復雜適應系統(CAS)理論在我國環境領域研究中的應用

劉亞非，馬德彭，劉新罡

(1.北京師范大學環境學院，北京 100089；2.生態環境部環境工程評估中心，北京 100012)

自工業革命以來，人類在社會和經濟等各方面取得了空前的成就。同時，工業、交通和生活等方面產生了大量的廢棄物，對生態環境造成了嚴重破壞。環境系統是復雜的大系統，受到大氣和水土等組成因素的影響，也受到人類政治、經濟和日常活動等方面的影響。環境科學是一門交叉學科，涵蓋生態學、化學、生物學等多個自然科學領域，涉及經濟學、社會學及政治學等社會科學領域，還受到技術創新水平等因素的限制[1]。認清復雜環境系統的特點，了解相關的研究方法，有利于實現合理的環境規劃，減少人類活動對環境系統的破壞，實現人類社會的可持續發展。本文將討論環境問題和復雜適應系統理論(Complex Adaptive System，CAS)的基本內容和特點，介紹CAS理論在環境領域的應用情況。

1 環境系統與環境問題

對于人類來說，環境可以被理解為影響人類及其他生物生存發展的自然條件和社會條件。環境的主體和客體構成環境系統，包含不同時間尺度、空間尺度和組織方式的多個要素[2-3]。

環境問題的產生是人類與自然相互作用的結果。自然界和人類活動會對環境系統產生擾動、影響和破壞，同時系統內部復雜的物質和能量流動、各要素之間的非線性作用與反饋，會破壞復雜環境系統的穩定性，使環境系統結構和狀態發生改變，環境要素功能喪失，從而導致其發生波動乃至趨勢性的變化。在此過程中產生的矛盾反過來也會對人類正常生產和生活產生不利影響，即為環境問題。環境系統與外部存在廣泛的物質、能量及信息的流動與交換表現出開放性，環境系統各要素內部及要素之間存在雙向或多向的聯系，由此產生非線性作用、響應與反饋。因此環境也可以被稱為復雜環境系統。系統的開放性使其遠離平衡態，其非線性直接導致其不確定性，這也是環境系統復雜性的本質所在。

我國面臨的主要環境問題包括城鎮化加快，城市規模和人口不斷增加，城市環境污染日益加重；城市污染企業向欠發達地區轉移，農村散亂污企業迅速蔓延，農村資源受到破壞；自然資源遭受破壞和生態環境繼續惡化。主要體現在水體污染和水資源短缺，城市大氣污染和固廢污染，森林破壞、草地退化、土地荒漠化和鹽堿化，生物多樣性減少等方面[4]。

環境領域問題的研究經歷了從簡單到復雜、從表面到深入的過程，這與復雜適應系統的涌現特征相似。從單純的有毒有害物質污染問題到人類活動對自然生態系統的破壞，再到區域性的環境污染，逐步擴展到大尺度的全球氣候變化和生物多樣性等全球性視角；從單純的物理化學污染過程到對人口和經濟等層面的綜合考量，環境問題研究重心的轉變，一方面說明人類對于環境系統復雜性的認識在不斷加深，另一方面也展現了環境科學研究從單一問題到多學科交融的發展軌跡。理論水平的提高和技術手段的創新是認清環境系統復雜性和綜合性的重要支撐。

2 復雜適應系統理論

2.1 復雜系統演化理論

在近代科學的發展過程中，還原論發揮了巨大的作用。還原論方法是經典科學方法的內核，該方法將高層的、復雜的對象分解為較低層的、簡單的對象來處理。該理論對研究機械的系統比較有效，機械系統元素間相互作用是簡單的，可以觀察到或通過經驗簡單概括。

系統科學揭露了還原論的片面性和局限性，逐漸認識到系統大于其組成部分之和，開始從整體上全面考慮復雜系統的問題。20世紀70年代起，復雜系統科學逐漸從非線性科學理論的基礎上發展起來。復雜系統演化理論從控制論到耗散結構理論、協同學理論、自組織臨界性理論發展到復雜適應系統理論等。各個理論具有不同的產生背景，并具有自身的特色、應用領域和局限性[5]。

