数字地球的基础理论之一 ——复杂自适应系统理论


摘要:本文认为应该把地球系统作为复杂自适应系统,提出建立基于复杂自适应系统理论
的地球信息模型。提出设计投影空间智能体,模型映射智能体,数据共享决策智能体,可
视化智能体,查询智能体,元数据提取智能体,元数据智能引擎和智能数据搜索引擎。提
出建立公共智能体请求代理体系结构(CARBA)、智能空间决策支持系统、智能化的网络虚
拟地理信息系统、智能化城市地理信息系统、智能化区域地理信息系统。并且认为可以把
空间智能体的研究、与网络有关的复杂性问题、进化软件设计、灰色系统理论、城市理论
、数字地球的神经系统模型和进化模型研究、专家系统等都纳入复杂自适应系统理论的研
究框架。
关键词:数字地球,复杂自适应系统理论,空间智能体,智能化

 

1引言

城市系统、免疫系统、生态系统、经济系统等系统都称为复杂自适应系统。直觉告诉笔者
存在统一的理论来研究复杂自适应系统,这意味着复杂性问题有着统一的解决方法。它的
基本途径就是通过跨学科比较,抽象出各种复杂自适应系统的共同之处,基于这些共同性
质,构造一般理论,寻找一般的研究方法。跨学科比较的优点在于一些微妙的,在一个系
统很难抽取出来的特性,在另一个系统可能很突出而且容易考察。
复杂自适应系统是由大量具有自适应主体组成的,而每个主体的行为由规则来决定,通常
采用刺激/反映(IF-THEN)规则。任何复杂自适应系统的建模工作主要归结于选择和描述
有关的刺激和反映。对于一个给定主体,我们在指定可能发生的刺激范围和估计可能做出
的反映集合之后,就可以确定主体可以具有的规则的种类,然后按照行为的顺序考察这些
规则,我们就能够描述主体的行为了。在这个过程中,我们需要引入学习、适应、进化、
代谢、免疫、共生等概念。我们可以把复杂自适应系统看作由用规则描述的、相互作用的
主体构成的系统,这些主体随着经验的积累,不断改变其规则来适应。而在复杂自适应系
统中,任何特定的适应性主体所处环境的主要部分都由其它适应性主体组成,因此任何主
体都要适应其它的适应性主体,这是复杂自适应系统复杂性的根源。复杂自适应系统一般
包括四个特性和三个机制,四个特性是聚集、多样性、非线性和流。三个机制是标识、内
部模型和积木。
建立复杂自适应系统理论的途径是吸取自组织理论(包括协同学,耗散结构理论、超循环
论,突变理论等)中的一些思想,如协同、耗散、超循环、突变等;借鉴生物学、生态学
的一些概念,如免疫、复制、遗传、进化、变异、共生等;吸取生物学、生态学方面的研
究成果(免疫机制、生物进化、遗传机理等);吸收细胞自动机、智能体、人工生命研究
领域的一些研究方法和研究成果;通过跨学科比较,抽取各个学科所涉及的各种复杂系统
的同性,建立一些各个学科普遍适用的概念。
   “数字地球”是1998年1月31日戈尔提出的美国国家战略构想。“数字地球” 战略构想
引起世界各国政府的强烈反响。笔者国根据国情也开始逐步实施国家空间信息基础设施(
NSII),提出建立“数字中国”和“中国的数字地球”。“数字地球”战略的实施需要基
础理论作为指导,笔者认为复杂自适应系统理论可以作为“数字地球”的基础理论。下面
就结合笔者国的数字地球的理论体系提出复杂自适应系统理论研究框架。
2 数字地球的理论体系
2.1数字地球的模型与动力学研究
(1)地球系统的复杂性与动力学模型
地球系统及其动力学模型的研究内容包括大气物理模型及大气动力学模型,地理模型及地
理动力学模型,地质模型及地质动力学模型。由于大气系统,地理系统与地质系统相互耦
合,笔者认为地球系统是一个复杂自适应系统,因此必须建立复杂自适应系统理论和复杂
