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面向应急管理的人工社会构建与计算实验 (2017)

前言

  • Published Oct 19, 2018

前言

在学术研究领域,建模和仿真成为研究大规模突发事件应急管理的重要手段。SARS暴发后,2003年5月23日,《科学》杂志网站发表了美国、加拿大、英国和中国香港的科学家对于SARS流行的数学模型及仿真的研究成果,即题为“SARS的传播动力学及控制”和“SARS病原体在香港的传播动力学:公共卫生防控措施的影响”的两篇学术论文。这两篇论文运用系统动力学原理进行建模和仿真,研究表明如果公共卫生措施得力,SARS的流行并非不可控制。最近几年,国际社会对突发事件模拟仿真的研究具有针对性、广泛性与前瞻性的特点,各国政府投入专项资助的力度之大和投入研究的力量之强均达到空前水平,相关研究成果显著提高了政府应对突发危机事件的能力。

2009年国家自然科学基金委员会启动了重大研究计划“非常规突发事件应急管理研究”。该研究计划以非常规突发事件应急管理为研究对象,充分发挥管理科学、信息科学、心理科学等多学科合作研究的优势,着重研究非常规突发事件的信息处理与演化规律建模、非常规突发事件的应急决策理论,以及紧急状态下个体和群体的心理反应与行为规律。在非常规突发事件的特殊约束条件下,该研究计划通过对相关多学科的观测、实验和理论创新与综合集成,形成对非常规突发事件应急管理的核心环节——监测预警与应对决策——的客观规律的深刻科学认识,并提供科学方法;构建“情景—应对”型非常规突发事件应急管理的理论体系,增强应急管理科技的自主创新能力;提高国家应急管理体系(包括应急平台/预案体系)的科学性,为国家科学、高效、有序应对非常规突发事件提供决策参考。

此研究计划将面向非常规突发事件应急管理的动态模拟仿真系统与计算实验方法研究作为关键目标之一,目的是针对应急过程动态情景生成演化和计算实验问题,以人工社会(artificial societies)、计算实验(computational experiments)与平行执行(parallel execution)相结合的ACP方法为指导,研究面向非常规突发事件应急响应的平行应急管理理论、方法与技术,设计开放式、可扩展、可定制、可视化的非常规突发事件动态模拟仿真与计算实验平台。

非常规突发事件是指前兆不充分,具有明显的复杂性特征和潜在的次生衍生危害,而且破坏性严重,采用常规管理方式难以有效应对的突发事件。非常规突发事件具有不可预测性、多成因关联性、广泛影响性及演变复杂性等内在特点,致使其应急管理变得非常复杂,超出当前的观察实验、统计分析和微分方程建模的能力范畴,使传统的“预测—应对”型应急管理模式难以应对非常规突发事件的各种建模、分析、管理和控制等方面的挑战。综合利用管理科学、信息科学、心理科学等多个学科的优势与最新研究成果,基于ACP方法构建“情景—应对”型的平行应急管理理论、方法、技术与实验平台以增强应对非常规突发事件的能力水平已成为此类应急管理研究的重要途径。

人工社会是一种在建模与仿真基础上发展起来的研究社会科学的新方法。其基本思路如下:人类社会是由大量个人构成的复杂系统,因而可以在计算机中建立每个人的个体模型,这样的计算机中的模型被称为Agent;然后让这些Agent遵循一定的简单规则相互作用;最后通过观察这群Agent整体作用的涌现属性找到人工社会的规律,并用这些规律解释和理解现实人类社会中的宏观现象。

