Chương 1 giới thiệu tổng quan về các vấn đề cần nghiên cứu như hệ thống phức tạp, đám đông đại diện cho một hệ thống phức tạp trong nghiên cứu, hệ thống đa tác tử một hướng tiếp cận để mô hình hóa hệ thống phức tạp nhằm giám sát, dự đoán, dự báo, hỗ trợ ra quyết định. Nội dung chương gồm giới thiệu kiến thức tổng quan về hệ thống phức tạp, các đặc trưng của hệ thống phức tạp; hệ thống đa tác tử bao gồm tác tử, tổng quan về hệ thống đa tác tử, cấu trúc AEIO, các mô hình đa tác tử đa mức, một số nghiên cứu và ứng dụng của hệ thống đa tác tử cuối cùng là kết chương. Hệ thống phức tạp 1. Tổng quan về hệ thống phức tạp Hệ thống phức tạp hiện diện ở nhiều nơi, phạm vi nghiên cứu rộng rãi mang tính liên ngành bao gồm vật lý, hóa học, sinh học, khoa học máy tính, khoa học xã hội và kinh tế.
Hệ thống được tạo thành từ một số lượng lớn các thực thể tương tác; chúng được mô tả là phức tạp khi người quan sát không thể dự đoán hành vi hoặc sự tiến hóa của chúng bằng một phép tính đơn giản. Để biết sự tiến hóa của hệ thống, chúng ta phải thực hiện thí nghiệm, có thể trên một mô hình thu gọn. Một hệ thống được liên kết động với nhiều tương tác giữa các thành phần, chúng được mô tả theo một số cấp độ tổ chức và ngữ nghĩa của các tương tác khác nhau từ cấp độ này sang cấp độ khác. Các mối quan hệ gắn kết các thành phần phải thiên về khía cạnh động hơn là khía cạnh tĩnh của hệ thống tương tác [11].
Một hệ thống phức tạp nói chung là một hệ thống bao gồm một số lượng lớn các thực thể không đồng nhất, trong đó các tương tác cục bộ tạo ra nhiều cấp độ cấu trúc và tổ chức tập thể [12]. Hệ thống phức tạp cũng được xem là hệ thống phi tuyến mà khả năng tương tác giữa các thành phần vượt quá tổng đóng góp của các thành phần [13]. Trong các hệ thống phức tạp, hành vi của các thành phần khó dự đoán và kiểm soát, xuất hiện các hiện tượng trồi sinh bởi cơ chế tự tổ chức [14]. Chẳng hạn như, thay đổi môi trường sống của chim, làm tổ của mối, tha mồi của kiến, các đám đông khi 8 có tình huống khẩn cấp.
Nghiên cứu hệ thống phức tạp là làm thế nào để hiểu mối quan hệ giữa các thành phần mà mối quan hệ này làm phát sinh các hành vi tập thể của một hệ thống [15]. Nguyên lý nghiên cứu về cấu trúc của hệ thống phức tạp là: Mô tả về sự xuất hiện của các cấu trúc và các mối quan hệ giữa các tỷ lệ khác nhau; hình thành các hiện tượng ở mức cao nhờ vào việc phân tích các tương tác ở mức thấp hơn; thể hiện mối quan hệ giữa các tỷ lệ [16]. Đặc điểm cơ bản của một hệ thống phức tạp là số lượng các thành phần cũng như các mối quan hệ được thiết lập giữa các thành phần này. Khi các thành phần tương tác với nhau để đạt được mục tiêu chung, các hệ thống phức tạp có khả năng phát triển.
Một số hệ thống phức tạp được tạo thành từ nhiều cấp độ phân cấp có độ phức tạp tăng hoặc giảm tùy thuộc vào cách tiếp cận được chọn để xem xét chúng. Tóm tắt các đặc trưng của hệ thống phức tạp như sau: - Hệ thống phức tạp là một hệ thống gồm nhiều thành phần luôn biến đổi và tương tác với nhau tạo nên các mối quan hệ mới. - Các mối quan hệ là phi tuyến tính: điều này có nghĩa là một nhiễu loạn nhỏ có thể gây ra hiệu ứng đáng kể (hiệu ứng cánh bướm), hiệu ứng tỷ lệ, hoặc thậm chí không có hiệu ứng nào cả. - Sự tương tác giữa các thành phần mang tính cục bộ thông qua quá trình tự tổ chức tạo nên các hiện tượng trồi sinh.
- Các thành phần mới hình thành ở một phạm vi lớn hơn các thành phần trước và chúng tương tác với nhau tạo nên các mối quan hệ mới với phạm vi lớn hơn và cứ thế tiếp tục hình thành các mức mới. Quá trình này có tính phân cấp và hình thành nhiều mức trong hệ thống. - Các thành phần của hệ thống phức tạp phụ thuộc lẫn nhau và không tuyến tính. Chính vì đặc trưng không tuyến tính hình thành những tác động trở lại trong thời gian ngắn trên các thành phần gọi là vòng phản hồi.
- Hành vi của một cá nhân có thể gây ra những ảnh hưởng lên chính nó gọi là vòng phản hồi. Những tác động này có thể là tiêu cực hoặc tích cực. 9 - Trong hệ thống phức tạp sự kết nối giữa các thành phần tạo nên các mạng lưới. Hệ thống phức tạp đa quy mô Nhiều hệ thống được mô tả ở các tỉ lệ khác nhau.