自适应系统动力学模型来解决地球系统的复杂性问题。
目前大气科学研究偏重于数值计算,过于数学化。笔者认为把大气复杂性问题归结为计算
复杂性是不对的。一些人认为只要超级计算机的运算速度足够快,就能够解决大气复杂性
问题。这让笔者想起过去一些物理学家认为只要拥有能量足够大的“对撞机”,就能够彻
底解决物理学问题。这是典型的还原论者的幻想,就象知道了每个细胞的运动规律并不能
解释生物发育问题。混沌理论和分形理论只能描述大气的复杂性问题,却不能够解释大气
复杂性的根源,即不能够解释为什么会产生这样的混沌和分形现象。关于大气尺度,笔者
认为是大气系统这个地球复杂自适应子系统中的层次问题。
目前地理科学和地质科学的研究还没有提升到从地球系统这个复杂自适应系统来考察地理
和地质现象。大气运动(主要是气候变化)和地质事件(如火山爆发和地震等)都会影响
人类的活动和行为,而人类活动和地质事件又会影响大气运动,大气运动和人类活动同时
影响地质构造,如此反复。因此,必须从地球系统这个复杂自适应系统的高度来考察地理
和地质现象。
(2)数字地球地理坐标框架体系
    多维时空坐标系之间的转换任务可以由基于复杂自适应系统理论的投影空间智能体来
承接,建立统一的数字地球地理坐标框架体系。目前空间智能体的研究还没有纳入复杂自
适应系统理论研究框架,导致智能化程度不够,必须引入复制、遗传、学习、代谢、免疫
、竞争、共生等生物学机制。
(3)地球系统的对象模型与形式化表达
    地球系统的对象模型与形式化表达的研究任务是建立现实世界的数学抽象-概念世界的
对象描述-信息世界的对象表达-计算机世界的对象管理之间的映射关系,建立统一的地球
系统对象模型与形式化表达体系结构。笔者认为这可以通过对象模型映射智能体来解决,
实现各种模型的快速提取。由于地球系统中对象极其复杂,只有不断提高智能体的智能,
数学模型-概念模型映射智能体,概念模型-信息模型映射智能体,信息模型-计算机模型映
射智能体之间协同工作才行。
(4)地球系统的信息机理与模型
地球系统的信息机理与模型研究是地球信息科学的重要任务,笔者认为建立基于复杂自适
应系统理论的地球信息模型非常重要。目前信息论主要研究信息的本质,采用数理统计等
数学理论描述和度量信息,研究信息传递、处理的基本规律和基本原理。它的主要任务是
提高传送信息的效率和完整性。但由于信息论过于狭隘,它对通信工程以外范围广阔的信
息问题无所作为。因此迫切需要建立广义信息论,它不但研究信息容量、信道容量、信息
编码、噪声理论、信号处理和信号调制与解调问题,而且研究其它所有与信息有关的领域

我们可以把复杂自适应系统的结构看成一个非常复杂的动态网络。其中节点就是主体,连
接就是相互作用,流就是信息。在复杂自适应系统中,流随时间变化,节点和连接也会随
主体的适应情况出现或消失。总之,信息流网络表现出变易适应性。
网络是数字地球的骨架,是空间信息流动的通道。然而网络的迅速蔓延,网络的形态发生
机制,网络结构的合理性问题,网络的安全性问题等与网络有关的复杂性都提到议事日程
上来了,这些都可以纳入复杂自适应系统理论框架。网络形态学、网络发育学、网络动力
学、网络免疫学的学科地位将确立。蚂蚁路由、免疫算法的实践已经表明复杂自适应系统
理论的有效性。
2.2数字地球标准与法规研究
   (1)数字地球的标准与规范
    从各种现有标准与规范中提取共性,建立数字地球统一的标准与规范。而各种现有标
准与规范再通过“智能接口”与之构成互操作机制。“智能提取”和“智能接口”都可以
由智能体来承接。
   (2)数字地球的元数据模型
