ABM仿真模擬方法漫談

呂 鵬

(清華大學(xué) 公共管理學(xué)院，北京 100084)

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ABM仿真模擬方法漫談

呂 鵬

(清華大學(xué) 公共管理學(xué)院，北京 100084)

長期以來，研究人員都試圖最大限度地刻畫個體行為特征并預(yù)測社會宏觀現(xiàn)象，若能通過計算機(jī)科學(xué)將“個體—社會”進(jìn)行全息建模則堪稱完美。在前大數(shù)據(jù)時代，這種努力通常會很難如愿，核心問題是我們無法得到特征變量的準(zhǔn)確參數(shù)估計，因為數(shù)據(jù)獲得、數(shù)據(jù)清理、知識建構(gòu)、規(guī)律推廣等方面均存在現(xiàn)實障礙和信息缺失。大數(shù)據(jù)時代，這個問題可以得到較好的解決。大數(shù)據(jù)時代，計算社會科學(xué)的核心任務(wù)是：通過對接近全樣本的數(shù)據(jù)量進(jìn)行深度挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、變量搭橋、模式探索等，實現(xiàn)個體特征畫像、行為模式預(yù)測、社會系統(tǒng)剖析與宏觀政策預(yù)演。在個體畫像、行為預(yù)測、系統(tǒng)剖析與政策預(yù)演等方面，社會科學(xué)仿真模擬方法發(fā)揮著重要作用。本文主要對ABM仿真模擬這種最新的方法進(jìn)行解讀，重點(diǎn)介紹其產(chǎn)生土壤、模式特征、邏輯結(jié)構(gòu)與操作流程等。

一、自然科學(xué)研究與社會科學(xué)研究

研究活動包括自然科學(xué)研究與社會科學(xué)研究，是人類運(yùn)用有限理性規(guī)則動態(tài)地認(rèn)識世界進(jìn)而改造世界的思維意識活動。(1)認(rèn)識世界指的是現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)、規(guī)律獲取與知識構(gòu)建。其中，現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)指的是發(fā)現(xiàn)了新的實體現(xiàn)象，規(guī)律獲取指透過現(xiàn)象探求其內(nèi)部本質(zhì)或運(yùn)作機(jī)制，知識構(gòu)建是對“現(xiàn)象—規(guī)律”的理論化表述；(2)改造世界指的是新造物質(zhì)與新創(chuàng)制度。自然科學(xué)研究中的改造世界，側(cè)重于通過制造新的產(chǎn)品物質(zhì)形態(tài)，使得現(xiàn)實世界更加富有效率；社會科學(xué)研究中的改造世界，側(cè)重于通過新制度或政策的提出，來解決社會問題并使得社會總體運(yùn)行更加良好。

二、社會科學(xué)研究方法三駕馬車

理論研究、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與仿真模擬，是社會科學(xué)研究方法的三駕馬車。除了理論分析之外，后兩種方法是從自然科學(xué)研究(物理、氣象、水文、建筑、工程)中借鑒學(xué)習(xí)而來。人類首先認(rèn)識到自然客體，然后自然而然地將其研究方法遷移到認(rèn)識人類社會自身，此即為社會科學(xué)。理論研究范式在社會科學(xué)研究中屬于傳統(tǒng)方法，數(shù)據(jù)統(tǒng)計模式現(xiàn)在在我國社會科學(xué)研究中得到普遍的應(yīng)用，唯有第三種方法即仿真模擬范式尚未得到推廣應(yīng)用。其原因固然與方法傳入中國科研社區(qū)的時間早晚有關(guān)，也與國內(nèi)科研社區(qū)迷信數(shù)據(jù)統(tǒng)計、排斥方法創(chuàng)新、固步自封，不愿更新范式的“路徑依賴”心態(tài)相關(guān)?！氨鵁o常勢、水無常形”，好的研究方法應(yīng)該是動態(tài)、優(yōu)化且開放民主的，只要該方法有助于提高發(fā)現(xiàn)規(guī)律與改造世界的信度與效度，就應(yīng)該被納入社會科學(xué)家工具箱(Social Scientists’ Toolbox)。

