基于動態(tài)博弈技術(shù)優(yōu)化配置數(shù)字圖書館共享資源模型

（寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所，銀川750002）

基于動態(tài)博弈技術(shù)優(yōu)化配置數(shù)字圖書館共享資源模型

●謝靜華,王銀惠,王?。▽幭霓r(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所，銀川750002）

動態(tài)博弈；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；資源優(yōu)化配置；共享資源模型

從數(shù)字圖書館需求的角度出發(fā)，提出基于動態(tài)博弈技術(shù)來優(yōu)化配置數(shù)字圖書館的共享資源，并構(gòu)建出相關(guān)的模型。同時分析了動態(tài)博弈網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特征、博弈機(jī)理、博弈方案，并介紹了有關(guān)的博弈方案和資源共享服務(wù)的輔助方式。

1 數(shù)字圖書館應(yīng)用動態(tài)博弈技術(shù)關(guān)鍵點

在構(gòu)建數(shù)字圖書館共享資源模型過程中，有三個關(guān)鍵鏈?zhǔn)遣┺闹攸c。（1）數(shù)據(jù)吞吐變化的信息是呈現(xiàn)不完全對稱的。數(shù)據(jù)的瞬時變化震蕩從整體上是不確定的，但在某些獨立的數(shù)字圖書館節(jié)點又有一定規(guī)律可循。如各高校圖書館一天中下午、晚上是數(shù)據(jù)吞吐高峰；一年中5～7月是數(shù)據(jù)流吞吐高峰，但寒暑假期間數(shù)據(jù)流量幾乎為零。由于數(shù)字圖書館的用戶和時間具有的不確定聚集性，所以事件發(fā)展的信息對網(wǎng)絡(luò)來說具有從模糊到清晰的過程。（2）根據(jù)不完全信息動態(tài)博弈的機(jī)理構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型評價指標(biāo)主要包括網(wǎng)絡(luò)的時延、時延抖動、吞吐量及丟包率等。［1］（3）應(yīng)對方案要具有隨時可調(diào)控的可操作性。數(shù)據(jù)吞吐的動態(tài)演變要求數(shù)字圖書館的后臺數(shù)據(jù)調(diào)控機(jī)制必須滿足在數(shù)據(jù)吞吐量及時延抖動出現(xiàn)劇烈變化時對數(shù)據(jù)并發(fā)數(shù)做出及時調(diào)整，避免造成數(shù)據(jù)冗余、用戶使用障礙、網(wǎng)絡(luò)癱瘓及后期維護(hù)負(fù)擔(dān)。

2 數(shù)字圖書館的動態(tài)博弈調(diào)整實現(xiàn)

2.1 數(shù)字圖書館的動態(tài)博弈調(diào)整過程

數(shù)字圖書館使用網(wǎng)絡(luò)動態(tài)博弈技術(shù)的技術(shù)核心是在個人用戶、數(shù)據(jù)、用戶需求、各個數(shù)據(jù)庫、其他共享圖書館、數(shù)據(jù)點、服務(wù)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)吞吐量、時延抖動等相關(guān)要素出現(xiàn)動態(tài)變化時及時啟動調(diào)控機(jī)制方案，對多地域、多用戶、多類別的資源、數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，其目標(biāo)是使應(yīng)對方案在實施過程中隨事件和環(huán)境的變化而變化。

以寧夏“三農(nóng)”數(shù)字圖書館為例。根據(jù)保守統(tǒng)計，從2011年8月至2012年8月，寧夏“三農(nóng)”數(shù)字圖書館點擊率為1460214次，用戶檢索908869次，下載文獻(xiàn)333391篇。