2.2 復雜適應系統理論的內容和特點

復雜適應系統概念由約翰·霍蘭(John Holland)于1994年正式提出。該理論是在自組織和協同論等理論的基礎上，將系統元素看作是具有目的性、主動性、適應性和有活力的主體(Adaptive Agent)。各主體在交互過程中不斷學習，從而調整自身內部結構及行為方式，更好地適應周圍環境，同時也改變著環境。動態變化的環境又會對主體的行為產生約束和影響，如此反復，這是系統發展和進化的基本動因。

CAS理論考慮到了元素間的相互作用對系統演化的重要貢獻，突破了傳統的“還原論”框架，把宏觀與微觀有機地聯系起來。霍蘭在遺傳算法(Genetic Algorithm)基礎上，建立了所謂“回聲”(ECHO)模型，用以模擬和研究一般的復雜適應系統的行為，相應的建模工具——SWARM仿真平臺也被建立起來。作為復雜系統中重要的一類，復雜適應系統理論被廣泛應用于工程、生物、經濟、管理、軍事和社會等各個方面，本文主要介紹復雜適應系統理論在環境領域的應用。

3 CAS理論在環境領域的研究進展

環境科學的研究對象具有整體性、層次性和關聯性等特點，CAS理論可以應對環境系統中的諸多復雜問題，為環境領域的研究提供有力支撐[6]。自20世紀末開始，已有部分學者采用CAS理論方法來研究環境問題并取得了一定成果。當前我國CAS理論的研究主要集中于水土資源管理和城市規劃的模擬過程以及探究相關變化的驅動力等方面。

3.1 流域水土資源優化配置

水土資源系統是一個典型的復雜適應系統。水土資源系統受人口、經濟發展和科學技術等眾多因素的綜合影響。水土資源時空分布的差異導致了水土資源的多層次性、與外界環境交互作用的開放性、子系統間及層次間交互作用的非線性、系統結構和功能的動態變化性和系統發展方向的不確定性等。人們對水土資源認識上的局限造成對水土資源進行分配、利用、保護等活動主體行為的主觀復雜性。

CAS理論在水土資源系統研究中多用于模擬資源配置及其在一定條件下對收益的影響。成琨等利用CAS理論針對黑龍江省構建了區域水土資源的復雜適應性配置模型，研究了主體演化發展的歷程，預測了不同氣候條件下黑龍江省用水保障率和糧食占有量[7]，提出應增強技術進步和政策管理以保障一定水資源條件下糧食生產的可持續性。蘇瓊等利用CAS理論研究了滇池流域水資源配置系統的演化機制，描述了各用水和供水主體的影響因素和反應機制，并預測了不同規劃年流域內各部門的需水量，給出了一定條件下水資源配置結果[8]。當前CAS理論應用研究多集中于典型流域，對一般流域的研究較少，實踐中推廣存在難度。同時，仿真模型演化發展程度難以定量表達，適應性配置研究主題間協同和制約機制的研究較少。

植被分布格局的演變對生態環境有著重要的影響。城市化、經濟發展、農田擴張等都在影響著植被格局的變化，而人類的決策行為在城市化、農田擴張等過程中都具有至關重要的作用。植被格局的演化是復雜的動態系統，具有變化的不連續性和非線性等特點。

進化算法是在復雜適應系統建模的思想上提出的自適應人工智能技術。在土地覆被和利用變化研究中，進化算法經常被用于模擬人類決策行為并取得了良好的模擬效果[9]。宋創業等通過遺傳算法對黃河三角洲植被格局進行了分析和動態模擬發現，當地居民的開墾活動是影響三角洲植被分布變化的主要因素，并建立了土地開發適宜度、自然環境因子和社會人文因子之間的關系[10]。

3.2 城市規劃

目前中國城鎮化率已經接近60%。城市是一個開放性的復雜巨系統。城市的發展是一個自然適應性演進的過程，社會和科技的發展推動城市發展變得更加復雜和多樣化。城市的復雜性包括城市內部的復雜性和人們對城市認識的復雜性。城鎮化的快速發展促進了社會經濟的進步和人民生活水平的提高。隨著人口增長、城鎮化和工業化疊合期的到來，城市的發展也面臨著越來越多的問題，如城市盲目擴張和生態失衡，影響著城鎮化發展質量。

