本书较全面地介绍了用微观仿真方法从事复杂系统研究所需的基础知识和建模仿真技术，对相关领域的研究前沿进行了归纳，是复杂系统仿真领域中一本实用、新颖、全面的读物。

微观仿真是一种新颖的仿真技术，是进行复杂系统研究的有效手段。元胞自动机和多主体仿真是两种重要的微观仿真方法，在许多领域有广泛的应用。本书在传统离散事件系统仿真的基础上，对这两种方法进行了系统全面的介绍，阐明了其基本原理、建模思想，提出了仿真框架，讨论了实现技术。结合研究实例分别介绍了这些方法在工程、经济、社会等领域的典型应用，讨论了经典模型的扩展。

本书结合作者多年来的研究成果，用实例的形式介绍了模型建立、仿真实现、结果分析等方面的知识，提供了详细、全面的技术信息，便于读者参考。

本书可作为高等院校管理科学与工程、经济学、社会科学、系统工程等专业研究生的教材，也可供管理科学、系统科学、复杂性科学等领域研究人员参考。

复杂性是我们生活的世界的一个关键特征，对复杂系统的研究已经有很长的历史，近年来又掀起了一轮探索复杂性的热潮，形成了复杂性科学。复杂性科学的出现推动了不同学科之间的横向融合，促进了科学的纵深发展，使人类对客观世界的认识由线性上升到非线性，由简单均衡上升到非均衡，由简单还原论上升到复杂整体论。复杂性科学的诞生标志着人类认识水平进入了一个崭新的阶段，是科学发展史上的一个重要里程碑。

　　尽管对复杂系统尚未取得完全一致的认识，但一般认为复杂系统具有这样一些特征：复杂系统的微观个体之间存在非线性相互作用，不能根据局部属性演绎得到全部整体特性；复杂系统必然是动态系统，系统一些新奇的特征是在演化过程中自发产生的；另外，社会领域中的个体往往具有一定的智能性和适应性，个体的行为机制通过学习不断发生进化，相互适应，形成一个共进化的系统。

　　仿真方法特别适合对复杂系统进行研究，仿真方法通过建立微观模型，模拟微观个体之间的相互作用，涌现出宏观层面的复杂行为，实现微观和宏观的统一。仿真是面向过程的，能够跟踪系统演化的全过程，能够观察演化过程中的状态变化和结构变化。仿真方法不需过多考虑数学方面的限制，能够自然地描述微观个体的复杂决策逻辑和行为机制，建立的模型更接近真实系统。因此仿真方法成为研究复杂系统的重要手段，在许多领域得到了广泛的应用。

　　本书主要以管理和社会经济领域为背景，介绍几种复杂系统仿真方法：离散事件系统仿真、元胞自动机和多主体仿真。本书在写作过程中力求实现理论技术应用的贯通，对每种仿真方法，首先，系统深入地介绍理论基础，然后清晰地给出仿真实现技术，最后结合实际研究工作给出应用实例。

第2章介绍离散事件系统仿真。离散事件系统中系统的状态变化是由离散时间点上发生的事件引起的，许多工程技术和管理决策领域的复杂系统属于这一类型。现实中的离散事件系统一般组成因素较多，且相互关系复杂，还往往具有随机性，很难用数学工具进行分析，仿真是一种方便而有效的方法。离散事件系统仿真技术不仅能够解决系统性能分析问题，还能够解决系统结构设计问题。本章首先介绍离散事件系统建模方法和原理；然后对排队系统和库存系统，按照从简单到复杂的顺序分别进行详细介绍；最后结合城市救护系统设计实例，将离散事件系统仿真用于系统结构设计。

　　第3章介绍仿真数据处理。复杂系统往往包含随机因素，无论对现实系统进行性能分析还是对复杂系统进行理论研究，都需要处理随机性问题。本章包括3个方面的内容：随机变量的产生、输入数据处理和输出数据分析。首先对产生随机数和随机变量的算法进行介绍；然后介绍数据收集策略、原始数据验证方法和输入数据统计处理技术；最后介绍仿真输出处理技术，包括如何确定仿真运行次数、单系统仿真输出分析和多系统仿真输出分析。

第4章和第5章详细介绍两类复杂系统微观仿真方法：元胞自动机和多主体仿真。它们都采用“自下向上”的基本思路：选取构成系统的微观个体，模拟这些个体的行为和相互作用，对其行为的结果进行加总得到系统的宏观层次的结果。第4章首先对元胞自动机的概念和基本特征进行介绍，讨论元胞自动机仿真技术，然后采用仿真方法研究社会领域的一些实际问题，包括流言模型及其扩展、艾滋病传播模型和迁移模型。第5章介绍多主体仿真，首先对主体相关的基本概念进行介绍，提出一种多主体仿真方法论，总结多主体建模仿真的基本过程；然后介绍多主体仿真在经济社会领域的应用，介绍经济领域的Aspen模型与扩展，在社会科学领域介绍信用制度与合作问题研究实例。

第6章介绍复杂系统研究工具。首先对复杂系统仿真工具进行分类概括，总结几十种比较流行的工具的主要特点，对其中5个比较常见的工具进行详细分析和比较；然后选择两个具有代表性的复杂系统仿真工具Swarm和NetLogo，结合建模仿真实例进行详细介绍。第7章是一个综合应用实例，详细介绍如何建立道路交通多主体仿真模型，最后结合研究问题介绍对系统性能的分析。

