基于nelogo的多代理行為模型的構(gòu)建與應(yīng)用

基于nelogo的多代理行為模型的構(gòu)建與應(yīng)用

1消費(fèi)者行為的研究方法城市街道（中心）是城市生活的重要場(chǎng)所。我國(guó)城市化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)必然使得商業(yè)街興建與改造的需求相應(yīng)增長(zhǎng)。因此,值得加強(qiáng)對(duì)商業(yè)空間運(yùn)行規(guī)律的研究來(lái)更好地支撐這種需求。從根本上講,商業(yè)街運(yùn)行規(guī)律就是其中的消費(fèi)者的活動(dòng)規(guī)律。商店是否受歡迎、街道是否擁擠、設(shè)施是否夠用等反映商業(yè)街績(jī)效的主要指標(biāo),都是個(gè)體消費(fèi)者行為集合的結(jié)果;而消費(fèi)者行為一定程度上受到商業(yè)空間環(huán)境的影響。消費(fèi)者與商業(yè)空間的互動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,用數(shù)理模型定量化地研究消費(fèi)者行為和決策,成為商業(yè)街消費(fèi)者行為研究中較為可行和常用的方法。在國(guó)外,用模型方法研究商業(yè)街中消費(fèi)者行為始于20世紀(jì)70年代。早期的研究借鑒了交通研究中常用的空間相互作用/重力模型,如斯科特(Scott)和荻島(Hagishima等應(yīng)用重力模型解釋商業(yè)街區(qū)各條街道中的人流量與商店數(shù)量、街道環(huán)境等因素間的關(guān)系。伯格斯(Borgers)和梯姆曼斯(Timmermans)在重力模型的基礎(chǔ)上加入了馬爾科夫鏈(Markovchain)方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)消費(fèi)者行為動(dòng)態(tài)的把握。但是自從70年代末解釋個(gè)人決策機(jī)制的隨機(jī)效用理論(Randomutilitytheory)和相應(yīng)的離散選擇模型(Discretechoicemodels)被提出以后,這些模型已經(jīng)基本上取代了重力模型,成為研究消費(fèi)者行為的主流模型方法。齊藤(Saito)和石橋(Ishibashi)用多項(xiàng)分對(duì)數(shù)模型(Multinomiallogitmodel,離散選擇模型的一種)結(jié)合馬爾科夫鏈實(shí)現(xiàn)了對(duì)商業(yè)街各地塊中消費(fèi)者人數(shù)的預(yù)測(cè)。伯格斯和梯姆曼斯應(yīng)用多項(xiàng)分對(duì)數(shù)模型解釋消費(fèi)者選擇街道的概率,并進(jìn)一步納入了人們的活動(dòng)歷史作為內(nèi)生變量,增強(qiáng)了模型概括真實(shí)行為的能力。朱瑋等首次在多項(xiàng)分對(duì)數(shù)模型的效用函數(shù)中引入時(shí)間因素,發(fā)現(xiàn)了消費(fèi)者選擇商店行為隨時(shí)間的規(guī)則性變化。國(guó)內(nèi)學(xué)者使用模型方法研究商業(yè)街消費(fèi)者行為開(kāi)展得較晚且數(shù)量有限。曹嶸等以上海徐匯區(qū)某商業(yè)地段為對(duì)象,對(duì)零售業(yè)面積和街道人流量做了相關(guān)性分析,以此探討了零售業(yè)布局的優(yōu)勢(shì)微觀區(qū)位。王德等首先對(duì)上海南京東路和北京王府井大街消費(fèi)者的特征和空間行為作了基本分析,并進(jìn)行了比較。在此基礎(chǔ)上,朱瑋等進(jìn)一步用離散選擇模型建立起消費(fèi)者選擇地塊的概率和空間要素的關(guān)系。