20世纪90年代初由美国兰德公司研究人员提出人工社会的概念后,2003年欧美学者提出了基于代理的计算人口学。而后,2004年王飞跃教授提出了人工社会、计算实验与平行系统相结合的ACP社会计算方法,并系统阐述了这一方法论的指导思想、基础原理、原则方法、应用方向与解决方案,以解决实际社会系统中不可准确预测、难以拆分还原、无法重复实验等复杂性问题。ACP方法是基于复杂社会系统存在“多重世界”的观点,构建具有现实意义的计算化人工社会实验室,“生长培育”各种可能的未来现实;综合利用多种数据感知与同化手段,实现人工社会与真实社会的平行演化;利用计算实验方法对可能的未来现实情景进行各种试验,分析和评估行动方案;通过平行执行,达到动态优化管理与控制的目的。

ACP方法不是单纯针对某一特殊对象、某一特定领域的复杂系统的解决方案,而是针对复杂系统中共同存在的不可准确预测、不可拆分还原、无法重复实验等共性问题的综合解决方法。ACP方法要实现从基础理论方法到非常规突发事件应急管理的实践应用,还要针对突发事件应急管理的特殊要求进行特异性的系统性研究,为此,王飞跃教授又提出了平行应急管理方法。

平行应急管理方法是一种基于人工社会的应急管理计算实验,主要针对社会性事件,在复杂网络建模技术和真实社会信息获取技术的基础上,引入智能体描述大规模社会中的群体和个体,模拟社会接触网络的演化和突发事件中人群的行为与交互。该方法通过网络开源情报采集和融合技术获得实时数据而改进仿真实验,为再现社会系统的复杂性,逼近非常规突发事件发生、演化的社会背景提供了良好的技术基础,可为非常规突发事件应急演练、预案评估和处置提供实验的途径。

平行应急管理方法的基础是人工社会计算实验。采用多Agent技术构建人工社会进行计算实验已成为非常规突发事件模拟仿真研究的重要方向。在重大研究计划中,重点关注面向城市疫情与网络舆情突发事件的平行应急管理研究,期望基于组件化、多范式与Agent等建模技术,以标准化方式集成应急管理的研究成果来建立多尺度、多应用层面的城市人工社会,提供高性能、开放式、可拓展的仿真环境,支持人机结合的动态可视化展示与交互,为疫情与网络舆情突发事件应急管理研究和辅助决策提供服务。

本书是在重大研究计划“非常规突发事件应急管理”支持下,开展“基于平行应急管理的非常规突发事件动态仿真与计算实验集成升华平台”研究的阶段性成果总结,主要论述社会性突发事件应急管理领域的人工社会与计算实验理论方法与技术。目的是使读者了解人工社会的基本概念、发展与应用,以及其在基于“情景—应对”应急管理模式中的作用和应用过程;了解如何基于元模型、组件来构建人工社会,如何基于人工社会进行应急管理计算实验,以及人工社会计算实验平台设计的基本方法与技术。基于此目的,本书针对疫情传播和舆情传播两类特定的社会性突发事件,从复杂系统仿真和ACP方法入手,讨论人工社会、平行应急管理、人工社会Agent建模、人工社会网络建模、疫情与舆情突发事件建模、人工社会构建、人工社会计算实验平台设计等内容,介绍一些突发事件应急管理计算实验的案例。