    从各种复杂的数据对象提取元数据,建立元数据模型、元数据数据库、元数据引擎,
形成元数据体系结构。元数据提取智能体,元数据智能搜索引擎的设计都可以纳入复杂自
适应系统理论框架。
   (3)数字地球的数据共享政策
    与数字地球的数据共享政策有关的问题是数据提供者和数据消费者的合法身份验证,
给不同的数据消费者提供不同的消费权限,数据的安全性,敏感数据的管理等。可以建立
由智能体构成的数据共享智能决策支持系统,数据共享决策智能体在网络上游荡,随时提
供服务。智能体自身必须具有免疫能力,防止受到恶意攻击。智能体还必须有合法性标识
,防止假冒的智能体进行欺骗。
2.3数字地球模型模拟
(1)虚拟地球系统的数据模型与数据结构
建立多维面向对象的时空数据模型和数据结构是建立数字地球模型的关键。但由于不同的
研究机构,商业公司往往采用不同时空数据模型和数据结构,存在时空数据模型和数据结
构的互操作问题。同样需要设计“智能接口”来解决互操作问题。
   (2)虚拟地球的智能数据采集与存储模型
    卫星遥感数据的智能获取与智能处理都需要设计相应的智能体,多分辨率时空数据的
动态表达可以通过设计“可视化智能体”来解决,多分辨率时空数据的动态查询可以通过
设计“查询智能体”来解决。
   (3)虚拟地球数据仓库体系结构与数据挖掘
    建立空间数据仓库的理论模型与体系结构需要借鉴生物学和全息光学领域的数据存储
机制。空间智能体可以承担空间数据挖掘与知识发现任务,联机事务处理与服务需要各个
智能体的协同工作。
   (4)虚拟地球的智能搜索代理模型
    虚拟地球的数据代理可以由智能体来完成,智能体充当智能数据搜索引擎,根据用户
的要求提供适当的数据服务,实现“数据点播”(data on demand)。
   (5)嵌入式数字地球对象组件模型
    空间智能体可以充当数字地球的智能数据引擎,负责空间数据的提取。公共对象请求
代理体系结构CORBA(Common Object Request Broker Architecture)是OMG(Object Ma
nagement Group)组织推出的分布式对象计算标准,包括对象请求代理,对象服务,公共
设施和应用对象。CORBA具有分布式软件总线的特点,它用高级抽象的对象模型来表达应用
系统、应用部件之间有效通讯的连接技术。但目前CORBA还不具备智能性,不是智能化的分
布式对象组件模型。因此笔者提出建立基于智能体总线的公共智能体请求代理体系结构(
CARBA),它由对象请求智能体,对象服务智能体,公共设施智能体,应用智能体等构成。
以这种智能体群组协同模型作为嵌入式数字地球对象组件模型是非常适合的。
   (6)数字地球的虚拟建模环境
    目前Web3D Consortium推出的GeoVRML就是面向数字地球的虚拟现实建模语言。三维可
视化关键基础理论已经取得较大进展,基于网络的虚拟现实地理信息系统(Web-VRGIS)模
型研究已经展开。数字地球本质是智能化的虚拟地球,因此进一步发展将是智能化的Web-
VRGIS。目前GeoVRML不是智能化语言,Web-VRGIS还不是智能化的Web-VRGIS,因此进化编
程语言(evolution programming language),进化软件(evolution software),进化
软件工程(evolution software engineering)的研究非常必要。进化编程语言、进化软
件和进化软件工程都可以纳入复杂自适应系统理论框架。
   (7)地球系统的灰色动态模型与模拟
