北京市昌平建设工程招标网站,网站建设要学哪些软件有哪些方面,百度的网站域名,做营销策划要用到哪些网站来源#xff1a;集智俱乐部作者#xff1a;Thomas McAtee、Claudia Szabo译者#xff1a;陈翔 审校#xff1a;刘培源编辑#xff1a;邓一雪导语人工生命#xff08;artificial life#xff09;是通过仿真建模、机器技术和生物化学等方式模拟自然生命系统#xff0c;进… 来源集智俱乐部作者Thomas McAtee、Claudia Szabo译者陈翔 审校刘培源编辑邓一雪导语人工生命artificial life是通过仿真建模、机器技术和生物化学等方式模拟自然生命系统进而研究生命过程及其演变的领域。针对人工生命的研究范式近年来层出不穷但捕捉人工生命的关键特征如自组织、涌现、适应、模块化、临界性等特征则需要采用复杂系统的研究范式。本文梳理了2008年-2018年上百篇复杂系统视角的人工生命研究综述从中提取出生物范式、社会范式、混合范式及复杂系统范式共93种其中基于主体建模与元胞自动机是近十年主流而最受关注的复杂系统属性是涌现、自组织和适应。未来人工生命研究可能要在对复杂系统的理解基础上更关注模型的可扩展性。研究领域人工生命生命复杂性复杂系统人工生命Artificial Life的模型和算法以自然和生物过程及现象为依据特别适用于模拟大型复杂系统如大规模的生态系统或社交网络其中系统实体之间的相互作用可能会产生突发行为。尽管复杂系统越来越受欢迎而且无处不在但在复杂系统建模中考虑人工生命方法的程度以及它们在复杂系统领域的应用仍不清楚。为了更好地理解人工生命和复杂系统之间的重叠部分我们对过去十年以复杂系统为重点的人工生命研究进行了系统的文献概览。确定了538篇初始论文其中194篇为候选论文集产生了115项主要研究。我们的结果显示最常见的三个应用领域是模拟simulation社会建模social modelling和生物建模biological modelling。我们发现了大量的范式可以大致分为三个主要类别即生物biological、社会social和混合hybrid。我们确定了用于生成最常见的复杂系统属性的人工生命范式以及对人工生命和复杂系统建模的发展至关重要的一些研究挑战。1. 概述人工生命是一套适应自然发生的现象和过程并受其启发的模型和方法Langton et al., 1989。这些范式可以应用于各种问题如生态建模Punithan et al., 2011、进化的人工生物Loula et al., 2010、战斗模拟Yu and Zhao, 2010以及对专有应用商店的应用性能进行建模Cocco et al., 2014。复杂系统是由具有复杂行为的自主实体组成的它们的相互作用会导致意想不到的突发属性Sz- abo et al., 2014; Mittal, 2013。复杂适应系统Complex adaptive systems, CAS是复杂系统的一种类型在这种系统中实体和环境被鼓励去适应和相互作用以实现预期的属性Holland, 2006并提供了对现实生活场景更真实的抽象North et al., 2013。这样的系统在社会网络、供应链、医疗网络、智能城市和智能电网、物联网和互联网本身等领域已经无处不在North et al., 2013。用复杂系统的视角可以很容易地研究和分析人工生命的方法和范式从而可以关注重要的属性如自组织Holland, 2006、涌现Szabo et al., 2014、适应Holland, 2006、模块化Holland, 2006和临界性等等。自组织Self-organization 发生在实体相互作用以实现一个特定的目标或使系统进入一个不同的状态时Holland, 2006; Mittal, 2013。当实体组织起来集体行动时就会出现涌现Emergence导致无法分解为微观组成部分的不可预测的宏观状态的产生Szabo et al., 2014。一些系统可以在没有自组织的情况下表现出涌现行为比如静止的气体Mittal, 2013。