丁 雯，朱建鋒

(1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003;2.上海交通大學(xué)安泰經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200052)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)是一個(gè)由許多相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜巨系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)包含大量關(guān)系復(fù)雜的變量，變量與變量之間存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的作用關(guān)系，難以直接用數(shù)學(xué)方法對(duì)這些復(fù)雜性行為進(jìn)行描述和分析。另外，整個(gè)系統(tǒng)還表現(xiàn)出主體分散交互、無系統(tǒng)控制者、經(jīng)濟(jì)主體具有自適應(yīng)能力等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)相互交織在一起，表現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)特有的復(fù)雜化[1－2]。

從20世紀(jì)80年代開始，國際科學(xué)界興起了對(duì)復(fù)雜性的研究。復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)(complex adaptive system，CAS)是由遺傳算法(genetic algorithms，GA)的創(chuàng)始人HOLLAND在1994年正式提出的[3]，它從進(jìn)化的角度研究復(fù)雜系統(tǒng)，形成了一套比較完整的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論體系，為人們認(rèn)識(shí)和理解復(fù)雜系統(tǒng)提供了新思路。

隨著對(duì)CAS理論的深入研究，以及IT技術(shù)的飛速發(fā)展，有的學(xué)者將CAS理論引入到對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的研究中，逐漸形成了基于CAS理論的多主體經(jīng)濟(jì)仿真方法，即通過應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，構(gòu)造出以適應(yīng)性交互主體為基礎(chǔ)、具有進(jìn)化功能的動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)仿真模型，從而達(dá)到通過對(duì)仿真主體屬性集、規(guī)則庫進(jìn)行設(shè)計(jì)，間接地構(gòu)造整個(gè)宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的效果[4－5]。

筆者在CAS理論的框架指導(dǎo)下，運(yùn)用多主體經(jīng)濟(jì)仿真技術(shù)來研究現(xiàn)實(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)問題。其意義在于:①采用的基于CAS的多主體仿真方法是一種探索，為經(jīng)濟(jì)學(xué)研究提供了一個(gè)全新的視角，它以多主體建模及模型實(shí)驗(yàn)為手段，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，揭示出經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，這在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究方法的不足;②在前人理論研究的基礎(chǔ)上，實(shí)際設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)仿真系統(tǒng)平臺(tái)，為以后多主體經(jīng)濟(jì)仿真研究提供一定的參考經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)支持;③通過對(duì)經(jīng)濟(jì)政策采用仿真實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行模擬，對(duì)政策運(yùn)用效果的驗(yàn)證具有一定的指導(dǎo)意義。

1 模型的實(shí)現(xiàn)方法

由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)具有顯著的離散性和隨機(jī)性特征，可采用基于離散事件的多主體經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)仿真方法來構(gòu)建多代理人模型。其主要特點(diǎn)是借鑒離散事件系統(tǒng)仿真的事件表和事件處理機(jī)制實(shí)現(xiàn)代理人之間的交互。

采用基于離散事件的多主體仿真方法來實(shí)現(xiàn)多部門仿真的一般步驟可概括為:①建立仿真主體的面向?qū)ο竽Ｐ?，主要是定義各代理人的屬性集與事件表。將代理人的行為作為事件，確定各代理人事件之間的相互關(guān)系，如引發(fā)或被引發(fā)關(guān)系等，進(jìn)而按照事件之間的先后邏輯關(guān)系形成一張反映事件發(fā)生時(shí)間、條件、次序和相互關(guān)系的事件表。②采用離散事件仿真的仿真時(shí)鐘來模擬系統(tǒng)運(yùn)行中的時(shí)間變化，進(jìn)而解決代理人之間的交互問題。③仿真模型建立之后，隨著仿真時(shí)鐘的推進(jìn)及對(duì)事件表的處理就構(gòu)成了多主體仿真模型的運(yùn)行過程。

2 多主體經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)仿真模型設(shè)計(jì)

2.1 模型中的代理人

在仿真模型中，主要構(gòu)建了4類Agent，分別為政府 Agent、企業(yè) Agent、家庭 Agent和銀行 A－gent，這4類Agent通過資金流動(dòng)互相連接起來，他們之間的資金流動(dòng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 多主體經(jīng)濟(jì)行為資金流動(dòng)仿真體系結(jié)構(gòu)

2.2 事件集設(shè)計(jì)

事件集是仿真主體進(jìn)行活動(dòng)的集合，它不僅定義了仿真過程中涉及到的各個(gè)仿真事件，還對(duì)事件之間可能產(chǎn)生的各種關(guān)系作了詳細(xì)的描述，同時(shí)，對(duì)事件的觸發(fā)和調(diào)用機(jī)制也進(jìn)行了說明。

為了便于仿真過程的實(shí)現(xiàn)，在模型的實(shí)現(xiàn)過程中將每1天分為14個(gè)時(shí)間步驟，在每個(gè)步驟里分別實(shí)現(xiàn)如表1中所列舉的行為。

2.3 推理機(jī)及規(guī)則庫設(shè)計(jì)

