仿真技术在社会科学研究中的应用-1

仿真技术在社会科学研究中的应用

唐碧海


    一、仿真技术
    （一）何谓仿真
    简单来说，所谓仿真就是用模型去模仿真实系统，也就是用物理的或抽象的系统来描述系统的某些行为特征。模型是仿真的基础，只有建立了正确的模型和数据，才能得到正确的仿真结果，仿真才有意义和价值。
    从应用的角度看，仿真技术可以定义为：以相似原理、控制理论、计算机技术、信息技术及其应用领域的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用数学模型或部分实物对实际的或设想的系统进行动态试验的一门综合性技术。
    仿真其实并不神秘，孩提时期的各种角色游戏就是人类一种很自然的仿真活动。人们的生活中也不泛仿真的例子，如大量电子游戏本身就是人类的某种活动的仿真， 很多训练活动如消防和军事演习等也是一种仿真活动，很多测试和实验活动如风洞实验、产品性能测试等等也是一种仿真（产品使用环境仿真）。
    建立事物的模型是我们认识世界的一种途径，是我们有意或无意间在大脑内时刻在做的一件工作，而自然科学和社会科学则对这件工作进行了细化和正式化。仿真是一种特殊的模型方法，是人们认识世界、提高技能、交流思想、探索真理等过程中经常进行的一种活动。
    研究人员和技术人员使用的仿真技术则是以相似原理、信息技术、系统技术及应用领域中的相关专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行实验研究的一门综合技术。
    仿真分为实物仿真和计算机仿真，而我们这里所说的仿真技术则是指计算机仿真技术，就是对实际上的或理论上的物理系统设计一个模型，用程序实现这一模型，并在计算机上运行这一模型，然后对仿真输出的结果进行分析。
    由于计算机的广泛普及和性能的极大提高，使得人们可以在计算机上对所研究的事物建立模型、进行仿真，过去只能通过实物模型进行的仿真现在很多都能用计算机仿真来代替，而且成本更低、效率更高，现在，人们通常所说的仿真也大都是指计算机仿真。
    进行仿真之前，通常需要建立一个仿真环境。人们可以利用计算机来驱动仿真所需的综合环境和虚拟世界。通过在计算机内建立人工对象，使这些人工对象与现实的 对象有相似的特性和行为，让各种对象相互作用，在动态的环境中承担自己相应的角色，共同组成计算机内的虚拟世界，从而为人们认识现实世界及其复杂性的方方 面面提供一个极方便的试验场。
    （二）为什么要用仿真技术
    研究一个简单的系统不一定要用到仿真，如线性方程系统（可以直接求出显式解，通常称为解析模型。）然而，现实世界的绝大部分模型都不能求出显式解，这时一般可以通过仿真的办法来研究这个系统，区别于解析模型，称之为仿真模型。在以下情形中，仿真通常是必须的：
     · 模型非常复杂，有很多变量和相互作用的组成部分，这时即使系统有显式解，这个解也非常复杂，难以直接进行研究，而通过仿真可以很方便地研究系统的输入输出关系。
     · 所用变量相互之间有非线性的关系，根据自然科学家和数学家的观点，非线性系统的研究是很困难的，因为大部分这些问题都难以通过解析模型来认识，通常没有一 组可解的方程组来预测系统的行为。研究非线性系统的唯一有效的一般方法是通过建立和运行仿真模型来模拟这一系统。
    另一方面，即使我们能够理解非线性系统的工作原理，这一系统通常仍然是不可预测的，即出现通常所说的混沌现象。股市就是很好的例子，不管我们对股市的性质研究有多么深入，仍然不可能准确预测到股市崩盘的时间。
    由于仿真不必求出系统的显式解，只需给出系统的模型，就可以让计算机根据模型来一步步地模仿系统的运行，使我们可以利用统一的仿真模型技术来研究各种各样的系统，而不必求助于仅适用于求解某些特殊问题的神秘的"锦囊妙计"。
     · 模型包含随机变量，计算机可以通过随机函数来轻松地模拟这类随机系统；而数学上的处理则要相对困难得多。
     · 模型的输出需要用三维的计算机动画来显示，仿真可以利用计算机的多媒体技术使得输出结果更加逼真、直观，用户界面更加友好；而数学公式则没有这方面优势。
     