在大量的系统中都观察到了涌现比如社会网络中的社区形成、蚂蚁群的形成和刚性的细胞结构Birdsey et al., 2015。当一个系统中的实体在没有外部控制的情况下有选择地对其环境采取行动时就会表现出自主性Autonomy这是展示涌现和自组织的基础Froese et al., 2007。适应性Adaptation指的是系统实体和环境的个别适应过程以及系统作为一个整体的适应能力Holland, 2006。当采用模块化modularity时实体或环境必须由决定父实体的行为和行动的子实体组成Holland, 2006。临界点Criticality指的是系统进入稳定、不稳定或突发状态之前的时间段。在许多系统中临界点被观察到在混乱的边缘或作为一个决策点。采用复杂系统的观点并明确考虑上述属性将进一步促进人工生命范式对各种领域的适用性并在复杂、大规模的情况下测试它们从而会极大发展这一领域。同样地更好地理解能够促进特定复杂系统属性出现的人工生命范式将大大有助于其设计比如在设计具有特定突发属性的系统时Mittal, 2013。虽然大量的工作都在研究复杂系统的建模包括人工生命范式但其使用范围和适用性尚不清楚。为了解决这一问题我们对以复杂系统或复杂适应系统为重点的人工生命研究进行了系统的文献回顾。2. 前人工作尽管现有的关于单个模型Santé et al., 2010、复杂系统属性Froese et al., 2007和人工生命范式Emmeche, 1998的文献综述但据我们所知还没有综述文章聚焦于把人工生命范式应用于复杂系统建模。下面讨论几篇专注于特定人工生命建模范式或应用的文献综述。Bedau的工作Bedau, 2003分析了截至2003年的既定人工生命进展和范式提供了一个人工生命发展的粗略时间表从Langton最初的开创性工作Langton et al., 1989开始一直到进化机器人、蜂群智能和进化语言建模的最新进展。Bedau确定了13个范式包括两个基于复杂适应系统特性的范式即自我复制和自我组织并讨论了适应性对未来人工生命研究的潜在适用性。Bousquet等人的研究Bousquet and Le Page, 2004回顾了多主体模拟multi-agent simulations, MAS在生态系统管理建模中的应用。他们指出从事生态系统管理的科学家需要研究生态和社会动力学之间的相互作用而MAS为研究这些动力学的融合效果提供了一个有用的模型。Froese等人后来的工作Froese等人2007分析了自主性autonomy在人工生命应用中的使用和定义。该研究指出关于autonomy的定义没有达成共识并建议在行为自主性和构成性自主性之间引入一个概念性的区分。所提供的定义断言行为自主性与一个系统与其环境进行稳定和/或灵活互动的能力有关而构成自主性与一个系统的自生能力有关作者认为这具有将自主性概念限制在生物体内的不良性质。这个分类方案被用来证明在研究发表之日2007的系统比十年前发表的系统在自主性方面有所提高。Santé等人的一篇评论Santé et al., 2010关注了元胞自动机模型在现实世界城市进程模拟中的应用如城市规划或城市进化建模并描述了在不同应用领域使用每种模型的优势、缺陷和挑战。3. 方法论我们的工作旨在确定人工生命和复杂系统之间的重叠特别是为了更好地理解在复杂系统设计、建模或分析中如何考虑人工生命方法以及人工生命方法是否考虑了复杂系统的观点或属性。只考虑2008年以来发表的长度≥5页的论文排除只包含湿人工生命whether artificial life以及只基于硬件未包含软件的。从论文中提取的数据项目概述如下。建模方法——记录所采用的建模方法。分析方法——记录用于评估模型的分析类型。采用的生命范式——记录每篇论文中采用的人工生命范式。这些范式可能包括自然或生物行为如觅食、捕食、自然发生的现象如生态系统、进化或蛋白质折叠或社会行为如选举、经济交流或符号学。复杂适应系统属性——捕捉论文作者所确定的任何CAS属性。