Пространственная динамика человеческих популяций: некоторые базовые модели

 

Роберт А. Ханнеман
(robert.hanneman@ucr.edu)

Кафедра социологии
Калифорнийский университет, Риверсайд

 

Проблема

Этот небольшой проект вырос из моего разочарования в попытках интегрировать мои ранние работы, основанные на самостоятельной тренировке в «динамика систем,» новые и возникающие произведение, основанное на «сложных систем» и «агентного» моделирования.

«Динамика систем» особую «школу» социальной науки подходы к применению нелинейного дифференциального уравнения моделирование. Эта традиция имеет богатый инструментарий для понимания, моделирования и имитационных экспериментов, систем, которые имеют тенденцию быть довольно сложным в плане числа переменных и сложных функциональных отношений между ними. Но, традиция имеет сильный уклон в сторону зачатие проблемы как «закрытой системы», а мышление-это во многом «сверху-вниз».

В последние годы все больше социальной науки моделирование сообщества стала помолвлена с «агент подходов, который тесно связан с ростом интереса к «сложности» и «возникновение.» Модели этого общего типа «снизу-вверх» и увидеть макро структуры как вытекающие из ограниченных и локально направленного действия с числами, связанных актеры. Актеры (или подсистем, или агентов), как правило, рассматривать как минимально комплекса сами по себе (часто ограничивается наличием одной или двух категориальных атрибутов и простое действие правил). Комплекс динамического поведения является следствием сцепления топологии агентов.

На самом базовом уровне нет никакой разницы между двумя подходами. «Системы» часто с пользой для дела рассматриваются как состоящие из нескольких взаимодействующих «суб-систем.» То есть множество систем моделей не первого порядка, и может (и делает) отображения сложной динамики. Аналогично, можно легко придумать агентов как «суб-систем.» Которой акцент сделан наиболее полезным будет, вероятно, зависеть проблему; агент моделей, как правило, дают нам лучше рычаги влияния проблем, связанных с возникновением (и, возможно, эволюции) сцепления топологии; системы моделей, как правило, дают нам более эффективно использовать не понимая их диапазон-от-движения и историческая динамика типов проблем.

Как макро-социолог, мои основные интересы находятся в динамике и эволюции умеренно крупномасштабных систем (сообществ, организаций, классов, обществ). Обычно бывает так, что «агентов» этих типов нужно иметь достаточно большое количество атрибутов (переменных), и часто довольно сложную (нелинейную, изолированная, условные) правила, описывающие их поведение. Эти потребности заранее распорядиться макро-моделирование на системном подходе. Но, очевидно, что соединение нескольких взаимодействующих агентов макро критично (моя другая основная сфера исследования в социальных сетях). Динамика сообществ, затрагиваемых их примыканий к другим общинам; внутренняя динамика национальных государств затрагивает способ, которым они встраиваются в системы с другими национальными государствами. Там часто бывают умеренно большого числа агентов в явном макро-модели и топологии их соединение может быть сложным. Такого рода вопросы заранее распорядиться modeler для агентного подходов.

В моделях, разработанных в этот текст, мы начинаем объединить две традиции вместе, как они относятся к макросоциологической динамике. Мы будем работать с несколькими макро-теорий, касающихся демографических, экологических, политических и экономических процессов. Эти теории выражаются в виде нелинейного дифференциального уравнения модели, описывающие внутреннюю динамику в агент. Мы потом пару ряд этих сложных агентов в макро системе. Мы понимаем муфты агентов как «пространственные», а следовательно и рисовать какую-то сторону от традиций моделирование физических систем в экологии и географии. Модели социальной динамики, однако, требуют гибкой и множественной концепции «пространства». В частности, анализ социальных сетей предоставляет способы концептуализации муфты типологии сложных социальных систем таким образом, что может рассматриваться как «социальное пространство».

Социальные науки вопросы

Расстояния между, и связей среди социальных субъектов (людей, семей, сообществ, организаций, групп населения) являются, очевидно, важными в кондиционеры многих форм социальных действий. Во многих областях общественных наук, расстояния и связи регулярно цифра в модели динамики (например. демография и экология, сетевой анализ). Много важных теорий в социальных науках, хотя, платят на редкость мало внимания пространство — пространство или жизнь как досадную «помеху.»