運(yùn)用這些模型,朱瑋和王德分析了南京東路消費(fèi)者的移動(dòng)軌跡,依此討論了南京東路商業(yè)空間中的潛在問(wèn)題。消費(fèi)者行為模型為定量地預(yù)測(cè)分析商業(yè)空間變化后的消費(fèi)者行為以及相應(yīng)的商業(yè)街績(jī)效變化,提供了基礎(chǔ)。但是,將抽象的模型轉(zhuǎn)化為操作性較好的預(yù)測(cè)工具仍需適當(dāng)?shù)募夹g(shù)。大約從20世紀(jì)90年代開(kāi)始,多代理人系統(tǒng)(Multi-agentsystem,MAS)得到不斷地完善,并已經(jīng)成為行為模擬研究的一大熱點(diǎn)。多代理人系統(tǒng)并非特指某個(gè)系統(tǒng),而是指一種模擬的框架,其核心是對(duì)個(gè)體(代理人)行為的模擬。通常系統(tǒng)都通過(guò)計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。代理人可被認(rèn)為是一個(gè)自動(dòng)的、目標(biāo)導(dǎo)向的軟體,可以具備屬性、實(shí)施行動(dòng)。這種開(kāi)放靈活的框架還允許定義復(fù)雜的代理人之間的交互作用。當(dāng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力足夠模擬眾多的代理人同時(shí)行動(dòng)時(shí),就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界運(yùn)行的逼真模擬。將消費(fèi)者行為模型與多代理人系統(tǒng)相結(jié)合是目前消費(fèi)者行為模擬的前沿手段,眾多專(zhuān)門(mén)的系統(tǒng)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)。戴克斯特(Dijkstra)等開(kāi)發(fā)了模擬商業(yè)環(huán)境中消費(fèi)者行為的AMANDA系統(tǒng)。該系統(tǒng)借鑒了元胞自動(dòng)機(jī)(Cellularautomata)方法,將代理人(消費(fèi)者)置于柵格空間內(nèi)。代理人在模擬商業(yè)空間中的活動(dòng)取決于一系列模型。首先,代理人可據(jù)有活動(dòng)計(jì)劃,用于模擬根據(jù)計(jì)劃安排活動(dòng)的消費(fèi)者行為。代理人被賦予感知范圍,模擬有空間限制的消費(fèi)者對(duì)環(huán)境的感受。當(dāng)某個(gè)商店被代理人感知時(shí),系統(tǒng)根據(jù)偏好模型模擬消費(fèi)者光顧商店的決策。由哈克雷(Haklay)等開(kāi)發(fā)的STREETS系統(tǒng)有更完整的模擬層面。他們首先在宏觀層面用城市人口數(shù)據(jù)和地理信息推算在某商業(yè)中心內(nèi)活動(dòng)的消費(fèi)者人數(shù)。然后在中商業(yè)街觀層面,模擬具有給定計(jì)劃的代理人的活動(dòng)路徑。在代理人沿著路徑行進(jìn)的過(guò)程中,他們能夠在微觀模型的控制下,選擇空間目標(biāo)或避讓障礙物和其他代理人。類(lèi)似Legion等商業(yè)模擬軟件也已經(jīng)在大量消費(fèi)者行為數(shù)據(jù)的支撐下獲得一定的成功。多代理人系統(tǒng)研究2000年以后逐步引起國(guó)內(nèi)學(xué)者的注意,首先由系統(tǒng)工程、地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)W者對(duì)該方法的原理作了介紹和研究,并有學(xué)者開(kāi)始應(yīng)用在交通、環(huán)境、人口等領(lǐng)域。在土地利用與規(guī)劃的研究中,多代理人方法被應(yīng)用于模擬各類(lèi)決策主體(如居民、政府、開(kāi)發(fā)商)的交互作用對(duì)土地使用的影響。