进一步的应用——捕捉论文作者是否确定了该论文主题可以应用的任何其他领域。考虑的可扩展性——捕捉论文作者是否在他们的分析中考虑了可扩展性。挑战与限制——捕捉论文作者所述的该方法所面临的挑战或限制。挑战类型——捕捉论文作者所确定的挑战类型。4. 分析结论我们概述了来自115项主要研究的已确定数据项并讨论了一些研究问题的答案。应用领域我们的分析了19个不止出现了一次的研究领域见表1最常见的应用领域是模拟占所有主要研究的13%这些论文展示了使用人工生命范式来优化和改进现有的模拟或有关模拟的实践。例如Seth的工作探索了使用格兰杰因果关系来检测复杂系统的自治性或涌现Seth, 2010而Kirshenbaum等人的工作则证明了使用模拟学习群体智能来教育学生Kirshenbaum, 2008。社会建模11.3%是第二个最常使用的应用领域其中社会结构、网络和现状是使用人工生命范式进行调查的。第三个最常调查的应用领域是生物建模10.4%其中生物过程和现象被建模和评估。例如研究人员使用元胞自动机为癌症生长建模Monteagudo和Santos Reyes, 2013一些初级研究使用神经网络和L-系统为蛋白质折叠现象建模Varela and Santos2018。这19个领域分别是模拟、社会建模、生物建模、机器人、语言学、优化、复杂系统分析、人工生命建模、音乐建模、疾病建模、自动化设计、市场、生态系统建模、路径、视频游戏、遗传学、军事/战术建模、生活史建模、模式识别和生成。表1. 应用领域及其频率建模和分析方法我们在主要研究中发现了10种独特的建模方法。57.4%的主要研究采用基于主体的建模ABM, Agent-based Modelling作为建模范式。ABM模拟了自主主体的行动与互动目的是评估这些互动的全系统结果。元胞自动机CA, Cellular Automata是第二种最常使用的建模方法有45.2%的主要研究使用这种方法。元胞自动机由单元格通常是二维组成每个单元格都被设定为一个特定的状态并能影响邻近单元格的状态。第三种最常用的建模方法是蚁群模型AC, Ant Colony它的使用率明是显低于前两种模型的4.3%。蚁群模型使用受蚁群启发的方法来优化可以简化为图形表示的问题。这些模型使用模拟88.7%、分析方法或证明11.3%和一次性安装物理原型0.87%进行分析。这10中主要领域分别是基于主体的建模、元胞自动机、蚁群系统、进化算法、神经网络、机器人学、P-系统、分析学、图形、群体智能。表2. 建模方法及其频率人工生命范式人工生命的许多范式来自于生物和社会现象。为了更好地了解范式在我们主要研究集的论文中的分布情况我们将93个被识别的范式分为三个主要类别即社会型、生物型和混合型。其中相当数量的范例60个即64.52%只被识别过一次并被汇总到每个范例表底部的其他类别中。社会型基于社会过程或现象的范式如社会结构、人工社会和通信。生物型基于生物和生理过程或现象的范式如信息素、遗传学和代谢。混合型混合型范式是社会和生物范式的综合。该类别还包括那些不能完全归入生物或社会分类的范式例如群居智能它既有社会和生物基础也有路径搜索虽然是一个自然过程但两者都没有明确的基础。生物范式三个最常用的生物范式是进化、捕食和信息素。进化被用作与进化建模有关的范式的总称或利用进化计算或进化概念如进化动力学或形态学进化Joachimczak et al., 2013。捕食指的是复杂系统中至少两个主体种类之间的捕食关系一个主体捕食者消耗猎物类的主体Seth, 2010。信息素范式与使用蚂蚁和其他生物释放的生物信息素风格的主体留下的痕迹有关。进化是最常用的生物范式33.9%的主要研究以某种形式利用了它。与所有其他范式相比进化范式的使用频率是不相称的因为在所有范式中其次最常使用的范式是群体智能它只在14.8%的主要研究中使用而第三大范式捕食则在9.6%的主要研究中使用。其他类别涵盖了一系列不常使用的范式如凋亡、生物生长、适应和遗传等等。69.57%的研究论文采用了生物范式。