社会科学计算实验的实现方法

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摘要：28卷第9期第 2009年9月实验室研究与探索?计算机技术应用?社会科学计算实验的实现方法1,2张军(1.河海大学信息中心,江苏南京;2.南京大学社会科学计算实验中心,江苏南京)要摘 :计算实验是

　28卷第9期第　2009年9月实验室研究与探索?计算机技术应用?社会科学计算实验的实现方法1,2张军(1.河海大学信息中心,江苏南京;2.南京大学社会科学计算实验中心,江苏南京)要摘　:计算实验是科学实验的方法之一,相对于实际实验具有不可替代性。实现社会科学计算实验有2个主要的环节,一个是如何对实验对象进行可计算的数字化描述;另一个是如何模拟现实世界物质运动的基本动力机制。同时,由于社会学领域研究的大多数系统都是针对和处理人群的复杂系统,计算实验的对象有时很难或无法直接量化,必须解决的关键问题之一是定性要素的计算处理。从这些问题出发,讨论了实现社会科学计算实验的一般方法。关键词:社会科学;计算实验;科学实验中图分类号:C91;C94;TP39　　文献标识码:A　　文章编号:1006-7167(2009)09-0054-04mmIplementationMethodsofComputationalExperientforSocialScience1,2ZHANGJun(,HehaiUniversity,Nanjing,China;,NanjingUniversity,Nanjing,China)Abstract:Toimplementthecomputationalexperimentforthesocialscience,therearetwomainaspects,oneishowtommmdescribetheexperientalobjects,,sometimes,theobjectofthecomputationalexperimentisdifficultorcannotbedi2rectlyquantified,sooneofthekeyissuesist,thisarticlediscussedthegener:socialscience;computationalexperiment;scienceexperiment的研究范式主要包括以下5个方面:①界定研究的问题与环境;②确定研究的基本假设;③建立可计算模型;④实现计算实验;⑤实验结果的评估与比较。其中,第3、项与计算实验的实4现方法有关,其他项目则主要涉及实验研究的各个领域。实现社会科学计算实验有2个主要的环节:①如何对实验对象进行可计算的数字化描述问题;②如何模拟现实世界物质运动的基本动力和规律。同时,社会科学计算实验的实现方法中必须解决的关键问题之一是定性要素的计算处理问题。不同领域有各自的研究技术路线,这里主要讨论实现社会科学计算实验的一般方法。2实验对象的数字化描述有多种方法可用于对实验对象的不同层面进行可引言1　计算实验是利用计算技术,借助计算机构造实验实验环境和实验平台,模拟现实世界物质运动的对象、[1]基本动力和规律,对科学问题进行实验研究的一种方法。计算实验相对于实际实验具有不可替代性,特伦理道德技术环境成本实验周别是在由于法律、、、、、、期等条件限制而无法进行实际实验的场合。从规范化科学研究的角度看,社会科学计算实验收稿日期:2009-04-22基金项目:自然科学基金重点项目();自然科学基金项目();高等学校数字化学习中心研究与实践项目军作者简介:张　(1954-),男,江苏南京人,河海大学信息中心高级工程师,博士,南京大学社会科学计算实验中心副研究员,主要研究方向:计算实验,复杂社会系统建模与演化分析,信息化教育技术。