    灰色系统理论是笔者国学者邓聚龙提出的。笔者认为把灰色系统理论纳入复杂自适应
系统理论框架,可以促进灰色系统理论的完善。
2.4数字地球的神经系统模型与进化计算模式
(1)数字地球的神经系统模型
当我们把数字地球作为复杂自适应系统时,数字地球的神经系统模型研究可以纳入复杂自
适应系统理论中系统网络模型的研究框架。
   (2)数字地球的进化机制与模型
    数字地球是一个复杂自适应系统,数字地球的进化机制及其模型的研究就是对复杂自
适应系统理论中关于进化机制和进化模型部分的研究。
   (3)数字地球的网络行为模型
    网络是数字地球的骨架,是空间信息流动的通道。随着网络的迅速蔓延,网络的形态
发生机制,网络动力学机制等与网络行为有关的复杂性问题都提到议事日程上来了,这些
都可以纳入复杂自适应系统理论框架。网络蚂蚁路由,网络免疫算法的实践已经表明复杂
自适应系统理论的有效性。
   (4)数字地球的分布式对象服务模型
    我们可以把数字地球分布式环境中的应用对象定义为智能体,分布式应用对象服务模
型及其运行机制就成为智能体及其交互机制。分布式GIS设计就是设计基于空间智能体的分
布式GIS。
2.5数字地球与绿色战略
(1)地表温度建模与全球变化影响模拟
    通过进行地表温度场、海面温度场、全球地表覆盖类型的遥感动态监测,利用遥感数
据快速建立数学模型。这需要智能化的“系统辨识”和“模式识别”(这里的“系统辨识
”和“模式识别”概念比控制理论中的系统辨识和计算机视觉中的模式识别要广泛一些)
。我们同样可以设计智能体来完成上述任务。我们可以通过研究陆地-大气-海洋之间的相
互作用模式来进行全球变化动力学计算机模拟,但由于陆地-大气-海洋之间是非线性的耦
合关系,它们之间的相互作用非常复杂,笔者认为应该把陆地-大气-海洋作为复杂自适应
系统,通过建立复杂自适应系统理论来进行全球变化研究。
(2)地表物理场建模与地震预报模拟
    由于地球表面物理性质分布差异很大,因此地表物理场模型非常复杂。地表系统是地
球这个复杂自适应系统的一部分,地表物理场建模同样需要复杂自适应系统理论。目前只
有短期地震预报取得一些成果,对中、长地震预报仍然无能为力。地震是由复杂的地质活
动引起的,然而地球内部的地质构造至今不清楚,人工钻孔获取地球内部数据代价很大,
目前的技术还不能探测到地球深处的地质活动。地震作为地球系统的“突现”事件,是各
种地质因素相互作用的结果。如果把每个地质因素作为一个主体,利用复杂自适应系统理
论让主体之间的相互作用的结果“突现”出来,对于深入研究地震的机理是非常有帮助的

(3)近地空间环境建模与太空天气预报
    近地空间环境建模与太空天气预报属于空间科学领域,近地空间环境对地球的影响最
大,因此研究近地空间环境建模与太空天气预报具有现实意义。近地空间环境受到地球辐
射、太阳辐射和宇宙辐射的三重影响。而且许多低轨卫星就运行在近地空间,产生大量太
空垃圾。其中太阳的活动的影响最大,如太阳黑子爆发产生的太阳风对近地空间环境产生
极大影响。因此近地空间环境情况非常复杂。近地空间环境存在许多相互作用的因素,可
以采用复杂自适应系统理论来研究近地空间环境的建模与太空天气预报问题。
(4)数字国土信息资源与宏观调控模拟
    我国国土资源众多,分布非常复杂,国土资源利用情况也非常复杂,因此建立国土资
源地理信息系统非常迫切。目前实施的国家空间信息基础设施(NSII)的重要组成部分就
是国土资源地理信息系统。由于我国土地利用,矿藏开发,水资源利用,海洋开发等情况
非常复杂。为了遵循可持续发展的战略,保证国土资源开发与生态环境协调,建立国土资