生物范式进化、捕食、信息素、再生产、觅食、人工化学、基于细菌的算法、能量流、遗传学、代谢、形态发生、蛋白质折叠、饥饿。表3. 生物范式及其频率社会范式社会范式与通过主体之间的直接互动而发生的现象有关。最常采用的社会范式是合作、符号学和经济交流。合作是指主体互相帮助以达到互利的结果如Oswald and Schmickl, 2017。符号学指的是通过主体和他们的环境之间的互动而出现的语言构造Shibuya et al.2018。经济交流指的是主体之间的资源交换。21.74%的论文采用了社会范式。社会范式合作、符号学、经济交流、蚁群、群体聚集、竞争、人群运动、模仿、社会行为、社交网络。表4. 社会范式及其频率混合范式混合范式综合了来自其他多个范式类别的品质。例如虽然群体智能是一种社会现象因为它在机械地依赖于主体之间的互动但群体智能的建模倾向于利用生物力学如信息素进行互动。表5中列出的最常用的混合范式是群体智能、学习和种群动力学。群体智能是分散的自组织主体体的集体行为在自然界中以蚂蚁和蜜蜂的群体活动为例von Mammen and Jacob, 2009。学习是一种现象主体或生物通过经验获得关于自身或环境的知识Azumagakito et al., 2011。种群动力学是指对动力系统中的种群进行研究研究特定的子种群如何影响或影响更大的系统Bornhofen and Lattaud, 2009。59.13%的论文使用了混合范式。混合范式群体智能、学习、种群动力学、共同进化、疾病模型、神经网络、移民、多粒子相互作用、寻路、共识主动性。表5. 混合范式及其频率限制因素34.78%的主要研究在讨论其研究结果时报告了某种形式的挑战或限制。最常报告的限制与建模有关18.96%论文作者提到在将人工生命范式与传统技术如制造方法与生物范式相融合方面的挑战Leitao, 2009; Monteagudo and Santos Reyes, 2013复杂系统的典型挑战如在出现时缺乏可靠性Lopez, 2010以及在准确和有效地模拟环境方面的挑战Azumagakito et al, 2011Isidoro et al., 2011; Bornhofen and Lattaud, 2009。第二个最常报告的限制是在分析领域7.76%的论文作者提到了结果或模型的可视化困难Punithan et al., 2011有限的分析规模Janecek et al., 2013; Niazi, 2014开发分析指标的困难Taylor and Cody, 2015以及有限的分析导致模型运作的模糊Oswald and Schmickl, 2017。实施和验证同样被报告为具有挑战性4.34%。实施的挑战导致了可扩展性的限制Krol and Popiela, 2009和复杂模型的参数化Yamamoto and Miorandi, 2010。验证方面的挑战导致了确保模型行为正确的困难。历年的范式频率图1显示了在历年研究中各种人工生命范式被用于模拟复杂系统的频率。这里只聚合了频率大于4的范式。我们观察到自2009年来的过去十年进化evolution被经常用到。此外信息素pheromones的使用频率越来越高直到2012年。图1. 范式频率2008年-2018年样本总量为115复杂适应系统属性22个复杂适应系统CAS属性在研究中被识别出来。我们的分析还旨在确定用于促进特定复杂系统特性的人工生命范式下表显示了每种特性最常见的范式。涌现是最常被考虑的属性57.39%的论文分析了涌现的属性或被设计为实现涌现。论文报告使用了90种范式来产生涌现大多数来自生物和混合范式类别分别为55.56%和31.11%。最常见的产生涌现的范式是进化Otto and Bannenberg, 2010von Mammen and Jacob, 2009、捕食Loula et al., 2010; Lopez, 2010和群体智能Leitao, 2009; von Mammen and Jacob, 2009。第二个最经常被识别的属性是自组织其中28.7%的人识别了由局部相互作用产生的系统秩序。