Tel:0252.,8;E2mail:　9期第军张　:社会科学计算实验的实现方法　55计算数字化描述,常用的方法有:社会性、适应性等特性。每个主体代表了现实世界中(1)有限状态自动机。有限状态自动机简称有限一个智能性、自治的实体或个体,如人群中的个人、经自动机,是一种具有离散输入和输出的数学模型系统。济系统中的经营者等。主体对其外部环境作用的探测这个系统具有任意多个有限数目的“状态”这里的所,(输入)和效用(输出)行为用一组相对简单的IF/谓状态,是指可以用来将客观事物区分开的一种标识。THEN规则描述。每个主体内部都存储着许多条这样系统有一套转换规则,根据给定的输入决定系统从一的规则,规则越精细,对个体行为的描述就越精巧。主个状态转换为另一个状态。对于具有无限状态的系体的行为规则集合作为变化的数据集合,描述人的记统,例如连续变化的系统,在实际处理中,一般通过适学习模仿尝试等特征。忆、、、当的划分,转换为有限状态系统,再利用有限状态自动通过抽象实际环境、社会系统的基本要素和演化机加以处理。机制,对应现实社会中每个决策主体建立主体模型,利有限状态自动机是现代计算机设计的基础,也可用多主体系统描述实验对象。利用计算机技术构造计作为计算实验中对现实世界进行描述和计算的基本模算实验需要的各种环境要素,利用适当的数据结构描型。可以利用有限状态自动机描述系统的组成部分述智能主体间关系构成的社会多重动态结构。基于自智能主体或子系统)在给定的输入条件下,如(要素、下而上的计算方法,计算实验对象的决策过程,通过这何从一种状态,转换到另一种状态。在许多情况下,有些对象的交互作用研究复杂社会系统的整体行为。限状态自动机常被用来描述社会系统模型中微观层次(4)复杂网络。关于复杂网络的研究来自图论、的演化过程。统计物理学、生态学、计算机网络、社会学,以及经济学(2)元胞自动机。元胞自动机是研究复杂系统的等各个不同领域。网络是一个包含了大量节点及节点一种经典研究方法。元胞自动机定义在一个有限且离之间相互作用的系统,它可以用来描述人与人之间的[4]散的元胞活动空间上,由有限个数、离散的有限状态、社会关系。现实世界中存在着的大量复杂的系统元胞组成,并按照一定的局部行为规则,在离散的时间结构问题,都可以通过网络方法加以描述。例如社会维上演化。不同于一般的动力学模型,元胞自动机演控制任务等相互组织可以看作由许多成员通过信息、、化不是由严格定义的数学方程或函数确定,而是用一物流网络、连接形成的网络。类似的还有电力网络、交系列规则确定。一般来讲,凡是满足这些规则的模型通网络等。这类网络中的局部行为导致了全局性的结都被认为是元胞自动机模型。元胞自动机通过观察元果,而局部动态特性和全局动态特性之间的关系又依胞交互行为和状态变化来获取系统整体的涌现现象,赖于网络的特性。其建模方法相对简单,便于分析复杂系统的本质特征。可以利用复杂网络模型研究社会网络本身的演化经济军事研究各领元胞自动机广泛应用于社会、、过程与统计规律、网络的形成机制、网络的几何性质、流行现象的形成、域,例如交通问题、自组织现象的研网络的结构稳定性,以及这些特性在具体社会网络中究等等。在计算实验建模中,元胞自动机的元胞可以的分析等。例如在不同的网络模型上讨论扰动(例如描述实验对象,而元胞空间则可以作为实验对象的活谣言)的传播和控制。动空间。元胞的状态参量可以描述实验对象的状态,3社会系统演化机制的计算方法邻居集合可以描述实验对象的交互范围,局部规则可以描述实验对象的状态变化规则。通过将学习、进化(1)博弈论。博弈论是关于策略的数学理论,又算法,以及相关数理方法应用于元胞自动机的局部规称对策论,是研究决策主体之间互动决策的理论,即研则设定中,可以实现对多个领域的复杂问题进行研究。究决策主体之间的行为相互影响时,决策的选择与均(3)多主体系统。