推理機(jī)是指在仿真主體事件發(fā)生后，從仿真環(huán)境和Agent屬性集中獲取所需信息，然后到規(guī)則庫中匹配相應(yīng)的規(guī)則進(jìn)行判斷推理的組件。這里所說的推理是指從規(guī)則庫中選擇合適的規(guī)則，并依據(jù)該規(guī)則從已有的事實(shí)推出結(jié)論的過程。

規(guī)則庫是指當(dāng)Agent在執(zhí)行事件集時(shí)所需要推理規(guī)則的集合。在對(duì)事件處理的過程中，需要調(diào)用仿真主體的相關(guān)規(guī)則，這主要是通過調(diào)用規(guī)則庫中相關(guān)規(guī)則來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)仿真環(huán)境發(fā)生改變或者事件接受器探測到內(nèi)部事件發(fā)生后，就會(huì)觸發(fā)事件集中的某一事件，隨后Agent從規(guī)則庫中選取相關(guān)規(guī)則來確定執(zhí)行該事件的細(xì)節(jié)活動(dòng)。同時(shí)，仿真主體還可以根據(jù)仿真事件的執(zhí)行結(jié)果和環(huán)境信息的變化提供反饋信息，依此改進(jìn)規(guī)則庫中的相關(guān)規(guī)則。

表1 仿真系統(tǒng)中Agent主要事件表

該仿真系統(tǒng)中的規(guī)則內(nèi)容是依據(jù)仿真主體實(shí)際情況，結(jié)合一定的簡化分析后進(jìn)行設(shè)計(jì)的。以住房消費(fèi)規(guī)則為例:

假設(shè)1市場上有兩種類型的房子供出售:A型80萬元，B型150萬元。

假設(shè)2家庭購買新房，并不出售自己已有的房子(即該系統(tǒng)中沒有二手房交易市場)。

{假設(shè)購買房產(chǎn)A，以家庭資產(chǎn)的90%購房，其余申請(qǐng)銀行貸款，每月月供為家庭收入的50%。如果能夠在30年內(nèi)還清，則購買房產(chǎn)A，否則，暫時(shí)不買房}

//此處邏輯:先買房，再買車，然后再考慮買第2套房或第2輛車。第2套房和第2輛車哪個(gè)優(yōu)先，此處無硬性規(guī)定。對(duì)于購買第2套房產(chǎn)，此處簡化成全額用現(xiàn)金購買。

//如果已經(jīng)擁有了2套房產(chǎn)，則不考慮買房

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)及仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真平臺(tái)構(gòu)建過程

該系統(tǒng)的目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)以政府為主的多層級(jí)(包括中央政府、省級(jí)政府和縣級(jí)政府)多部門(財(cái)政部門、教育部門、人力資源和社會(huì)保障部門)多主體(政府、企業(yè)、家庭和銀行)的資金流動(dòng)仿真系統(tǒng)。

該仿真系統(tǒng)的具體構(gòu)建過程如下:①依據(jù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中各類主體具體情況抽象出每類主體的屬性集、執(zhí)行事件表和行為運(yùn)行規(guī)則庫;②詳細(xì)設(shè)計(jì)各類仿真主體之間的資金交互行為，進(jìn)而形成一個(gè)完整的多主體資金流動(dòng)仿真模型;③在模型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，基于Swarm仿真平臺(tái)開發(fā)仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同仿真主體間的資金流動(dòng)行為;④仿真開始時(shí)，根據(jù)仿真目的，通過交互窗口，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。如家庭個(gè)數(shù)、存款準(zhǔn)備金率和銀行利率等;⑤系統(tǒng)在運(yùn)行過程中生成的數(shù)據(jù)可自動(dòng)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，并且在仿真過程中，關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(如GDP等)可通過圖表的形式實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。

3.2 Swarm仿真平臺(tái)

Swarm是美國桑塔費(fèi)研究所(SFI)開發(fā)的一個(gè)用來幫助科學(xué)家們分析復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的多智能體仿真工具[6－7]。Swarm的目的是通過制造一個(gè)高效率、可重復(fù)使用的軟件儀器，來幫助科學(xué)家們致力于研究而非制造工具。使用Swarm平臺(tái)進(jìn)行仿真，可以調(diào)用由它提供的類庫來構(gòu)建一個(gè)模擬系統(tǒng)，通過離散事件之間的交互行為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中主體與元素的交流。

Swarm仿真的建模思想可以概括為自底向上、偽并發(fā)、模型與觀察分離[8]。Swarm仿真的基本單元由仿真Agent構(gòu)成，它構(gòu)成了Swarm系統(tǒng)中基本的對(duì)象。這里所指的Agent具有屬性和行為兩個(gè)特征變量，其中屬性主要用來表明Agent的特征和狀態(tài)，行為則用來表明Agent的行為特征。在Swarm仿真模型中除了要?jiǎng)?chuàng)建Agent外，還要為仿真模型定義時(shí)間表。時(shí)間表是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來表示各類 Agent的事件發(fā)生次序，A－gent就是按照時(shí)間表中定義的順序來執(zhí)行相應(yīng)的方法，這樣隨著事件的處理就構(gòu)成了仿真模型的整個(gè)執(zhí)行過程[9]。

