標誌是為了聚集和邊界生成而普遍存在的一個機制。標誌能夠促進選擇性相互作用, 為了相互識別和選擇, 主體的標誌在主體與環境的相互作用中是非常重要的。設置良好的、基於標誌的相互作用, 為篩選、特化和合作提供了合理的基礎, 這就使介主體和組織結構得以湧現。標誌是隱含在複雜適應系統中具有共性的層次組織結構背後的機制。

  6) 內部模型霍蘭用內部模型來定義實現主體實現某項功能的機制。在複雜適應系統中, 當適應性主體接收到大量湧入的輸入時, 就會選擇相應的模式去響應這些輸入, 而這些模式最終會凝固成具有某項功能的結構———內部模型。

  7) 積木複雜系統常常是在一些相對簡單的部件的基礎上, 通過改變它們的組合方式而形成的。因此, 事實上的複雜性往往不在於塊的多少和大小, 而在於原有積木的重新組合。內部模型和積木的作用在於加強層次的概念。客觀世界的多樣性不僅表現在同一層次中個體類型的多種多樣, 還表現在層次之間的差別和多樣性, 當跨越層次時就會有新的規律與特徵出現。概括地說, 它們提供了這樣一條思路: 把下一層次的內容和規律作為內部模型封裝起來, 作為一個整體參與上一層次的相互作用, 暫時忽略或擱置其內部細節, 而把注意力集中於這個積木和其他積木之間的相互作用和相互影響, 因為在上一層次中, 這種相互作用和相互影響是關鍵性的、起決定性作用的主導因素。這種思想與計算機領域中的模塊化技術以及近年來作為軟體設計、開發主流技術的面向對象的方法是完全一致的。

  通過上述七個基本特性的刻畫, 複雜適應系統模型可以看做是以內部模型為積木, 通過標誌進行聚集等相互作用並層層湧現出來的動態系統。


5 複雜適應系統理論 -CAS理論在管理領域的應用


  在當前的經濟環境下,企業的生存與發展不僅取決於企業自身制定的戰略,更取決於與其它企業和組織之間的作用關係以及相應的應變能力。因而,適應性成為企業生存與發展的一個重要能力,企業如何增強其適應性能力已成為當前管理領域研究的熱點。複雜性科學的發展,尤其是CAS理論的提出,正好滿足了管理科學對這些問題研究的需要。現在管理科學發展的一個趨勢,就是將企業管理作為一個複雜系統的管理來研究,利用複雜性科學尤其是CAS理論的成果,探討複雜環境條件下企業管理的原理與方法。

  對於企業系統來說,首先企業是有層次性的,企業員工主要是在所屬部門形成團隊並相互作用,同時企業內部可劃分為兩個層次:企業中的每一位員工和以員工為基本個體組成的部門,這兩個層次上的個體均具有智能性、適應性、主動 等特徵;其次企業發展過程中,個體的性能參數在變,個體的功能、屬性也在變,整個企業系統的結構、功能隨之產生變化;最後企業系統中個體并行地對環境中的各種刺激做出反應、進行演化,而且存在大量隨機複雜性因素。企業系統的特徵和CAS理論有很好的契合性,用CAS理論對企業更具有描述性和表達能力,這也使 CAS理論在管理領域的應用具有廣闊的前景。

  CAS理論最先應用於經濟管理領域是1987年Arthur與Holland等合作開發了一個模擬股票市場的計算機程序:聖塔菲人工證券市場,以此來研究股票市場的泡沫增長或崩盤現象。他們的系統是由很多具有不同信念和期望的主體組成,這些主體依據市場的變化,通過歸納的方法不斷地學習,從而修正或拋棄自己已有的信念和期望,這樣個人的信念和期望對市場來說就成了內生變數,通過相互競爭,整個信念組成的生態式系統就隨著時間而共同進化。他們用一種基於心理或認知的觀點來描述系統,如各種信念、預估、期望和解釋,以及所有的基於這些信念和期望的決策、戰略規劃和行動等。運用這樣一種觀點來看待經濟管理系統是很有幫助的,這是因為一切經濟人的行動或選擇,都是基於他們現在對未來的價格、競爭者未來的行動或者他們對世界未來特徵的假設或信念,而當這些選擇或假設累積起來后,反過來又會重新塑造價格、市場戰略以及他們所面對的世界。Arthur認為如果我們不只是研究經濟管理系統中的最簡單的問題,那麼採用這樣一種生態學的觀點將是不可避免的。這個系統的計算機試驗結果解釋了新古典經濟學所不能解釋的一些困惑,比如股票市場中存在的技術性交易、市場心理學、流行效應等,這一成功是對Holland所提出的CAS理論的支持,也促進了CAS理論在管理領域的應用研究。

  此後,國外大多數研究是基於CAS理論對宏觀經濟的模擬模型研究,在管理領域主要集中於對組織管理的研究。Haeckel利用CAS理論在有關企業的組織管制、組織設計和「適應性企業」 方面做出了重要貢獻。他在1995年出版的著作《Adaptive Enterprise:Creating and Leading Sense—and—respond Organizations>中認為,到目前為止,存在兩種模式的企業,即「製造一銷售」 模式與「感知一響應」模式,前者假設變化可預測,追求成為有效率的企業,後者假設變化不可預測,追求成為適應性企業。Haeckel建立了四步式「感知與響應企業模型」:感知、解釋、決定、行動,強調應當把客戶作為企業價值鏈的源頭,通過價值鏈的后移為企業提供運作輸入信息,創造具有核心競爭能力的企業資產與組織結構。Haeckel認為客戶回饋的基本點是企業投資在客戶自己尚未發覺的機會,在客戶沒有認識到其消費行為已經在逐步改變的時候,企業超前從嘈雜紛繁的市場消費需求中獲得響應,及早改變自己,獲得競爭優勢。適應性企業的適應能力來源於該類組織模塊化的反應機制,他們將組織的各部分能力模塊化,通過各模塊對外界環境變化的快速適應來提升整個企業的適應能力,這裡值得我們注意的是企業的各功能模塊對外界是一種適應關係,而不是企業內部各單元對未來的計劃與預期。