陳鵬對(duì)大學(xué)校園內(nèi)學(xué)生流動(dòng)和體育場(chǎng)觀眾疏散流動(dòng)進(jìn)行過(guò)模擬。但在商業(yè)街的消費(fèi)行為分析中,還未見(jiàn)該技術(shù)的應(yīng)用研究。本文將介紹筆者在研究上海南京東路消費(fèi)者行為的過(guò)程中,用多代理人系統(tǒng)作為檢驗(yàn)行為模型的平臺(tái)的經(jīng)驗(yàn)。主要目的在于提供一種模擬、預(yù)測(cè)商業(yè)街消費(fèi)者行為的方法和框架。需要指出的是,筆者提出的系統(tǒng)中使用了與現(xiàn)有消費(fèi)者行為模擬系統(tǒng)中不同的行為模型,稱(chēng)為有限理性模型,但這些模型將不在本文的討論范圍內(nèi)(讀者可參閱朱瑋和梯姆曼斯)。這個(gè)模擬平臺(tái)包括系統(tǒng)的建構(gòu)、代理人行為模擬流程,以及用于比較模擬代理人行為和實(shí)際消費(fèi)者行為的指標(biāo)。在南京東路收集的消費(fèi)者行為數(shù)據(jù),被用于擬合模擬系統(tǒng)中的行為模型。比較模擬結(jié)果與實(shí)際行為,討論該模擬系統(tǒng)中的問(wèn)題。2模擬平臺(tái)2.1消費(fèi)者模擬平臺(tái)由于現(xiàn)有模擬消費(fèi)者行為的多代理人系統(tǒng)不能滿(mǎn)足筆者所采用的模型和行為框架,筆者開(kāi)發(fā)了基于NetLogo的模擬平臺(tái)。NetLogo(見(jiàn)/netlogo)是一個(gè)開(kāi)源的多代理人可編程建模環(huán)境,具有相當(dāng)?shù)撵`活性和拓展性。該環(huán)境使用柵格表達(dá)空間,代理人就在柵格空間中活動(dòng);系統(tǒng)通過(guò)命令語(yǔ)句控制代理人的導(dǎo)向和移動(dòng)步數(shù),每一步(一個(gè)單位計(jì)算時(shí)間)占據(jù)一個(gè)柵格,連續(xù)起來(lái)就能夠模擬人的移動(dòng)。筆者的消費(fèi)者模擬平臺(tái)由四個(gè)主要部分組成:(1)全局變量,用來(lái)存儲(chǔ)整個(gè)模擬過(guò)程所所有代理人或柵格都能使用的信息;(2)代理人,表達(dá)能夠做決策并移動(dòng)的消費(fèi)者個(gè)體。每個(gè)代理人有5種需求:回家(結(jié)束購(gòu)物)、選擇方向、休息、光顧商店、原地停留。系統(tǒng)根據(jù)代理人的需求模擬其下一步的決策和行為。(3)柵格空間,表達(dá)物理環(huán)境,由表達(dá)實(shí)際中5m*5m的柵格組成。每個(gè)柵格屬于6種類(lèi)型中的一種(圖1):①地塊,代理人無(wú)法活動(dòng)的空間;②街道,代理人的活動(dòng)空間;③入口,代理人開(kāi)始購(gòu)物活動(dòng)的出發(fā)點(diǎn);④導(dǎo)向點(diǎn),用來(lái)引導(dǎo)代理人的行進(jìn)方向,一般設(shè)置在街道交叉口或者街道形狀的急劇轉(zhuǎn)折點(diǎn);⑤休息點(diǎn),用于供代理人休息;⑥商店,代理人的購(gòu)物場(chǎng)所;(4)操作界面,提供方便的控制和實(shí)時(shí)觀察模擬環(huán)境變化的媒介。2.2不能滿(mǎn)足特殊需求的情況圖2顯示了模擬流程。對(duì)每個(gè)代理人的模擬開(kāi)始于代理人從一個(gè)入口點(diǎn)進(jìn)入商業(yè)街。該入口點(diǎn)的位置根據(jù)觀察到的消費(fèi)者開(kāi)始活動(dòng)的位置的分布隨機(jī)抽取。類(lèi)似地,代理人開(kāi)始活動(dòng)的時(shí)間也根據(jù)實(shí)際觀察到的消費(fèi)者到達(dá)商業(yè)街的時(shí)間分布隨機(jī)抽取。