[author]張江
[content]
人工社會(huì)：基于Agent的社會(huì)學(xué)仿真
*張江 北京師范大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院教授
李學(xué)偉 北京聯(lián)合大學(xué)校長(zhǎng)
摘 要：介紹一個(gè)方興未艾的熱門(mén)領(lǐng)域——人工社會(huì)。這是一個(gè)采用復(fù)雜系統(tǒng)中的自下而上的建模方法，結(jié)合人工智能、Agent技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真、社會(huì)科學(xué)等多門(mén)學(xué)科的綜合交叉學(xué)科。在
簡(jiǎn)單的回顧了基于Agent社會(huì)學(xué)仿真的方法發(fā)展歷史之后，較詳細(xì)地介紹一個(gè)人工社會(huì)模型實(shí)例——糖域（Sugarscape)。然后就人工社會(huì)建模方法、步驟、特點(diǎn)以及與傳統(tǒng)社會(huì)科學(xué)研究方
法的對(duì)比進(jìn)行評(píng)論。目前，雖然人工社會(huì)還沒(méi)有形成一個(gè)完善的理論體系，然而它已經(jīng)深深的滲透到了經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、組織理論、環(huán)境科學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、文化學(xué)等社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域，并成為社
會(huì)科學(xué)研究的一種重要方法。
1 介紹
20世紀(jì)末，復(fù)雜性科學(xué)興起，這一新興科學(xué)不僅僅是系統(tǒng)科學(xué)的前沿而且是整個(gè)科學(xué)體系的前沿，因此有人稱其為21世紀(jì)的科學(xué)。面對(duì)生命系統(tǒng)、人腦系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等復(fù)雜的系
統(tǒng),復(fù)雜性科學(xué)放棄了還原分解的方法，取而代之的是一種自下而上的綜合集成方法。復(fù)雜性科學(xué)強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)模擬仿真，其基本思路就是通過(guò)觀察現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜系統(tǒng)抽象出每個(gè)個(gè)體所遵循的簡(jiǎn)
單規(guī)則，在計(jì)算機(jī)中重現(xiàn)這些簡(jiǎn)單的個(gè)體，并讓他們相互作用從而觀察計(jì)算機(jī)中的涌現(xiàn)結(jié)果，最后反過(guò)來(lái)用這些結(jié)果再來(lái)反映現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。
僅僅不到30年的時(shí)間，復(fù)雜性科學(xué)方法已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并相應(yīng)誕生了如人工生命、細(xì)胞自動(dòng)機(jī)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)等子學(xué)科。把復(fù)雜性科學(xué)方法應(yīng)用到社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域則誕生了人工
社會(huì)這樣一門(mén)交叉學(xué)科。
人工社會(huì)是一種研究社會(huì)科學(xué)的新方法，其基本思路是：由于人類社會(huì)是由大量的個(gè)人構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，因而可以在計(jì)算機(jī)中建立每個(gè)人的個(gè)體模型，這樣的計(jì)算機(jī)中的人模型被稱為Age
nt；然后讓這些Agent遵循一定的簡(jiǎn)單規(guī)則相互作用；最后通過(guò)觀察這群Agent整體作用的涌現(xiàn)屬性找到人工社會(huì)的規(guī)律，并用這些規(guī)律解釋和理解現(xiàn)實(shí)人類社會(huì)中的宏觀現(xiàn)象。
由此看出，人工社會(huì)是一門(mén)集成了計(jì)算機(jī)科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、多Agent系統(tǒng)技術(shù)、人工智能技術(shù)等的交叉學(xué)科。同時(shí)人工社會(huì)——基于Agent的社會(huì)學(xué)仿真又不僅
僅是一門(mén)純粹炫耀技術(shù)的學(xué)科，因?yàn)樗_(kāi)辟了一條認(rèn)識(shí)社會(huì)、理解社會(huì)的新路。自然科學(xué)強(qiáng)調(diào)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法，然而在社會(huì)科學(xué)中，實(shí)驗(yàn)方法幾乎不可能?，F(xiàn)在有了基于Agent方法的社會(huì)學(xué)
仿真，人們可以通過(guò)研究現(xiàn)實(shí)社會(huì)在計(jì)算機(jī)世界中的“硅替身”，通過(guò)方便地修改人工社會(huì)所遵循的規(guī)則、參數(shù)，進(jìn)行各種各樣的社會(huì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。因此也有人說(shuō)，人工社會(huì)就是研究各種各樣可能的社會(huì)。
