Макаров В.Л., Бахтизин А.Р. Социальное моделирование - новый компьютерный прорыв

  Настоящая книга посвящена описанию нового инструмента компьютерного моделирования, получившего название агент-ориентированных моделей. Используемые термины в английском языке: agent-based models, multi-agent approach, autonomous agent systems и т.п.

  Авторы монографии детально объясняют, что такое агент-ориентированные модели и как они строятся, каково программное обеспечение для их реализации, какие трудности возникают при их построении и последующем использовании в разных областях. Особое внимание уделено применению суперкомпьютеров и геоинформационных систем, которые в последнее время широко используются как в науке, так и в бизнес-сфере.

  Книга предназначена для широкого круга читателей и представляет наибольший интерес для специалистов по социальному моделированию, а также для аспирантов и студентов соответствующих специальностей.

  Термин «социальное моделирование» появился довольно давно. Еще в 1978 г., когда в г. Воронеже впервые была организована школа-семинар «Системное моделирование социально-экономических процессов», ее участники призывали специалистов переходить от экономического моделирования к социальному.

  Многие читатели помнят, что в 1960–1970-х годах в СССР, да и в мире в целом, бурно развивались математические методы моделирования применительно к экономике. Нобелевские лауреаты по экономике К. Эрроу, Дж. Дебре, В.В. Леонтьев, Л.В. Канторович, Л. Кляйн были кумирами экономистов-математиков. Собственно социальная составляющая еще пребывала в тени, хотя вдумчивые ученые понимали, что без комплексного подхода, в частности без социальной компоненты, не обойтись.

  Слова «системное» и «социальное» в названии упомянутой школы-семинара появились не случайно. Ее основатели С.С. Шаталин и Н.Я. Краснер старались формировать программу работы так, чтобы кроме чисто экономико-математических докладов были системные и социальные. Основатели уже в мире ином, а школа-семинар живет и в 2012 г. на заседании в помещении дворянского собрания г. Костромы отметила свое 35-летие.

  В настоящее время социальное моделирование стало новым мощным направлением в общественных науках. Уже четырежды в разных частях света — в Киото, Вашингтоне, Касселе, Тайбэе — проводился мировой конгресс по социальному моделированию (World Congress on Social Simulation). Подробную информацию о нем на русском языке можно получить на сайте Лаборатории искусственных обществ. Существуют специализированные издания, например онлайновый журнал JASSS (Journal of Artificial Societies and Social Simulation), уже ставший достаточно известным.

  Математическое и компьютерное моделирование пришло в социальную область значительно позднее, чем в экономику, которая тоже относится к общественным наукам. Ничего удивительного: экономика с самого начала имела дело с числами, и измерения в ней присутствовали едва ли не со времен Аристотеля. Что же касается таких явлений, как совесть, долг, зависть, дружба, доверие, эмоции, удовольствие от общения и многие другие виды взаимоотношений людей в обществе, то их измерять не так-то просто. Более того, сами определения этих явлений нуждаются в уточнениях, в таких формулировках, которые было бы возможно заложить в компьютерные программы.

  Понятно, что сколько-нибудь адекватно смоделировать в компьютере известную иррациональность человеческого поведения невозможно. При принятии некоторых решений человек неосознанно учитывает такое количество факторов, и настолько сложных и многообразных, что они не придут в голову ни одному специалисту по компьютерному моделированию. Тем не менее современные инструменты позволяют успешно имитировать вероятностные процессы, использовать нечеткую логику и прочие ухищрения математиков, так что ученые постепенно приближаются к тому, чтобы отразить в модели иррациональное поведение отдельного человека.

  Настоящая книга посвящена описанию нового инструмента компьютерного моделирования, получившего название агент-ориентированных моделей (АОМ). Используемые термины в английском языке: agent-based models, multi-agent approach, autonomous agent systems и т.п.