  Jun Kamo和Fred Phillips提出了基於CAS理淪的「進化型組織」 觀點。他們認為「進化型組織」符合CAS的四個特徵:并行性、新穎性、重組和多樣性。相應於這四個特徵的「進化型組織」 的概念模型中,并行性特徵包括多主體、非線性、分散化、混沌邊緣,新穎性特徵包括湧現、非簡單加和與弱蝴蝶效應(The Weak Butterfly Efect),重組是指內部規則,多樣性指遠離單重優化。同時他們給出了「進化型組織」演化示意圖(如下圖),在此基礎上,他們對美國高科技上市公司進行實證分析,得出了Microsoft、Intel、Netseape的組織狀況符合「進化型組織」 的標準 。

  鑒於CAS理論在其它領域的應用所取得的成果和巨大應用前景,國內CAS理論在管理領域的應用研究近幾年也逐漸興起。劉洪(2004)認為複雜適應系統的組織是現代經營環境條件下企業生存的重要形式,他在對傳統組織與複雜適應組織進行比較的基礎上,分析了要使一個企業成為具有複雜適應系統特徵的網路結構組織關鍵就是要使企業內部單位是「自治」、「關聯」 和「變革」 的,而企業內部市場化是「自治」與「關聯」重要的實現途徑,內部單位的「變革」 則具有多樣性、自發性、融合性、適應性和變形性,複雜適應組織的發展策略就是認識差異、培育差異、增強學習與適應能力以及增強創新能力 。

  金吾倫、郭元林(2004)認為學習型組織是具有人性的複雜性組織,由相互關係和相互作用極其複雜的眾多要素構成的層級複雜適應系統;要素構成子系統,子系統再通過相互聯繫和作用組成系統,該系統具有自組織功能,是複雜適應性組織。他們基於CAS理論分析了學習型組織的組織模式,認為學習型組織重在變革人的思維方式,應該從簡單性思維走向系統的複雜性思維 。

  朱愛平和吳育華(2003)分析了企業創新系統的複雜適應性,他們認為在複雜適應性的企業中,集權式的企業組織框架和企業行為命令方式不利於企業創新活動,建立以知識為基礎的複雜適應組織體系是提高企業創新能力的重要手段 ;陳蔚珠和陳禹(2004)運用CAS理論分析了企業信息系統項目中各種風險關係以及如何進行風險管理和應該採取的策略 ;張兵和曾珍香(2004)基於CAS理論分析了企業可持續發展動力機制以及核心理念、資源平台、位勢平台、制度平台和能力平台五大要素之間的相互關係,建立了企業可持續發展的金字塔模型 ;吳紹艷和杜綱(2005)應用CAS理論和湧現機理分析了企業動態能力的構建機理 。另外,國內學者在企業戰略管理和供應鏈管理等領域也運用CAS理論進行了初步研究。


6 複雜適應系統理論 -複雜適應系統和複雜適應組織


  美國的聖菲研究所(Santa Fe Institute,簡稱sfi)一直是複雜性研究的中心。1994年,約翰·霍蘭德(John Holland)在聖菲研究所舉辦的烏拉姆紀念講座中做了名為「隱秩序」的著名演講,而後,出版了《隱秩序——適應性造就複雜性》一書,提出了複雜適應系統的理論。複雜適應系統理論被認為是「二十一世紀的新科學」,屬於「第三代系統思想」,所提出的系統理念不僅完全顛覆和替代了傳統的研究範式,而且也有別於早期的系統思想。

  霍蘭德圍繞著適應性主體(Adaptive Agent,簡稱主體)這一中心,構造了複雜適應系統的回聲模型(ECHO模型)。複雜適應系統理論的核心在於系統中的個體具有主動性和能動性。主體的適應性體現為能與其他主體和環境進行信息和資源的交流,為實現自身目標而調整和改變行為模式,從而適應環境變化的要求¨ 。霍蘭德將主體的學習過程表述為:「接受刺激一做出反應一得到反饋一修正規則一提高適應度(fit—ness)」¨ 。適應性主體的學習能力促使其不斷成長和演化,而回聲模型研究的「湧現(emergence)」現象則將個體進化和系統演化聯接了起來。詳細來說,複雜適應系統由大量適應性主體構成,主體之間以及主體和環境之間存在著複雜的非線性相互作用,這種相互作用導致了系統的「湧現」現象,即微觀個體的進化使宏觀系統呈現出新的狀態和新的結構,因此,「湧現」就將個體的適應與系統的演化這兩個不同的層次聯接了起來 。

  作為「第三代系統思想」的複雜適應系統理論能更好地解釋組織的複雜現象和解決組織的複雜問題。劉洪指出複雜適應系統理論的提出,正好解決了管理實踐中如何才能增強組織適應力的問題¨ ;認為將複雜適應系統理論應用到組織管理中,研究如何建立符合複雜適應系統特徵的組織並進行有效管理,是組織管理的重要發展方向;並且,提出了「複雜適應組織」的概念 。劉洪認為「複雜適應組織」,是指在組織成員具有自主判斷和行為能力,具有與其他成員和環境交互信息和物質的能力,能夠根據其他成員的行為和環境的變化不斷調整行為規則,從而使自身以及整個組織與環境相適應。

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