短短幾十年的發(fā)展，基于Agent的社會(huì)學(xué)方法已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)、組織理論、語(yǔ)言的起源、文化的傳播等廣闊的領(lǐng)域。2 簡(jiǎn)要?dú)v史回顧
事實(shí)上，計(jì)算機(jī)仿真的方法運(yùn)用到社會(huì)科學(xué)中已經(jīng)不是什么新鮮事，到目前至少已經(jīng)經(jīng)歷了50年的發(fā)展。早期的離散事件系統(tǒng)仿真、基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的仿真以及后來(lái)的微觀分析模擬模型等計(jì)
算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)在社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，人工社會(huì)的研究思路與這些方法的不同之處在于：人工社會(huì)中的模擬模型更加關(guān)心的是微觀個(gè)體的簡(jiǎn)單行為在宏觀層次上的涌
現(xiàn)屬性；在人工社會(huì)的模型中，每一個(gè)微觀個(gè)體Agent一般都是能夠獨(dú)立進(jìn)行決策，并具有一定的適應(yīng)、學(xué)習(xí)功能的個(gè)體；人工社會(huì)的Agent之間可能進(jìn)行某種非線性的交互，而這類非線性是
用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法、線性系統(tǒng)方法分析不了的。
2.1 早期的成功應(yīng)用Axelrod是最早運(yùn)用基于Agent的社會(huì)學(xué)仿真方法的人之一。早在1984年的時(shí)候，他就舉行了一場(chǎng)別開(kāi)生面的程序比賽——囚徒困境競(jìng)賽。他邀請(qǐng)了世界各地的各行各業(yè)的專家編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序，
讓這些程序按照固定的規(guī)則在計(jì)算機(jī)的虛擬環(huán)境中進(jìn)行“囚徒困境”博弈。通過(guò)觀察每個(gè)程序與所有其它程序的博弈得到的平均分來(lái)判定該程序的總表現(xiàn)。出人意料的是，一個(gè)僅僅有4行代碼的
程序“針?shù)h相對(duì)”（Tit for tat）得分最高。這個(gè)Tit for tat程序的簡(jiǎn)單規(guī)則正符合我們常說(shuō)的“仁者無(wú)敵”。這次試驗(yàn)不僅僅揭示出了合作現(xiàn)象是如何在一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中自發(fā)涌現(xiàn)出來(lái)的，而且說(shuō)明了
在一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的、不確定的、復(fù)雜的環(huán)境中，“針?shù)h相對(duì)”這個(gè)異常簡(jiǎn)單的規(guī)則是可以得到很好表現(xiàn)的這樣一個(gè)深刻的社會(huì)學(xué)道理。
另外一個(gè)早期的人工社會(huì)模型要算Arthur和Holland合作的人工股市模型（Artificial Stock Model）。與傳統(tǒng)的股市交易模型不同，Arthur等人放棄了每個(gè)交易Agent都必須具有全部的信息、完美
的理性等等強(qiáng)假設(shè)，取而代之的是Agent可以通過(guò)歷史信息不斷地學(xué)習(xí)，修改自己對(duì)股價(jià)走勢(shì)的預(yù)測(cè)；也就是說(shuō)人工股市ASM是一個(gè)不斷變化的永不平衡的系統(tǒng)，Agent之間的關(guān)系是一種既有競(jìng)
爭(zhēng)又有合作的協(xié)同進(jìn)化關(guān)系。該模型成功地模擬出了真實(shí)股市中的“股市心理”，以及狂漲狂跌的非線性突變現(xiàn)象目前，運(yùn)用人工股市模型，人們可以通過(guò)更改模型的參數(shù)來(lái)模擬、預(yù)測(cè)某種新的
股票政策是否可以達(dá)到預(yù)期的效果。
1995年，Nigel Gilbert和Rosaria Conte編輯出版了《Artificial societies——The computer simulation of social life》一書(shū),該書(shū)收集了Agent技術(shù)用于社會(huì)科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的論文，從此，人工社會(huì)被正
式提出并變成了一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。
1996年，Epstein和Axtell兩人完成了一個(gè)人工社會(huì)系統(tǒng)——糖域（Sugarscape）這個(gè)模型雖然簡(jiǎn)單，然而，Epstein等人卻把它當(dāng)作了一個(gè)計(jì)算機(jī)中的社會(huì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)不斷地變換Agent遵循
的規(guī)則，觀察各種各樣的社會(huì)現(xiàn)象，并把這些結(jié)論寫(xiě)到了著作《Growing Artificial Societies——The social science from bottom》中。該模型將在后文中詳細(xì)敘述。
ASPEN模型是美國(guó)Sandia國(guó)家試驗(yàn)室在1996年開(kāi)始開(kāi)發(fā)的一個(gè)基于Agent的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)模型。這是一個(gè)較大規(guī)模的模擬了包括公司、住戶和政府等各種Agent的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)模型，采用先進(jìn)的建模技術(shù)
