一種大規(guī)模人口建模與仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種大規(guī)模人口建模與仿真方法，其中大規(guī)模人口是指構成某個城市或國家的社會人口的有機集合，其基本思想是：在微觀上，定義個人的年齡、性別、戶籍、職業(yè)、財富等屬性，將人的日常生活分為睡眠、飲食、勞作、休閑等有限狀態(tài)；宏觀上，將全部人口按照個人-家庭-社區(qū)-鄉(xiāng)鎮(zhèn)-縣市-省州-國家的層次關系進行組織，建立知識與信息的傳播機制；建立水、糧食、土地、礦山等資源模型，建立旱澇、地震、戰(zhàn)爭等災害抽象模型。采用統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行人口初始化，以時間驅動個人狀態(tài)和行為的演進，采用并行處理進行仿真計算。該方法為研究大規(guī)模社會問題提供定量的方法，是對傳統(tǒng)定性方法的革新，對社會組織管理、體制結構優(yōu)化等具有較好的應用價值。
【專利說明】一種大規(guī)模人口建模與仿真方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明所屬領域為復雜系統(tǒng)科學，涉及社會計算領域中多智能體建模、計算實驗等技術。
【背景技術】
[0002]人工系統(tǒng)是研究復雜系統(tǒng)的新興計算手段，各種人工系統(tǒng)的建立在一定程度上解決了使復雜系統(tǒng)研究人員深感興趣并深受困擾的問題。復雜社會問題的ACP(ArtificialSystem,Computational Experiments,Parallel Execution)方法。人工系統(tǒng)(ArtificialSystem)是研究復雜系統(tǒng)的新興計算手段，各種人工系統(tǒng)的建立在一定程度上解決了使復雜系統(tǒng)研究人員深感興趣并深受困擾的問題:因為復雜而產(chǎn)生研究興趣，可是又由于太復雜而無法在現(xiàn)實中把握具體、有意義的研究對象，以至無法進行具體和實質性的研究工作，更不能針對研究對象進行實驗。而計算實驗(Computational Experiments)方法的提出，使我們可以利用計算對復雜系統(tǒng)進行各種“實驗”，達到對復雜系統(tǒng)行為和能力進行預測和評估的目的。通過人工系統(tǒng)和計算實驗，平行執(zhí)行(Parallel Execution)方法又為在“不斷探索和改善”原則下，對復雜系統(tǒng)進行調控和管理奠定了基礎。人工系統(tǒng)、計算實驗和平行系統(tǒng)方法形成了研究復雜系統(tǒng)的完備理論和方法體系，成為系統(tǒng)科學和工程進一步發(fā)展的理論支撐之一。人工系統(tǒng)的建模是ACP方法的基礎。
[0003]人工社會系統(tǒng)中，人的模型是最基本和關鍵的要素，同時也是社會計算中的難點。在人的建模方面，經(jīng)濟學、智能科學、游戲等領域中不同時期的國內外學者開展了廣泛得研究。諾貝爾獎得主司馬賀提出了經(jīng)濟學領域中的理性人的理論，心理學家馬斯洛提出了人的層次需求理論，人工智能領域中多智能體方法得到廣泛的應用，人工生命同樣引起學術界的廣泛關注，在計算機游戲中，各種角色也體現(xiàn)了人的智能化特點。在社會計算領域，更多的是在RePast、NetLogo等軟件平臺上采用多智能體的建模方法，在某具體的領域中開展仿真研究，仿真規(guī)模相對較小。而大規(guī)模、通用的人口建模與仿真方法，是研究社會穩(wěn)定、政府決策、突發(fā)事件、災害應急等重大社會問題的關鍵，這方面的研究還處于起步階段。

【發(fā)明內容】

[0004]在研究社會發(fā)展歷程、政府決策的實施效果預評估、群體性突發(fā)事件的起因和預防、重大自然災害應急預案、傳染性疾病的傳播和預防、謠言等社會危害言論的傳播等重大社會問題的過程中，人口都是基本要素。因此，在綜合社會學、經(jīng)濟學、心理學和計算機科學的基礎上，提出通用大規(guī)模的人口模型和并行仿真方法，對社會計算和復雜性科學理論的發(fā)展有積極的理論和實用價值。
