基于Agent的人工社会应急管理政策分析方法

摘要

复杂系统通常表现为系统中存在大量自主交互的个体以及由此产生的全局行为具有动态性、不确定性、难以重现性或不可重复性等特点，如社会系统、软件密集型的社会技术系统等。复杂系统中出现的某些突发事件（如疾病传染、网络攻击等）可能会诱发系统宏观层面的一些“坏”涌现，例如疾病暴发、系统瘫痪等，从而可能会对系统的利益相关者以及系统中的个体造成严重危害与负面影响。因而，如何提供有效的方法来对复杂系统中的突发事件进行应急管理是目前社会科学、复杂性科学、管理科学、控制科学以及计算机科学等诸多学科所关注的一个重要研究课题。社会计算借助于计算机科学及社会科学等多个领域的思想和技术来研究和分析复杂系统中的社会和计算行为，它已成为突发事件应急管理研究的一个重要方法和手段。
　　本文以突发事件应急管理为具体应用背景，采用社会计算的方法来支持针对社会系统中的突发事件的应急管理政策的评估、分析、优化或选择，通过在计算机世界构建社会系统的计算模型（即人工社会），采用多 Agent系统的思想对人工社会进行抽象、建模和仿真，从而开展突发事件应急管理实验。论文通过在人工社会中的可重复性实验展示应急管理政策的有效性，并且可将其应用于现实社会系统的突发事件应急管理中。论文所取得的主要研究成果及创新点概述如下。
　　1.为了支持突发事件应急管理政策的评估、分析与选择，提出了一种轻量级的社会计算方法——PZE（即政策选择、基于僵尸城的人工社会建模以及政策评估）。
　　针对突发事件应急管理所带来的挑战，同时为了解决现有社会计算方法的臃肿性、缺乏灵活性等问题，论文围绕应急管理政策的评估与选择，借助于迭代开发、闭环控制等思想，并引入情景/应对（scenario/response）的应急管理模式，提出了针对突发事件应急管理政策选择、评估与优化的轻量级社会计算方法——PZE。由于 PZE方法集成了软件工程、控制学等领域的一些成熟的思想，具有简单、灵活、易使用、低成本等轻量级方法的特性，其主要包括以下三个部分：（P）针对突发事件场景来选择合适的应急管理政策，即政策选择；（Z）基于僵尸城（Zombie-city）模型来构建人工社会模型；（E）借助于人工社会模型开展应急管理实验，评估应急管理政策的有效性，并给出评估结果，而这些评估结果又作为政策选择的反馈，为政策的选择提供有效的支持。
　　2.为了给突发事件及其应急管理提供一般性的分析模型，提出了以Agent、病毒（Virus）和交互（Interaction）为核心的面向应急管理的AVI模型及其扩展模型——僵尸城模型（Zombie-city）。
　　由于社会系统中个体间的局部非线性交互，突发事件（如传染病、谣言传播）会在社会系统中不断地演化和发展，进而产生全局性的宏观行为，因而突发事件演变的本质实际上是传播问题。为了揭示和分析突发事件带来的传播问题，论文提出了一个包含 Agent、病毒以及交互三个核心概念的AVI模型，以表示复杂系统中参与传播的个体、传播的载体和内容、传播的媒体和途径。在此基础上，论文进一步提出了针对突发事件应急管理的人工社会模型——僵尸城模型（Zombie-city），该模型除了包含以上三个核心概念之外，还包括了角色、环境（物理环境和社会环境）、规则。角色表示一类Agent的抽象，Agent通过扮演角色来获取不同的行为与属性，并能通过动态地扮演角色来适应环境与自身变化。物理环境表示Agent所生活的空间，社会环境主要指Agent之间的社会关系，Agent行为会受到环境的影响。此外，规则定义了Agent、病毒、交互、角色及环境等的属性或行为规范，其也能用于描述应急管理政策等。该模型能更为系统地刻画面向突发事件应急管理的人工社会，为人工社会建模提供了参考与指导。
　　3.为支持对基于僵尸城模型的人工社会进行建模和分析，提出了一种图形化的人工社会建模语言——ASML（Artificial Society Modeling Language）。