以及大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)的支持，ASPEN模型成功的應(yīng)用于美國(guó)宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和過(guò)渡經(jīng)濟(jì)的研究中。
美國(guó)Sandia國(guó)家試驗(yàn)室
1997年，Axelrod出版了他的著作《The complexity of cooperation》，該書(shū)被譽(yù)為基于Agent的社會(huì)學(xué)仿真領(lǐng)域的經(jīng)典讀物。在書(shū)中，Axelrod運(yùn)用基于Agent的社會(huì)學(xué)仿真方法廣泛地探討了新戰(zhàn)
略的演化、噪聲環(huán)境中的博弈、社會(huì)規(guī)范的形成、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的誕生與演化、政治大國(guó)的興起和衰落、文化的異化和散布等社會(huì)學(xué)領(lǐng)域該書(shū)的意義在于，它用實(shí)際的例子說(shuō)明了簡(jiǎn)單的Agent計(jì)算模
型可以被用來(lái)分析那些異常復(fù)雜、無(wú)從下手的社會(huì)學(xué)現(xiàn)象。
2.2 方興未艾的人工社會(huì)——基于Agent的社會(huì)學(xué)仿真領(lǐng)域
1998年，英國(guó)薩里大學(xué)主辦國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《人工社會(huì)與社會(huì)仿真雜志》開(kāi)始發(fā)行，標(biāo)志著這個(gè)領(lǐng)域的成熟。目前，與社科仿真有關(guān)的國(guó)際學(xué)術(shù)組織如仿真協(xié)會(huì)（Simsoc）、計(jì)算經(jīng)濟(jì)學(xué)會(huì)等，每
年都舉行多次各類國(guó)際學(xué)術(shù)活動(dòng)，如每年一屆的國(guó)際計(jì)算機(jī)仿真與社會(huì)科學(xué)會(huì)議、計(jì)算經(jīng)濟(jì)國(guó)際會(huì)議等。
現(xiàn)在，基于Agent的自下而上的社會(huì)學(xué)仿真方法已經(jīng)蓬勃發(fā)展起來(lái),并演化出了相應(yīng)的子學(xué)科和子領(lǐng)域，這些領(lǐng)域包括：（1）基于Agent的計(jì)算經(jīng)濟(jì)學(xué)
基于Agent的計(jì)算經(jīng)濟(jì)學(xué)（Agent based computational economic，簡(jiǎn)稱ACE）是把基于Agent的自下而上模擬方法應(yīng)用到經(jīng)濟(jì)學(xué)的學(xué)科，該學(xué)科目前增長(zhǎng)迅速，并越來(lái)越引起學(xué)術(shù)界的重視它不僅
棄了經(jīng)典經(jīng)濟(jì)學(xué)中關(guān)于個(gè)體的完美理性的苛刻要求，運(yùn)用學(xué)習(xí)的有限理性的Agent來(lái)代替；而且在宏觀分析上得到了非均衡的不停進(jìn)化的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)。另外，基于Agent的計(jì)算經(jīng)濟(jì)學(xué)還填平了微觀經(jīng)濟(jì)
學(xué)和宏觀經(jīng)濟(jì)學(xué)分裂的鴻溝，這是因?yàn)楹暧^經(jīng)濟(jì)完全可以解釋為Agent交互產(chǎn)生的一種涌現(xiàn)屬性。
（2）計(jì)算組織理論將Agent模擬技術(shù)運(yùn)用到較微觀的組織系統(tǒng)中則誕生了計(jì)算組織理論（Computational Organization Theory）這個(gè)分支。早期的計(jì)算組織系統(tǒng)一般都是研究人工智能的專家建立起來(lái)的多智能體系統(tǒng)，
較成功的包括Garbage can、SOAR、Pluar-Soar模型等。之后，計(jì)算組織理論就不僅僅局限在人工智能領(lǐng)域，越來(lái)越多的社會(huì)科學(xué)家、管理學(xué)、組織理論方面的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域并在組織的建模
分析、組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、組
織學(xué)習(xí)、組織心理等多方面展開(kāi)了廣泛的探討。
（3）語(yǔ)言演化的模擬人腦本身是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，當(dāng)人腦對(duì)外面的客觀世界形成反映的時(shí)候就形成了自己的符號(hào)系統(tǒng)，而當(dāng)若干人某些符號(hào)就被固定下來(lái)對(duì)應(yīng)一種客觀世界，這種保留下來(lái)被多數(shù)人共享的符號(hào)體系就
是語(yǔ)言。計(jì)算機(jī)是處理符號(hào)操作、計(jì)算的能手，因而用計(jì)算機(jī)也可以研究語(yǔ)言是如何起源并如何演化的。目前用Agent的方法研究語(yǔ)言的起源和演化已經(jīng)形成了一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的領(lǐng)域。
（4）文化的傳播與演化英國(guó)生物學(xué)家Dawkins最早在他的暢銷書(shū)《自私的基因》中使用了謎米（meme）的概念。所謂的meme就是指一種文化的基因。這些文化的基因可以通過(guò)人類的語(yǔ)言媒介傳播而得到復(fù)制，在復(fù)制的