提升城市規劃效力需要使其適應自然法則規律。各方利益競爭與妥協、價值取向和生活期望等使城市規劃的目標呈現多樣性，城市發展呈現出非線性、多層次性和自組織性等。因此城市的發展必然是多樣性的，根據不同城市特色規劃目標也要順應其需求。在城市規劃中利用CAS理論可以突破傳統的靜態模型，探討城市系統適應性主體的交互性、復雜性以及適應和過程機制，有利于提升城市規劃質量和效率，節省人力物力[11]。同時，有效的工作方式和科學理論可以有效地保證工程建設質量和速度。

生態城市是指以人為本，能夠自我修復、可持續發展的人工復合生態系統，是城市發展的潮流和趨勢之一。陳婷等引入了城市代謝理論，基于多主體的CAS回聲建模方法建立了生態城市系統模型，探究生態城市系統的本質內涵和演化趨勢，強調公眾參與和管理機制具有重要意義，合理的改造切入點是生態城市建設的關鍵[12]。

城市擴張導致城市土地利用也面臨著嚴峻的形勢，國內外對于城市土地的研究主要包括系統動力學模型、元胞自動機(CA)和計量數學模型等。張鴻輝等為能夠描述影響城市土地擴張的主體間所產生的多元變化結果，融合CAS理論、人工智能技術等建立起多智能體系統，并在此基礎上建立了城市土地資源時空配置規則，以及動態描述相關主體間互動關系的城市土地擴張模型。以長沙市作為實證，模擬結果對比遙感結果發現其精度較高，能夠為城市規劃提供決策支持[13]。

城鎮化進程的加快導致我國城市廢棄物數量不斷增加，其中建筑廢棄物每年的產生量高達3億噸，僅次于生活垃圾。固廢的大量堆置和填埋會導致土地和能源等資源嚴重浪費，同時也會污染環境，阻礙城市可持續發展。丁志坤等基于CAS理論構建了深圳市建筑廢棄物管理系統仿真模型，打破了建筑廢棄物政策無法進行實驗研究的瓶頸。研究發現，利益主體的互動促進管理的演化，減量化、綠色施工及技術推廣能夠引起廢棄物處置過程各指標的變動[14]。

對于復雜的城市系統，研究者只能盡可能全面地收集和使用能夠得到的相關資料。家庭是城市關鍵的活動主體，但往往無法獲取較為細致的信息，導致缺乏對這方面內容的分析和描述，模型構建時也只能羅列部分主體的部分關鍵行為。在模型智能仿真方面，城市系統研究尚處于初級階段，且大多只提供初步的參考方法，還有待進一步研究。

此外，國外也有人將CAS理論應用于全球模型來模擬氣候變化的研究，但在我國的研究中還未見報道[15]。在CAS理論仿真模型求解時，還存在一定的局限性。該理論大部分還是描述性的，數學機理還不清楚，對適應性如何形成穩定的復雜性的機制還在探索當中。需要結合系統動力學和數學統計等理論研究系統演化的驅動力。仿真軟件平臺的接口較復雜，非計算機專業用戶在進行二次開發時難度較大，需要進一步進行簡潔化和綜合化。

4 結論與展望

我國面臨著眾多環境問題，這些問題的產生主要是人類與自然相互作用的結果，人們對于環境問題的認識也在不斷加深。CAS理論考慮到了元素間的相互作用對系統演化的重要貢獻，把宏觀與微觀有機地聯系起來，在研究環境系統演化方面取得了較大的進步。當前我國對CAS理論的研究主要集中于水土資源管理和城市規劃的模擬過程以及探究相關變化的驅動力等方面，并建立了自然環境因子和社會人文因子之間的關系。

除水土資源系統外，當前我國大氣污染嚴重且受經濟、工業和交通等諸多因素影響，CAS理論在大氣污染治理方面的應用還比較少，具有廣闊的應用前景。此外，類比CAS理論在城市的應用模式，CAS理論也可以推廣應用于農村地區垃圾管理、新農村建設用地擴張等方面。