    （三）仿真技术的应用
    目前仿真技术有以下几个方面的用途:
     · 研究事物的特性，特别是有些特性不能或不便直接观察到时，仿真技术的作用就更加明显。仿真在研究过程中的主要作用是进行实验、验证理论和发现理论。
     · 预测，如果仿真模型能准确生成系统的动态行为，我们就可以利用这个模型来预见系统的未来行为。如常用的人口仿真模型和商业预测模型等。
     · 代替人的能力，如用于代替药剂师、医生等专业人员的各类专家系统、用于代替司机和飞行员的自动驾驶系统等。
     · 培训，用飞行仿真器培训飞行员，用国民经济仿真系统来培训经济学家，这样能避免因实际操作所伴随的巨额成本及失误所造成的巨大损失。
     · 娱乐，如各种电子游戏，有些电脑游戏本身就很接近一个社会仿真系统，如在Maxis公司的SIMCITY游戏中，游戏者扮演一个城市的管理者，去决定这个 城市的规划、基础设施建设、税率、打击犯罪、环境保护等等。另外培训用的飞行仿真器本身就是一个很好的电脑游戏。
     
    人们预测，下个世纪的娱乐和科学前沿将很可能被仿真和虚拟现实这样的技术所主导。

    二、社会科学中的仿真技术
    在社会科学中应用计算机仿真是一个很新的思想，尽管六十年代就出现了第一个这方面的例子，开始时，主要是系统动力学仿真和离散事件仿真，但到了九十年代， 仿真技术才开始在社科界被广泛应用，即使到目前，这一领域还有大量的问题有待人们去研究去开发，这一领域还有巨大的发展潜力和空间。
    （一）社会科学仿真的主要方法及其发展过程
    在六十年代早期，随着计算机在大学研究中开始应用，出现过一些在社会科学中使用计算机仿真的实例。这一时期主要包括离散事件仿真和系统动力学仿真。主要研 究如顾客平均等待时间、城市中警车到达紧急现场的平均时间、世界经济模型等内容，当时罗马俱乐部的世界仿真模型就预测了全球环境大灾难，在世界上产生了很 大的影响。


图1 社会科学仿真中使用的新方法的发展过程  

    后来一个叫"微观仿真"的方法发展得很快，主要受到政策研究方面的推动。这是一个很特别的方法，也是唯一一个在社会科学中一直被广泛认同的仿真形式。微观 仿真模型从微观层次对系统进行仿真，研究系统的微观个体与宏观变量（如政策变化等）之间的相互作用，大多数微观仿真模型都是用于评价社会经济政策可能产生 的效果。微观仿真在某些国家和地区已经形成了较大的市场，特别是在德国、澳大利亚和加拿大，这些国家的养老金制度、累进税制等方面的政策的制定都受到微观 仿真结果的很大影响。
    到了1990年代，人们开始注意多智能体模型（multi-agent model）的研究，这类模型使我们可以研究自治的个体及它们之间的相互作用。传统的社会科学关注合作、协调、组织行为、社会动态、联合与集团、习俗和道 德的演化等社会现象，多智能体模型已经被证明很适合于对这些现象进行建模。对社会中各种现象的研究，如社会组织的形成与优化、文化道德和制度的形成、危机 的产生等方面，已经成为多智能体模型的主要研究方向。利用多智能体模型对社会组织和社会制度的计算机仿真研究，也在吸引着越来越多的计算机科学界和社会科 学界的研究人员。
    一种叫做元胞自动机（Cellular Automata）的模型曾经成功地用于解释磁铁的磁性、流体中的湍流、晶体的生长等自然界中的神奇现象，这些奇特性质都是组成系统的微观单元之间的相互 作用在宏观层面上的整体表现。元胞自动机为研究社会相互作用提供了一个有用的框架，例如研究社会中流言的传播机制、邻里之间的依种群隔离的形成等问题。
    多层建模（Multi-level Modelling）也是一种受到物理学中的思想影响的模型方法，适合于研究类似社会这样的多层次系统。
    1980年代人们对分布人工智能（DAI）的兴趣不断增强，这是一个研究人工智能程序之间相互作用的研究领域。由于分布人工智能系统包含相互作用的自治的智能体，使得我们能够建立用于仿真人类社会的模型。
    在过去的十年，很多人一直致力于"机器学习"方面的研究，不管是仿真个体的认识过程，还是仿真整个社会适应新环境的过程，具有学习能力的仿真模型都是非常有用的。这使模型学习方法、人工神经网络、遗传算法等在社会仿真的应用不断增长。
    社会科学仿真与复杂性科学这一新兴交叉学科的发展有着紧密的联系，两者的研究内容有着很大的共同之处。如：复杂性科学中常用的演化计算、元胞自动机、多智能体等方法也是社会科学仿真的主要方法。