過(guò)程中，還會(huì)因?yàn)槭д娑儺?，因此Dawkins認(rèn)為meme是可以不停進(jìn)化的生命。用計(jì)算機(jī)模擬多個(gè)Agent之間文化基因meme的傳播則是文化傳播的計(jì)算機(jī)仿真研究思路。
（5）社會(huì)規(guī)范的形成與演化
一些自私的、無(wú)組織的Agent是如何組織到一起并完成協(xié)作的？人類可以通過(guò)社會(huì)規(guī)范和準(zhǔn)則來(lái)規(guī)定單個(gè)人的行為，然而這些社會(huì)規(guī)范又是如何形成的呢？采用自下而上的計(jì)算機(jī)仿真思路，我們可
以清楚地看到，某種社會(huì)規(guī)范的確可以在多個(gè)Agent交互過(guò)程中逐漸形成并且，這種規(guī)范一旦形成就又會(huì)反過(guò)來(lái)影響系統(tǒng)中的所有Agent，這便是應(yīng)用Agent仿真技術(shù)研究社會(huì)規(guī)范的形成與演化的主要思路。
另外，基于Agent的社會(huì)學(xué)仿真還包括在環(huán)境科學(xué)、交通系統(tǒng)、組織決策、社會(huì)變遷等各種領(lǐng)域的應(yīng)用。3 人工社會(huì)實(shí)例——Sugarscape
前面我們已經(jīng)大概介紹了人工社會(huì)——自下而上的基于Agent建模方法的研究概況，下面分析一個(gè)人工社會(huì)的實(shí)例——糖域（Sugarscape）,看看具體如何應(yīng)用這一方法進(jìn)行社會(huì)建模分析。
Sugarscape的中文翻譯就是糖域，這是一個(gè)由Josh Epstein和Bob Axtell兩個(gè)人開(kāi)發(fā)的人工社會(huì)模型。在一個(gè)二維的虛擬世界中分布著固定的被稱為“糖”的資源。大量的Agent在二維世界中游走，并通過(guò)
不斷的收集“糖”來(lái)增加資源。由于每個(gè)Agent都會(huì)在一個(gè)周期中消耗一定單位的糖，所以當(dāng)糖消耗光的時(shí)候它就死去。我們可以通過(guò)變化Agent所遵循的不同規(guī)則來(lái)研究包括環(huán)境變遷、遺傳繼承、貿(mào)
易往來(lái)、市場(chǎng)機(jī)制等等廣泛的社會(huì)現(xiàn)象。下面，我們從最簡(jiǎn)單的糖域模型開(kāi)始探索這個(gè)人工社會(huì)。
3.1 最簡(jiǎn)模型在最簡(jiǎn)單的糖域模型中，世界是由50×50的方格單元構(gòu)成的。并且有兩個(gè)糖資源比較集中的區(qū)域（如圖1（a））。所有的Agent僅僅能在這個(gè)世界中不停的移動(dòng)。
每個(gè)Agent包含兩個(gè)變量：視力范圍r和資源的新陳代謝率v這兩個(gè)變量。當(dāng)Agent一出生就固定了并且決定了該Agent的行為表現(xiàn)。Agent具有局部感知的能力它僅能感覺(jué)到上下左右四個(gè)方向r個(gè)單元內(nèi)
的世界情況。我們用s表示當(dāng)前Agent所搜集到的糖的總和，在開(kāi)始的時(shí)候每個(gè)Agent都會(huì)隨機(jī)的分配一個(gè)s數(shù)量。
Agent在世界中的游走遵循下面的規(guī)則：
Agent移動(dòng)規(guī)則：
①觀察四個(gè)方向中視力范圍內(nèi)的所有單元，并確定出擁有最大糖含量的單元；
②如果有幾個(gè)方格單元含有最大的糖含量，那么就選最近的一個(gè)；
③移動(dòng)到這個(gè)方格；
④收集該單元方格的糖并更新變量s。
在每個(gè)仿真周期內(nèi)，Agent完成移動(dòng)的同時(shí)還要消耗一定單位的能量，消耗的具體數(shù)值稱為新陳代謝率，用v表示。顯然v越大，這個(gè)Agent就越容易死亡。如果糖域中的糖數(shù)量不增加，那么我們可以預(yù)測(cè)
到，所有的Agent將會(huì)很快的死去。因此我們還需要為環(huán)境制定糖的增加規(guī)則：
環(huán)境規(guī)則G：①每個(gè)單元格都對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的最大糖含量capacity；
②每隔一個(gè)時(shí)間間隔a，單元格會(huì)增加糖的容量直到達(dá)到capacity為止。
所有的Agent就是遵循這些規(guī)則在世界中不停地移動(dòng)，通過(guò)觀察程序的運(yùn)行結(jié)果我們看到一方面Agent的數(shù)量在減少，另一方面大部分的Agent都集中到了糖含量比較高的兩個(gè)區(qū)域。因?yàn)橐?guī)則規(guī)定了僅有A
gent消耗完所有的糖資源的時(shí)候才死去，所以遺留下來(lái)的Agent大部分都很長(zhǎng)壽，而且由于他們總能吃到新的糖，所以能夠長(zhǎng)期的存活下去。
下面，為了探討這個(gè)人工社會(huì)中的各種各樣的有趣現(xiàn)象，我們需要添加新的規(guī)則。3.2 財(cái)富的分配
無(wú)論什么社會(huì)，人類的財(cái)富總是不能得到均勻的分配。這種現(xiàn)象是不是必然的呢？我們可以用糖域模型來(lái)回答。
最簡(jiǎn)單的模型中Agent死去不會(huì)再生。另外Agent的壽命沒(méi)有限制，也就是說(shuō)只要Agent能夠獲得糖它就會(huì)永生下去。為了研究財(cái)富在Agent之間的分配，我們需要添加這樣的替換規(guī)則：
替換規(guī)則：
①當(dāng)Agent的壽命age超過(guò)他的最大壽命max age就會(huì)死去。
②每個(gè)仿真周期，每個(gè)Agent的age都+1。
③當(dāng)一個(gè)Agent死掉的時(shí)候，環(huán)境會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的Agent替換這個(gè)死掉的agent,這個(gè)新生Agent的所有屬性都隨機(jī)的分配，包括它的最大壽命max age以及它在世界中的位置。
