王國(guó)義

(西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

基于CAS理論在計(jì)算機(jī)上建立模型對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行模擬，稱為基于 Agent的建模仿真方法。20世紀(jì)90年代以來(lái)，計(jì)量地理的研究進(jìn)入了地理計(jì)算(Geo－computation)的時(shí)代，強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)模型和模擬實(shí)驗(yàn)并重的時(shí)代，出現(xiàn)了與復(fù)雜性適應(yīng)系統(tǒng)相關(guān)的理論和方法，如:元胞自動(dòng)機(jī)(CA)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)、遺傳算(GA)、人工生命(A－life)等，這也得到了越來(lái)越多地理研究者的應(yīng)用和認(rèn)可，并成為跨學(xué)科研究的熱點(diǎn)課題［1］。近年來(lái)，隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜性的研究已引起諸多領(lǐng)域科研工作者的廣泛興趣。其中，復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)因其鮮明的可操作性，逐漸成為復(fù)雜性研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。

基于Agent建模仿真相對(duì)于一般數(shù)學(xué)建模而言，在解決離散、非線性系統(tǒng)模擬方面有顯著優(yōu)勢(shì)，是研究此類復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)生的全局、自適應(yīng)行為的一個(gè)基本方法。CAS理論明確指出復(fù)雜系統(tǒng)中大量的微觀個(gè)體之間隨時(shí)間推移進(jìn)行的互動(dòng)，能夠在系統(tǒng)宏觀尺度上突現(xiàn)出新的功能和結(jié)構(gòu)，從而能夠探討微觀個(gè)體的決策行為如何形成復(fù)雜的宏觀空間格局，所以基于Agent建模的理念與傳統(tǒng)的思想迥然不同，必須更多地考慮系統(tǒng)更低層次上Agent的行為規(guī)則的變化，Agent之間的相互作用(包括聯(lián)系的方式和強(qiáng)度)甚至 Agent的適應(yīng)性函數(shù)等。如今，Agent理論方法和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合已成為研究CAS的常用方法之一，Repast建模仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)則為這種方法的研究創(chuàng)造了條件。

1 Repast介紹

1.1 Repast概述

Repast(Reursive Porus Agent Simulation Toolkit)起源于芝加哥大學(xué)的社會(huì)科學(xué)計(jì)算研究所，其最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為社會(huì)仿真提供一個(gè)易于使用、易于擴(kuò)展且功能強(qiáng)大的仿真工具包，但現(xiàn)在 Repast已發(fā)展成一個(gè)通用的多 Agent仿真平臺(tái)。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是使用的方便性、較短的學(xué)習(xí)周期以及可擴(kuò)展性。它提供了一系列生成、運(yùn)行主體，顯示和收集其數(shù)據(jù)的類庫(kù)。Repast還能夠以圖表的形式顯示運(yùn)行中的模型數(shù)據(jù)、對(duì)運(yùn)行中的模型進(jìn)行“快照”以及生成模型運(yùn)行的影像資料。Repast從Swarm模擬工具集中借鑒了不少的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和方法，實(shí)際上，它是一個(gè)類Swarm的模擬軟件構(gòu)架。

Repast S除了提供所有 Repast.NET與 Repast J的核心功能，還具有更為豐富多樣的新特性;采用 Point－and－Click可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境，大大減少了用戶的代碼工作量，能夠自動(dòng)生成java代碼，實(shí)現(xiàn)與手工編碼的無(wú)縫結(jié)合，集成多種日志和圖形工具，提供與外部工具的自動(dòng)連接，嵌套了更強(qiáng)大的空間資源，不僅提供基本的2D、3D空間，還支持 GIS、Network等復(fù)雜環(huán)境。Repast現(xiàn)在由非贏利組織機(jī)構(gòu)ROAD(Repast Organization for Architecture and Development)來(lái)維護(hù)。它是一個(gè)免費(fèi)的仿真平臺(tái)，可以在其官方網(wǎng)站(http://Repast.sourceforge.net)上下載到它的可執(zhí)行程序與源碼。Repast的核心部分可以看作是對(duì)基于Agent建模服務(wù)的規(guī)范。它包括三個(gè)具體的工具，這些工具都有著相同的內(nèi)核服務(wù)，而區(qū)別僅在于底層的平臺(tái)和模型開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的不同。三個(gè)具體的工具是基于 Java平臺(tái)的 Repast J，基于微軟.Net框架的、Repast.Net和基于Python腳本的Repast Py。其中，Repast J是用于定義內(nèi)核服務(wù)的基準(zhǔn)工具。一般推薦在Repast Py上用Python腳本編寫(xiě)基礎(chǔ)模型，而在 Repast J上用 Java或在 Repast.Net上用 C#編寫(xiě)高層的模型［2］。