MIT的计算机科学家Minsky衡问题。较为准确的定义是:一些个人、团体或组织,一书中将社会与社会行为引在他的“SocietyofMind”面对一定的环境条件,在一定的“游戏”规则约束下,[2]入计算系统,并系统地提出了多Agent的概念。他依靠所掌握的信息,同时或先后,一次或多次,从各自将社会中的成员个体抽象至计算机系统中,并称之为允许选择的行为或策略中进行选择并加以实施,并从[5]Agent(常被译为主体或代理)。Agent具有自己独特中各自取得相应结果或收益的过程。的技能,受到一系列社会行为规则的约束,由这些A2一个完整的博弈模型应当包括5个部分:博弈的gent有机组合而成的系统即是多主体系统。参加者;博弈者所掌握的对选择策略有帮助的信息;博计算实验构造的多主体系统是一个动态系统,最弈方可选择的全部行为或策略的集合;博弈参加者做基本的组成包括多个Agent、Agent活动空间、Agent邻出策略选择的先后次序;博弈各方做出决策后的所得居集合、Agent特征属性演化规则、系统演化时间和环和所失。[3]境6部分。Agent能够模拟人的行为,具有学习性、博弈论根据其所采用的假设不同可以大致分为合56验室研究与探索实　　　　　　第28卷作博弈理论和非合作博弈理论。前者主要强调的是整体理性;而后者主要研究博弈参加者在利益相互影响的情境中如何选择策略使得自己的收益最大,最后达到力量均衡,强调的是个人理性。演化博弈理论是把博弈理论分析和动态演化过程分析结合起来的一种理[6]论,为复杂社会系统研究提供了非常有益的思想方法。社会学许多领域的研究,需要特别考虑人与人之间行为的相互影响和相互作用,人与人之间利益和冲竞争与合作,博弈论提供了一个有效的研究模型。突、例如多人博弈时的“社会悖论”或“,问题。资源悖论”人类共有的资源是有限的,当每个人都试图从有限的资源中多拿一点儿时,就产生了局部利益与整体利益的冲突。例如人口问题、交通阻塞等,都可资源危机、以从中得以解释。在这类问题研究中,可以通过计算实验,尝试制定各种规则来控制个体的行为。(2)演化算法。在社会系统演化分析中,需要借鉴在自然科学、计算机科学、生命科学、复杂系统研究等多个领域中许多常用的、模拟现实世非常有意义的、界变化过程的智能演化算法。对这些算法精确分类是很困难的,从它们在演化计算中的作用角度考虑,大致可以分为学习类算法、遗传类算法和群智能类算法。学习类算法是模拟现实世界中智能主体学习机制记忆尝试搜索训练等计算模式,的算法,通过模仿、、、、处理智能主体的学习过程。典型的有人工神经网络、学习算法、人工免疫算法等。自组织算法、遗传类算法是一类借鉴生物界的进化规则系统的演化计算方法,其基本思路是模拟包括生物系统在内的复杂系统进化过程。从广义进化系统角度理解,遗传类算法最基本的处理单位是类似于“的单位。基因”[7]遗传类算法中除了代表性的遗传算法外,还有遗传遗传程序设计等。遗传类算法的主要特点是计规划、算过程不直接作用在变量上,而是作用在进行了编码的计算对象上,不受求导和函数连续性的限定,可以自适应地调整计算结构。群智能类算法一般指无智能或简单智能的主体,通过任何形式的模仿、聚集、协同而涌现出整体竞争、鸟群算行为特征的算法。典型的算法有:蚁群算法、法、粒子群算法、协同进化算法、鱼群算法、自组织算法、模拟退火算法等。群智能类算法一般具聚类算法、有很强并行性,还具有易于与其他算法相结合特点。化学生物等系统的具体物质属抛开实际的物理、、性,从抽象的逻辑系统角度看,演化算法描述的是复杂系统演化的过程,从不同角度反映系统如何从一种状态演化为另一种状态。这些状态的演化通常包含3类系统要素的分主要的内容:系统微观要素的状态变化、布和关联关系等系统结构的变化,以及系统宏观特征的变化。