那么，隨著時(shí)間的推移，糖資源（相當(dāng)于財(cái)富）在Agent之間將如何分配呢？圖2表示出了若干仿真周期后糖在各個(gè)Agent之間的分布情況。
我們看到，隨著時(shí)間的推移，財(cái)富分配不均的現(xiàn)象將會(huì)涌現(xiàn)出來(lái)也就是說(shuō)少數(shù)Agent擁有大量的糖資源，而多數(shù)的Agent僅僅擁有少量的糖。因此也可以說(shuō)，財(cái)富的分配不均勻是系統(tǒng)自發(fā)產(chǎn)生的一種必
然現(xiàn)象。這就是社會(huì)科學(xué)中著名的馬太效應(yīng)。因?yàn)橐恍〢gent可能在開(kāi)始由于它的個(gè)人能力、所處地方資源的分布等一些優(yōu)勢(shì)可以獲得較多的資源糖，那么因?yàn)樾玛惔x率不變，隨著它所獲得資源的增
多，這就相當(dāng)于它的活動(dòng)能力會(huì)增強(qiáng)，并更加有可能存活下去。這就是說(shuō)，該Agent具有了更多的機(jī)會(huì)收集更加大量的財(cái)富。
3.3 糖與香料：原始經(jīng)濟(jì)的誕生經(jīng)濟(jì)學(xué)告訴我們,人們之所以相互交換商品促使經(jīng)濟(jì)的誕生是因?yàn)榭梢栽诮粨Q中獲得好處。一個(gè)人對(duì)資源的需求是多方面的，而因?yàn)閭€(gè)人的能力有限，所以他不可能同時(shí)擁有多種資源，這個(gè)時(shí)候交換就
在所難免，這也就是原始經(jīng)濟(jì)的起源。
在糖域中,我們同樣可以看到這種最原始的經(jīng)濟(jì)的起源。假設(shè)糖域中不僅含有糖，而且含有另外一種資源，我們稱其為香料。每一個(gè)Agent不僅僅需要糖同樣也需要香料。而糖和香料分配在不同的區(qū)
域，這樣在糖資源較多的區(qū)域中，Agent可以收集到很多的糖卻有較少的香料，而在香料資源多的區(qū)域中，糖卻很少。這時(shí)兩類Agent就會(huì)在邊界地區(qū)進(jìn)行商品的交換，從而使得兩方Agent都能得到
較大的滿足。同時(shí)，Agent在每個(gè)周期中既要消耗糖也要消耗香料，因此需要有兩個(gè)新陳代謝率來(lái)刻畫(huà)。m1是糖的新陳代謝率，m2是香料的代謝率。
為了刻畫(huà)Agent的滿足程度，我們使用福利函數(shù)的概念。福利函數(shù)的自變量是Agent所收集的糖資源量和香料的資源量，而函數(shù)值是一個(gè)實(shí)數(shù)，反映了Agent的滿足程度也就是說(shuō)福利函數(shù)值越大，Ag
ent就越滿意。假設(shè)Agent的糖資源總量為w1，香料的總量為w2。那么，福利函數(shù)W(w1，w2)為
其中，mf=m1+m2，從該式中我們看到，如果Agent積累的糖或者香料越多則它的福利就越大同時(shí)如果糖的新陳代謝比香料的快（也就是m1>m2），那么同等量的糖和香料對(duì)Agent的滿足程度是不
一樣的，顯然糖要比香料大一些換句話說(shuō)，Agent對(duì)糖的需求會(huì)更大。
有了福利函數(shù)，Agent的移動(dòng)規(guī)則就要相應(yīng)的作改變，以前是移動(dòng)到糖含量最大的區(qū)域，現(xiàn)在則應(yīng)該移動(dòng)到能夠使自己福利最大的區(qū)域：Agent移動(dòng)規(guī)則：
——觀察四個(gè)方向中視力范圍內(nèi)的所有單元，并確定出這些單元中的糖以及香料的含量，然后找到能夠最大化自己的福利函數(shù)的單元；
——如果有幾個(gè)方格單元可以最大化福利函數(shù)，那么就選最近的一個(gè)；
——移動(dòng)到這個(gè)方格；
——收集該單元方格的資源并更新變量w1和w2.
這樣，所有的Agent都會(huì)朝向能夠最大化自己的福利函數(shù)的地方移動(dòng)，但是這并不能讓Agent發(fā)生商品交換，所以我們還需要給他們制定交易的規(guī)則。為了進(jìn)一步討論，我們需要引進(jìn)經(jīng)濟(jì)學(xué)中的邊際
替代率的概念。邊際替代率衡量了對(duì)一個(gè)交易者來(lái)說(shuō)兩種或兩種以上的商品相對(duì)的重要程度。比如糖域中的Agent面臨糖和香料兩種資源的選擇。1單位的糖給Agent增加的福利增加相當(dāng)于多少單位
香料給他增加的福利呢？這個(gè)比例就是香料對(duì)糖的邊際替代率。一般的，我們用下面的公式來(lái)表達(dá)：
顯然如果MRS>1，那么表示1單位糖的增加能夠比增加1單位香料給Agent帶來(lái)更大的福利，也就是說(shuō)糖比香料更重要；如果MRS<1，則增加香料的需要就比增加糖大，所以香料更重要。
考慮A和B兩個(gè)Agent相遇，這個(gè)時(shí)候A的香料對(duì)糖的邊際替代率為MRSA，B的為MRSB，那么如果MRSA>MRSB，A就比B更需要糖，B比A更需要香料。這個(gè)時(shí)候A應(yīng)該買(mǎi)進(jìn)糖而賣(mài)出香料，反過(guò)來(lái)B應(yīng)
該買(mǎi)進(jìn)香料而賣(mài)出糖。當(dāng)MRSA
當(dāng)價(jià)格P>1的時(shí)候，1單位的糖就能交換p單位的香料，如果P
量越大，則應(yīng)該能交換越多的香料；反過(guò)來(lái)p越小，對(duì)香料的需求越大，所以1單位香料能交換更多的糖。另外，需要指出的是式（3）是局部的，也就是說(shuō)僅有A和B相遇的時(shí)候才會(huì)以該價(jià)格成交
，而其它的Agent交易則應(yīng)該重新計(jì)算交易價(jià)格。這樣，我們就能制定Agent的交易規(guī)則T：
①首先，每個(gè)Agent和它的鄰居都要計(jì)算自己的邊際替代率如果所有的邊際替代率都相等，則不用交易，否則繼續(xù)；
②擁有較大邊際替代率的Agent賣(mài)出香料買(mǎi)進(jìn)糖，擁有較小MRS的則買(mǎi)進(jìn)香料，賣(mài)出糖；
③根據(jù)式（3）計(jì)算交易的價(jià)格；