  Суть этого инструмента в том, что благодаря увеличению мощности компьютеров стало возможным описывать поведение многих отдельных фрагментов сложной системы. В результате мечта многих мыслителей научиться объяснять макроявление на основе поведения его составных частей стала воплощаться в реальность. Например, физики, умеющие описывать поведение элементарных частиц, создали компьютерную имитацию действий большого ансамбля таких частиц и стали изучать его поведение в компьютере, а не в жизни. Таким образом появилось понятие искусственной реальности.

  В настоящее время выходит несколько научных журналов, специально посвященных искусственным явлениям, в частности «Искусственная жизнь» (Artificial Life). Наш интернет-журнал, отражающий в основном развитие и применение инструментария АОМ, так и назван — «Искусственные общества».

  Социальные явления — предмет многовековых споров выдающихся ученых. О соотношении индивидуальной свободы человека и его общественного сознания дискутировали в свое время великие философы Кант и Гегель. Кант считал, что человек создан Богом для познания самого себя и потому его индивидуальная свобода — главное. Поэтому, кстати, многие считают Канта основоположником либерализма. По Гегелю, человек тоже существо свободное, но главное его предназначение — познать в себе Бога, который воплощает все, в том числе государство, общественные интересы и пр. (см., например, [Ойзерман, 2008]). В наше время этот вопрос детально исследовали Дж. Бьюкенен и Г. Таллок [Buchanan, Tullock, 1962], которые придерживаются стандартной для современной экономической теории точки зрения о первичности индивидуальной свободы. Они критикуют, в частности, Платона за его понимание человека как общественного существа.

  С появлением агент-ориентированного подхода дискуссии переместились в другую, менее философскую, но более точную и тем самым более научную плоскость. Никто не спорит об исходной посылке, что человек — существо, обладающее свободной волей. Вопрос упирается в правила (законы) поведения. Надо исследовать, как человек пользуется этой свободой. В АОМ принят термин «агент», причем агент, обладающий свойством автономности. Автономность может быть разная: у электронов она своя, а у фирм своя, у человека своя, а у государства или шайки своя. Все зависит от правил поведения агента.

  Правила поведения человека в обществе существенно зависят от исторического периода, культуры, религии. Из исторических и этнографических материалов каждый из нас получил представление о своеобразии поведения российских старообрядцев, китайцев времен Мао Цзэдуна, жителей Папуа — Новой Гвинеи, современных американцев. Но весьма значительны и различия в правилах поведения между современными жителями разных стран Европейского союза, и в последнее время появляются исследования этих различий. В частности, В. Гинзбург и Ш. Вебер [Ginsburgh, Weber, 2011] вводят числовые измерители расстояния между языками и степени разнообразия языков внутри одной страны.

  В данной книге мы детально и подробно объясняем, что такое АОМ и как они строятся, каково программное обеспечение для их реализации, какие трудности возникают при их построении и последующем использовании. Особое внимание уделено применению суперкомпьютеров и геоинформационных систем, которые в последнее время широко используются как в науке, так и в бизнес-сфере.

  К сожалению, существенного прорыва в объединении программного обеспечения для разработки АОМ и геоинформационных систем пока не произошло. Состоявшаяся в феврале 2012 г. специальная конференция Ассоциации американских географов Agent-based Models and Geographical Systems констатировала, что и то и другое направление бурно развиваются, но их объединение запаздывает. В содержательном плане абсолютно естественно представить действия агентов в геоинформационных системах. Это существенно приближает АОМ к реальности. В компьютерных играх, особенно в так называемых онлайн-играх (например, Second life), такое объединение имеет место, но пока такие игры плохо приспособлены к использованию в качестве инструмента для научных и практических целей.