進(jìn)入后,代理人所作的第一個(gè)決策就是選擇行進(jìn)方向①,如果有幾個(gè)方向可供選擇的話(huà)。被選的方向決定了代理人的活動(dòng)空間,也就是說(shuō)其他方向內(nèi)的商店和休息點(diǎn)將被忽略。代理人的行進(jìn)方向立即指向所選方向內(nèi)最近的導(dǎo)向點(diǎn)。接著模擬休息行為。首先程序檢查休息是否已經(jīng)在代理人的需求列中。需求列用于放置代理人暫時(shí)不能滿(mǎn)足的需求,如此來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)中消費(fèi)者因特定的原因無(wú)法滿(mǎn)足某些需求而提升其他需求的優(yōu)先級(jí)別的行為。在這個(gè)系統(tǒng)中,僅兩種需求會(huì)進(jìn)入需求列:休息和購(gòu)物。這兩種需求的優(yōu)先級(jí)別會(huì)根據(jù)不同的行為結(jié)果互換。對(duì)于剛開(kāi)始活動(dòng)的代理人,休息不在需求列內(nèi),他需要決定是否休息(2)。如果決定休息,那么將同休息已經(jīng)在需求列中的情況一樣,開(kāi)始尋找休息點(diǎn)。搜索休息點(diǎn)的空間限定于代理人的行進(jìn)方向,并規(guī)定了100m的搜索范圍。該范圍可大致理解為模擬消費(fèi)者的感知范圍,但更多的是為了提高模擬效率而主觀設(shè)定的。范圍的大小對(duì)模擬的結(jié)果影響很小。模擬中,代理人搜索該范圍內(nèi)最近的休息點(diǎn),如果存在,便將休息從需求列中刪除并向該點(diǎn)移動(dòng)。當(dāng)代理人到達(dá)目標(biāo)休息點(diǎn)后,系統(tǒng)根據(jù)活動(dòng)延時(shí)模型(3)生成休息所需要的時(shí)間,他便在該點(diǎn)停留直至延時(shí)用盡。接著,代理人考慮是否回家(4)。如果決定回家,便結(jié)束對(duì)該代理人的模擬;如果決定繼續(xù)購(gòu)物,代理人重新開(kāi)始選擇方向。在搜尋休息點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)上,如果代理人沒(méi)能在搜索范圍內(nèi)找到休息點(diǎn),他就將休息置入需求列并賦予購(gòu)物較高的優(yōu)先級(jí)。只有當(dāng)當(dāng)前的行進(jìn)方向中有商店的時(shí)候,代理人才開(kāi)始尋找合適的商店光顧,否則他將重新選擇新的方向。搜索合適商店的過(guò)程類(lèi)似于搜索休息點(diǎn),代理人從它最近的商店開(kāi)始,判斷某商店是否滿(mǎn)足他的要求(5)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)合適的商店后,代理人便其移動(dòng),到達(dá)后生成活動(dòng)延時(shí)并停留相應(yīng)時(shí)間。完成在商店的活動(dòng)后考慮是否回家。如果在搜索范圍內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)滿(mǎn)意的商店,在休息存在于需求列的情況下,休息的優(yōu)先級(jí)將被提高。接著,代理人檢查當(dāng)前方向是否存在。如果存在,他將朝最近的導(dǎo)向點(diǎn)移動(dòng)20步(經(jīng)過(guò)大約100m的已經(jīng)被搜索過(guò)的范圍),然后在新的地點(diǎn)尋找休息點(diǎn)或商店(在無(wú)需休息的情況下)。如果當(dāng)前方向不存在,則需要選擇新的方向。2.3業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)績(jī)效指標(biāo)在檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪^(guò)程中,筆者在三個(gè)方面對(duì)集合層面的模擬代理人行為和實(shí)際觀察的消費(fèi)者行為作了比較。