④按照如下的規(guī)則分配交易量：如果：p>1，那么1單位糖交換p單位香料；如果p<1，那么1單位香料交換1/p單位糖；
⑤如果交易能夠使得兩個(gè)Agent都獲利（繼續(xù)增加他們的福利函數(shù)值），那么就返回第D步繼續(xù)交易，否則就結(jié)束，也就是說(shuō)交易不停的發(fā)生多次，直到兩者的福利不再提高為止。
下面我們來(lái)看看增加了交易情況的糖域的演化行為。為了過(guò)濾掉其它因素的干擾，我們這樣來(lái)設(shè)定糖域模型：初始時(shí)刻讓所有的Agent視力范圍都是1，隨機(jī)地給他們分配從25到50單位的糖和香料
，隨機(jī)的分配糖和香料的新陳代謝率C從1到5單位取值并且假設(shè)所有的Agent不會(huì)死亡，我們能看到這樣的一些結(jié)果如圖3所示。
從圖3（a）中我們能看到平均交易價(jià)格隨時(shí)間的演變價(jià)格的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)數(shù)則如圖3（b）所示。價(jià)格的標(biāo)準(zhǔn)差在逐漸降低，說(shuō)明價(jià)格的波動(dòng)在逐漸減小，但是該圖顯示價(jià)格的標(biāo)準(zhǔn)差趨向于0的趨勢(shì)很慢
，這說(shuō)明經(jīng)濟(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到均衡。
如果讓Agent的視力范圍不是固定的1，而是從1到15之間隨機(jī)取值，那么新的標(biāo)準(zhǔn)差曲線雖然還是在波動(dòng)如圖4（a），但總的趨勢(shì)在減小并逐漸趨于0這也就說(shuō)明價(jià)格的波動(dòng)一直在減小并逐漸趨于
穩(wěn)定。這一點(diǎn)是符合經(jīng)典經(jīng)濟(jì)學(xué)預(yù)言的，也就是最后市場(chǎng)將趨向于均衡，所有的交易都發(fā)生在均衡價(jià)格下。
如果Agent的年齡在60到100之間隨機(jī)取值，并且他們的視力從1~5之間隨機(jī)取值，我們得到價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)差的圖如圖4（b）所示。圖4顯示，價(jià)格的標(biāo)準(zhǔn)差一直在波動(dòng)并且不為0。也就是說(shuō)價(jià)格也一直波動(dòng)不會(huì)停留在某個(gè)平衡的狀態(tài)。
通過(guò)這一系列試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)學(xué)中預(yù)言的均衡的經(jīng)濟(jì)體系僅僅當(dāng)交易者具有很好的視力范圍，也就是他們能掌握更多的市場(chǎng)全局的信息，并且每個(gè)交易者都能存活足夠長(zhǎng)的時(shí)間的情況下
才有可能達(dá)到。而更加一般的情況時(shí)，市場(chǎng)根本不可能均衡。這一點(diǎn)恰恰說(shuō)明了經(jīng)典經(jīng)濟(jì)學(xué)的局限性。
總結(jié)
上面介紹的糖域的相關(guān)試驗(yàn)僅僅是這個(gè)模型反映的人工社會(huì)問(wèn)題中的一小部分，更多的內(nèi)容讀者可以從 J. M. Epstein和R. Axtell1996年出版的書(shū)中讀到?？傊?，糖域模型就好比一個(gè)非常方便的實(shí)驗(yàn)
室，社會(huì)學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家可以任意的制定、修改模型的規(guī)則而觀察豐富的社會(huì)現(xiàn)象的涌現(xiàn)以前人們?yōu)榱四骋粋€(gè)社會(huì)現(xiàn)象可能會(huì)爭(zhēng)論不休，但是爭(zhēng)論的任何一方都不可能拿出充分的證據(jù)來(lái)，因?yàn)樯?/span>
會(huì)現(xiàn)象是不可能重演的，然而現(xiàn)在有了糖域這樣的人工社會(huì)試驗(yàn)場(chǎng)所，人們便可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模型來(lái)論證和檢驗(yàn)自己的觀點(diǎn)了。
4 關(guān)于人工社會(huì)建模方法的討論
4.1 人工社會(huì)建模的一般方法與步驟
通過(guò)上面介紹的SugarScape模型，我們可以總結(jié)出，一般情況下的人工社會(huì)模型建模有下面幾個(gè)步驟：
(1)首先，觀察現(xiàn)實(shí)社會(huì)并抽象出一系列的假設(shè)（A）；
(2)其次，根據(jù)假設(shè)（A）建立Agent的個(gè)體模型，以及Agent之間的相互作用規(guī)則（R）；
(3)接下來(lái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真觀察計(jì)算機(jī)中的人工社會(huì)的宏觀涌現(xiàn)結(jié)果和動(dòng)態(tài)（O）；
(4)最后根據(jù)觀察結(jié)果（O）得出結(jié)論從而對(duì)現(xiàn)實(shí)社會(huì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋；
(5)修改模型中的參數(shù)和規(guī)則，觀察參數(shù)如何影響模型的涌現(xiàn)結(jié)果。
這其中，比較重要的是第一步，也就是從現(xiàn)實(shí)社會(huì)中抽象出假設(shè)。因?yàn)樗鼪Q定了人工社會(huì)模型的實(shí)用程度。然而也有的人工社會(huì)文獻(xiàn)僅僅從模型出發(fā)研究純粹的人工社會(huì)的性質(zhì)，而并不關(guān)心這樣
的人工社會(huì)是否是現(xiàn)實(shí)社會(huì)的反映，它們完全是一種模型驅(qū)動(dòng)的研究方法。雖然這類人工社會(huì)模型遭受到了各方面的批評(píng)，但是他們強(qiáng)調(diào)的是人工社會(huì)本身的價(jià)值就在于研究各種可能的社會(huì)，而
