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摘 要： 在信息流的层次上将人工微生物个体与系统环境融合为一个统一体来研究，避免复杂系统结构上的人为分类和划分。通过“信息流”这一概念的抽象，建立微生物个体和复杂系统模型。讨论编码序列对个体信息点聚集、繁衍和演化的影响。
关键词： 人工微生物；信息流；信息点；编码
0 引言
人工生命（Artificial life）是通过人工模拟生命系统来研究生命的领域，其在计算机科学领域就是利用计算机软件工程与人工智能技术等建立虚拟生命系统[1]。微生物种群的形成和演化是一个非线性复杂系统，基于人工生命的人工微生物系统可以充分挖掘和研究微生物种群的“突现”行为特征和规律。目前，国际上关于复杂系统的研究主要有三大流派。即美国圣塔菲研究所为代表的复杂适应系统（CAS）理论、欧洲学者提出的远离平衡态的自组织理论，以及中国学者提出的开放的复杂巨系统理论[2]。CAS理论的核心思想是“适应性造就复杂性”，适应性主体（Adaptive Agent）是该理论的最基本概念。所谓适应性，就是指它能够与环境以及其它主体进行资源和信息等的交流，并且根据学到的经验改变自身的结构和行为方式。整个系统的演变或进化，包括新层次的产生，分化和多样性的出现，新的、聚合而成的、更大的主体的出现等等，都是在这个基础上出现的。霍兰提出了适应性主体（即个体）在适应和演化过程中特别要注意的七个要素。它们是：聚集、非线性、流、多样性、标识、内部模型和构筑块[3][4]。
1 基于信息流的人工微生物复杂系统模型
1.1 信息流的概念及工作原理
传统信息流通常指的是信息的传播与流动。在人工微生物个体与环境之间存在有物质流，能量和信息流，个体与环境（包括个体之间）的相互影响，相互作用，是系统演变和进化的主要动力。在以往的研究中，人们先研究个体，再研究其与环境的相互影响的关系。人们根据属性的不同来进行分类，然后研究不同属性之间的联系，以期望找到一种定性和定量的方式。这种方法人为将个体从环境中割裂出来研究，容易走向机械论和还原论。更进一步的研究中，有研究人员提出了先建立个体及其小环境模型，再生成群体及其整体大环境模型的研究方法。这种方法将个体及其小环境作为一个整体看待比上一种方法有了一定进步，然而再由小环境生成大环境的过程中其实质仍然是线性组合，仍然有可能逃脱不了机械论和还原论的宿命。
要摆脱机械论和还原论，唯一的途径就是将个体与环境全部作为一个开放的整体系统看待。在这个开放的系统中，整个系统只有信息流的流动，环境是信息流的载体，个体并不是一个简单的人工生物体，而是整个信息流中的一个结点。因此，本文对信息流的定义为：“开放系统中可观测与不可观测、可测与不可测的流序列的总和”。此信息流包含了物质流、能量流、传统的信息流以及时间等，信息流在整个开放系统中不断地传递、交换、加工。传统的分类只是信息流不同的表现方式，即信息基于不同时刻的为人类可感知的识别。
1.2 人工微生物个体模型
传统意义上的人工微生物“个体”可标识为“信息点”，它不断接收信息流并释放新的信息流，是信息流变化的动因之一，另外一个动因是外部信息流对系统的扰动引起的人工微生物的状态改变。信息点依赖于环境存在，或者说依赖于信息流存在，信息点自身也是信息流中的一种流序列，它保存着整个系统部分或全部的信息流拓扑。信息点接收信息的过程分为采样、量化和编码三个阶段。采样是对信息的提取，量化是信息的度量，编码是信息的最终识别和储存形式。编码的不同会导致释放信息的差别，比如传统意义上的行为、特征差异等。同时，输出流又会和其他信息流序列形成新的输入流。人工微生物个体模型如图1所示。
在整个系统中，输入流至少包含三种流序列：信息点自身的输出流、其他信息点的输出流和外部输入流。信息流在整个环境中交织在一起，呈发散性流动。信息点通过对输入流的处理，慢慢会获得整个系统的部分信息流序列拓扑结构，拓扑结构最终以编码的方式储存。同时，编码驱动信息点每一时刻都会有不同的信息流输出，人们可观测到信息点呈现出不同的状态和行为，换句话说，输出流会反映信息点最新的编码。不同信息点之间通过输出流交换编码信息，最终信息点有可能会获得整个系统的完整信息流序列的拓扑。当然，这个拓扑只是对当前是“最新”的，因为信息流是包含时间序列的。
1.3 人工微生物复杂系统模型