  Подробному описанию результатов экспериментов, проведенных с целью исследования конкретных социальных проблем, объяснению наблюдаемых в жизни явлений, нахождению новых закономерностей будет посвящена следующая книга. Здесь мы ограничиваемся рассмотрением нескольких примеров, которые приводятся в основном для иллюстрации способов использования инструмента АОМ. Кстати сказать, в научной литературе пока еще не сложился стандарт описания моделей и получаемых на их основе результатов. Продолжаются дискуссии о том, что есть научный результат как следствие экспериментальных расчетов на компьютере. В частности, разумно предлагается публиковать (в приложении) текст программ, по которым проводятся расчеты, чтобы независимая группа могла повторить результаты при необходимости. Такая практика принята, например, в журнале JASSS.

  Итак, предлагаемая книга разбита на четыре главы по следующей схеме. В первой главе мы объясняем, что такое АОМ, прослеживаем историю их возникновения и показываем, какие новые возможности открываются для исследователя при использовании АОМ.

  Вторая и третья главы посвящены наиболее острым и актуальным проблемам, стоящим перед разработчиками и пользователями АОМ: запуску АОМ на суперкомпьютерах и объединению программного обеспечения для разработки АОМ и геоинформационных систем. Использование суперкомпьютеров для АОМ становится неизбежным. В реальной жизни агентов много — скажем, людей миллионы и миллиарды. Только суперкомпьютер может справиться с таким количеством агентов. Об актуальности объединения программного обеспечения для разработки АОМ и геоинформационных систем уже говорилось выше.

  Во второй главе мы описываем прежде всего зарубежный, в основном американский, опыт запуска АОМ на суперкомпьютерах. А далее рассказываем о собственном опыте испытаний АОМ на доступных суперкомпьютерах: «Чебышеве», «Ломоносове», суперкомпьютере РАН. Разница в скорости вычислений на суперкомпьютере и ноутбуке составляет несколько порядков. Поэтому «овчинка стоит выделки», хотя существенные трудности остаются.

  В третьей главе мы сосредотачиваемся на сравнении двух подходов к организации взаимодействия АОМ и геоинформационных систем. Первый состоит в том, что действующая в АОМ окружающая среда, в которой функционируют агенты, превращается в пространство работы геоинформационной системы. Мы описываем наш собственный опыт работы в рамках данного подхода. Второй вариант организации взаимодействия АОМ и геоинформационных систем представляется более перспективным. В нем за основу берется геоинформационная система, внутри которой строится АОМ. Здесь, конечно, возникают свои трудности. Нужно организовать эффективное взаимодействие двух программ — геоинформационной системы и АОМ — так, чтобы поведение агентов можно было различать прямо на карте. В оценке преимуществ и недостатков каждого из этих подходов с нами соглашаются большинство авторов статей в уникальной книге «Agent-Based Models of Geographical Systems», посвященной различным аспектам интеграции АОМ и геоинформационных систем [Heppenstall, Crooks, See, Batty, 2012]. Не стоит и говорить, что такие гибридные продукты — созданные на основе и первого, и второго подходов — непросто адаптировать к работе на суперкомпьютере.

  Наконец, четвертая глава посвящена задачам, которые решаются с применением АОМ. В частности, мы пытаемся убедить читателя, что никаким другим из известных способов такие результаты получить нельзя.

  АОМ находят все более широкое применение в самых разнообразных сферах. Все охватить невозможно. Мы останавливаемся только на тех исследованиях, в которых сами принимали непосредственное участие. Особое внимание хотелось бы обратить на проблему порождения социальных норм, которая ранее изучалась обществоведами без применения специального инструментария и в решении которой сейчас наметился прорыв именно благодаря АОМ. Как уже отмечалось выше, содержательному социальному моделированию, в частности построению искусственных обществ, мы планируем посвятить отдельную книгу.

  Введение

  1. Агент-ориентированные модели — новый инструмент моделирования общественных процессов

  2. Разработка агент-ориентированных моделей для суперкомпьютеров

  3. Агент-ориентированные модели и геоинформационные системы

  4. Социально-экономическое моделирование с помощью агент-ориентированных моделей

  Заключение

  Литература