1.2 Repast分析

Repast本身由一系列的Java包及一些第三方類庫(kù)構(gòu)成，具有良好的可擴(kuò)展性。在Java包中，最重要的是實(shí)現(xiàn)基于A-gent模擬仿真的 uchicogo.src.sim包，它根據(jù)功能的不同又被分成多個(gè)子包，分別負(fù)責(zé)仿真的建立、操控并驅(qū)動(dòng)仿真的運(yùn)行;為仿真運(yùn)行與運(yùn)行控制提供圖形用戶接口;收集、記錄仿真過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以圖表的形式顯示;記錄并存放網(wǎng)絡(luò)仿真時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息;可視化顯示 Agent的空間關(guān)系等。同時(shí)，Repast還為多Agent模擬仿真提供一個(gè)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)和編程框架，并大量采用模板方法、抽象工廠等軟件設(shè)計(jì)模式來(lái)提高框架的通用性，這使得用戶既可以調(diào)用Repast提供的Java包，也可以自己編程實(shí)現(xiàn)所需功能，構(gòu)建出模塊化良好的仿真模型。REPAST本身由一系列的JAVA包及一些第三方類庫(kù)構(gòu)成。與多Agent仿真密切相關(guān)的包是uchicogo.src.sim，在這個(gè)包中又根據(jù)功能的不同分成多個(gè)子包。REPAST具有良好的可擴(kuò)展性，其本身集成了多個(gè)第三方的JAVA類庫(kù)。例如，它集成了可以高效生成多種分布類型的隨機(jī)數(shù)類庫(kù) Colt;集成了遺傳算法類庫(kù) jgap。用戶在建立REPAST仿真模型時(shí)還可以使用其他的類庫(kù)。無(wú)論選擇哪種構(gòu)建方法，仿真程序都必須包含以下幾種構(gòu)成模塊［3］(表1)。四個(gè)模塊中，模型類是 Repast仿真程序的核心，它為仿真模型的建立提供一系列標(biāo)準(zhǔn)的方法，以結(jié)構(gòu)化的形式定義模型的執(zhí)行過(guò)程。數(shù)據(jù)源類在仿真程序運(yùn)行時(shí)，記錄、收集Agent產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并提供給分析、顯示對(duì)象使用。

行為類則用于實(shí)現(xiàn) Agent動(dòng)作行為的模擬仿真，由調(diào)度器負(fù)責(zé)仿真時(shí)鐘的推進(jìn)、行為的安排與調(diào)度。它包含兩個(gè)比較典型的內(nèi)部機(jī)制:時(shí)間序列機(jī)制和顯示機(jī)制。時(shí)間序列機(jī)制負(fù)責(zé)Repast仿真中所有狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，主要用來(lái)安排在每一個(gè)仿真時(shí)鐘單位“tick”內(nèi)要執(zhí)行的事件，仿真開(kāi)始后，Repast將按照“tick”向前推進(jìn)，每一個(gè)”tick”時(shí)間內(nèi)，仿真模型將會(huì)循環(huán)動(dòng)作執(zhí)行隊(duì)列以調(diào)用行為類中事先定義好的 Agent動(dòng)作，從而改變仿真的狀態(tài)。而顯示機(jī)制主要負(fù)責(zé)運(yùn)行仿真的實(shí)時(shí)可視化。這種機(jī)制主要由一些空間類、與這些空間類相應(yīng)的顯示類、簡(jiǎn)單圖形類和各種繪圖接口等組成，以圖形化的方式提供Agent的仿真過(guò)程的觀察和數(shù)據(jù)的采集。另外，還可以根據(jù)仿真模型的需求選擇是否創(chuàng)建一些可選模塊，例如空間類和仿真數(shù)據(jù)可視化類等［4］。