社会科学的计算实验需要借助这些演化算法,分别从社会系统要素间物质交换或流动,系统结构变化,以及智能主体适应性调整等多个方面反映社会系统的基本演化机制。例如模拟退火算法通过计算系统要素间在一定约束条件下的物质交换,反映系统逐渐演化为新状态的过程;自组织算法通过计算系统要素间关系的调整,呈现系统结构的自组织过程;蚁群算法通过模拟系统中要素之间的信息交流,描述独立决策主体间的协同动作。需要从系统演化的角度理解演化算法,根据建模的需要借鉴各个演化算法的思想方法,而不是直接套用。演化算法已经广泛应用到交通、、电力工程等诸多方面。特别需要指出的是,演化算法必须结合随机变换,以避免演化计算陷入局部区域,保证计算过程反映系统演化路径的多样性。(3)数学模型。数学模型是采用形式化的数学语言来描述某个特定对象或问题的特征及数量依赖关系的一组数学关系式或一个具体的数学算法,以此来表关系和变化过程。经过对数学模型的达事物的状态、演算和分析,可以形成对所研究系统现象的解推导、判断和预言。数学模型具有高度的抽象性,严密的释、逻辑性和广泛的应用性,为科学技术研究提供了简洁数量分析和计算的方法以及逻辑精确的形式化语言、[8]推理的工具。对社会系统要素的一些动力学行为模拟,有一部分可以基于已有的数理模型,例如统计分析等数学方法。计算实验模型中要素间的空间和时序结构可以用图论等数学工具描述,一般采用多维、带权重的动态网络模型刻画要素间可变的结构关系。(4)系统演化过程中的随机性。所谓随机性,就是指不可能由初始条件来完全决定将来的后果。从复杂性科学的观点来看,复杂系统的演化既有因果关系,[9]又有随机性。随机性除了存在于社会系统的演化进程中,还大量存在于社会主体的思维过程中,例如在企业或是个人的决策过程就受到各种随机事件的影响,从而做出很多无法预期的决策方案。随机性是描述现实社会系统的一个必不可少的概念。使用计算实验方法研究复杂社会系统的演化必须考虑系统的随机性所带来的各种影响,如果实验模型都是基于确定性信息的,那么有可能得出一些完全违反社会规则的结论。4定性要素的计算处理对于社会科学领域的计算研究,定性要素的计算处理常成为特别关注,同时又可能感到无从下手的问题。因此并有必要给出一种可行的解决办法。　9期第军张　:社会科学计算实验的实现方法　57计算的概念可以是数值计算,也可以是非数值计合和与之对应的输出组合的表格。用某一时刻的某一算(或称为符号计算)。数值计算处理的计算对象一输入组合作为关键词,在这个表格中查找最接近或最般具有量的概念,也就是具有大小或方向的概念,通常匹配的输入组合项,然后把对应的输出组合项作为主这样的计算是基于数理模型。非数值计算处理的对象体的输出。这时主体的智能很低,只是简单的“刺激/一般不具有量的概念,例如文字处理、图形处理和符号模型反应”。串的模式匹配等,非数值计算的计算处理一般以逻辑(4)实验对象的学习过程计算。可以利用演化算运算为主。法和神经网络中基本的复制、交换等计算操作,突变、在社会系统演化问题的计算实验中,对于一部分来对应处理人类的模仿、尝试、学习等活动。这继承、计算对象,也许很难直接量化,或没有现成的数学方法时主体已经具有一定的适应能力。在此基础上,可以表示,不适宜采用直接量化的处理方法。对于这类计加入基于历史记忆(经验)的决策计算处理,比如类似算对象,可使用基于规则的计算。把定性描述的社会于专家系统的计算处理或类似于围棋博弈的深度搜索现象用计算机语言来描述,对应的是基本的输入输出计算,使主体具有更高程度的智能。关系,与人们的直观感知接近,便于理解和实现。这里需要提到的是,到目前为止,所有的“没有计算”以计算人的心理决策活动为例,从以下几个步骤来说涉及针对量化后数据的基于方程的计算,而是全部采明如何解决这个问题。用针对编码数据的基于规则的计算。(1)分类与编码。