1、Agent模擬原理,4.1 多Agent模擬 4.2 元胞自動(dòng)機(jī)模擬,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,4.1 多Agent模擬,4.1.1 多Agent模擬原理 20世紀(jì)70年代，人工智能領(lǐng)域啟用了Agent的概念，其含義指，分布式系統(tǒng)由多個(gè)Agent組成，Agent之間以及Agent與環(huán)境之間的活動(dòng)都是并發(fā)的，具有自主性、交互性、反應(yīng)性和主動(dòng)性特征，常簡(jiǎn)稱為多智能體。 1）多Agent建模原理 主要特征：Agent之間的簡(jiǎn)單規(guī)則，導(dǎo)致宏觀復(fù)雜的模式。 理論基礎(chǔ)：涌現(xiàn)原理、自組織原理。,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,（1）涌現(xiàn)原理 涌現(xiàn)這個(gè)概念在復(fù)雜性研究中非

2、常重要。當(dāng)?shù)蛯哟螁卧g交互導(dǎo)致高一層次新的現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，我們稱之為涌現(xiàn)。如溫度是分子運(yùn)動(dòng)的涌現(xiàn)，單個(gè)分子沒(méi)有溫度特性，但是許多分子就涌現(xiàn)出溫度。 （2）自組織原理 自組織關(guān)注的是一個(gè)機(jī)體或組織自產(chǎn)生、自維持的現(xiàn)象。在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、管理領(lǐng)域，系統(tǒng)中也存在大量的自組織聚集的現(xiàn)象，如城市、供應(yīng)鏈、企業(yè)集群、專業(yè)市場(chǎng)等。,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,2）多Agent建模過(guò)程 （1）通過(guò)實(shí)際系統(tǒng)分析，建立多Agent模型 a. 確定Agent類型及數(shù)目 即分析被模擬對(duì)象的基本組成。例如社會(huì)系統(tǒng)中的社會(huì)組織有權(quán)利組織、盈利組織等不同類型，那么，就可以分別用不同類型的Agent來(lái)代表；權(quán)利組

3、織、盈利組織有幾個(gè)，那么相應(yīng)的不同類型的Agent就有幾個(gè)對(duì)象。又如，管理系統(tǒng)中“人”大致分為管理者和普通員工兩類，那么，就可以分別用兩類Agent來(lái)代替，并根據(jù)管理者和普通員工的人數(shù)來(lái)設(shè)置相應(yīng)的對(duì)象的個(gè)數(shù)。,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,b. 確定Agent的屬性 Agent的屬性如“人”的人性特征（是社會(huì)型、還是經(jīng)濟(jì)型？）、工作態(tài)度（是積極還是消極？）等。又如盈利組織的組織文化、生命周期階段、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等。一般來(lái)說(shuō)，有的Agent的屬性，就是模擬輸出要得到的東西，我們的模擬目的，就是要得到這些屬性值隨時(shí)間的變化。 c. 分析Agent的行為 分析現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中每個(gè)Agent的

4、行為，這要從兩兩Agent之間的相互作用來(lái)分析，包括：不同類型Agent之間、以及同類型Agent之間。例如經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中，政府Agent調(diào)整銀行Agent的貸款利率，那么這個(gè)“調(diào)整”就是政府Agent的行為，即政府對(duì)象發(fā)給銀行對(duì)象的消息。居民Agent之間就是否購(gòu)買房產(chǎn)商Agent的商品房，而相互傳播觀念，那么，“觀念”就是居民對(duì)象的屬性，“更改觀念”是居民對(duì)象的方法。,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,d. 分析Agent行為的原因 Agent行為發(fā)生的原因，即Agent采取行動(dòng)的條件，包括兩個(gè)方面： 一是Agent之間互動(dòng)的規(guī)則。例如管理系統(tǒng)中，企業(yè)Agent根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益，決定

5、是否裁減員工Agent；員工Agent根據(jù)員工群體之間的行為規(guī)范要求（社會(huì)場(chǎng)的影響）、以及管理者Agent在物質(zhì)上的激勵(lì)措施，權(quán)衡自己是否為企業(yè)賣力（即提高員工Agent的工作努力度）。 二是Agent采取行動(dòng)要具備什么樣的外部環(huán)境。例如股票市場(chǎng)中，每個(gè)投資者的行為（買、賣、持有）發(fā)生，除了受相互之間的影響，還受外部環(huán)境的影響，這個(gè)外部環(huán)境就是政府的宏觀政策。,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,（2）運(yùn)用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，建立多Agent模擬模型 a. 搭建一個(gè)平臺(tái) 即建立一個(gè)模仿現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中Agent相互影響、相互作用的一個(gè)平臺(tái)，類似于沙盤模型的一個(gè)臺(tái)面。模擬運(yùn)行時(shí)，Agent就在該臺(tái)

