Komplexe Adaptive Systeme - Universität Osnabrück · PDF filechischer Stufen aufbaut. Die einzelne Systeme lassen sich abgrenzen und als Teile des Ganzen in die übergeordneten Strukturen

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  • Beitrge des Instituts fr Umweltsystemforschung

    der Universitt Osnabrck

    Herausgeber: Prof. Dr. Michael Matthies

    Beitrag Nr. 27

    Komplexe Adaptive Systeme

    Claudia Pahl-Wostl, Eva Ebenhh (Hrsg.)

    Juni 2003

    ISSN-Nr. 1433-3805

  • Beitrge des Instituts fr Umweltsystemforschungder Universitt OsnabrckISSN 1433-3805

    Herausgeber

    Prof. Dr. Michael MatthiesUniversitt OsnabrckInstitut fr UmweltsystemforschungArtilleriestr. 34

    D-49069 Osnabrck

    Tel. 0541/969-2575Fax. 0541/969-2599

    E-Mail: [email protected]://www.usf.uni-osnabrueck.de

    c

    USF Institut fr Umweltsystemforschung, Universitt Osnabrck

    Dieser Beitrag enthlt die schriftlichen Ausarbeitungen der Studierenden zum Hauptse-minar Angewandte Systemwissenschaft im Sommersemester 2002.

    1

  • Inhaltsverzeichnis

    1 Abubakr Ibrahim: kosysteme 51.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

    1.2.1 Selbstorganisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.2 Emergenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.3 Kollektive Intelligenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.4 Stigmergy (Quantitative Stigmergy) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2.5 Self-Asembly (Qualitative Stigmergy) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    1.3 Komplexe Adaptive Systeme in der kologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3.1 Ameisenkolonie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3.2 Bienenkolonien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.3.3 Termitenkolonie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

    1.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    2 Stephan Mankart: Preisbildung an Wertpapiermrkten 142.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2 Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

    2.2.1 Gegenwartswert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2.2 Entscheidung unter Unsicherheit: Mittelwert-Varianz Modell . . . . . . 15

    2.3 Modellrahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4 Scheitern des deduktiven Ansatzes: heterogene Erwartungen . . . . . . . . . . 162.5 Induktiver Ansatz: Agenten mit heterogene Erwartungen . . . . . . . . . . . . 172.6 Der Santa Fe Artifical Stockmarket (SFASM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

    2.6.1 Das Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.6.2 Resultate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    2.7 Zusammenfassende Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    3 Harold Fellermann: Die Suche nach einem universellen Komplexittsma 253.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

    3.1.1 Motivation: wozu eine Formalisierung? . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.1.2 Begriffsbestimmung: was heit komplex? . . . . . . . . . . . . . . . 273.1.3 die Notwendigkeit eines neuen Maes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

    3.2 Vorschlge fr Komplexittsmae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.2.1 Mae der Informationstheorie und symbolischen Dynamik . . . . . . . 303.2.2 Mae der Automatentheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.2.3 weitere Anstze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    3.3 Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.3.1 Komplexitt vs. Chaos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

    2

  • 3.3.2 Subjektive Aspekte der Komplexitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.3.3 Vergleich der Mae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

    3.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

    4 Birgit Wippermann: Komplexe Adaptive Systeme in Organismen 444.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.2 Oszillatorische Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

    4.2.1 Circadiane Rhythmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.2.2 Gekoppelte Oszilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

    4.3 Chaotische Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.3.1 Geruchswahrnehmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.3.2 Chaotische Herzfrequenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

    4.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    5 Ole Bahlmann, Matthias Peuner: Self-Organized Criticality 555.1 Einfhrung in SOC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

    5.1.1 Anfnge von SOC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.1.2 Komplexe Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

    5.2 Sandhaufen-Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.3 Erbeben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

    5.3.1 Gutenberg-Richter Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575.3.2 Spring-Slider Block Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

    5.4 Conleys Game of life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595.5 Evolutionsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

    5.5.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595.5.2 Modell nach Darwin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605.5.3 punctuated equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605.5.4 Fitnesslandschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615.5.5 Bak-Sneppen Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

    5.6 Dissipatives Modell aus der Elekrizitt/ Hyperuniversalitt . . . . . . . . . . . 655.6.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655.6.2 kontinuierliche Erweiterung des Sandhaufenmodells . . . . . . . . . . 655.6.3 Beobachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665.6.4 zustzliche Erweiterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665.6.5 Bemerkungen und Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

    5.7 Abschlu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

    6 Dominik Reusser, Frank von Walter: Metaphern und Modellierung evolutionrerProzese 696.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

    6.1.1 Metaphern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716.2 Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

    6.2.1 Boolsche Netzwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736.2.2 Das NK-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 786.2.3 Verhaltensnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

    6.3 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 836.3.1 Biologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 836.3.2 Soziale Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

    3

  • 6.4 Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

    7 Tobias Niemann: Complex Adaptive Systems. Distributed Control 997.1 Part I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

    7.1.1 Introduction to Complex Adaptive Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 997.1.2 Introduction to Distributed Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1007.1.3 CAS & DC in technical systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

    7.2 Part II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1017.2.1 Open Shortest Path First . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1017.2.2 Distributed Control in power plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

    7.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

    8 Evolutionary Software Engineering 1058.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1058.2 Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1058.3 Tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

    8.3.1 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1068.3.2 Der Virtuelle Computer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1078.3.3 Sprache von Tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1078.3.4 Das Betriebssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

    8.4 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1098.5 Resultate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

    8.5.1 Co - Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1128.5.2 Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1138.5.3 Instruktions - Sensitivitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

    8.6 Anwendbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1168.7 Erweiterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

    4

  • Kapitel 1

    kosysteme

    Abubakr Ibrahim

    September 2002

    1.1 Einleitung