[0005]本發(fā)明即實現(xiàn)了這樣一種通用大規(guī)模的人口建模方法，其基本思想是其基本思想是:在微觀上，定義個人的年齡、性別、戶籍、職業(yè)、財富等屬性，將人的日常生活分為睡眠、飲食、勞作、休閑等有限狀態(tài)；宏觀上，將全部人口按照個人-家庭-社區(qū)-鄉(xiāng)鎮(zhèn)-縣市-省州-國家的層次關系進行組織，建立知識與信息的傳播機制；建立水、糧食、土地、礦山等資源模型，建立旱澇、地震、戰(zhàn)爭等災害抽象模型。采用統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行人口初始化，以時間驅動個人狀態(tài)和行為的演進，采用并行處理進行仿真計算，其主要步驟如下:
[0006]步驟1:根據(jù)宏觀統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，按照性別、年齡和地域完成總體人口的初始化，設置水源、糧食、土地、礦產(chǎn)等總體資源的分配；
[0007]步驟2:按照“個人-家庭-社區(qū)-鄉(xiāng)鎮(zhèn)-縣市-省州-國家”的層次關系建立人口組織樹；
[0008]步驟3:根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律隨機設置個人的睡眠、飲食、勞作、休閑的初始狀態(tài)，設置個人各項狀態(tài)指標隨時間的變化規(guī)律；
[0009]步驟4:基本時間單位加1，更新人口的狀態(tài)和指標；
[0010]步驟5:設置氣候、環(huán)境、疾病等突發(fā)事件(可選項)；
[0011]步驟6:若仿真時間未到，返回步驟4，若到達設定的時間，仿真結束。
[0012]本發(fā)明的有益效果是將社會科學與智能科學相結合，將宏觀的人口原理與微觀的行為需求原理相結合，完成對大規(guī)模人口的建模和仿真，是對社會計算領域中人口建模方法的創(chuàng)新，在社會問題分析中具有重要的應用價值，特別是在研究社會穩(wěn)定問題的起因和預防、政府決策的評估與完善、突發(fā)事件與災害應急預案等重大社會問題方面具有重要的理論和參考價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是以交通出行為例的人口仿真流程圖；
【具體實施方式】
[0014]下面將結合附圖對本發(fā)明加以詳細說明，應指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。本發(fā)明從上述基本思想出發(fā)，以交通仿真中的出行需求模擬為例，說明人口模型的建立和使用方法，包括如下步驟，同時在圖1中說明使用流程:
[0015]步驟1:確定“人”所屬的階層，由所屬階層進一步隨機決定其城市空間位置分布、出行時刻(結合活動狀態(tài))、出行方式(結合出行距離)等交通出行要素的取值范圍。
[0016](I)從社會人口的各階層分析入手，根據(jù)城市人口在工作日期間的交通出行的習慣方式和對交通設施、車輛的使用情況，結合職業(yè)分類特點，在中國社會科學院《當代中國社會階層研究報告》的基礎上對城市人口進行了面向交通出行的分類:政治和企業(yè)精英階層，私營企業(yè)主和個體工商戶階層，商業(yè)服務和辦事員階層，一般產(chǎn)業(yè)工人階層，交通運輸從業(yè)人員階層，中小學生，家庭主婦及老齡離退休階層，城市外來人群，城市無業(yè)、失業(yè)和半失業(yè)階層。
[0017](2)人口的城市空間分異。以各階層人口的比例作為依據(jù)，將人口群體分配到城市空間的不同區(qū)域，從而確定交通仿真系統(tǒng)的人口初始分布，即確定了交通出行的起始點。本項目以社會學的研究成果為基礎，把城市空間分為:1中心商業(yè)區(qū)、2外圍商業(yè)區(qū)、3行政教育區(qū)、4工業(yè)區(qū)、5郊外工業(yè)區(qū)、6上層住宅區(qū)、7中層住宅區(qū)、8下層住宅區(qū)和9往返地區(qū)，共9種功能區(qū)域。
[0018](3)確定出行方式。城市人口的交通出行方式主要包括:步行、自行車、摩托車、公共交通(電車、地鐵、輕軌、公共汽車)、出租車、專用機動車等。不同的階層擁有不同的交通資源，出行方式是一個主要的表現(xiàn)方面。每個階層的每種出行方式都有一定的概率，本項目結合人口個體所屬階層及此概率，確定人口的出行方式。
[0019]步驟2:初始化變量指標，與系統(tǒng)時間一同決定“人”的活動狀態(tài)