比較集合行為主要因?yàn)樗鼈兪窍嚓P(guān)實(shí)踐人員(如規(guī)劃師、開(kāi)發(fā)商、商業(yè)街管理部門(mén))主要關(guān)心的績(jī)效指標(biāo)。這三項(xiàng)指標(biāo)包括:(1)進(jìn)行不同類(lèi)型活動(dòng)的消費(fèi)者在不同時(shí)間點(diǎn)上的數(shù)量分布。這些活動(dòng)包括購(gòu)物、休息、行走,綜合起來(lái)就得到消費(fèi)者總數(shù)。另外比較了已經(jīng)回家的消費(fèi)者的累計(jì)人數(shù),用來(lái)檢驗(yàn)回家模型。這些分布通過(guò)在模擬過(guò)程中,截取從10:00-21:00共12個(gè)整數(shù)鐘點(diǎn)時(shí)代理人的數(shù)量獲得。(2)不同時(shí)間點(diǎn)上在不同街道段中的消費(fèi)者數(shù)量分布,用以研究商業(yè)空間的動(dòng)態(tài)使用情況。(3)單個(gè)商店中的消費(fèi)者光顧人次和總的光顧延時(shí),反映商店的吸引力。3調(diào)查方法和樣本的獲取研究所采用的數(shù)據(jù)來(lái)自2007年對(duì)上海南京東路消費(fèi)者的問(wèn)卷調(diào)查。圖3顯示了調(diào)查的范圍。南京東路基本呈東西走向,西側(cè)始于西藏中路,東側(cè)終于外灘,全長(zhǎng)約1600m,其中從西藏中路至河南中路間為約1000m的步行街。來(lái)自同濟(jì)大學(xué)城市規(guī)劃系的20名學(xué)生在5月19日(周六)和22日(周二)兩天內(nèi)實(shí)施了調(diào)查,每天從12:00開(kāi)始至2000結(jié)束。他們隨機(jī)地邀請(qǐng)步行街和外灘中的消費(fèi)者參加調(diào)查(6)。對(duì)于同意參加的消費(fèi)者,調(diào)查員首先問(wèn)詢(xún)了他們的當(dāng)前狀態(tài):剛開(kāi)始活動(dòng)、進(jìn)行到一半、即將結(jié)束;然后記錄他們的個(gè)人社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況;最后根據(jù)消費(fèi)者的回憶,順序記錄了他們從開(kāi)始活動(dòng)到當(dāng)前狀態(tài)間的活動(dòng)過(guò)程,包括:入口位置、時(shí)間,每一個(gè)光顧過(guò)的商店,在店內(nèi)的活動(dòng)、延時(shí),活動(dòng)所花費(fèi)的金額,計(jì)劃結(jié)束活動(dòng)的時(shí)間和出口位置。調(diào)查最終收集了811份有效樣本,其中393份(48.5%)于19日收集,418份(51.5%)于22日收集。這個(gè)數(shù)據(jù)被用來(lái)擬合回家決策、方向選擇決策、休息決策、商店光顧決策4個(gè)模型。4模擬結(jié)果4.1消費(fèi)者生活特征為了便于模擬,筆者對(duì)模擬的空間環(huán)境作了一些簡(jiǎn)化,去除了主要街道以外的次要街道,并視之為地塊。這樣,代理人僅在主要街道中活動(dòng),這也符合實(shí)際中絕大多數(shù)消費(fèi)者的活動(dòng)特征。為了便于統(tǒng)計(jì)消費(fèi)者活動(dòng)的空間變化,調(diào)查范圍又被劃分為12個(gè)街道段(圖4)。步行街包含段②-⑧;一些沿線(xiàn)商店超過(guò)50m的商業(yè)支路也被視作街道段,如段③、⑦、⑨和?。模擬的代理人數(shù)為236人,這是為了與調(diào)查樣本中具有完整活動(dòng)過(guò)程(即將結(jié)束)的消費(fèi)者數(shù)量保持一致,使結(jié)果有可比性。