本书分为十章。第1章“概述”,从建模与仿真的基本概念论述开始,回顾应急管理中系统仿真的应用,综述所关注问题的特点,在此基础上分析面临的挑战和应对的基本思路;从复杂系统仿真问题引出人工社会研究的作用,在此基础上,论述面向应急管理的人工社会、计算实验与平行执行的ACP方法,阐述平行应急管理的基本概念。第2章“人工社会”,较系统地论述面向应急管理的人工社会,介绍人工社会的基本概念、研究进展与建模发展、人工社会的构成与分类、人工社会的构建思路与工具。第3章“社会性突发事件的平行应急管理”,在概述两类社会性突发事件特征的基础上,论述情景、“情景—应对”和突发事件情景的概念,介绍平行应急管理研究面临的问题与挑战,概述平行应急管理系统的功能需求、结构组成和应用模式。第4章“人工社会中个体Agent建模”,主要讨论一般人工社会中人工人口的Agent建模方法。首先综述Agent建模的一般方法,讨论人工社会的Agent元建模框架,然后针对人工人口的时空地理行为建模和心理行为建模进行深入的讨论。第5章“人工社会网络建模方法”,在分析复杂网络的基本概念基础上,对面向应急管理的人工社会所涉及的社会关系、接触网络和交通网络建模方法进行研究。第6章“社会性疫情突发事件建模”,在分析经典疫情事件传播模型的基础上,分别讨论面向人工社会疫情传播建模方法、疫情传播的人工社会模型、疫情传播的复杂网络模型。第7章“突发事件网络舆情传播建模”,对网络舆情事件发生、发展和演变过程进行分析和建模,重点研究面向舆情仿真的人工社会模型体系、网络舆情传播阶段建模,以及基于“心理—行为”机制的网民信息处理模型。第8章“人工社会生成方法”,主要讨论基于模型及统计数据构建人工社会的具体方法,包括人工社会的形式化描述、人工人口迭代生成方法、人工地理环境生成方法以及多层社会关系网络生成方法。第9章“人工社会计算实验平台设计”,讨论在上述方法的基础上,如何设计一个支持应急管理人工社会构建和运行的平台。第10章“突发事件应急管理计算实验案例”,结合社会性疫情事件和舆情事件的案例来阐述人工社会计算实验过程,介绍三类突发事件人工社会计算实验的例子。

利用人工社会进行计算实验的方法与技术来构建事件发生、发展、转化和演变的“情景”是解决“情景—应对”型非常规突发事件应急管理问题的一种重要途径。高度综合和具有一定复杂度的人工社会构建是实现这一途径的核心工作之一,该方面的研究涉及多个学科领域,目前还处于起步阶段。本书作为阶段性成果总结,有许多方面还有待完善,也需要同行的帮助指正。

书稿中吸纳了课题组各位老师和同学的研究成果,包括曹志冬副研究员、李凤霞教授、曾华锋教授、骆志刚教授、廖东升教授、郭刚副教授、梅珊副教授,以及樊宗臣、孟荣清、王维、任意、李祯、周鑫、艾川、程子龙、宁丹丹等同学。与书稿相关的研究工作得到范维澄院士、王飞跃教授的指导,得到黄柯棣教授、闪淳昌研究员、于景元研究员、刘铁民研究员、孟小峰教授、李一军教授、高自友教授、杨列勋研究员、曾大军教授、查亚兵教授、刘忠教授和朱一凡教授的关心和支持,得到协作课题组张辉教授、黄丽华教授、刘怡君研究员、刘霞教授、戴伟辉教授、刘奕副教授、何凌南副教授等的帮助。书稿引用了大量公开发表的论文和著作中的材料,在参考文献中列出,在这里对所有作者一并表示致谢。

本书第1章邱晓刚执笔,第2章邱晓刚、宋智超执笔,第3章邱晓刚、张鹏执笔,第4章陈彬、张烙兵执笔,第5章邱晓刚、刘亮执笔,第6章葛渊峥、段伟、邱晓刚执笔,第7章马亮、邱晓刚执笔,第8章邱晓刚、宋智超执笔,第9章邱晓刚、张鹏执笔,第10章陈彬、邱思航执笔。邱晓刚、陈彬和张鹏对书稿进行了统稿。

感谢5年来在团队工作过的老师和学生,感谢所有与我们合作过的专家、朋友,感谢科学出版社徐倩编辑的辛勤工作。

本书的研究工作得到国家自然科学基金重大研究计划“非常规突发事件应急管理研究”的集成升华平台支持项目“基于平行应急管理的非常规突发事件动态仿真与计算实验集成升华平台”(项目号:90924030)的支持,还得到国家自然科学基金项目(91024032、71673292、61503402、61403402、61374185、71373282)以及“青年人才托举工程”项目的支持。

书中或有不足之处,敬请读者批评指正。

作者

2016年12月于北京

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