[0020]根據(jù)城市人口各個階層的馬斯洛需求分析，將城市居民的活動狀態(tài)分為四種:生理需求狀態(tài)、工作狀態(tài)、生活支撐狀態(tài)、休閑提高狀態(tài)。在每種狀態(tài)下，考慮的主要活動的場所如下:休息與恢復(家庭)、就餐(飯店)、就醫(yī)(醫(yī)院)、工作(單位)、購物(商場)、理財(銀行)、休閑(體育館等)以及出行(交通環(huán)境)。
[0021]步驟3 人”各項需求指標沿系統(tǒng)時間軸變化，三項項指標的相對關系決定在某一狀態(tài)下向其他狀態(tài)轉移的概率
[0022]人的生活狀態(tài)轉移是產(chǎn)生交通出行需求的根本原因。本項目基于馬斯洛的層次需求理論，定義3個變量來描述人的活動狀態(tài)，并以此決定狀態(tài)轉移概率的變化。生理安全指數(shù)L(Life and Safe)、情感滿足指數(shù)E (Emotion)和尊重成就指數(shù)A (Achievement),相應的狀態(tài)變量定義為:VL、VE和VA，表示了當前狀況下的指標值。由此可以定義不同指標的需求度DeL、DeE和DeA:DeL = L-VL ；DeE = E-VE ；DeA = A-VA。需求度決定了轉移概率的變化。
[0023]步驟4:產(chǎn)生狀態(tài)轉移隨機數(shù)，觸發(fā)狀態(tài)轉移，產(chǎn)生交通出行
[0024]人工系統(tǒng)所產(chǎn)生的每一個“人”，并不是直接進入人工交通環(huán)境，而是在各個狀態(tài)之間以一定規(guī)律轉移，每一次狀態(tài)的轉移引發(fā)一次交通出行，只有在這種情況下，“人”才從某個地點通過某種出行方式進入人工交通系統(tǒng)。
[0025]步驟5 人口”在人工交通仿真環(huán)境中的交通出行過程；
[0026]步驟6:交通出行完畢，“人”在新的空間位置下進入新的狀態(tài)，并重復第三步的過程。
[0027]以上所述，僅為本發(fā)明中的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發(fā)明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內，因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種通用大規(guī)模的人口建模方法，其基本思想是其基本思想是:在微觀上，定義個人的年齡、性別、戶籍、職業(yè)、財富等屬性，將人的日常生活分為睡眠、飲食、勞作、休閑等有限狀態(tài)；宏觀上，將全部人口按照個人-家庭-社區(qū)-鄉(xiāng)鎮(zhèn)-縣市-省州-國家的層次關系進行組織，建立知識與信息的傳播機制；建立水、糧食、土地、礦山等資源模型，建立旱澇、地震、戰(zhàn)爭等災害抽象模型。采用統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行人口初始化，以時間驅動個人狀態(tài)和行為的演進，采用并行處理進行仿真計算，其主要步驟如下: 步驟1:根據(jù)宏觀統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，按照性別、年齡和地域完成總體人口的初始化，設置水源、糧食、土地、礦產(chǎn)等總體資源的分配； 步驟2:按照“個人-家庭-社區(qū)-鄉(xiāng)鎮(zhèn)-縣市-省州-國家”的層次關系建立人口組織樹； 步驟3:根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律隨機設置個人的睡眠、飲食、勞作、休閑的初始狀態(tài)，設置個人各項狀態(tài)指標隨時間的變化規(guī)律； 步驟4:基本時間單位加I，更新人口的狀態(tài)和指標； 步驟5:設置氣候、環(huán)境、疾病等突發(fā)事件(可選項)； 步驟6:若仿真時間未到，返回步驟4，若到達設定的時間，仿真結束。
【文檔編號】G06F17/50GK103699747SQ201310733220
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權日:2013年12月27日
【發(fā)明者】繆青海, 黃敏 申請人:中國科學院大學