它是用40种范式产生的最常见的是生物范式和混合范式类分别为57.5%和32.5%。最常使用的个体范式是进化Leitao, 2009; Otto and Bannenberg, 2010、群体智能von Mammen and Jacob, 2009和选择。第三种最常被识别的CAS属性是适应性出现在18.26%的论文中。适应性是通过29种范式产生的大部分来自生物和混合范式类分别为15种51.72%和10种34.5%。在这些类别中最常使用的单个范式是进化Bornhofen and Lattaud, 2009、学习Fernando et al., 2009和群体智能Leitao, 2009。表6. 复杂系统范式5. 讨论我们的数据提取确定了93种不同的人工生命范式这些范式主要是通过基于主体的模型ABM55.65%或元胞自动机CA18.26%进行建模。用相对简单的实现机制来模拟复杂的生态或生物模型占主要研究的近75%。其余25%的论文使用了不同的建模方法--共18种不同的方法。这表明仍有大量的研究领域使用替代的甚至是建模范式但未来的工作对于确保它们的适用性得到充分理解是必要的。虽然78.26%的主要研究集确定了复杂系统的属性但该子集的94%确定了最经常出现的前三个属性至少一个即涌现、自组织和适应。相比之下只有32.17%的论文考虑了前三者之外的属性。这种狭隘的关注表明了研究中的一个空白即人工生命的方法和范式可以考虑更广泛的复杂适应系统属性如稳定性、自主性、临界性和自我调节等。例如只有一项主要研究讨论了自主性重点是测量而不是生成Seth, 2010。另一个例子是稳定性虽然在四项主要研究中被考虑但通常在讨论时没有使用任何正式的衡量标准Punithan et al., 2011。现有工作的这种局限性也转化为评价的局限性在大多数研究中主要重点是证明所需的突发特性的发生而没有考虑其潜在的副作用以及复杂性的其他方面。由于缺乏对可扩展性的考虑对现有论文的评估也受到限制主要研究中的大多数论文84.35%在分析中没有考虑可扩展性从而可能限制了这些方法在现实生活场景中的适用性。复杂系统无处不在从生物或生态建模Punithan et al., 2011到项目管理或物流网络设计Otto and Bannenberg, 2010都可以很容易地采用人工生命范式。我们的分析确定了32个独特的应用领域34.78%的主要研究集属于三个最常见的应用领域模拟占主要研究集的13%、社会建模11.3%和生物建模10.4%。虽然剩下的应用领域数量相当多但很少有论文是在该特定领域内发表的单一提及的应用领域占论文总数的11.30%。这表明在各种应用领域中都考虑到了人工生命模式但还需要更深入地分析人工生命在各个领域中的应用以确定与它们的使用有关的潜在陷阱。此外还亟需一份全面的人工生命范式清单该清单能够捕捉到范式在特定应用领域的适用性以获得所需的属性并提供足够的建模和实施细节使其能够被复制。我们认为这个系统的文献综述是实现这一目标的第一步。6. 总结我们采用系统的文献综述方法来确定人工生命和复杂系统建模之间的重叠。我们的分析确定了93种用于复杂系统建模的人工生命范式这些范式来自不同的应用领域。近65%的范式只被识别过一次表明它们在不同领域的使用存在差距值得进一步研究。22个复杂系统的特性要么是在系统的设计中被考虑因此由人工生命范式促进要么是在系统的评估中被考虑因此可能由使用特定的人工生命范式造成。在讨论复杂系统特性的论文中只有约30%的论文考虑了最流行的集合之外的特性包括涌现、自组织和适应这表明需要更深入地应用复杂系统理论。最后在可扩展性分析方面我们发现了很大的差距只有16%的论文在评估或设计中考虑了可扩展性无论是实体的数量还是它们的复杂行为和相互作用。总的来说我们的分析表明虽然人工生命和复杂系统理论在各种模型和领域中得到了广泛的应用但仍需要对人工生命模式和复杂系统的特性进行更深入的研究以充分发掘其优势。参考文献1. 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