3.3 仿真系統(tǒng)初始化

3.3.1 宏觀環(huán)境參數(shù)設(shè)置

根據(jù)對(duì)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)需要對(duì)相關(guān)宏觀變量做初始化配置。這些初始化參數(shù)側(cè)重于對(duì)財(cái)政政策和貨幣政策的描述方面，如表2所示。另外，通過仿真系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置界面也可以修改相關(guān)宏觀變量參數(shù)值，從而模擬不同經(jīng)濟(jì)政策下的宏觀經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀況。

3.3.2 仿真主體參數(shù)設(shè)置

政府的房屋及汽車數(shù)量，根據(jù)政府層級(jí)手動(dòng)設(shè)定;政府財(cái)政賬戶余額，根據(jù)仿真系統(tǒng)設(shè)定分布函數(shù)，由系統(tǒng)隨機(jī)分配。

企業(yè)初始商品及機(jī)器數(shù)量、企業(yè)賬戶余額及國債數(shù)量，根據(jù)企業(yè)規(guī)模在仿真系統(tǒng)中直接設(shè)定。

中央銀行主要負(fù)責(zé)對(duì)宏觀變量的調(diào)整;在商業(yè)銀行，銀行貸款余額初始化為零，銀行資本和國債金額，由仿真系統(tǒng)參數(shù)配置頁面獲得。

仿真系統(tǒng)中的家庭Agent屬性通過手動(dòng)來設(shè)定。該仿真系統(tǒng)中模擬了120個(gè)家庭主體。其中，個(gè)人主體和家庭主體的屬性依據(jù)上海的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，如該模型中個(gè)人類型的分布、就業(yè)率、工資水平和支出水平等都與上海的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)保持一致[10]。

3.4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(1)宏觀經(jīng)濟(jì)政策對(duì)GDP的影響。該仿真實(shí)驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證國家宏觀經(jīng)濟(jì)政策對(duì)GDP的影響，其界面圖如圖2所示。

圖2 宏觀經(jīng)濟(jì)政策對(duì)GDP影響仿真實(shí)驗(yàn)界面圖

從圖2可以看出:①當(dāng)實(shí)施擴(kuò)張型經(jīng)濟(jì)政策時(shí)，經(jīng)濟(jì)得到了較快的發(fā)展，GDP總量獲得了增長。如8月底，通過降低存款準(zhǔn)備金率和銀行貸款利率，使得經(jīng)濟(jì)得到了顯著增長，這是由于貸款成本的降低和整個(gè)社會(huì)可用資本的增加，再加上政府采購的強(qiáng)勁拉動(dòng)作用導(dǎo)致市場需求旺盛;②當(dāng)實(shí)施緊縮型經(jīng)濟(jì)政策時(shí)，GDP總量減少。如2月底通過提高法定存款準(zhǔn)備金率，導(dǎo)致GDP下降，這是由于存款準(zhǔn)備金率的提高使可用資金大幅減少，進(jìn)而家庭和企業(yè)消費(fèi)量也隨之減少。由此看來，經(jīng)濟(jì)政策的實(shí)施引起的GDP變動(dòng)結(jié)果與傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)理論基本吻合。

(2)宏觀經(jīng)濟(jì)政策對(duì)家庭消費(fèi)影響的仿真實(shí)驗(yàn)界面圖如圖3所示。

圖3 宏觀經(jīng)濟(jì)政策對(duì)家庭消費(fèi)影響仿真實(shí)驗(yàn)界面圖

從圖3可以看出，經(jīng)濟(jì)政策的調(diào)整直接關(guān)系到家庭消費(fèi)的成本以及家庭可用資金的額度，同時(shí)也反映了經(jīng)濟(jì)理論中家庭消費(fèi)的波動(dòng)現(xiàn)象。

4 結(jié)論

基于離散事件的復(fù)雜經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)仿真技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)以政府為主的多主體財(cái)政資金流動(dòng)仿真系統(tǒng)，通過對(duì)大量微觀主體的經(jīng)濟(jì)行為進(jìn)行模擬，來重現(xiàn)宏觀層面的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象。

在仿真系統(tǒng)中，對(duì)4類主體進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)。首先，通過對(duì)現(xiàn)實(shí)各類主體的分析，抽象出每類主體的事件表、規(guī)則庫和推理機(jī)制，并且對(duì)各類主體之間的資金流動(dòng)行為進(jìn)行了交互設(shè)計(jì)，進(jìn)而形成了完整的資金流動(dòng)仿真模型。然后，在模型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，基于Swarm仿真平臺(tái)開發(fā)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)多主體財(cái)政經(jīng)濟(jì)行為仿真平臺(tái)。通過該仿真平臺(tái)，獲得了中央、省、縣三級(jí)政府3部門的資金流動(dòng)仿真數(shù)據(jù)，這對(duì)相關(guān)的研究工作具有較大的參考價(jià)值，在一定程度上解決了科研工作中現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)難以獲得的問題。

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