從2011年底開始，數(shù)據(jù)瀏覽、下載量就呈上升趨勢，2012年2月、3月峰值最高。這是因為此階段為科技項目申報期，下載量大于瀏覽及檢索行為，下行的峰值數(shù)據(jù)速率壓力增加。申報期過后，由于用戶在申報項目后期會關(guān)注專業(yè)發(fā)展動態(tài)，因此瀏覽、檢索量仍保持在5萬次左右，而下載量只有高峰期的1/3左右，瀏覽、檢索行為多于數(shù)據(jù)下載，要求網(wǎng)頁數(shù)據(jù)快速響應(yīng)。

運(yùn)用“動態(tài)博弈”原理，隨著上述各信息不斷變化或者說逐漸完全的n個階段狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)前所掌握的不完全信息，對事件進(jìn)行評估，針對可能出現(xiàn)的結(jié)果，選擇那些便于下一階段進(jìn)行調(diào)整的方案。再復(fù)雜一些，如果每個應(yīng)對方案是由若干項措施組成，就需要利用動態(tài)博弈機(jī)制將各種應(yīng)對方案的措施進(jìn)行重新組合，形成一個新的應(yīng)對方案，使得整個體系中的各節(jié)點在實施過程中能夠隨變化進(jìn)行技術(shù)或服務(wù)方式的調(diào)整。

2.2 動態(tài)博弈機(jī)理

由于采用動態(tài)博弈技術(shù)來優(yōu)化配置數(shù)字圖書館的共享資源的預(yù)案參數(shù)是資源量的吞吐速率，它是數(shù)據(jù)分布狀況、數(shù)據(jù)調(diào)用開始時間、調(diào)用持續(xù)時間、數(shù)據(jù)并發(fā)數(shù)的狀態(tài)、數(shù)據(jù)并發(fā)數(shù)的有關(guān)屬性（如密集使用的特定時間、地點、數(shù)據(jù)并發(fā)數(shù)指向的特定分類等）的參數(shù)，將其簡化為數(shù)據(jù)保障率（G）。

資源調(diào)配機(jī)制與數(shù)據(jù)并發(fā)數(shù)進(jìn)行博弈的目標(biāo)是及時控制數(shù)據(jù)并發(fā)數(shù)并使損失最小。實際工作中，數(shù)據(jù)并發(fā)數(shù)據(jù)是動態(tài)變化的，因此數(shù)據(jù)吞吐調(diào)配機(jī)制的策略關(guān)鍵就是從方案空間中選擇一個方案，使得保障率G在區(qū)間內(nèi)最大?？傮w來說，震蕩承受區(qū)間最優(yōu)方案的判定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是：該方案是在數(shù)據(jù)吞吐變化不確定性發(fā)展?fàn)顟B(tài)下，滿足一定保障率約束，同時使得成本最小化的應(yīng)對措施。

3 博弈方案［2］

（1）建立動態(tài)博弈模型的前期準(zhǔn)備。設(shè)定數(shù)字圖書館數(shù)據(jù)庫經(jīng)歷瞬時變化震蕩承受區(qū)間，首先要設(shè)計有效的信息流機(jī)制，包括建立計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、實現(xiàn)代碼共享、統(tǒng)一管理制度等。一旦需要，這些就能迅速地將分散在各地的數(shù)據(jù)有機(jī)的組合，形成能夠統(tǒng)一調(diào)動的有序數(shù)據(jù)，同時能夠有力地保障資源調(diào)用渠道的暢通。

（2）建立動態(tài)博弈模型的構(gòu)成要素。動態(tài)博弈模型的構(gòu)成要素為資源調(diào)配機(jī)制和數(shù)據(jù)并發(fā)數(shù)。

（3）建立動態(tài)博弈模型的策略空間。數(shù)據(jù)并發(fā)數(shù)：假設(shè)數(shù)據(jù)并發(fā)數(shù)中只有兩種可能的狀態(tài)S1、S2，則狀態(tài)空間為且S2＞S1，數(shù)據(jù)并發(fā)臨界點之間的轉(zhuǎn)移概率為Pij（ij=1，2）。

