多agent建模与仿真(张发)

五、多主体仿真基本框架
多主体仿真的特殊之处
在对实际系统进行观察时应同时收集微 观数据和宏观数据 模型验证采用微观和宏观相结合的方法 仿真所得到的结论主要用来帮助理解系 统微观和宏观的联系
例:信号灯发生故障之后…
建立概念模型
识别系统中的微观个体
礼让型，抢先型…
建立个体模型
属性 行为规则 学习、适应
宣慧玉 张发 《复杂系统仿真及应用》 清华大学出版社 2008 Gilbert N, Troitzsch K G. Simulation for the Social Scientist ，Open University Press, 2005 Macal C M, North M J. Tutorial on Agent-based Modeling and Simulation Part 2: How to Model with Agents[A]. In: L F Perrone et al.(ed.). Proceedings of the 2006 Winter Simulation Conference Epstein J M. Remarks on the Foundations of Agentbased Generative Social Science[A]. In: L Tesfatsion (ed.). Handbook of Computational Economics, Volume 2: Agent-Based Modeling[C]. Elsevier Science, 2006 Axelrod R. Advancing the Art of Simulation in the Social Sciences . Journal of the Japan Society for Management Information, 2003
谢谢！
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研究途径
通过仿真实验，揭示宏观现象的微观机理。
多主体模型的特点
主体具有一定的自治性 主体往往是异质的 主体之间的交互方式灵活多样 主体的行为是并发的、异步的 空间拓扑没有限制
本质特征
本质特征是采用多主体视角建立实际系 统的概念模型 概念模型的建立
辨识组成实际系统的微观个体 将这些个体抽象为具有自治性的主体， 主体之间通过相互作用构成一个多主体系统
社会科学中仿真的价值
仿真对社会科学的主要用途是发现和形式化。 仿真比数学更适合对社会科学理论进行形式化
编程语言比数学更具表达能力 比较容易处理并发过程，以及没有明确行为顺序的 过程 容易模块化 易于处理异质主体
三、多主体仿真基础
多主体仿真，Multi-Agent Based Simulation, MABS 也译做多代理仿真、多智能体仿真等 类似的术语还有
什么是仿真？
以控制论、相似原理和计算机技术为基础，借助系统 模型对现有系统或未来系统进行实验研究的一门综合 性技术。 目的：对现有系统或未来系统的行为进行再现或预先 把握。 Oren：仿真是一种基于模型的活动 建模仿真：Modeling and Simulation, M&S
仿真研究循环
对比
真实系统
Agent-based Modeling ABM Individual based Modeling IBM Agent-based Social Simulation ABSS
多主体仿真的一个描述
建模的出发点是系统中的微观个体,个体 具有一定的自治性、智能性和适应性， 称这些个体为主体(Agent) 多个主体相互作用，形成基于主体的模 型(ABM) 以多主体模型为中心，所进行的仿真活 动称为多主体仿真(MABS)
验证
宏观模式是否与真实一致 形成过程是否合理 …
六、多主体仿真的应用
理论研究 实际问题
理论研究
用来发展理论，探索宏观模式下可能的微观机 制，加深对社会基本过程的理解。 社会结构的自组织
在不存在全局控制者的前提下，人类社会如何自发 演化出各种复杂的社会结构
社会秩序的出现
一群自利个体如何产生集体行为，如合作的出现、 制度的形成等
主体之间的相互作用
结构相关 行为相关
建立仿真模型
采用某种技术手段实现仿真模型 进行校核，初步验证 实验管理工具 输入、输出工具 ...
仿真运行
实验设计
输入参数 输出数据选择 仿真终止条件 确定运行次数
多次运行
收集输出数据
仿真结果分析
有几种稳定状态？ 是否会实现自组织？条件是什么？ 个体行为与宏观特性之间的关系
系统求解
采用真实系统
采用系统模型
物理模型
数学模型 仿真模型
为什么需要仿真？
如果模型足够简单，采用数学工具求解 人们所建模研究的绝大多数实际系统都 相当复杂，可以用仿真来解决
有人认为：
从事科学研究有三种基本方法
实验/实证 演绎（数学） 仿真? Robert Axelrod
“Advancing the Art of Simulation in the Social Sciences “ ， 2005 update
2009全国研究生暑期学校(公共管理与复杂性科学)
多Agent建模与仿真
张 发
Richter2000@163.com
内容提要
仿真概念 社会科学中的仿真 多主体仿真基础 多主体仿真特点 多主体仿真框架 多主体仿真应用
人们是如何就座的？
有没有宏观模式？
原因何在？
如何探索？
仿真!
一、什么是仿真？
仿真是一种系统求解的方法
多主体系统
Multi-Agent Systems， MAS 由多个可以相互交互的主体所组成的系统。 多主体系统的特点
有限视角，即每个主体都面临不完全信息，或只具 备有限能力； 没有系统全局控制； 数据分散； 计算是异步的
四、多主体仿真的特点
基本观点
系统宏观现象是微观个体相互作用的结果
研究工具
从微观个体的行为及相互作用入手，建立仿 真模型
用于实际问题
面对实际问题，进行政策分析
宏观经济 微观经济 政治科学 公共卫生 … ASPEN 价格的形成 联盟的成立与瓦解 大流感干预措施
多主体仿真ຫໍສະໝຸດ Baidu在的问题
没有形成一套建模适用性判断准则，有 被滥用的危险 微观因素-宏观模式之间的联系复杂，难 以得到高度可信的关系。 模型的有效性验证困难。
相关文献
理解Agent
Agent ：主体、智能体、代理 来源于分布式人工智能领域 一般用来描述自包含的、能感知环境并能在一 定程度上控制自身行为的计算实体。
主体的弱概念
自治性 (autonomy)：
主体对自己的行动和内部状态有一定程度的控制权。
社会能力(social ability)：
主体通过某种主体通信语言与其它主体或人进行信 息交互。
反应能力 (reactivity)：
主体可以感知所处环境，并能及时地对环境中发生 的变化做出反应，通过行为影响环境。
预动性
(pro-activeness)：
主体不是简单的对环境被动反应，而是能采取主 动，表现出目标导向（goal-directed）的行为。
多主体系统
单一主体很难对动态开放环境中的大规 模复杂问题进行求解 人类智能本质上是社会性的
与其它仿真方法的比较
1.与离散事件系统仿真的区别 基本要素：事件/主体 状态变化：串行/并发 结构变化：无/有 学习适应：无/有
与微观分析模拟的区别
主要目的：政策评估/理论揭示 历史数据：有/不一定 个体动机：无/有 个体交互：无/有
与元胞自动机的区别
空间结构：规则 / 灵活 个体记忆：无 / 有或无 学习推理：一般无 / 一般有 交互结构：临近 /网络
微观分析模拟 （Micro-analytical Simulation） 元胞自动机 （Cellular Automata） 多主体仿真 （Multi-Agent Based Simulation)
微观仿真
微观仿真是建模、理解社会过程的极佳 方式 微观仿真提供了思考社会和经济过程的 新手段 思想基础是 相对简单的活动中涌现出复杂行为
建模 实验
解释预测
归纳
仿真模型
仿真结果
仿真研究的一般步骤
二、社会科学中的仿真
社会科学中的主要仿真方法
系统动力学（System Dynamics, SD） 离散事件系统仿真 (Discrete Event Systems Simulation) 微观仿真方法 （Microscopic Simulation）