微生物系统可被人观察到的典型现象就是繁衍、死亡、聚集和演化。根据上述个体模型，繁衍意味着子体信息点从母体信息点上复制编码信息。当然，对于母体信息点来说，信息流始终是在流动的，母体编码每时每刻都是不同的。因此子体信息点复制的只是某一时刻的编码信息，每个子体或每批子体都会有编码上的差异进而引起状态的差异。死亡表示输出流在某种度量上远远大于输入流，或个体信息点停止编码。当个体信息点相互交换信息流拓扑，在某一时段大批信息点都具有某段类似的编码时，体现出了类似的状态、行为等特征，就产生了聚集。开放系统中，当外部信息流对系统内部原始信息流产生了扰动，母体信息点采样到扰动信息，有可能会在编码序列上产生强烈信息的码元序列甚至会改变整个编码系统；子体信息点复制全新编码，从而驱动其产生完全不同的状态特征，完成演化。
综上所述，整个开放系统模型可分为三层：外部信息流、原始信息流和编码层信息流。
如图2所示，外部信息流是指开放系统与系统外部的信息交流；原始信息流是相对独立的系统内部信息流序列总和；编码层信息流是人工生命体对信息流加工和处理的抽象。编码层信息流决定了个体以及群体的状态特征，如果没有外部信息流的扰动，那么该系统就是一个封闭系统。在封闭系统中，随着原始信息流的不断流动，最后所有个体信息点都会获得系统信息流的完整拓扑结构，此时个体输入流在某种度量上等于输出流，编码不再发生显著变化，系统保持一定的平衡状态。当所有个体信息点编码层信息流的时间序列最终保持一致同步，整个系统走向“死亡”。正是由于外部信息流的扰动，使得系统原始信息流不断发生变化，没有任何一个个体信息点能获得整个系统信息流的完整拓扑结构，所有个体信息点编码层信息流序列，包括时间序列始终处于非一致、不同步状态，最终系统达到新的平衡态，系统发生“进化”。
2 结论
个体信息点通过对信息流的采样、量化和编码获得系统的信息拓扑结构。编码序列的不一致以及编码信息中时间序列的不同步会导致微生物呈现出人们所能观察到的多样性和非线性特征，它也是微生物个体聚集、繁衍和演化的重要因子。封闭系统中信息流会达到某种平衡态而使系统趋于“死亡”，外部信息流的扰动会破坏这种平衡，当信息流达到新的平衡，系统发生了“进化”。
基金项目：人工智能四川省重点实验室项目 （2008RK005）
参考文献：
[1]刘健勤，人工生命理论用其应用[M].冶金工业出版社，1997.
[2]倪建军，复杂系统多Agent建模与控制的理论及应用[M].电子工业出版社，2011.
[3]邓宏钟，基于多智能体的整体建模方法及其应用研究[D].国防科学技术大学，2002.
[4]陈禹等译，复杂适应性系统[M].中国人民大学出版，2006.
作者简介：
王非（1974—），男，安徽芜湖人，硕士，讲师，研究方向：人工生命、计算机网络。
关键词： 人工微生物；信息流；信息点；编码
0 引言
人工生命（Artificial life）是通过人工模拟生命系统来研究生命的领域，其在计算机科学领域就是利用计算机软件工程与人工智能技术等建立虚拟生命系统[1]。微生物种群的形成和演化是一个非线性复杂系统，基于人工生命的人工微生物系统可以充分挖掘和研究微生物种群的“突现”行为特征和规律。目前，国际上关于复杂系统的研究主要有三大流派。即美国圣塔菲研究所为代表的复杂适应系统（CAS）理论、欧洲学者提出的远离平衡态的自组织理论，以及中国学者提出的开放的复杂巨系统理论[2]。CAS理论的核心思想是“适应性造就复杂性”，适应性主体（Adaptive Agent）是该理论的最基本概念。所谓适应性，就是指它能够与环境以及其它主体进行资源和信息等的交流，并且根据学到的经验改变自身的结构和行为方式。整个系统的演变或进化，包括新层次的产生，分化和多样性的出现，新的、聚合而成的、更大的主体的出现等等，都是在这个基础上出现的。霍兰提出了适应性主体（即个体）在适应和演化过程中特别要注意的七个要素。它们是：聚集、非线性、流、多样性、标识、内部模型和构筑块[3][4]。
1 基于信息流的人工微生物复杂系统模型
1.1 信息流的概念及工作原理
传统信息流通常指的是信息的传播与流动。在人工微生物个体与环境之间存在有物质流，能量和信息流，个体与环境（包括个体之间）的相互影响，相互作用，是系统演变和进化的主要动力。在以往的研究中，人们先研究个体，再研究其与环境的相互影响的关系。人们根据属性的不同来进行分类，然后研究不同属性之间的联系，以期望找到一种定性和定量的方式。这种方法人为将个体从环境中割裂出来研究，容易走向机械论和还原论。更进一步的研究中，有研究人员提出了先建立个体及其小环境模型，再生成群体及其整体大环境模型的研究方法。这种方法将个体及其小环境作为一个整体看待比上一种方法有了一定进步，然而再由小环境生成大环境的过程中其实质仍然是线性组合，仍然有可能逃脱不了机械论和还原论的宿命。