　　本书是国家自然科学基金项目“宏观经济中资金流程的离散事件仿真”和“逆向仿真研究与实践”的部分研究成果，在此感谢国家自然科学基金委员会为本项目提供的资助。本书部分内容来自武汉大学高宝俊博士、西安交通大学李璐、李群、郑海同、王丽娟、冯平、慕晨等同学的研究成果，在此向他们表示诚挚的感谢。兰州大学吴建祖副教授、西北工业大学乔健副教授在本书写作过程中提出了很多建设性的意见，空军工程大学赵巧霞女士为本书做了大量细致的工作，在此表示感谢。本书引用了许多国内外学者的研究成果，在此一并表示感谢。

由于作者水平有限，书中某些内容可能有不妥之处，恳请读者批评指正。

作者

2007年9月

第1章绪论

1.1复杂系统与系统模型

1.1.1系统概念

1.1.2复杂性与复杂系统

1.1.3系统模型

1.2系统仿真

1.2.1仿真概念与仿真技术

1.2.2经典仿真技术

1.2.3微观仿真技术

1.3复杂系统微观仿真

1.3.1微观仿真的适用性

1.3.2微观仿真的理论应用

1.3.3微观仿真的实际应用

1.3.4微观仿真存在的问题

第2章离散事件系统仿真

2.1离散事件系统仿真模型

2.1.1时间的仿真

2.1.2事件的仿真

2.1.3离散事件系统仿真流程

2.2排队系统仿真

2.2.1排队系统概述

2.2.2单服务台排队系统仿真

2.2.3单级多服务台排队系统仿真

2.2.4多级多服务台排队系统仿真

2.2.5其他类型的排队系统

2.3库存系统仿真

2.3.1库存系统概述

2.3.2库存系统仿真

2.3.3多周期提前订货有折扣的库存系统仿真

2.3.4其他类型的库存系统

2.4仿真设计

2.4.1排队系统的仿真设计

2.4.2救护系统仿真设计

第3章仿真数据处理

3.1随机数与随机变量

3.1.1随机数的产生

3.1.2随机变量的产生

3.2数据收集与分析

3.2.1数据收集

3.2.2分布类型识别

3.2.3参数估计

3.2.4分布假设检验

3.3单系统仿真输出分析

3.3.1终态仿真

3.3.2稳态仿真

3.4多系统仿真输出分析

3.4.1两系统比较

3.4.2多系统比较

第4章元胞自动机

4.1元胞自动机概述

4.1.1元胞自动机的起源与发展

4.1.2几类重要的元胞自动机

4.1.3元胞自动机的动力学特征

4.1.4元胞自动机的应用

4.2元胞自动机模型

4.2.1元胞自动机定义

4.2.2网格和邻元

4.2.3状态更新规则

4.3元胞自动机仿真技术

4.3.1模型的构建

4.3.2仿真技术

4.3.3仿真流程

4.4流言模型

4.4.1基本的流言模型

4.4.2概率规则的流言模型

4.4.3带遗忘的流言模型

4.5多数模型

4.6艾滋病传播模型

4.6.1艾滋病传播理论研究

4.6.2艾滋病的传播特性

4.6.3艾滋病传播的CA模型

4.6.4艾滋病传播仿真技术

4.6.5仿真结果

4.7迁移模型

4.7.1个体迁移与种族隔离

4.7.2CA迁移模型

4.7.3迁移模型仿真技术

4.7.4仿真结果

第5章多主体仿真

5.1主体与多主体系统

5.1.1主体概念

5.1.2多主体系统

5.1.3主体的一般结构

5.1.4主体之间的通信与交互

5.2多主体建模与仿真

5.2.1多主体建模思想

5.2.2多主体仿真研究框架

5.2.3多主体系统模型的建立

5.2.4多主体仿真与其他仿真方法的比较

5.3多主体仿真模型的实现

5.3.1主体的构建技术

5.3.2主体的学习算法

5.4多主体仿真在经济中的应用

5.5Aspen经济系统多主体仿真模型

5.5.1Aspen简介

5.5.2Aspen基本模型

5.5.3Aspen模型的扩展

5.6多主体仿真在社会科学中的应用实例

5.6.1信用制度与合作

5.6.2IPD情景下的人工社会

5.6.3信用制度的引入

5.6.4仿真结果分析与结论

第6章复杂系统仿真工具

6.1简介

6.1.1复杂系统仿真的技术途径

6.1.2常用仿真工具比较

6.2多主体仿真框架Swarm

6.2.1Swarm的主要特点

6.2.2Swarm的类库结构

6.2.3Swarm仿真程序的层次结构

6.2.4Swarm仿真程序的建立步骤

6.3多主体仿真平台NetLogo

6.3.1NetLogo的主要特点

6.3.2NetLogo仿真框架

6.3.3生态系统建模实例

6.3.4NetLogo常用建模技术

6.3.5NetLogo高级特性

第7章道路交通多主体仿真

7.1道路交通仿真

7.1.1道路交通系统的特点

7.1.2道路交通系统仿真

7.1.3多主体仿真的适用性

7.2交通流多主体仿真平台

7.2.1总体结构

7.2.2主体之间的协调与交互

7.2.3人车单元的结构

7.2.4路网描述

7.2.5信号灯主体结构

7.3人车单元微观模型

7.3.1车辆运动集成框架

7.3.2纵向运动模型

7.3.3换道模型

7.4仿真研究实例

参考文献