本研究通過3個子研究，驗證了近鄰信任可以減少低收入群體的短視行為。該研究結(jié)果與Jachimowicz等人(2016)在美國社會驗證的社區(qū)信任可使窮人更偏向遠(yuǎn)期決策的結(jié)果基本一致，使其在中國社會背景下得到支持。同時，有關(guān)社區(qū)治理的案例研究發(fā)現(xiàn)，有效的社區(qū)治理可以減少貧困，使居民不過度消耗環(huán)境資源，做出更加利于長遠(yuǎn)發(fā)展的遠(yuǎn)期決策，而鄰里之間的信任便是使社區(qū)治理機(jī)制有效運(yùn)作的關(guān)鍵因素之一(張捷，2013)，側(cè)面支持了研究結(jié)果。

假設(shè)資源調(diào)配機(jī)制只需在一定的時間之內(nèi)（本例中假定為2個時間半徑）以及一定的數(shù)據(jù)并發(fā)臨界點狀態(tài)下（S1，S2）將足夠數(shù)量的資源D調(diào)配到并發(fā)事故點（設(shè)為X），出現(xiàn)狀況有兩個，一是達(dá)到資源調(diào)配機(jī)制的目標(biāo)，二是只能在部分程度上控制數(shù)據(jù)并發(fā)事故狀態(tài)（0%＜G＜100%）。資源總量D與保障率G之間的關(guān)系見表1。

表1 資源總量與保障率之間的關(guān)系

假定現(xiàn)在有四個數(shù)據(jù)節(jié)點玉、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，它們距目的節(jié)點的距離（定義r為時間半徑）如下圖所示。

圖數(shù)據(jù)點示意圖

通過圖示可知，玉在一個時間半徑之內(nèi)，Ⅱ點位于一個時間半徑至兩個時間半徑之間，Ⅲ、Ⅳ兩點都是恰好距離X點兩個時間半徑。

（4）建立動態(tài)博弈模型方案。假定各資源節(jié)點的總數(shù)量D以及運(yùn)送一定數(shù)量的資源R到數(shù)據(jù)并發(fā)臨界點X的成本見表2。

表2 數(shù)據(jù)存放量和運(yùn)送成本數(shù)據(jù)

假定資源調(diào)配機(jī)制與數(shù)據(jù)并發(fā)數(shù)之間進(jìn)行兩輪博弈，以一個時間半徑為一個博弈階段，通過博弈得出一個博弈空間S。

設(shè)X點出現(xiàn)時延抖動劇烈事故，資源調(diào)配機(jī)制啟動，從最近的玉點調(diào)配80單位的資源R到X點，將該方案記為甲；在方案甲實施中，事件繼續(xù)發(fā)展進(jìn)入第二階段，調(diào)配機(jī)制方案有兩類選擇，即①從Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ三點調(diào)配40單位的資源到X點，使其累計資源總量達(dá)到120單位；②從Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ三點調(diào)配120單位的資源到X點，使其累計資源總量達(dá)到200單位。

根據(jù)表2所示，第一類方案又可以包括兩個子方案（方案2和方案3），累計資源總量都可達(dá)到120單位，差別是方案2的成本較低。因此選定方案2，在方案空間中記作乙；第二類方案又可以包括三個子方案（方案4、方案5和方案6），累計資源總量都可達(dá)到200單位，成本最低者為方案5。因此選定方案5，在方案空間中記作丙。

假定資源調(diào)配機(jī)制決策目標(biāo)以期望成本最小為決策準(zhǔn)則，同時博弈結(jié)束后預(yù)期保障率達(dá)到100%，如果沒能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，則須進(jìn)行彌補(bǔ)，但彌補(bǔ)成本較高，假定1%的保障率=20的彌補(bǔ)成本。則方案空間內(nèi)的期望成本E有：