Во многом, это похоже на теоретизирование принципы динамики физического взаимодействия предполагая, что «идеальный вакуум» и «без трения поверхностей.» Эти допущения полезны попасть в основу теоретических принципов, но очевидные ограничения с практической инженерной точки зрения. Большую тревогу вызывает возможность того, что игнорирование или чрезмерного упрощения расстояния и связей между социальными субъектами-это скорее похоже на попытку снизить динамика молекулярных взаимодействий в атрибуты атомов. Это не работает, даже в теории.

Предполагая, что расстояние не имеет значения, в социальных отношениях может быть разумным для некоторых динамика — если все мы стремимся понять теоретические равновесные исходы; но расстояние может имеют огромное значение для практического применения социальных теорий. Но многие социальные явления могут быть встроены в пространство такими способами, которые не могут быть проигнорированы, даже абстрактно. Свойства и динамика социальной структуры могут возникать в нелинейных способов из серии «муфта топология» или «связанность» деталей.

Наша цель, конечно, полезно, общей теории социального действия. Расстояние и соединения могут быть граничные условия или явные условия в таких теориях, или они могут быть основные понятия. Для построения теорий, которые принимают расстояние и соединение серьезно, очень хорошая стратегия, чтобы двигаться назад и вперед между нашими развивающимися теорией и аналитических моделей, которые явно связаны с ними. Одна из задач проекта-попытаться вывести расстояние и проблемы с подключением более явно, в некоторых очень основных социальных теорий.

Это не нового, или уникального предприятия. Есть очень большие и отличные литератур, что делать занять роль дистанционного серьезно в социальной динамике. Мы может быть добавить кирпичную или два к стене, но главная цель-попытаться привлечь больше социальных ученых, чтобы начать думать, и играть с пространственной динамики в широком диапазоне суб-полей и приложений.

Технические вопросы

Есть ряд важных и полезных социальных наук макро моделей, которые включают несколько сложных агентов, сопряженных между собой (например: Международные фьючерсы). Есть также ряд превосходных агент на основе моделей, учитывающих множественные агенты (например Sugarscape). Построение моделей этих типов имеет, до недавнего времени, было большое обязательство, поскольку большинство таких моделей были разработаны с использованием языков высокого уровня. Большинство социальных ученых (к сожалению) имеют весьма ограниченную подготовку в области программирования и достаточно элементарной математики, которые необходимы, чтобы развиваться и экспериментировать с системами или агента моделей.

Простые и доступные программные средства существуют для обеих систем моделирования (например, Stella, Мадонна, Vensim, добавить другие) и для агентное моделирование (например, логотип, Рой, трапеза, и др.). Разработка моделей любой сложности в таких средах, утомителен, и требует немного обучения. Но работы программного обеспечения-скамейки, как это сделать моделирование доступным для большинства обществоведов. Модели, которые мы представляем на страницах этого сайта разработаны для запуска в Беркли Мадонна среды. Код для алгоритмов был сделан максимально простым, прозрачным, и портативные, как это возможно. Мадонна программная среда находится в свободном доступе для просмотра моделей (и это очень недорого за полную версию). Мы остановились на Мадонну как наша Платформа, потому что он имеет очень хороший вход, выход, и графические инструменты, простой синтаксис для написания программ, библиотеки полезных функций, и поддержкой одной и двух мерные массивы — которые необходимы для построения пространственных моделей.

То, что Мадонна не имела, что мы нуждались для нашего приложения, инструменты для обработки сложных муфты топологий среди большого числа агентов. Наш основной вклад на техническом уровне заключается в том, что мы разработали достаточно простой и портативные модули кода, которые могут быть использованы для решения некоторых общих муфты топологий, необходимых для макро-модели: окрестности, расстояния и смежности сети. Массив обработки Мадонна может иметь дело с большим числом внутренне сложных агентов. Мы добавили некоторые инструменты для обработки некоторых муфты вместе большого числа агентов.Наша цель-облегчить разработку моделей сложных агентов, внедренных в комплекс помещений, без необходимости писать много кода.

В код, в Мадонну, для всех моделей этой странице находятся загружаемые со страниц сайта. В большинстве случаев, сам код довольно простой, и мы постарались обеспечить достаточную документацию с комментариями, чтобы понять, какие программы делают. С помощью Мадонны среды и лишь немного программирования, большинство моделей может быть заявлено в удивление нескольких строк кода. Наша цель, конечно, — побудить вас играть и модифицировать код таким образом, что вы найдете интересным и полезным.

