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1、基于主体建模及Netlogo软件介绍流动组 2008.10主要内容o引言o基于主体建模(Agent-based Model)o设计和构建ABMoNetlogo软件示范o小结一、引言o复杂系统与复杂性科学o计算社会科学(Computational Social Science)o模型的类型o模型的作用o仿真（simulation）o统计模型与仿真模型的逻辑o研究步骤一、引言p复杂系统与复杂性科学系统科学发展经历:从元素数量较少到元素数量较多较单纯的系统过程到系统自身的演化与发展元素具有主动性，能与外界交流并根据经验改变自 身的动态系统复杂适应系统(Complex Adaptive System,
2、 CAS)由遗传算法创始人J.Holland1994年正式提出CAS的基本思想：适应产生复杂性一、引言CAS理论基本观点主体（Agents）是主动的、活的实体个体与环境（包括个体之间）的相互影响、相互作用是系统演变 和进化的主要动力不象其他方法那样，把微观和宏观截然分开，而是对主体与环境 相互作用的整个系统加以考察建模方法引进随机因素的作用，具有更强的描述和表达能力。从 生物界的现象中吸取有益启示，具体表现为遗传算法（Genetic Algorithm）复杂性科学没有明确的定义大体而言，有关研究复杂系统的理论、方法、工具等等的学问混沌（chaos）、分形(fractal)（自相似）、熵（ent
3、ropy） 、 复杂网络，ABM等一、引言o计算社会科学(Computational Social Science)计算社会科学是一种新兴的交叉学科。关注将 社会学理论转换为计算的结构。目的在于：在直接考察某些人类行为比较困难或存在伦 理原因在无法直接考察的情况下，进行研究 和实验；发展可以应用于从人工到自然世界的新理论 和视野。一、引言o模型的类型数学模型统计模型仿真模型p模型的作用解释现象或机理预测 注：对某个给定目标，有许多可能的模型所有的模型都是对目标的特征进行抽象模型越复杂，越接近于现实目标模型越复杂，越难进行建构和验证一、引言o仿真(Simulation)社会仿真是构建计算机程序对
4、社会现象的行为 进行模拟为什么要仿真?语言描述 不精确数学描述 严格，但是异质的，非线性模型很难 分析计算机模型 严格，可以建立多水平，异质的 模型，可以实验一、引言仿真作为一个范式过程分析 不仅仅是一个时点抽象 非描述性的宏观和微观 非原子化的 实验性的 非观察性的仿真的类型微观仿真(Microsimulation)系统动力学(System dynamics)离散事件仿真(Discrete event simulation)元胞自动机(Cellular Automata)基于主体建模(Agent-based Modeling)一、引言p统计模型与仿真模型的逻辑术语(Terminology)一
5、、引言统计模型的逻辑一、引言仿真的逻辑一、引言o研究步聚问题假定(Assumption)设计构建模型校正模型(Verify model)假设(Hypothesis)验证模型(Validate model)结论二、基于主体建模（ABM）p元胞自动机（CA）p基于主体建模（ABM）二、基于主体建模（ABM）p元胞自动机（CA）规则每个元胞可以有一个或两个(几个)状态，如用颜色表示每个元胞每个时步的状态由它前一步的状态和直接 邻居的状态来决定二、基于主体建模（ABM）元胞和格子二、基于主体建模（ABM）邻居(Neighbourhood)二、基于主体建模（ABM）例子：奇偶性（parity）问题：微观
6、变化呈现什么样的宏观模式初始设定：格子中间有一个黑点(on)规则：当每个邻居有奇数个黑点时，该点变黑(on) ；有偶数个黑点时，该点变白(off) 结果见演示。二、基于主体建模（ABM）p基于主体建模（ABM）术语海龟（turtles）格子，瓦片（patches）相同的元胞排列在方格中特征主体是具有行为的单位他们在模拟环境中行动主体间进行互动，寻求目标，相互交流，在环境范围内 移动宏观水平的特征产生于主体间互动二、基于主体建模(ABM)ABM与CA异同相同点：ABM的主体对应于CA的元胞ABM的环境对应于CA的格子 不同点：CA每个格子上放一个主体（元胞），ABM可多个ABM的主体可以移动，C
7、A的不能ABM的主体比CA的元胞特征更复杂CA的元胞只与邻居有关系，ABM的主体可以和直接邻 居以外的邻居进行联系，如，信息从一个主体向另一主 体传播二、基于主体建模(ABM)例：流行病的传播(the spread of epidemics)二、基于主体建模(ABM)主体规则:感染二、基于主体建模(ABM)结果二、基于主体建模(ABM)其他例子意见动态化市场工业网络电力供应管制供应链管理等等三、设计和构建ABMp编写程序p校正模型p验证模型三、设计和构建ABMp编写程序明确规则（绘制流程图）定义对象(海龟，turtles)（环境，patches）设置开始代码”setup”设置运行代码”go”根
8、据规则，写出其他步骤的程序，包括设置滑 动条，绘图功能等三、设计和构建ABMp校正(Verification)模型编码精练简单增加说明以备更新包括许多输出和“诊断”检查数值在预期的范围内增加调试开关(Debugging switch)采用单元测试(Unit testing)采用边界值（极端值）测试(Corner testing)用已知情景(known scenarios)测试三、设计和构建ABMp验证(Validation)模型验证技术如果可能，检查所有参数和输出值来对照经验数据如果不可能，作敏感性分析(sensitivity analysis)敏感性分析(Sensitivity analys
9、is)基本思想 a. 运用仿真几次，每一次针对一个参数的值域 b. 检查参数改变会产生什么不同如果是随机改变，对每个值重复运行好多次对几个参数的不同组合，检查其互动的结果需要进行很多次的运行 如，6个参数，每个取10个可能值，搜索参数空间需要运行一百万次三、设计和构建ABM比较模型的输出与真实数据基本思想a. 如使用统计量比较统计模型与数据一样如R2，回归系数b. 告诫 模型的输出不可能是正态分布 比较时间序列时，要考虑自相关 例，t+1时刻的值与t时刻的值不独立 四、Netlogo软件示范o可用于ABM的软件，除了Netlogo之外，还有SWARM ，RePast，Ascape，CORMAS
10、oNetlogo基本功能介绍o小程序演示元胞自动机(CA)基于主体建模(ABM)o农民工男孩偏好演化过程(不成熟,仅供学习之用)发表期刊pABM文章发表的期刊Journal of Business ResearchMind & SocietyPhysica AAdvances in Complex SystemsJournal of Artificial Society and Social SimulationDemographyAmerican Sociological Review等等谢谢!什么是好的模型建模者的目标形式化一个大型理论( grand theory) 抽象的模型(abstr
11、act model)发展中层理论(middle range theory)一类现象的模型对具体情景建模 复制模型(facsimile model)三、设计和构建ABM抽象模型(大型理论)目标:展示一些社会过程或机制没有相应具体的经验实例 例:Scheling的隔离模型验证标准:它能产生一个更具体的可被经验验证的中层理论吗三、设计和构建ABM中层模型（中层理论）目标:描述特定社会现象的一般特征可应用到许多具体案例例:创新网络验证标准:a.定性相似性(qualitative resemblance)b.相似动态化(similar dynamics)c.“历史友好”模型(history friendly models)三、设计和构建ABM复制模型(Facsimile model)目标:对一些现象提供一个精确的复制常常被用来预测例:城市交通模型，被用来预测潜在堵塞的位置验证标准:能否产生精确的预测问题:随机事件可能严重影响模型的行为