通過上述計算，利用動態(tài)博弈模型生成的預(yù)案如下：

（2）數(shù)據(jù)并發(fā)數(shù)應(yīng)急事件發(fā)生，且狀態(tài)特征為S2，則最優(yōu)策略是在第一階段選擇方案甲，第二階段選擇方案丙。從玉點調(diào)配80單位的資源R到目標(biāo)點X；同時著手實施方案丙，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ三個資源節(jié)點分別調(diào)配30、50單位和40單位的資源分擔(dān)目標(biāo)點的數(shù)據(jù)流量和服務(wù)的壓力；預(yù)期能夠在2個時間單位內(nèi)將事件完全控制住，滿足用戶需求。預(yù)期總成本為220。

4 共享資源優(yōu)化配置模型

數(shù)據(jù)上行下載的動態(tài)變化特性決定了在數(shù)據(jù)配置的同時必須考慮數(shù)據(jù)量的動態(tài)變化不是平衡的也不是穩(wěn)定的，而是由當(dāng)前狀態(tài)向另一類或更深一級的動態(tài)變化發(fā)展的可能性，因此進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)配的動態(tài)調(diào)整，最終保證數(shù)據(jù)的有效利用，達(dá)到合理處置數(shù)據(jù)吞吐瞬時變化震蕩的目標(biāo)，這就是基于動態(tài)博弈網(wǎng)絡(luò)技術(shù)思想下的數(shù)據(jù)優(yōu)化配置。

4.1 布局重點

應(yīng)急管理中的數(shù)據(jù)布局問題包括數(shù)據(jù)點的選址和配置兩個部分，力圖解決的問題就是數(shù)據(jù)點的設(shè)置，即數(shù)字圖書館共享節(jié)點的選擇。選擇哪個省、哪個圖書館作為數(shù)據(jù)資源的節(jié)點、配置什么專業(yè)的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)規(guī)模等，目的是使數(shù)據(jù)的供應(yīng)量達(dá)到最大或最優(yōu)。節(jié)點布局問題具有四個基本要素：用戶、設(shè)施、空間設(shè)施（離散型網(wǎng)絡(luò)）、用來表示用戶和設(shè)施之間距離大小或時間長短的度量（設(shè)置權(quán)重的距離或時間）。［3］

4.2 布局的模型［4］

模型以一個城市作為研究區(qū)域，并劃分為多個待服務(wù)的小區(qū)域，將小區(qū)域假設(shè)為一個個有不同需求的可能數(shù)據(jù)調(diào)用高峰。第一數(shù)據(jù)調(diào)用高峰發(fā)生時，對數(shù)據(jù)的需求函數(shù)取決于數(shù)字圖書館數(shù)據(jù)調(diào)用率即數(shù)據(jù)的供應(yīng)效率。簡單情況下，假設(shè)一旦某個可能數(shù)據(jù)調(diào)用高峰發(fā)生，由兩個點調(diào)配數(shù)據(jù)就能夠應(yīng)對，我們將從兩個節(jié)點調(diào)用資源的過程視為兩個階段，兩個階段數(shù)據(jù)的數(shù)量分別構(gòu)成一個組合。在兩個點位置已確定的情況下，兩個階段數(shù)據(jù)調(diào)用高峰對數(shù)據(jù)的需求量是兩個點到被供應(yīng)點距離的增函數(shù)，第二階段數(shù)據(jù)調(diào)用高峰對數(shù)據(jù)的需求量將是第一階段對其數(shù)據(jù)供應(yīng)量的減函數(shù)。為了使區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)總量調(diào)配最小化，就需構(gòu)建各個點的最優(yōu)數(shù)據(jù)配置議案。