三、仿真模擬與數(shù)據(jù)統(tǒng)計的范式之辯

仿真模擬與數(shù)據(jù)統(tǒng)計是兩種截然不同的科學(xué)研究范式，其內(nèi)在假設(shè)與邏輯基礎(chǔ)大相迥異。請設(shè)想場景A：一只貓走在沙灘上留下了一連串腳印。如果是數(shù)據(jù)統(tǒng)計范式，囿于研究范式，將會研究腳印的間距、面積、角度、方位、趨勢、深淺等指標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系，然后得出相應(yīng)的結(jié)論。如果是仿真模擬范式，不僅這些指標(biāo)將得到研究，還會考慮到行動者(Agent)的心情、動機(jī)、習(xí)慣、轉(zhuǎn)向、態(tài)度、決策。即這只貓在何種情緒心理、動因機(jī)制、行為習(xí)慣、腦體朝向、傾向態(tài)度的作用下，才產(chǎn)生了具備上述特征變量的一串腳印。場景A道出了仿真模擬范式的五方面的研究優(yōu)勢：(1)更高維度的過程信息；(2)清晰的因果關(guān)系；(3)動態(tài)的多種可能；(4)研究的保守主義；(5)平行宇宙預(yù)演問題。因為重要，故將其上升為主標(biāo)題重點(diǎn)闡述。

四、更高維度的過程信息：Movie vs. Picture

《三體》中多處描述了宇宙空間從三維向二維坍塌的場景，如果說數(shù)據(jù)統(tǒng)計研究三維場景，仿真模擬則研究四維場景，后者增加了動態(tài)的連續(xù)過程維度。數(shù)據(jù)統(tǒng)計所面對的數(shù)據(jù)是結(jié)果數(shù)據(jù)，始終是一個靜態(tài)狀態(tài)瞬間(例如截面數(shù)據(jù)和時間序列數(shù)據(jù))，稍好的是多個靜態(tài)狀態(tài)瞬間(例如面板數(shù)據(jù))，從屬性上而言，可類比為截圖或圖片(Picture)。而仿真模擬處理的是連續(xù)動態(tài)過程，即隨著時間不斷呈現(xiàn)無數(shù)個結(jié)果即無數(shù)個靜態(tài)瞬間，屬性為電影或視頻(Movie)。Movie與Picture相比多了一個持續(xù)時間維度，統(tǒng)計數(shù)據(jù)是電影視頻的屏幕瞬間截圖，電影視頻是無數(shù)個連續(xù)截圖的高維度存在形態(tài)。四維可以隨時制造或還原成三維空間，而反之則行不通。仿真模擬處理的是更高維度的動態(tài)過程信息，而數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理的是更低維度的瞬間結(jié)果信息。數(shù)據(jù)統(tǒng)計的致命缺陷是無法揭示過程機(jī)制，除非要做無數(shù)次瞬間截面統(tǒng)計。數(shù)據(jù)統(tǒng)計系數(shù)推斷表只能證明其本身，無法揭示過程(因為維度低)。其統(tǒng)計結(jié)果解釋部分所言的過程機(jī)制不過是研究者們主觀似然的腦海推測或頭腦構(gòu)想，瞬間結(jié)果數(shù)據(jù)顯然無法說明動態(tài)演化過程。

五、清晰的因果機(jī)制：肯定因果vs.否定因果

數(shù)據(jù)統(tǒng)計的興奮點(diǎn)無疑是找到較為穩(wěn)健的因果機(jī)制，但此路不通，使得該范式之下的研究者非?？鄲?。為了找因果，數(shù)據(jù)統(tǒng)計領(lǐng)域也發(fā)展出很多工具方法來試圖使得因果關(guān)系更加清晰，例如反事實視野下的傾向值匹配(PSM)方法等。但是，此類方法所找到的所謂因果機(jī)制仍然是相關(guān)機(jī)制，無非是更加精細(xì)的事實狀態(tài)與反事實狀態(tài)的變量之間相關(guān)性對比。反事實狀態(tài)無法找到，故只能采用事實中的類似個體進(jìn)行“偽對比”。數(shù)據(jù)統(tǒng)計理論上無法找到因果的核心問題在于其內(nèi)在限制性，而非研究者無能，這是高要求與低維度的矛盾。而在更高維度的仿真模擬之下，因果無處不在且無比清晰，因為其本質(zhì)就是用清晰預(yù)設(shè)的因果機(jī)制進(jìn)行動態(tài)持續(xù)試驗并獲得動態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計興奮點(diǎn)是肯定因果，仿真模擬興奮點(diǎn)是否定因果。由于因果無處不在且無比清晰，需要對其進(jìn)行判斷，而被否定的因果機(jī)制可以證明其不存在，更符合科學(xué)的“可證偽性”原則。即：要么“此種因果不存在”，要么“無法排除此因果存在”，不存在“此因果存在”的表述。