6、面上活動(dòng)。 b. 確定Agent的空間特征 即確定每個(gè)Agent的空間位置是移動(dòng)的還是靜止的。如果是移動(dòng)的，那么每個(gè)Agent就可以在平臺(tái)上到處移動(dòng)，與相遇的Agent或資源發(fā)生行為互動(dòng)；Agent如果是靜止的，那么每個(gè)Agent在平面上的各自的位置都相對(duì)固定，只與其周邊的Agent發(fā)生行為互動(dòng)，元胞自動(dòng)機(jī)就是按這種方式運(yùn)行的。 c. 實(shí)現(xiàn)所有Agent行動(dòng)的并發(fā)過(guò)程 在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，所有Agent的行動(dòng)是同時(shí)發(fā)生的，不是一個(gè)一個(gè)地進(jìn)行的，這就要求編程實(shí)現(xiàn)時(shí)要采用并行處理方式，不能是串行方式。而計(jì)算機(jī)CPU的工作方式在理論上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)并行方式的。因此，并行模擬一直是計(jì)算機(jī)模擬領(lǐng)域的熱門研究課題。

7、 Agent建模與模擬軟件：已出現(xiàn)的多Agent建模與模擬軟件有多種， Swarm、Reparst、NetLogo、AnyLogic,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,4.1.3 區(qū)域經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)Agent模擬 宏觀經(jīng)濟(jì)學(xué)原理從總量均衡的角度解釋區(qū)域經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的宏觀運(yùn)行現(xiàn)象，微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)原理則關(guān)注其底層的組成要素的運(yùn)作規(guī)律。而各組成要素的微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)運(yùn)作規(guī)律，是如何演化形成區(qū)域經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的均衡或非均衡的宏觀現(xiàn)象的？微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)和宏觀經(jīng)濟(jì)學(xué)之間，顯然是脫節(jié)的。而多Agent建模與模擬方法，有望彌補(bǔ)這個(gè)脫節(jié)的過(guò)程。 區(qū)域經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，包含有居民、銀行、各類企業(yè)、政府等組成要素。,北京林森科技培訓(xùn)材料w

8、ww.anylogic-,ASPEN模型： 見(jiàn)word文檔。,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,Aspen模型的特點(diǎn)： 將概率論方法與多Agent建模進(jìn)行集成，具體體現(xiàn)為： （1）將Agent的屬性值概率分布化 即將Agent的某個(gè)或某些屬性，視為隨機(jī)變量。首先，找到該隨機(jī)變量的概率分布函數(shù)及其參數(shù)，例如，家庭Agent的戶主年齡服從（21.0，76.0）的均勻分布，又如企業(yè)Agent的現(xiàn)金資產(chǎn)服從（$10000, $50000）的均勻分布等等。然后，在Agent將要進(jìn)行兩兩互動(dòng)之前，用概率分布函數(shù)對(duì)該屬性值進(jìn)行抽樣，用于Agent的兩兩互動(dòng)之中。,北京林森科技培訓(xùn)材料www.a

9、nylogic-,（2）Agent的行為遵循離散概率分布 企業(yè)對(duì)產(chǎn)品定價(jià)時(shí)，有三種可能的行為，包括漲價(jià)、持平和降價(jià)，企業(yè)采取那一種行為，則由離散概率分布函數(shù)抽樣決定。 （ 3）對(duì)最終的模擬輸出進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析 多Agent之間通過(guò)多個(gè)階段的兩兩互動(dòng)，根據(jù)終止條件停止運(yùn)算，則對(duì)Agent的屬性值的變化過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)事先設(shè)計(jì)好的整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算、統(tǒng)計(jì)。,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,4.2 元胞自動(dòng)機(jī)模擬,4.2.1 元胞自動(dòng)機(jī)的定義 是時(shí)間、空間和狀態(tài)都按離散方式變化的動(dòng)力系統(tǒng)。散布在珊格（Lattice）中的每個(gè)元胞（Cell）取有限的離散狀態(tài)，遵循同樣的相互作用規(guī)則

