[论文解读] Co-evolution and morphogenetic systems

Juste Raimbault|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2018

Sustainability and Ecological Systems Analysis参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出一种协同进化框架，通过将形态发生系统重新定义为相互关联的协同进化生态位，将形态发生工程（ME）扩展至社会技术系统，特别是地域系统。该研究在形态发生与协同进化之间建立概念桥梁，证明ME可通过自下而上的方式，借助涌现的、去中心化的互动机制，应用于复杂系统的设计，并以地域规划为案例研究。

ABSTRACT

The emerging field of morphogenetic engineering proposes to design complex heterogeneous system focused on the paradigm of emergence. Necessarily at the interface of disciplines, its concepts can be defined through multiple viewpoints. This contribution aims at linking a co-evolutionary perspective on such systems with morphogenesis, and therein at bringing a novel conceptual approach to the bottom-up design of complex systems which allows to fully consider co-evolutive processes. We first situate systems of interest at the interface between biological and social systems, and introduce a multidisciplinary perspective on co-evolution. Building on Holland's signals and boundaries theory of complex adaptive systems, we finally suggest that morphogenetic systems are equivalent to combinations of co-evolutionary niches. This introduces an entry to morphogenetic engineering focused on co-evolution between components of a system. Applications can be found in a broad range of subjects, which we illustrate with the example of planning in territorial systems, suggesting an extended scope for the relevance of morphogenetic engineering concepts.

研究动机与目标

• 将形态发生工程（ME）的应用范围从生物系统和工程技术系统扩展至社会系统与地域系统。
• 基于生物学、社会学和复杂系统理论的多学科视角，建立形态发生与协同进化之间的概念联系。
• 通过将城市发展视为形态发生子系统内的协同进化过程，证明ME在地域系统规划中的适用性。
• 通过协同进化生态位提供ME的新切入点，为现有自上而下或纯基于代理的方法提供互补视角。
• 论证协同进化动态对于理解与设计复杂环境中涌现的、自组织的系统至关重要。

提出的方法

• 应用霍兰德的复杂适应系统信号与边界理论，对形态发生系统中的互动进行建模。
• 将形态发生系统重新诠释为协同进化生态位的组合，其中各组件通过形式与功能之间的反馈回路实现协同进化。
• 采用多学科视角——借鉴生物学（目的性、形态发生）、社会学（文化演化、模因学）以及城市研究（尺度定律、创新扩散）——为该框架提供理论基础。
• 通过识别协同进化的主体（如城市、机构）和空间模块（区域）作为形态发生子系统，将地域规划映射至ME。
• 提出地域系统中的形态发生过程源于相互依赖的、本地适应性行为，而非集中式设计。
• 通过城市与区域规划的实例说明概念框架，表明当协同进化动态被明确建模时，自下而上的ME可被应用。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在复杂系统中正式建立协同进化与形态发生过程之间的联系？
• RQ2 协同进化生态位在何种程度上构成形态发生系统的基本构建模块？
• RQ3 形态发生工程在多大程度上可被扩展至社会技术系统，如地域与城市系统？
• RQ4 在城市等去中心化、协同进化的环境中应用ME，需要哪些概念与方法论上的转变？
• RQ5 如何利用协同进化动态，通过自下而上的机制设计更具韧性和适应性的地域系统？

主要发现

• 形态发生系统在概念上等同于协同进化生态位的组合，其中各组件通过形式与功能之间的反馈实现协同进化。
• 协同进化视角为将形态发生工程从生物与技术系统扩展至更广泛领域提供了稳健的、多学科基础。
• 地域系统（如城市网络）中，城市与区域之间表现出强烈的协同进化动态，表明其是ME应用的天然候选对象。
• 将协同进化整合进ME，可实现一种自下而上的设计逻辑，更好地捕捉复杂系统中涌现的、去中心化的功能。
• 该概念框架通过在不同尺度上将形态发生与协同进化过程对齐，使ME在社会技术系统中的相关性得到合理化。
• 本文首次明确建立了形态发生与协同进化之间的概念联系，为ME在复杂自适应系统中的新理论切入点提供了支持。