Учение о динамике

Понятие, выражающее теорий, как формальных математических моделей динамики является обычным явлением в большинстве физических, биологических наук. Это не так часто встречается в социальных науках. Это достойно сожаления, и может создать своего рода «языковой барьер» между частями научного сообщества. Но все большее число социологов понимают, ценят, и принимают эти средства; и там постоянный поток кадров и идей от физических и естественных наук в социальные науки областях и в междисциплинарных усилий, таких, как Института Санта Фе.

Одной из наших целей было увеличение запаса достаточно легкий в использовании инструменты для учения о динамике, которые «говорят» социологи. Это вряд ли можно назвать уникальными или новая цель. Математические социологи предоставили очень полезные тексты, от времени до времени (в социологии, некоторые экземпляры произведения Farraro, Лейк и Микер, Коулман, лавэ и марте). Практические инструменты моделирования и теории-сообщил преподавания моделирования также были вокруг в течение некоторого времени. Очень заметные ранние усилия в социологии Уильям Симс Бэйнбридж в социологии Лаборатория. Совсем недавно, несколько междисциплинарного моделирования общины сделали очень серьезную и полезную работу, предоставление инструментов и примеров, которые говорят непосредственно к социальной науке учебные программы (например, Руфь и Хэннон моделирования динамических … систем томов, логотип, трапеза, и Рой).

Мы разделяем с этими авторами идею о том, что инструментарий все социальные ученые должны включать оценку систем и агентное моделирование — даже если многие социологи редко будет делать их основную работу, используя эти инструменты. Делая более доступными инструментами, которые могут быть использованы в основной инструкции в теории (и, возможно, определенных материальных полей) надеемся на дальнейшее поощрение усилий, чтобы сделать работу такого типа «нормальный» в социальных науках. Модели здесь не «курс.» Но они могут быть полезны представляя некоторые основные идеи и инструменты для мышления о роли доступности и связности в социальной науке теоретизирования. В частности, темами расстояние и соединения не являются обычным явлением в существующие дидактические материалы для общественных наук (хотя многие из существующих работ не рассмотрены некоторые из тех же вопросов).

В имитационных моделях

Чтобы быть до конца честным, нет четкого единого логического порядка, который организует большинство материалов на страницах данного веб-сайта. Действительно, мы надеемся, что более короткие модули будут разрабатываться интересные проблемы возникают, чтобы пользователи, которые хотят поделиться ими здесь.

Вы будете, вероятно, хотеть сделать две вещи во-первых, и затем образец от остальных, как вам удобно.

Посмотрите через «приступая к работе» материал на оставшейся части этой страницы. Мы предоставим Вам некоторую базовую информацию о том, как работать с софтом и моделей в другие страницы.

Затем, смотрите на странице в «Единой популяции пространственная Динамика.» Эту страницу, и прилагаемой модели, объяснить наши основные концептуальные позиции «пространства». Он также разрабатывает базовые алгоритмы обработки окрестности, расстояния и сетей, которые мы будем применять в предметных примеров на других страницах.

Тогда, если ты все еще с нами, нет реального заказа. Каждая страница предназначена для того, чтобы иметь дело с набором тесно связанных вопросов, но нет никакого реального линейного порядка среди самих страниц.

Приступая к работе

Все модели, которые мы обсуждаем на страницах этого сайта могут быть загружены (они все очень маленькие файлы). Они в .ММД формата, и предназначены для использования с Беркли Мадонна моделирования окружающей среды. Вы можете скачать версию Мадонна, которая позволит вам просматривать и эксперимента с моделями бесплатно. Для создания моделей, однако, Вам необходимо будет приобрести программное обеспечение (Студенческая версия стоит $99).

Вы можете скачать программное обеспечение от Беркли Мадонна сайт:

http://www.berkeleymadonna.com/

Есть графические блок-схемы инструмент для редактирования, который требуется java использовать. Мы не будем использовать этот инструмент.

Если вы хотите знать больше, вы можете захотеть взглянуть на руководство пользователя:

Беркли Мадонна Руководство пользователя

На рисунке ниже показан снимок экрана пользовательского интерфейса Мадонны среды (Windows-версия).

12

 

Модели построены и модифицированы в уравнении окна, и использовать достаточно естественного языка. Значительную библиотеку из функций , доступных. Результаты достигаются в диаграммах и таблицах. Табличные данные могут быть экспортированы. Наш график также показывает моделирование управления окном.