表1 Repast仿真程序核心構(gòu)成模塊

1.3 Repast應(yīng)用領(lǐng)域

Repast是一種類 Swarm的模擬軟件構(gòu)架，由于 Swarm對(duì)模型和模型要素之間的交互方式不做任何限制，使用者則可以將精力集中在所感興趣的特定系統(tǒng)中，而不必受數(shù)據(jù)處理、用戶界面及其他純軟件工作和編程等方面的問(wèn)題所困擾，甚至對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)者而言使用也是相當(dāng)方便。在國(guó)內(nèi)，Swarm的應(yīng)用起步較晚，但發(fā)展趨勢(shì)異常迅猛，尤其是2001年中國(guó)人民大學(xué)信息學(xué)院舉辦“Swarm仿真培訓(xùn)班”以后，基于Swarm研究的學(xué)者越來(lái)越多。近幾年美國(guó)桑塔費(fèi)研究所每年舉辦的“SwarmFest”和“復(fù)雜系統(tǒng)暑期班”，更為全球Swarm和CAS愛(ài)好者提供一個(gè)更加系統(tǒng)的學(xué)習(xí)交流機(jī)會(huì)。正是由于Swarm可以模擬任何物理系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)或社會(huì)系統(tǒng)，所以受到國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)學(xué)、金融學(xué)、政治學(xué)、社會(huì)學(xué)、生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、物理學(xué)、地理學(xué)、軍事以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域的專家、學(xué)者或愛(ài)好者們的廣泛關(guān)注?；诙嘀悄荏w的Swarm仿真平臺(tái)在經(jīng)濟(jì)學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛，并主要集中在市場(chǎng)供求關(guān)系、經(jīng)濟(jì)博弈論和金融等研究領(lǐng)域;基于 Swarm仿真平臺(tái)的管理學(xué)研究主要包括微觀管理學(xué)和宏觀管理學(xué)，其中微觀管理學(xué)以供應(yīng)鏈研究為主，而宏觀管理學(xué)則主要集中在城市管理方面;此外，在環(huán)境資源保護(hù)、生物生態(tài)地理學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要包括區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究和生物生態(tài)學(xué)研究等方面。而自從Repast發(fā)布以來(lái)，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個(gè)方面:

(1)系統(tǒng)理論研究:通過(guò)仿真觀察、模擬系統(tǒng)中特定現(xiàn)象的產(chǎn)生過(guò)程，發(fā)現(xiàn)、驗(yàn)證 CAS的一般規(guī)律。例如用 REPAST實(shí)現(xiàn)CAS理論中的著名模型 ECHO;通過(guò)多 Agent仿真研究來(lái)研究博弈理論，例如囚徒困境問(wèn)題等。

(2)復(fù)雜社會(huì)系統(tǒng)仿真:包括研究Agent之間、Agent與其所處環(huán)境之間的相互作用;具有不同目標(biāo)、利益的多個(gè) Agent如何才能實(shí)現(xiàn)合作行為等。其中的 Agent可以是個(gè)人，可以是群體，也可以是某個(gè)組織。

(3)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)仿真:在基于 Agent的計(jì)算經(jīng)濟(jì)學(xué)(Agentbased Computational Economics ACE)這一新興的經(jīng)濟(jì)學(xué)分支領(lǐng)域，REPAST被用于經(jīng)濟(jì)模型的實(shí)現(xiàn)與仿真。例如:商業(yè)網(wǎng)絡(luò)仿真、供應(yīng)鏈仿真等。

(4)綜合應(yīng)用:美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì) REPAST進(jìn)行了擴(kuò)展，使其支持GIS、分布式仿真等功能并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一些大型的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)仿真。例如，美國(guó)電力市場(chǎng)仿真等。

2 Repast與 GIS的集成

智能體模型缺乏空間特性，而現(xiàn)實(shí)中的很多事物都是跟空間相關(guān)的，例如模擬城市的擴(kuò)張中，房屋的位置和交通路線都具有空間特征。GIS具有強(qiáng)大的空間分析功能，正好可以彌補(bǔ)這一缺陷。所以通過(guò)GIS與智能體模型的集成正好利用了智能體模型的智能性和GIS的強(qiáng)大空間分析功能。智能體模型和GIS的集成主要有3種方式，即松散耦合、中度耦合和緊密耦合。松散耦合指系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互是通過(guò)文件形式進(jìn)行，可以通過(guò)適配器實(shí)現(xiàn)對(duì)各類文件的存取。中度耦合是系統(tǒng)間通過(guò)協(xié)議通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其利用的技術(shù)是虛擬機(jī)、客戶機(jī)/服務(wù)器等。緊密耦合指在運(yùn)行中完成系統(tǒng)間的通訊和相互調(diào)用［5］。