并不一定是真實(shí)的社會(huì)。
有的時(shí)候，（5）也顯示出了關(guān)鍵作用，因?yàn)檎峭ㄟ^(guò)不斷調(diào)整模型的參數(shù)才達(dá)到了人工社會(huì)試驗(yàn)的目的。人工社會(huì)系統(tǒng)本身為社會(huì)科學(xué)工作者提供了實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)。因此也有人說(shuō)，人工社會(huì)系統(tǒng)就
是社會(huì)實(shí)驗(yàn)室。一項(xiàng)影響社會(huì)系統(tǒng)的決策如果先在人工社會(huì)試驗(yàn)室中反復(fù)試驗(yàn)并進(jìn)行充分的論證，將會(huì)給實(shí)際的決策帶來(lái)更小的風(fēng)險(xiǎn)。
4.2 建模技術(shù)人工社會(huì)是一個(gè)多學(xué)科交叉的領(lǐng)域，其中計(jì)算機(jī)建模技術(shù)是關(guān)鍵。在人工社會(huì)模型中應(yīng)用最多的模型就是Agent。最早研究Agent技術(shù)是在人工智能領(lǐng)域，研究集中在單個(gè)Agent的建模而后來(lái)人們
逐漸把目光移到了多個(gè)Agent的相互交互和作用上，也就是多智能體系統(tǒng)。目前，Agent的模型技術(shù)可以說(shuō)是五花八門(mén)。然而，在社會(huì)學(xué)仿真領(lǐng)域，人們卻并不需要特別復(fù)雜的單個(gè)Agent建模技術(shù)，
因?yàn)槿藗冴P(guān)心的是多個(gè)Agent交互作用的宏觀涌現(xiàn)結(jié)果，只要Agent模型群體在宏觀上能夠表現(xiàn)出一定的社會(huì)效應(yīng)，并且能夠反映人工社會(huì)研究者的研究需要，那么Agent模型則應(yīng)該建立的越簡(jiǎn)單越
好叫這樣的界定有利于人工社會(huì)研究者把目光集中到模型能夠反映的社會(huì)問(wèn)題上來(lái)。
另外，多個(gè)Agent要完成交互則需要一定的模擬空間和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最常用的模擬空間就是如上面Sugarscape中講到的網(wǎng)格空間。在復(fù)雜性科學(xué)領(lǐng)域，這樣的規(guī)則排列的網(wǎng)格空間叫做細(xì)胞自動(dòng)機(jī)。
細(xì)胞自動(dòng)機(jī)是一類更簡(jiǎn)單的空間作用模型。若干方格由不同的狀態(tài)組成，方格狀態(tài)的變化組合涌現(xiàn)出各種各樣的動(dòng)態(tài)屬性。另外一類模擬空間就是網(wǎng)絡(luò)模型。在這里，Agent之間的交互是在一個(gè)
網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行的，也就是說(shuō)每個(gè)Agent都看做是網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)Agent間的交互看做是網(wǎng)絡(luò)上的連線，這樣，網(wǎng)絡(luò)模型更加抽象地反映了Agent之間交互的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。近年來(lái)，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研
究已經(jīng)興起并引起越來(lái)越多人的重視。人們從早期的“六度分離”試驗(yàn)中總結(jié)出了大量關(guān)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)性特征，并用計(jì)算機(jī)模擬的方法總結(jié)出不同網(wǎng)絡(luò)種類的動(dòng)態(tài)。小世界網(wǎng)絡(luò)、無(wú)尺度網(wǎng)絡(luò)是
人們研究最多的兩類網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)檫@種模型網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)特征與人類的社會(huì)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)絡(luò)、知識(shí)網(wǎng)絡(luò)等實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)具有相似的特征。在這樣的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上研究Agent的交互則具有更加現(xiàn)實(shí)
的意義。
人工社會(huì)研究方法要求研究者具有較高的計(jì)算機(jī)建模水平，然而這是不現(xiàn)實(shí)的。幸好，近年來(lái)為了滿足廣大人工社會(huì)研究者的需要，各種各樣的建模軟件陸續(xù)出現(xiàn)社會(huì)科學(xué)工作者可以忽略計(jì)算
機(jī)建模技術(shù)的細(xì)節(jié)而直接運(yùn)用現(xiàn)成的工具軟件進(jìn)行分析。文獻(xiàn)中介紹了運(yùn)用mathematica軟件進(jìn)行社會(huì)學(xué)仿真的方法；Santafe研究所開(kāi)發(fā)的社會(huì)學(xué)仿真平臺(tái)SWarm已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用和研究