Окружающей среды имеет отличные инструменты для того, чтобы экспериментировать с моделями, изменяя параметры, и делаешь несколько прогонов (либо для случайных начальных условий, или изучить чувствительность модели по диапазонам параметров).

Одной чертой Мадонны является весьма полезна для видов пространственных моделей, которые мы будем строить. Это способность входных параметров и начальных условий из внешних файлов. Предположим, что мы строили модель движения человеческого населения и животного населения в пространстве (хищник-жертва » модель, которую мы рассмотрим подробно на другой странице). Мы создадим популяций хищников (людей) и добычей в каждой из девяти пространственных зон, расположенных в виде квадрата сетки. Можно, конечно, хотим создать гораздо более крупных средах (скажем 100 на 100).

Чтобы предоставить значения численности хищников и число жертв в каждом из 9 квадратов в начале моделирования, мы могли бы просто написать немного кода в Мадонну. — Наверное, это легче визуализировать, и для реализации этого права путем строительства «карту» начальные значения мы бы хотели. На следующем рисунке показан снимок экрана электронной таблицы Excel (обратите внимание, что лист был сохранен в виде .в CSV — файле, не лист Excel).

spreadsheet

 

В первой строке и столбце используются, чтобы предоставить номера индекса для выявления мест из девяти пространственных областях. Значения во внутренней клетки обеспечивают начальные значения (в данном случае) число хищников. В примере мы указали в качестве стартовой популяции хищников 1000, все сконцентрировано в центре пространства. Несколько файлов используются, чтобы инициализировать несколько переменных, по мере необходимости.

Как только начальное значение карта была создана, существует два дополнительных шагов. Во-первых, немного программный код написан для вызова файла. Вот пример.

code_for_file_load

 

Первая строка является комментарием. Вторая строка указывает, что мы инициализируем переменную «pred_tmp» через двумерный массив, который имеет размеры «начинаются..конец» на «начало..конец.» Значения «begin» и «End» расположены в другом месте в программе в «1» и «3» (в данном случае), чтобы создать 3 на 3 сетки. Это квадратный массив, мы рассказываем в программе, должен быть заполнен данными из внешнего файла (#) с именем «пред» (тот, который мы создали выше). Внешний файл должен быть считан с этой строкой (я) и столбца (J), в котором индексы восстанавливаются. Этот последний немного своеобразен — по какой-то причине, Мадонна индексов массива данных по столбцам и строкам. Мы хотим, чтобы наши внешние данные файлы похожи на строки по столбцу показать на карте пространство, которое мы строим … так что перевод нужен.

В этом примере мы также призываем другой файл инициализации число добычу через девять квадратов сетки.

Когда этот код на месте, мы должны сказать Мадонна (вы только должны сделать это один раз), где найти данные, и загрузить его. Это делается из менюФайл>импортировать набор данных. Используйте браузер, чтобы определить местонахождение файла таблицы, и выберите его.
То появится показанное ниже диалоговое окно.

import_dialog

Так как мы завозим набор начальных значений, которые мы хотим прочитать, как двумерный массив, мы выбрали радиокнопку «Матрица (2Д).» Вы можете использовать точно такой же метод, чтобы импортировать один или более векторов в модели — которые иногда полезно для настройки параметров и другие задачи инициализации.

После того как вы создали или открыли модели уравнений, и загружаются внешние файлы данных (если таковые имеются), вы можете использовать инструменты моделирования эксперимента с моделью, производя линейную диаграмму и таблицу вывода. В таблице вывода могут быть экспортированы для использования в других программах.

Мадонна не иметь «карту», как отображение сетки за выход — это неудачное ограничение для видов моделей, которые мы хотим построить. Мы все еще работаем над этой проблемой, и надеюсь, что либо сделать или найти один инструмент, который позволит графическое представление переменных в виде квадратной матрицы — желательно с анимацией.

Это вполне достаточно, и достаточно для начала. Посмотрите на несколько страниц этого сайта, заглянуть в Руководство пользователя. Посмотрите код на несколько наших моделей. Я думаю, вы найдете, что это будет не сложно выучить освоить необходимые навыки для создания полезных моделей в Мадонну, и черезэто среда моделирования экспериментировать с ними. Мы ведь не обещает, что это не работа; но мы действительно думаем, что это гораздо легче, чем большинство альтернатив, доступных в настоящее время для построения пространственных моделей.

Ссылка на оригинал статьи: http://faculty.ucr.edu/~hanneman/spatial/intro.html

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>