Ví dụ, một đàn chim đang bay trên bầu trời được nhìn từ mặt đất thì sẽ thấy như một sợi dây liền nét như hình chữ V. Nếu quan sát ở góc độ gần hơn, hình ảnh của đàn chim đang bay không còn là sợi dây liền nét nữa mà chúng ta thấy có khoảng cách giữa những con chim trong đàn, nếu chúng ta quan sát ở góc độ gần hơn nữa thì chúng ta thấy rõ hình dáng từng con chim đang bay và nó không giống hình dạng sợi dây liền nét như quan sát ở góc độ ban đầu. Quan sát càng gần, sẽ cho ta hình ảnh rõ nét hơn với những cấu trúc khác nhau về một đối tượng ta quan sát. Có những hệ thống phức tạp tự nhiên hoặc nhân tạo mang trong mình đặc trưng đa quy mô (đa mức) không gian hoặc thời gian.
Cấu trúc đa quy mô được công nhận rộng rãi trong tất cả các ngành khoa học cơ bản và ứng dụng như toán học, vật lý, hóa học, thiên văn học, địa chất, sinh học và trong các lĩnh vực ứng dụng như vật liệu, cơ học, phân tích hình ảnh, phương pháp tính toán, khoa học khí quyển, kỹ thuật hóa học. Và điều quan trọng là một thuật ngữ mới “Khoa học đa quy mô” đã được đề xuất, khá độc lập trong các lĩnh vực khác nhau và được coi là một thách thức. Nhiều hội thảo khoa học về các chủ đề này đã được tổ chức hàng năm như: Mô hình hóa đa quy mô của các hệ thống phức tạp (SCALES), Phương pháp đa quy mô và tính toán khoa học quy mô lớn (MLSC). Cơ hóa học và cơ sinh học đa mức (MMM).
Mô hình hóa và mô phỏng đa quy mô dựa trên vật lý và dữ liệu (MMSPD). Hiện tượng đa tầng trong vật chất ngưng tụ (MPCM) và nhiều hội nghị quốc tế khác. Một số hệ thống đa quy mô trong thực tế: Internet được coi là một hệ thống quy mô lớn, công nghệ cao và rất phức tạp. Web dữ liệu kết nối tất cả dữ liệu trên Web để tạo thành một mạng thông tin toàn cầu.
Các tác giả đề xuất nghiên cứu dữ liệu Web dưới dạng hệ thống đa mức. Mô hình đa mức được đề xuất giúp có thể hiểu và quan sát tốt hơn sự phát triển của dữ liệu Web ở cấp độ chi tiết cũng như ở cấp độ toàn cầu. Mô hình này bao gồm hai thang đo thang đo cơ bản được tạo thành từ bộ 10 ba, mỗi bộ ba có một chủ thể, một đối tượng và một mối quan hệ nối liền chủ thể và đối tượng. Chủ thể và đối tượng là tài nguyên trên web.
Mức cao hơn là một nhóm ba, một nhóm ba được tạo ra bằng cách nhóm các bộ ba, nhóm này phụ thuộc vào sự lựa chọn của người thiết kế và dựa trên nội dung của tài nguyên bộ ba. Nếu chúng ta thêm hoặc bớt các nguồn lực hoặc mối quan hệ khỏi các bộ ba thì những sửa đổi tương ứng với cấp độ nhóm ba cũng được thực hiện. Hệ thống đa tỷ lệ được sử dụng nhiều trong hoạt hình, xử lý ảnh. Trong lĩnh vực hệ thống thông tin địa lý biểu diễn đa tỷ lệ được ứng dụng rộng rãi trong thực tế như: Phân tích dữ liệu không gian và tìm kiếm đường đi, bản đồ, sinh trắc, v.
Trong lĩnh vực nghiên cứu quy hoạch lãnh thổ, áp dụng mô hình đa mức để mô hình hóa và mô phỏng các biến đổi cảnh quan, thang đo bao gồm ba chiều: không gian, thời gian và phân tích. Trong lĩnh vực môi trường và sinh thái cần xác định các khu vực có lợi ích sinh học để bảo vệ chúng là một trong những mục tiêu chính. Để đạt được mục tiêu này, các nhà sinh thái học thường sử dụng các mô hình không gian thể hiện sự phong phú về loài cho nhiều loài sinh vật, bao gồm thực vật, động vật không xương sống hoặc động vật có xương sống. Việc lập mô hình liên quan đến sử dụng các yếu tố môi trường như địa hình, khí hậu hoặc bất kỳ biến số nào khác làm yếu tố dự đoán về số lượng loài tụ tập trong một khu vực nhất định.
Hệ thống đa mức được khai thác để thiết kế, mô hình hóa, quan sát và mô phỏng các hệ thống phức tạp. Theo [17], tác giả cho rằng bản chất đa mức quan trọng đến mức các cấu trúc không thể được định lượng chính xác nếu không phân biệt sự khác biệt giữa các mức và sự tương tác giữa các mức khác nhau. Theo [18], tác giả cho rằng phân tích đa mức là một loại phương pháp luận cung cấp một loạt nguyên tắc để nghiên cứu cấu trúc của các hệ thống phức tạp bao gồm: Nghiên cứu cấu trúc, cơ chế hình thành cấu trúc và mối quan hệ giữa các mức khác nhau; việc hình thành các hiện tượng ở mức cao hơn thông qua việc phân tích các tương tác ở mức thấp hơn; bộc lộ mối quan hệ giữa các thang đo bằng cách hình thành điều kiện ổn định của kết cấu. 11 Để nghiên cứu, xây dựng một mô hình đa mức trước tiên phải xác định đối tượng nghiên cứu của nó và phải đảm bảo các đặc trưng đa mức về tổ chức và cấu trúc, mỗi mô hình đa mức phải đảm bảo các khả năng: - Xây dựng được các mức biểu diễn, mô hình cung cấp được các quy tắc hoặc luật để phát hiện các thành phần mà từ các thành phần này xây dựng được các thành phần ở mức cao hơn.
- Mỗi mức của hệ thống đa mức có thể đưa ra một tầm nhìn được xem như một mức quan sát.