霍兰的复杂适应 系统理论及其应用
口 郭 炳 发
(华中科技大学 经济学院。湖北 武汉 430074)
摘要：通过解读霍兰(J．H．Holland)的著作《自然系统和人工系统 中的适应》、《涌现性》及《隐秩序 》，从而
了解到霍兰提 出的复杂适应系统理论和遗传算法、分类器 系统等人工适应主体技术为演化经济学理论的计
算机模拟模型研究提供 了广 阔的前景。
关键词 ：复杂适应系统；遗传算法；分类器 系统
中图分类号 ：F019．1 文献标识码 ：B 文章编号：1671—7023(2004)03—0070—02
作者简介 ：郭炳发(1968一)，男，湖北大悟人。华中科技大学经济学院博士生，武汉市东西湖区委办公室
副主任 ，主要研 究方向为制度经济学与演化经济学。
收稿日期：2003—12—19
复杂性科学研究 的先驱者之一 ，遗传算法
之 父 霍兰从 一 开始 就处 于 复杂 适 应 系统这 一 新
兴研究领域的中心，他的一系列里程碑式 的著
作《自然系统和人工系统 中的适应 》、《涌现性 》、
《隐秩序 》等为人们研究复杂系统打开了一个全
新 的视野 。他提出的复杂适应系统理论 ，揭示了
适应性 主体组成 的复杂 系统 是如何演化 、适应 、凝
聚、竞争、合作和产生多样性、新颖性和复杂性的。
霍兰认 为生态系统、免疫系统 、中枢神经 系
统和市场体系都有着很多类似 的特性和类似 的
不解之迷 。面对环境 的变化 ，这些 复杂系统都表
现出协调性和持存性 ，其主要原 因是 任何主体
都在努力去适应别 的主体 。他认为复杂适应 系
统都有通用的 4个特性 和 3个机制 。4个特性
是聚集 、非线性 、流、多样性 ；3个机制是标识机
制、内部模型机制、积木机制 。通过这 7个基本
点的适当组合可以派生出复杂系统的其他性质
和特征 。聚集指 ，个体可以相互粘住 ，形成更大
的多个体的聚集体 ，新聚集体如同个体般运动 ，
如市场经 济条件下消费 习惯 与消费 群体 的形
成 ；非 线 性 指 ，个 体 以及 他们 的 特性 在 变 化 时 ，
不完全遵 循线性关 系 ，涉及 到非 线性 因素 ；流指 ，
个体之间的信息、能量和物质交换过程中以及市
场主体的经济交换过程 中出现 的信息 流 、能量 流 、
物流 、货 币流等 ；多样性 指 ，个体 之 间存在 着差异
·7O ·
性 ，而且有 不断分化 和扩大 的趋势 ；标 识 指 ，帮助
进行信息识别和选择的指示；内部模型指，复杂系
统 内部 可分为 多个层次 ，由低级层 次组 合产 生 高
级层次 ，每个层次都可视为一个内部模型；积木指
形成复杂系统的基本构件和简单个体⋯ ”。
霍兰 受 达尔 文进 化论 的启发 ，于 1975年 首
先提 出了模拟遗传进化过程的计算方法—— 遗
传算法。基本 的遗传算法组成部分包括 ：(1)人
工适 应主体 的行 为编码用二进 制符号 串表示 ；
(2)人工适应主体对环境适应 的程度用适应值
函数表示 ；(3)用 遗传算子表 示群体．的生 成演
化 。基 本 的遗 传算 子有 繁 殖算 子 、交叉 算 子 和变
异算子。依据 旧群体中符号串的适应值 ，繁殖算
子按 比例选 择 符号 串 ，并将 它们 送 人 交配 池 。交
叉算 子从 交 配 池 中选 择 一对 符 号 串 ，依 据 随 机
选定 的位 置 交换 符 号 串的 片段 。变 异 算 子 随机
地将 符 号 串 的某 一 等位基 因 (-7-符 )改 变 为新 符
号串。由遗传算子相互作用形成群体的代际更迭，
子辈继承父辈群体中适应值较高符号串的某些特
性 ，适应 值越高 的符号 串在交 配池 中所 占的比例
越高 ，表示具备优秀基因的父辈有更多 的后代 。
1986年 ，霍兰 又提出了分类 器 系统理 论。
分类器系统是并行传递消息的基于规则的主体
适应系统 ，能应用学习算法修改其规则 。由于规
则 应该 是 成功 的 、统 一 的描 述工 具 ，对 于任 何适
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应 主体 都 能 适 用 ，它 必 须 满 足 三 个标 准 ：(1)规
则必须使用单一 的语法来描述所有 的复杂适 应
系统 ；(2)规则 的语法必须规定主体间的所有相
互作 用 ；(3)必 须有 一 个可 增 强 的程 度 以适 应性
地调整规则 “ 。分类器系统用单一的“条件／
结论 ”语法规则来描述 ，条件部分定义什么样的
消息满足规则 ，结论部分 定义当规 则满足时发
送 什么 样 的消息 。一 个 规则 发 送 的消 息并 不 一
定能被环境接 收，它需要 与其他满足条件的规
则竞争 。竞争 的依据是规则强度 ，规则强度表明