假設(shè)研究區(qū)域中有n個數(shù)據(jù)點L1，L2,…,Ln，m個數(shù)據(jù)調(diào)用高峰H1，H2，…,Hm。

Ri：各數(shù)字圖書館可以提供共享的資源量（i＝1,2，…,n）；

Rij：表示資源R從兩個資源調(diào)用點分別調(diào)配不同資源到同一個目標(biāo)點的資源量（i,j＝1,2，…,n）；

Ti、Tj：節(jié)點i和j調(diào)用資源到目標(biāo)點所花費(fèi)的時間。

其中，各節(jié)點所調(diào)用的資源數(shù)是決策變量，數(shù)值是隨與之相關(guān)量而變化的。一般而言，Rij是Ri的減函數(shù)，調(diào)用量總是小于總量的，同時Rij又是Ti、Tj的增函數(shù)，這源于調(diào)用時間會隨著調(diào)用量的增加而增加。表示為：

首先Ri是確定的，那么對于數(shù)據(jù)需求高峰Hk，得到一個矩陣Zk，其變量為，它表示對于該數(shù)據(jù)需求高峰來說，第一階段從節(jié)點i調(diào)用資源量，第二階段需要從節(jié)點j調(diào)用資源。由于的取值可能不同，因此每個元素實際上是多種組合（假設(shè)組合數(shù)均為1）的集合：

數(shù)據(jù)節(jié)點i、j分別調(diào)用的資源組合，都能夠滿足該資源調(diào)用高峰的需求。矩陣的對角線元素表示這兩個階段不能從同一個節(jié)點調(diào)用資源。該矩陣為滿足資源調(diào)配高峰需求的數(shù)據(jù)組合矩陣，其形式如下：

對各資源節(jié)點的資源進(jìn)行優(yōu)化，使得整個研究區(qū)域數(shù)據(jù)保障率最大，所需要的資源總量最小，即滿足。

約束條件是數(shù)據(jù)的配置應(yīng)滿足各數(shù)據(jù)調(diào)用高峰對數(shù)據(jù)的需求，即求（R1，R2……，Rn），使得對于每一個數(shù)據(jù)組合矩陣Ak，至少存在一個組合，其資源量小于或等于源節(jié)點付出的資源量，即，，使得。

對于每個數(shù)據(jù)調(diào)用高峰，都有類似的約束條件。將所有約束條件組合在一起，與目標(biāo)函數(shù)構(gòu)成一個0－1規(guī)劃，該模型即為兩階段數(shù)據(jù)調(diào)用過程的數(shù)據(jù)布局模型。再利用分析定界等數(shù)學(xué)方法進(jìn)行求解。所得（1,2,…n）即為各資源節(jié)點應(yīng)付出的資源數(shù)量。

5 結(jié)論

當(dāng)某個數(shù)據(jù)調(diào)用高峰發(fā)生時，數(shù)據(jù)吞吐變化是不確定的，這與很多因素有關(guān)，有時調(diào)配單個或兩個節(jié)點的資源量并不能滿足需求。本文研究的只是局部的兩階段數(shù)據(jù)調(diào)配預(yù)案，在實際工作中，有必要考慮如何對整個研究區(qū)域的資源進(jìn)行合理布局的問題。因此，在數(shù)據(jù)布局過程中，將模型推廣到多階段的情況，合理采用數(shù)學(xué)方法是非常必要的。

［1］郭麗麗．博弈論在應(yīng)急管理資源配置中的應(yīng)用［D］．北京：北京交通大學(xué)，2007.

［2］姚杰，等．突發(fā)事件應(yīng)急管理中的動態(tài)博弈分析［J］．管理評論，2005（3）：46－50.

［3］張茜．公共危機(jī)管理系統(tǒng)研究［D］．武漢：武漢理工大學(xué),2006.

［4］賈傳亮，等．基于多階段滅火過程的消防資源布局模型［J］．系統(tǒng)工程，2005（9）：12－15.

［責(zé)任編輯］徐娜

G250.76

A

1005－8214（2014）07－0074－04

謝靜華（1963－），男，寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所圖書館館員，副館長；王銀惠（1965－），女，寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所副研究員；王?。?973－），女，寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所副研究館員。

2013－08－02