智能體模型所處的環(huán)境層一般通過(guò)離散的網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)，這和柵格GIS有很大的相似性，因?yàn)閮烧叨际怯秒x散的二維區(qū)域單元進(jìn)行空間的組織和表達(dá)，以及通過(guò)層來(lái)進(jìn)行屬性或狀態(tài)的組織，并通過(guò)一定的算法來(lái)操作空間和屬性。智能體與智能體之間或智能體和環(huán)境之間的交互可以很方便的通過(guò)矢量GIS來(lái)表達(dá)。此外，智能體在二維空間網(wǎng)格上的行動(dòng)規(guī)則也可以通過(guò)矢量GIS來(lái)設(shè)定，所以智能體模型和 GIS集成從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)是完全可行的。目前主要是以下三種方法:通過(guò)ESRI公司提供的 ArcGIS擴(kuò)展模塊 Agent Analyst(AA)工具進(jìn)行集成、通過(guò)Java Topology Suite(JTS)GIS工具包進(jìn)行集成以及使用open Map、Geo Tools等 GIS工具包進(jìn)行集成。

3 Repast在地理學(xué)中的應(yīng)用

多Agent建模仿真基于多個(gè)可識(shí)別的離散主體，這些主體具有自主性、適應(yīng)性、智能性等特點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)微觀個(gè)體的行為和作用規(guī)則，組成自下而上的復(fù)雜系統(tǒng)的演化過(guò)程，與傳統(tǒng)的建模方法相比，多Agent仿真具有靈活性、直觀性和層次性的特點(diǎn)。地理學(xué)是一個(gè)涉及多個(gè)學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)，具有自然和社會(huì)的雙重屬性，因此多Agent建模仿真時(shí)在局部建模階段將自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)的相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行融合，在研究地理現(xiàn)象與過(guò)程中具有重要的意義。

Repast現(xiàn)在的應(yīng)用主要集中在城市交通系統(tǒng)仿真，經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域以及軍事領(lǐng)域方面［6－10］，如趙凜，張星臣通過(guò) Repast平臺(tái)對(duì)城市交通系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真，簡(jiǎn)述了如何使用Repast平臺(tái)對(duì)城市交通系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬;湘潭大學(xué)張硯劼以個(gè)人所得稅公平效應(yīng)通過(guò)Repast平臺(tái)探討了經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)仿真的探討;孫永強(qiáng)等通過(guò)Repast平臺(tái)建立了島嶼空降作戰(zhàn)的仿真模型，通過(guò)CAS理論和Agent加以展開(kāi)，規(guī)范、抽象對(duì)應(yīng)模型的先決條件，實(shí)現(xiàn)空降作戰(zhàn)的行為模式和模型結(jié)構(gòu);顧洪超等通過(guò)與博弈理論的結(jié)合，利用Repast仿真平臺(tái)，將已有的模型(復(fù)制動(dòng)態(tài)方程)進(jìn)行封裝，在給定的條件下進(jìn)行仿真研究，并將該方法應(yīng)用到電力市場(chǎng)當(dāng)中，對(duì)發(fā)電廠商競(jìng)價(jià)行為進(jìn)行仿真模擬;江華等通過(guò)研究，介紹了對(duì) Repast與 GIS集成研究的必要性和可行性;在土地利用方面，江西師范大學(xué)的王強(qiáng)通過(guò)構(gòu)建 ABM模型，運(yùn)用 Repast平臺(tái)對(duì)鄱陽(yáng)湖地區(qū)耕地利用變化中的農(nóng)戶土地利用決策進(jìn)行了模擬分析?？傮w來(lái)講，Repast仿真軟件的應(yīng)用前景廣大，隨著研究的進(jìn)一步深入，智能體仿真程序在社會(huì)各方面會(huì)扮演越來(lái)越重要的角色，但在地理學(xué)方面，Repast仿真平臺(tái)的應(yīng)用較少。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)Repast是面向多 Agent模擬仿真構(gòu)建的一個(gè)靈活簡(jiǎn)潔的可擴(kuò)展平臺(tái)，為研究復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)提供了免費(fèi)方便的工具。

(2)通過(guò)對(duì)Repast仿真平臺(tái)的基本原理、分析過(guò)程以及應(yīng)用領(lǐng)域做了一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，此外對(duì)Repast于 GIS的集成做出了一個(gè)可行性分析與現(xiàn)階段集成途徑介紹，該平臺(tái)移植性和可擴(kuò)展性強(qiáng)，使用方便，易于學(xué)習(xí)，方便了應(yīng)用基于 A-gent建模仿真方法對(duì)復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)及復(fù)雜性的研究及探索。

(3)結(jié)合國(guó)內(nèi)地理學(xué)者的研究結(jié)果，總結(jié)了 Repast仿真平臺(tái)在我國(guó)地理學(xué)的研究現(xiàn)狀，基于CAS理論的復(fù)雜性研究及仿真平臺(tái)給地理學(xué)提供了一個(gè)更為廣闊的平臺(tái)。

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