该规则的有用性 (适应性)。环境只能接受众多
规则 中少数优胜者发送的消息 。分类器系统通
过两个学习算法适应性地调整规则。一个算法
称为传递水桶算 法 ，它通 过信用分派和消
息传递来 调整规则 的强度 ，另一个学习算法就
是遗传算法 ，它通过遗传 算子 的相互作用生成
强 度高 的新 规 则 。
霍兰在研究复杂适应系统 时发现了适应性
主体 和 经 济 学 的 内在 联 系 ，他 顺 着 布 莱 恩 ·阿
瑟 的演化经济学 思路 ，用一种更 为大胆 的方式
进行思考 ，提出了用适应性 主体来摸拟股票市
场的计算机模拟模型。霍兰进一步研究提出了
回声模型作为研究复杂适应系统的更为一般 的
模型框架 。他的回声模型和冯 ·诺意曼的元胞
自动机一样可 以 自我复制 ，产 生复杂 的演化形
态 ，精确 地展 示 组织 突 现过 程 。他把 经过 了广 泛
检验的回声模型进一步扩展到基于群体的囚徒
困境 ，通过计算机模 型模拟 发现 ，即使在狭义的
基于群体的囚徒困境中，有标识 的适应主体的演
化机会也远远超出了梅纳德 ·史密斯提出的演化
稳定 策略(ESS)所限定的演化可能性n ””。
霍兰提 出 的复 杂适应 系统理 论和遗 传算
法、分类器系统等人 工适应 主体技术 为演化 经
济学理论的计算机模拟模型研究提供了广阔的
华中科技大学学报 ·社会科学版
前景 。复杂适应系统允许人工适应主体之间具
有差异性 ，系统可 以控制每个人工适应 主体的
属性 ，如效用 、信息 、预期 、学习等。人工适应 主
体的行 为可 以被细化、观察 、控制和分 析 ，系统
可以分 析人 工适应 主体之间的交互作 用，精确
地分析经济系统的累积量 。人工适应 主体技术
为探查广泛和深层次的经济现象提供 了直观明
确的分析工具 ，大规模 的经济实验通过计算机
技术可 以在低成本下完成 。这类模拟模型与纳
尔逊 的演化经济学使用的有限的马尔科夫链的
数学模型相类似 ，都能模拟演化过程 ，但基于代
理人 的计算经济学模型能够更精确地反映经济
演化 过 程 的本 质 特征 。
人工适应 主体技术包括元胞 自动机、遗传
算法 、分类器系统、蚂蚁算法、遗传规划 、进化规
划、神经元网络等人工智能算法技术 。目前 ，经
济学者 已开始广泛应用遗传算法和分类器系统
来研究经济主体 的适应行 为。遗传算法 的优点
是应用简单 的编码技术 和繁殖 、交叉 与变异机
制来表现复 杂的演化现象，从而解决非 常困难
的问题 。分类器系统则将问题求解和学习机制
有机地结合起来 ，体现了“从干中学”的思想 。人
工适应 主体技术 已在优化计算 、大空间搜索、问
题求解和机器学 习等计算领域 得到广泛应用 ，
并 开 始 大 举 进 军 经 济 学 研究 领 域 ，产 生 了一 批
基于代理人 的计算经济学模 型 ：人 工股 票市场
模 型、ECHo 模 型 ](” ” “’、扩 展 的 ECHo 模
型、SWARM 建 模0]、ASPEN 模 型 、扩 展 的
ASPEN模型等等 。
参考文献 ：
[1]约翰 ·霍兰．隐秩序——适应性造就复杂性[M]．周
晓牧．韩晖译．上海：上海科技教育出版社，2000．
[2]叶民强．双赢策略与制度激励——区域可持续发展评
价 与博弈分析I-M]．北京：社会科学文献出版社，
2002．1 64— 1 79．
On Holland’S Theopry of Complicate Adaptable System and its Application
GU0 Bing—fa
(School of Economics，HUST，Wuhan 430074，China)
Abstract：By explaining J．H．Holland’S main three works，the author pointed out that Holland
provided wide space for computer emulator study of Economics theory through his technology of
artificial body，including the Theory of Complicate Adaptable System， Genetic Algorithm and
Classifier Systems．
Key words：Complicate Adaptable system ；Genetic Algorithm ；Classifier system
责任编辑 丘斯迈
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