模擬進(jìn)行了20次,每次在處理器主頻為1.6GHz的個(gè)人微機(jī)上耗時(shí)約20分鐘。比較指標(biāo)取20次的平均值,以盡可能消除單次模擬中的隨機(jī)效果。4.2商業(yè)模型的預(yù)測(cè)能力分析圖5顯示了從事不同活動(dòng)類(lèi)型的消費(fèi)者數(shù)量隨時(shí)間的變化分布。每張圖中的橫軸均代表12個(gè)時(shí)間點(diǎn),左側(cè)縱軸代表人數(shù),右側(cè)縱軸代表各項(xiàng)活動(dòng)人數(shù)占總?cè)藬?shù)的比例。圖5a中,模擬的代理人數(shù)量與觀察的消費(fèi)者數(shù)量非常吻合地在下午15:00左右呈單峰狀分布。圖5b中在商店內(nèi)活動(dòng)的代理人數(shù)量分布也非常接近觀察量,幾個(gè)明顯的拐點(diǎn)都把握得比較準(zhǔn)確。圖5c中正在休息的代理人數(shù)量分布較準(zhǔn)確地估計(jì)了12:00-15:00間的急劇上升,體現(xiàn)了這段時(shí)間內(nèi)消費(fèi)者休息的需求的快速增長(zhǎng)。過(guò)了15:00高峰后,觀察的數(shù)量平緩減少,但是模擬的數(shù)量下降得過(guò)快。圖5d中正在行走的代理人數(shù)量分布模擬得最差,主要原因是觀察到的樣本就非常少,很容易受到隨機(jī)因素干擾而不易預(yù)測(cè)。圖5e中兩曲線(xiàn)幾乎重合的狀況說(shuō)明回家模型總體上對(duì)消費(fèi)者在南京東路活動(dòng)的總時(shí)間估計(jì)還是相當(dāng)準(zhǔn)確的。圖5b-d中較細(xì)的曲線(xiàn)表示各種活動(dòng)的人數(shù)占總?cè)藬?shù)的比例。模擬也把握住了大的趨勢(shì):購(gòu)物的消費(fèi)者比例隨時(shí)間連續(xù)減少(從約90%到約60%),相應(yīng)休息的人數(shù)持續(xù)增加(從很少到約40%),符合人們因長(zhǎng)時(shí)間購(gòu)物需要補(bǔ)充體力的行為;行走的人數(shù)比例是最少的。各街道段中消費(fèi)者人數(shù)的時(shí)間分布(圖6)也總體上模擬得較好,雖然出現(xiàn)了比活動(dòng)類(lèi)型模擬中更多的欠估計(jì)或過(guò)估計(jì)。在觀察人數(shù)很少的街道段中,如段①、③、⑦、⑨、?,模擬的結(jié)果由于樣本量有限而相對(duì)隨機(jī)擾動(dòng)較大的原因顯得比較差,因而沒(méi)有被包括在圖中。對(duì)段②、④、⑧,這三條街道段的模擬相對(duì)較好;對(duì)段⑤和⑥的模擬較觀察量偏少,主要是因?yàn)樯痰旯忸櫮Ｐ蜎](méi)能突出若干具有特殊聲譽(yù)的商店的吸引力(如置地廣場(chǎng)、第一醫(yī)藥商店),這樣就增加了代理人僅僅路過(guò)這些段而不停留的可能性。在非步行街,由于觀察到的消費(fèi)者數(shù)量比步行街中少一半多,因此模擬顯得更不穩(wěn)定,段⑩內(nèi)的人數(shù)基本被高估,段?內(nèi)的人數(shù)基本被低估。最后通過(guò)兩張散點(diǎn)圖比較單個(gè)商店的吸引力(圖7)。圖7a中模擬的商店中的代理人數(shù)量反映了實(shí)際的趨勢(shì),較為規(guī)則地分布在等值線(xiàn)的兩側(cè)。但是仍存在一定量的欠估計(jì)或過(guò)估計(jì),這說(shuō)明商店光顧模型的預(yù)測(cè)能力還不夠完善。一方面消費(fèi)者的行為復(fù)雜性因人而異;另一方面研究中僅考慮了營(yíng)業(yè)面積和商店類(lèi)型兩個(gè)因素,其他因素如商店聲譽(yù)、經(jīng)營(yíng)策略、櫥窗擺設(shè)、購(gòu)物環(huán)境等都對(duì)消費(fèi)者的行為有一定影響,但鑒于研究的目的和復(fù)雜程度的限制未予考慮?？傮w上,觀察