源宏观调控机制是一件国家大事,这需要建立一个智能空间决策支持系统(ISDSS)。传统
的专家系统已经不能胜任这项工作,因为专家系统依靠专家知识,但把专家的知识转化为
计算机能够识别的语言非常困难,而且专家系统缺乏规则进化机制,智能化程度很低。因
此必须把专家系统纳入复杂自适应系统理论的研究框架,建立一个智能化水平较高的智能
空间决策支持系统。
(5)中国可持续发展信息资源网络
    中国可持续发展信息资源网络是国家空间信息基础设施的组成部分,是“中国数字地
球”或“数字中国”的重要内容。其中涉及数据挖掘与知识发现,中国可持续发展信息资
源的智能搜索引擎,网络免疫理论等内容。笔者认为中国可持续发展信息资源网络必须把
中国看作一个复杂自适应系统。为了使中国能够可持续发展,必须站在国家整体利益的高
度来考虑可持续发展问题。因为可持续发展问题涉及社会可持续发展,经济可持续发展,
科技可持续发展,环境可持续发展,资源可持续发展等各个方面,而这些方面是相互作用
,相互影响,相互制约的。
(6)数字城市模型与都市信息基础设施模拟
    数字城市需要建立基础设施数据库、城市数据交换平台服务与管理系统、城市信息处
理模型库、城市信息应用系统。这些内容可以概括为智能化城市地理信息系统(IU-GIS)
。城市是一个典型的复杂自适应系统,但是目前城市科学中的城市理论,如城市空间结构
理论、城市生长理论、城市规划理论、城市生态理论、城市经济理论、城市管理理论等都
没有采用“复杂性思维”来研究城市问题,而都是采用统计等简单的数学经验公式和一系
列假设。笔者认为这些城市理论都可以纳入复杂自适应系统理论的研究框架,然后建立城
市进化模型,解决一系列城市问题。
(7)数字区域模型(长江产业带)与宏观调控复杂巨系统模拟
    我们需要建立智能化的区域地理信息系统(IR-GIS)来研究数字区域模型和数字区域
动力学模型,进行数字区域模拟研究,为区域宏观调控和发展预测服务。其中长江产业带
由于人口众多,经济地位非常重要,因此建立长江产业带的宏观调控模型非常迫切。笔者
认为可以把长江产业带看作一个复杂自适应系统来研究,因为长江产业带各种因素(包括
经济,文化,科技等各个方面)十分复杂。我们必须从整体上来考虑长江产业带的可持续
发展问题。总之,智能化的区域地理信息系统和长江产业带的宏观调控模型都可以纳入复
杂自适应系统理论的研究框架。
3 结论
    本文把地球系统作为一个复杂自适应系统,提出把复杂自适应系统理论作为数字地球
的基础理论。在复杂自适应系统理论这个框架下开展地球信息模型、空间智能体、与网络
有关的复杂性问题、进化软件、灰色系统理论、城市理论、数字地球神经系统模型和进化
模型、地理专家系统的研究。本文还针对不同的应用问题提出设计投影智能体,模型映射
智能体,数据共享决策智能体,可视化智能体,查询智能体,元数据提取智能体和智能数
据搜索引擎的设想。这些智能体负责数字地球的建模、投影、决策、显示、数据代理、数
据挖掘、查询、分析等任务。此外,本文提出建立CARBA以适应分布式GIS的应用;建立智
能空间决策支持系统以支持国家的宏观调控;建立基于网络的智能虚拟现实地理信息系统
、智能化城市地理信息系统、智能化区域地理信息系统以推进“数字城市”、“数字区域
”乃至“数字中国”、“数字地球”的建立。



[本日志由 tangc 于 2007-01-18 08:30 PM 编辑]
文章来自: BBS 水木清华站
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