要摆脱机械论和还原论，唯一的途径就是将个体与环境全部作为一个开放的整体系统看待。在这个开放的系统中，整个系统只有信息流的流动，环境是信息流的载体，个体并不是一个简单的人工生物体，而是整个信息流中的一个结点。因此，本文对信息流的定义为：“开放系统中可观测与不可观测、可测与不可测的流序列的总和”。此信息流包含了物质流、能量流、传统的信息流以及时间等，信息流在整个开放系统中不断地传递、交换、加工。传统的分类只是信息流不同的表现方式，即信息基于不同时刻的为人类可感知的识别。
1.2 人工微生物个体模型
传统意义上的人工微生物“个体”可标识为“信息点”，它不断接收信息流并释放新的信息流，是信息流变化的动因之一，另外一个动因是外部信息流对系统的扰动引起的人工微生物的状态改变。信息点依赖于环境存在，或者说依赖于信息流存在，信息点自身也是信息流中的一种流序列，它保存着整个系统部分或全部的信息流拓扑。信息点接收信息的过程分为采样、量化和编码三个阶段。采样是对信息的提取，量化是信息的度量，编码是信息的最终识别和储存形式。编码的不同会导致释放信息的差别，比如传统意义上的行为、特征差异等。同时，输出流又会和其他信息流序列形成新的输入流。人工微生物个体模型如图1所示。
在整个系统中，输入流至少包含三种流序列：信息点自身的输出流、其他信息点的输出流和外部输入流。信息流在整个环境中交织在一起，呈发散性流动。信息点通过对输入流的处理，慢慢会获得整个系统的部分信息流序列拓扑结构，拓扑结构最终以编码的方式储存。同时，编码驱动信息点每一时刻都会有不同的信息流输出，人们可观测到信息点呈现出不同的状态和行为，换句话说，输出流会反映信息点最新的编码。不同信息点之间通过输出流交换编码信息，最终信息点有可能会获得整个系统的完整信息流序列的拓扑。当然，这个拓扑只是对当前是“最新”的，因为信息流是包含时间序列的。
1.3 人工微生物复杂系统模型
微生物系统可被人观察到的典型现象就是繁衍、死亡、聚集和演化。根据上述个体模型，繁衍意味着子体信息点从母体信息点上复制编码信息。当然，对于母体信息点来说，信息流始终是在流动的，母体编码每时每刻都是不同的。因此子体信息点复制的只是某一时刻的编码信息，每个子体或每批子体都会有编码上的差异进而引起状态的差异。死亡表示输出流在某种度量上远远大于输入流，或个体信息点停止编码。当个体信息点相互交换信息流拓扑，在某一时段大批信息点都具有某段类似的编码时，体现出了类似的状态、行为等特征，就产生了聚集。开放系统中，当外部信息流对系统内部原始信息流产生了扰动，母体信息点采样到扰动信息，有可能会在编码序列上产生强烈信息的码元序列甚至会改变整个编码系统；子体信息点复制全新编码，从而驱动其产生完全不同的状态特征，完成演化。
综上所述，整个开放系统模型可分为三层：外部信息流、原始信息流和编码层信息流。
如图2所示，外部信息流是指开放系统与系统外部的信息交流；原始信息流是相对独立的系统内部信息流序列总和；编码层信息流是人工生命体对信息流加工和处理的抽象。编码层信息流决定了个体以及群体的状态特征，如果没有外部信息流的扰动，那么该系统就是一个封闭系统。在封闭系统中，随着原始信息流的不断流动，最后所有个体信息点都会获得系统信息流的完整拓扑结构，此时个体输入流在某种度量上等于输出流，编码不再发生显著变化，系统保持一定的平衡状态。当所有个体信息点编码层信息流的时间序列最终保持一致同步，整个系统走向“死亡”。正是由于外部信息流的扰动，使得系统原始信息流不断发生变化，没有任何一个个体信息点能获得整个系统信息流的完整拓扑结构，所有个体信息点编码层信息流序列，包括时间序列始终处于非一致、不同步状态，最终系统达到新的平衡态，系统发生“进化”。
2 结论
个体信息点通过对信息流的采样、量化和编码获得系统的信息拓扑结构。编码序列的不一致以及编码信息中时间序列的不同步会导致微生物呈现出人们所能观察到的多样性和非线性特征，它也是微生物个体聚集、繁衍和演化的重要因子。封闭系统中信息流会达到某种平衡态而使系统趋于“死亡”，外部信息流的扰动会破坏这种平衡，当信息流达到新的平衡，系统发生了“进化”。
基金项目：人工智能四川省重点实验室项目 （2008RK005）
参考文献：
[1]刘健勤，人工生命理论用其应用[M].冶金工业出版社，1997.
[2]倪建军，复杂系统多Agent建模与控制的理论及应用[M].电子工业出版社，2011.
[3]邓宏钟，基于多智能体的整体建模方法及其应用研究[D].国防科学技术大学，2002.
[4]陈禹等译，复杂适应性系统[M].中国人民大学出版，2006.
作者简介：
王非（1974—），男，安徽芜湖人，硕士，讲师，研究方向：人工生命、计算机网络。