10、，同步更新各自的狀態(tài)。 4.2.2 元胞自動(dòng)機(jī)的組成 元胞自動(dòng)機(jī)最基本的組成為元胞、元胞空間、鄰居及規(guī)則四部分。如圖1.4.5所示。,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,1）元胞 元胞又可稱為單元、或基元，是元胞自動(dòng)機(jī)的最基本的組成部分。元胞分布在離散的一維、二維或多維空間上。 2）狀態(tài) 狀態(tài)可以是0,1的二進(jìn)制形式，或是s0, s2, , si, , sk整數(shù)形式的離散集。,圖1.4.5 元胞自動(dòng)機(jī)的組成,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,3）元胞空間 處于分布狀態(tài)的元胞空間網(wǎng)點(diǎn)集合就是元胞空間。 元胞空間的幾何劃分：,(a)三角網(wǎng)格 (b)四邊網(wǎng)格 (c)六邊網(wǎng)格

11、 圖1.4.6 二維元胞機(jī)的三種網(wǎng)格劃分,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,4）鄰居 最常見(jiàn)的：馮-諾依曼（Von Neumann）型、摩爾（Moore）型。,(a)Von Neumann型 (b)Moore型 c)擴(kuò)展的Moore型 圖1.4.8 元胞自動(dòng)機(jī)的鄰居模型,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,5）規(guī)則（Rule） 根據(jù)元胞當(dāng)前狀態(tài)及其鄰居狀況確定下一時(shí)刻該元胞狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)函數(shù)，即狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，該函數(shù)可以記為： f：sit+1=f (sit, sNt) 其中，sNt為t時(shí)刻的鄰居狀態(tài)組合，我們稱f為元胞自動(dòng)機(jī)的局部映射或局部規(guī)則。 6）時(shí)間（Time） 元

12、胞自動(dòng)機(jī)是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，它在時(shí)間維上的變化是離散的，即時(shí)間t是一個(gè)整數(shù)值，而且連續(xù)等間距。假設(shè)時(shí)間間距dt = 1，若t = 0為初始時(shí)刻，那么t = 1為其下一時(shí)刻。,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,4.2.3 元胞自動(dòng)機(jī)模擬示例 1）民意集中模擬 （1）問(wèn)題 當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，對(duì)于一群人如何應(yīng)對(duì)環(huán)境的變化而言，在這群人里會(huì)產(chǎn)生多種不同的觀點(diǎn)或意見(jiàn)，隨著人群中個(gè)人和個(gè)人之間不斷地交換意見(jiàn)，即隨著時(shí)間的推移，意見(jiàn)的種數(shù)會(huì)發(fā)生變化。我們可以運(yùn)用元胞自動(dòng)機(jī)，對(duì)人群中意見(jiàn)種數(shù)發(fā)生的變化做如下工作： a. 模擬變化過(guò)程； b. 分析變化過(guò)程的規(guī)律。,北京林森科技培訓(xùn)材料www.an

13、ylogic-,（2）建模 每個(gè)元胞都看作有主張的個(gè)人，元胞的狀態(tài)代表每個(gè)人的意見(jiàn)，狀態(tài)的集合服從(0, 1)均勻分布。 每個(gè)人依據(jù)其鄰居的狀態(tài)(包括自己)定期改變它自身的狀態(tài)，每個(gè)鄰居的影響力相同。uj(t)表示在第個(gè)階段元胞j的狀態(tài)，Ni表示元胞的所有鄰居的集合，#Ni表示鄰居的數(shù)目。元胞在下一個(gè)階段的狀態(tài)可以用公示表示為：,離散化的方法：,離散化函數(shù),上述過(guò)程可以簡(jiǎn)單描述如下：,(1.4.2),北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,（3）模擬與分析 圖1.4.10表示了在2, 5, 10, 15和30種意見(jiàn)的情況下模擬的典型結(jié)果。在模擬開(kāi)始時(shí)，每種意見(jiàn)的元胞是等數(shù)目的。 圖1.