　　为了支持人工社会建模与分析，论文借助于社会组织学思想（包括组织、角色等）以及角色动态扮演机制等，基于Zombie-city模型提出了人工社会建模语言ASML，包括建模语言的元模型、模型、可视化建模图元以及形式化语义等。ASML从不同视点、层次与建模机制提供了五类模型，包括人口统计学模型、环境模型、角色模型、组织结构模型以及交互模型，以便于系统地构建人工社会模型。总体来说，ASML建模语言具有高层抽象、自然建模、多视点、可视化、模型易于理解、表达能力强等特点。此外，为了支撑基于建模语言ASML的人工社会建模，论文还设计并开发了人工社会建模支撑工具 ASMLTools，其包括模型的可视化编辑、模型存储、模型载入与导出、模型转换等功能。
　　4.为了支持针对突发事件的应急管理政策的评估，进而支持政策的优化及选择，提出了定量与定性相结合的应急管理政策评估方法。
　　应急管理政策的评估对于政策能否有效地应对和管理突发事件至关重要，为政策的选择或优化提供反馈，论文提出了一种定性和定量相结合的方法。在定量评估方法方面，论文提供了一个一般性的方法框架，基于情景提取人工社会的宏观属性，同时根据具体的应用提取相关的评估参数，并利用数值方法将宏观属性与评估参数相结合定量地评估政策的效果。此外，涌现程度也侧面反映了应急管理政策的效果，论文通过对涌现进行分类，提出了基于信息熵理论的三种定量度量涌现程度的方法，并通过仿真实验展示了三种度量方法的有效性，三种度量也可用于定量地分析应急管理政策的效果。在定性分析方面，论文同样也提出了通过基于定理与规则的形式化推理的应急管理政策定性分析方法。首先，通过基于Zombie-city模型构建人工社会形式化模型并将政策转换为人工社会中的规则，然后利用形式化推理（情景推理）定性地评估和分析政策的有效性。为此，论文还给出了Zombie-city的形式化规约以及人工社会中情景的形式化描述。定性评估方法可用于辅助定量评估方法，其能进一步确认和说明应急管理政策的定量评估结果，通过定量与定性相结合的政策评估方法能更为显式和准确地展示政策的有效性。
　　论文以 H1N1在某大学校园中的传播以及互联网环境下社交媒体中的广告信息传播作为案例，开展相关的分析和实验，以展示如何基于人工社会模型Zombie-city及建模语言ASML进行人工社会建模，以及如何利用PZE方法开展应急管理工作及其有效性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 本文拟解决科学问题

1.3 本文研究内容与贡献

1.4 论文组织结构

第二章 相关研究工作介绍

2.1 突发事件应急管理方法概述

2.2 人工社会与多Agent系统模型

2.3 基于Agent的建模语言

2.4 本章小结

第三章 PZE方法

3.1 问题描述

3.2 PZE方法框架

3.3 PZE方法的核心思想与机制

3.4 相关工作对比

3.5 本章小结

第四章 人工社会僵尸城模型及建模语言

4.1 问题描述

4.2 人工社会的僵尸城模型

4.3 人工社会建模语言ASML

4.4 建模语言ASML的支撑工具

4.5 相关工作对比

4.6 本章小结

第五章 应急管理政策的评估方法

5.1 问题描述

5.2 政策定量评估方法

5.3 政策定性评估方法

5.4 相关工作对比

5.5 本章小结

第六章 应急管理政策调整与选择

6.1 问题描述

6.2 政策调整与选择方法

6.3 相关工作对比

6.4 本章小结

第七章 案例分析与实验

7.1 甲型H1N1流感病毒传播

7.2 微博广告推广

7.3 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 工作总结

8.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

作者在学期间参与的科研项目