对于很难描述或根本无法直接(5)计算结果的量化方法。从非数值计算的编码量化的计算对象,可行的处理方法是分类与编码。可数据中得到量化的结果,主要有两类处理方法:统计分以对应于智能主体的输入和输出,把与所研究问题直析与结构分析。在计算实验过程中记录各种编码和数接相关的所有输入输出信息进行分类(可以继续细分值,并在此基础上用统计分析方法处理,可以得到一类为多个小类),同时对每一类设定若干个状态,对每一量化结果。对记录的各种编码和数值作结构分析和关类中的每一个状态给定一个唯一的编码,作为这个状联分析,可以得到网络或图的形式表现的数据,其中包态在系统中的标识。含了图论分析中的相关量化数据,如路径和度等。(2)设计输入与输出的转换规则。系统演化的过对量化后的数据,可以根据需要利用多种数学方程中的行为主体有特定的输入和输出,行为主体的输法进行进一步的计算分析,其中主要包括:①空间层入是外部环境中与主体有关的各种信息的抽象,行为面。主要关注数据的空间分布、结构层次、相对位置、主体的输出就是主体的行为决策,而主体的心理活动交互关系和程度等特征;②时间层面。主要关注资就是一系列对应输入与输出的转换关系的集合。这一信息物资等的流动过程;局部或整体某一属性的金、、系列的转换关系集合可以用一套转换规则“IF/突变点的阈值分析以及系统动态、演化过程;拐点、均THEN”表示,当然也可以用某一个网络(如人工神经衡态的范围分析等。通过量化后的计算分析,可以很网络)或一组数学方程来表示。好地描述系统结构、各层次状态以及主体的决策过程,(3)实验对象的决策过程计算。计算模拟主体的从而反映出推动社会系统演化的种种因素及其特性。决策过程,需要考虑主体在学习基础上的适应性。这参考文献(References):需要用适当的方式描述人的记忆。可以把主体在某一时刻对应的输入、输出编码整合记录下来,加上主体对张军[1]　　.研究社会系统演化的计算实验方法[J].实验室研究与探索,2008(10):.该输入输出决策的评估,作为智能主体的记忆数据。[2]　[M].NewYork:SimonandSchuster,计算模拟主体的决策过程,还需要考虑主体的认1986.知偏好和行为偏好。认知偏好可以理解为主体观测外[3]方法与应用[M].北京:清华大范玉顺,曹军威.多代理系统理论、部世界时,对各类信息关注程度的不同。行为偏好可学出版社,2002.以理解为是主体对各类输出活动的决策权重不同。将周涛[4]　　,柏文洁,汪秉宏,等.复杂网络研究概述[J].物理,2005,34(1):.它们看作输入输出的过滤器,通过对每个主体过滤条[5]肖条军.博弈论及其应用[M].上海:上海三联书店,2004.件不同设置和处理,刻画不同人却对几乎完全一致输[6]盛昭瀚,蒋德鹏.演化经济学[M].上海:上海三联书店,2002.入的不同理解,以及理性决策后的不同行为输出。[7]约翰?霍兰.隐秩序—适应性造就复杂性[M].上海:上海科学技计算模拟主体的决策过程,主要是在描述属性数术出版社,2000.输入和输出的编码数据、据、认知偏好和行记忆数据、[8]董荣胜,古天龙,蔡国永,等.计算机科学与技术方法论[J].计算为偏好数据基础上,对主体决策的一系列转换关系进机科学,2002,29(1):124.[9]　　.复杂性是随机性吗[J].系统辩证学学报,2005,13(2):62吴彤行处理。假定计算主体决策的一系列转换关系时使用11.一套固定的转换规则,这相当于构造一个包含输入组

文章来源：《农村科学实验》 网址: http://www.nckxsyzz.cn/qikandaodu/2020/0819/469.html

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