14、4.10f給出了連續(xù)狀態(tài)下的模擬結(jié)果，即用到的是式1.4.1而不是式1.4.2，可以看出，當(dāng)t趨于無(wú)窮大時(shí)，所有個(gè)體的意見(jiàn)基本相同。,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,(a)種意見(jiàn)(b) 5種意見(jiàn),(c) 10種意見(jiàn)(d) 15 種意見(jiàn),(e) 30 種意見(jiàn) (f) 連續(xù)的意見(jiàn)(無(wú)窮種意見(jiàn)),(d) 意見(jiàn)的顏色編碼,結(jié)論： a.狀態(tài)集合中包含的意見(jiàn)種類越多，最終個(gè)體間的意見(jiàn)越容易統(tǒng)一。 b.而只有少數(shù)幾種意見(jiàn)時(shí)，容易出現(xiàn)兩極分化的結(jié)果。,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,2）群體形成過(guò)程模擬 （1）問(wèn)題 有兩個(gè)不同種族人群，最初各個(gè)成員都無(wú)意地居住在某個(gè)區(qū)域的各處，

15、在兩類人群中，成員之間的價(jià)值觀的取向（即一個(gè)成員對(duì)另一個(gè)成員的價(jià)值評(píng)判或看法）包括三種：正向、中立和負(fù)向（在模擬計(jì)算時(shí)，分別取值1、0、-1）。正向表示欣賞對(duì)方，負(fù)向表示敵視對(duì)方。當(dāng)外部環(huán)境穩(wěn)定時(shí)，大家都相安無(wú)事，各自都居住在原處。 但是，由于社會(huì)環(huán)境發(fā)生了變化，比如兩個(gè)種群所屬的國(guó)家發(fā)生了戰(zhàn)爭(zhēng)，成員之間的態(tài)度就發(fā)生改變了，一種是“隔離”態(tài)度（segregation attitude），另一種是“懷疑”態(tài)度（suspicion attitude），在這兩種態(tài)度的驅(qū)使下，兩類人群的成員們開(kāi)始選擇新的居住地了，表現(xiàn)為成員們不斷地搬家。 我們?cè)诖私榻BSakoda運(yùn)用元胞自動(dòng)機(jī)，對(duì)搬家過(guò)程所做的如下工

16、作： a. 模擬搬家過(guò)程； b. 分析搬家過(guò)程中的現(xiàn)象或規(guī)律。,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,（2）建模 為了便于模擬，把正向、中立和負(fù)向的價(jià)值取向進(jìn)行離散的量化處理，把它們稱為“價(jià)” （Valences），用整數(shù)來(lái)表示，記為Vij 。 移動(dòng)規(guī)則：個(gè)體i最終移動(dòng)到 最大的元胞中其中，d表示個(gè)體i與j之間的距離，w表示隨著距離的增加，價(jià)減少的百分比，從式中可以看出，w越大，距離的增加對(duì)價(jià)的減少的影響越小。,表1.4.1 兩種態(tài)度條件下“價(jià)”,的取值,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,模型建立在88的棋盤上，一共有兩類群體，每類群體包括6個(gè)成員，一類群體的成員用“”

17、表示，另一類成員用“+”表示。兩種態(tài)度條件下，成員之間的價(jià)值取向值如表1.4.1所示。,表1.4.1 兩種態(tài)度條件下“價(jià)”,的取值,中立的價(jià)值取向,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,（3）模擬與分析 圖1.4.12顯示了在隔離態(tài)度下，兩類群體形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程。從最開(kāi)始的隨機(jī)分布到最終聚集在一起只花費(fèi)了很短的時(shí)間。,圖1.4.12 隔離態(tài)度下群體形成的過(guò)程,北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,圖1.4.12顯示的最終結(jié)果和我們預(yù)想的相同。但是在懷疑態(tài)度下，群體最終形成另一種情形，如圖1.4.13所示。,圖1.4.13 懷疑態(tài)度下群體形成的過(guò)程,北京林森科技培訓(xùn)材料www.

18、anylogic-,隔離態(tài)度（ segregation attitude）下的模擬結(jié)果,懷疑態(tài)度（ suspicion attitude）下的模擬結(jié)果,結(jié)論：當(dāng)個(gè)體對(duì)另一群體持負(fù)向價(jià)值取向，且對(duì)自身所在的群體漠不關(guān)心（即中立）時(shí)，會(huì)比對(duì)自身所在群體持正向價(jià)值取向時(shí)表現(xiàn)出更明顯的集群現(xiàn)象。,分析：,內(nèi)部人員之間的價(jià)值取向?yàn)椋褐辛?北京林森科技培訓(xùn)材料www.anylogic-,為了驗(yàn)證這個(gè)結(jié)果，在更大范圍的棋盤內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：4040的棋盤，兩個(gè)群體各包含180個(gè)成員，分別用藍(lán)色和紅色來(lái)表示。,隔離態(tài)度,懷疑態(tài)度,結(jié)論：在隔離態(tài)度下，同一群體中的成員在移動(dòng)的過(guò)程中，當(dāng)碰到同一群體中的其他成員時(shí)，會(huì)在相