人員們的好評(píng)；Starlogo則是一款由MIT開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)單好用的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)建模工具。另外，還有各式各樣滿足單獨(dú)學(xué)科的計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)，比如用于網(wǎng)絡(luò)分析的Projek用于經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的TNG平臺(tái)等
。總之，隨著這類建模工具的普及，越來(lái)越多的社會(huì)科學(xué)工作者將會(huì)逐漸融入人工社會(huì)的研究大潮中。
4.3 人工社會(huì)方法的特點(diǎn)傳統(tǒng)研究社會(huì)科學(xué)的方法主要有三種：數(shù)理模型方法、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)證分析、基于自然語(yǔ)言的論證。數(shù)理模型方法多用于經(jīng)典的微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)，他們通過(guò)簡(jiǎn)單的抽象得到對(duì)經(jīng)濟(jì)人的一般假設(shè)，然
后運(yùn)用數(shù)學(xué)演算、定理證明的方法得到一般性結(jié)論。這種方法思路清晰，能夠?yàn)槟愁惿鐣?huì)現(xiàn)象提供嚴(yán)格的解釋和洞察，然而卻一般不能精確預(yù)言社會(huì)整體的行為。
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)證分析則根據(jù)社會(huì)宏觀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到整個(gè)宏觀系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)模型，然后運(yùn)用統(tǒng)計(jì)模型推得現(xiàn)實(shí)社會(huì)進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。然而這類方法一般并不關(guān)心產(chǎn)生某類社會(huì)現(xiàn)象的微觀機(jī)理，因而
不能洞察某類社會(huì)現(xiàn)象的本質(zhì)。
基于自然語(yǔ)言的論證方法雖然能夠反映某人對(duì)社會(huì)現(xiàn)象的深刻理解，但是它的主觀性過(guò)強(qiáng)，因而科學(xué)性較弱。由于缺乏嚴(yán)格的邏輯證明，所以常常會(huì)導(dǎo)致多家爭(zhēng)論不休的局面。人工社會(huì)的方法更像是數(shù)理模型的方法。通過(guò)對(duì)社會(huì)系統(tǒng)進(jìn)行抽象建立起計(jì)算機(jī)中的模擬社會(huì)與數(shù)理模型不同的是，人工社會(huì)基本不應(yīng)用數(shù)學(xué)推理、證明的方法，因?yàn)橐话闳斯ど鐣?huì)模型對(duì)于
Agent的抽象規(guī)則往往是非線性的、復(fù)雜的。而傳統(tǒng)的嚴(yán)格數(shù)學(xué)證明方法由于依靠的是人的腦力而不太可能理清多個(gè)變量、錯(cuò)綜復(fù)雜的非線性相互作用規(guī)律，然而計(jì)算機(jī)則是一個(gè)天然的能夠分
析復(fù)雜的非線性作用的有力工具，這些簡(jiǎn)單Agent不停交互的結(jié)果能夠涌現(xiàn)出比數(shù)理方法預(yù)言更多的結(jié)論。與統(tǒng)計(jì)實(shí)證分析方法不同，人工社會(huì)方法一般并不能提供對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的精確預(yù)言，但
是它能夠提供對(duì)社會(huì)系統(tǒng)的本質(zhì)洞察和理解。人工社會(huì)另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是為各種各樣的社會(huì)學(xué)觀點(diǎn)提供了實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)。人們完全可以放棄無(wú)謂的詞語(yǔ)上的爭(zhēng)論，而運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬的方法達(dá)成共識(shí)。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文論述了人工社會(huì)——基于Agent的社會(huì)學(xué)仿真方法，回顧了其發(fā)展的大概歷史，并針對(duì)一個(gè)具體的人工社會(huì)模型——糖域進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析，最后總結(jié)了人工社會(huì)建模中的若干問(wèn)題。
目前，人工社會(huì)已經(jīng)成為國(guó)外的一個(gè)炙手可熱的研究領(lǐng)域，然而我國(guó)的社會(huì)科學(xué)工作者還沒(méi)有對(duì)這個(gè)領(lǐng)域給予足夠的重視，相對(duì)研究探討的較少。隨著復(fù)雜性科學(xué)的深入，已經(jīng)有越來(lái)越多的學(xué)
者開(kāi)始重視社會(huì)科學(xué)中的計(jì)算機(jī)仿真方法了。
雖然人工社會(huì)方法目前還不能算是一套成熟的體系，因而也沒(méi)有一套完整而成形的理論，但是它的應(yīng)用已經(jīng)深入了社會(huì)科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，由此可見(jiàn)它對(duì)人類社會(huì)研究具有深刻的影響。相信人工
社會(huì)方法對(duì)于我國(guó)的社會(huì)科學(xué)研究來(lái)說(shuō)將是一個(gè)新的機(jī)遇，同時(shí)也充滿了挑戰(zhàn)。
原文刊載于《系統(tǒng)工程》2005年第1期