六、動態(tài)的多種可能：參數(shù)確定vs.參數(shù)譜系

統(tǒng)計學(xué)的最核心問題是參數(shù)確定，即想方設(shè)法找到“最佳線性無偏估計量(BLUE)”。這是一種追求確定性結(jié)果的科研情結(jié)之下的集體性研究焦慮與本能沖動，如果統(tǒng)計分析找不到目標(biāo)變量的參數(shù)估計量，那將是失望的、很難做文章的。慶幸的是，我們還有仿真模擬。在我們?yōu)檎也坏秸鎸嵰蚬禂?shù)估計而煩惱的時候，它清楚地告訴我們，還有另外的路。從最高預(yù)測準(zhǔn)則來看，數(shù)據(jù)統(tǒng)計與仿真模擬都是以最大程度地擬合觀測現(xiàn)象為終極目標(biāo)，但是他們走了不同的路：(1)數(shù)據(jù)統(tǒng)計是通過找到最佳參數(shù)估計量來擬合自然與社會現(xiàn)象，故其核心任務(wù)是確定參數(shù)；(2)仿真模擬通過遍歷各種變量參數(shù)的可能取值范圍即參數(shù)譜系來擬合研究現(xiàn)象，故其核心任務(wù)是窮盡所有可能，尋找最佳參數(shù)組合即看何種組合之下因果機(jī)制更容易被理解和被確定。我們經(jīng)常看到的是，仿真模擬方法通常對參數(shù)的可能范圍進(jìn)行全域化設(shè)置，對自然、社會現(xiàn)象的動態(tài)演化與過程機(jī)制進(jìn)行全域化考察。由于數(shù)據(jù)統(tǒng)計只能揭示結(jié)果而不能揭示過程，所以不得不進(jìn)行參數(shù)確定；由于仿真模擬足以揭示過程更遑論結(jié)果，所以參數(shù)研究更加靈活，可以上升至參數(shù)譜系。

七、研究的保守主義：一步到位vs.碎步快走

科學(xué)研究方面，“保守主義”恰是最真實的激進(jìn)，“激進(jìn)主義”恰是最真實的保守?！氨Ｊ刂髁x”是基于動態(tài)有限信息的持續(xù)優(yōu)化，即通過對手頭信息不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)與優(yōu)化，得到臨時或局部最優(yōu)解。當(dāng)信息出現(xiàn)動態(tài)變化，“持續(xù)挖掘”的保守主義精神使得人類知識得以不斷產(chǎn)生、改造自然得以不斷推進(jìn)、認(rèn)識社會得以不斷深化，科研之光的照耀范圍不斷擴(kuò)展，這種碎步快走的模式“看似很慢、實則很快”。而反觀“激進(jìn)主義”，天生具有“高大上”的訴求，試圖將天地人萬物納入其中，搭建宏觀概念與宏大概念模型，這種激進(jìn)主義恰恰是限制學(xué)科專業(yè)發(fā)展、封閉微觀過程研究、助力學(xué)術(shù)霸權(quán)構(gòu)建的重要原因，恰恰是保守的。這種追求“一步到位”研究社會的精神出發(fā)點(diǎn)是好的，但實際效果“看似很快，實則很慢”。人類認(rèn)識自然與社會的思維過程本質(zhì)是保守主義的，具備持續(xù)、漸進(jìn)、動態(tài)、優(yōu)化的特征。人們從本能、興趣、好奇出發(fā)，不斷向深挖掘、動態(tài)認(rèn)識現(xiàn)象。仿真模擬則直視人的本能思維與好奇機(jī)制，從不否認(rèn)好奇與猜測的合理性，將其操作化、具象化、過程化。

八、平行宇宙預(yù)演問題：單一宇宙vs.平行宇宙

數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理的觀測數(shù)據(jù)屬于單一宇宙屬性，而仿真模擬的面向?qū)ο髣t是多重宇宙或平行宇宙(Parallel Universes)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)不能擺脫單一宇宙問題，此系其低維度數(shù)據(jù)屬性使然。統(tǒng)計方法也意識到了此局限性，發(fā)展反事實概念試圖解決統(tǒng)計數(shù)據(jù)的單一宇宙問題。值得肯定的是，反事實概念確實在一定程度上推進(jìn)了問題的解決(例如PSM方法的引入)，但仍然無法解決根本問題。盡管其意識到反事實問題，但解決方式仍然是從相同宇宙中，找到類似替代物即“偽等價個體”(按照傾向概率或傾向值進(jìn)行相似度匹配)，而并非來自另一個宇宙。仿真模擬恰恰提出了更好的解決路徑，即通過更高維度信息的處理解決“反事實狀態(tài)無法獲得”的悖論，展開所謂平行宇宙的研究。仿真模擬中存在無數(shù)個參數(shù)組合與異質(zhì)性個體，故存在多重宇宙，每一次模擬就具有一重宇宙之含義。我們不再需要從本宇宙找出“偽等價個體”(用PSM方法)，只需要從另外一重宇宙中尋找即可。我們所觀測到的宇宙(本宇宙，低維度)理論上只是多重宇宙(高維度)的一種可能，通過數(shù)據(jù)分析研究本宇宙數(shù)據(jù)得出的所謂因果僅僅是一種可能性而已，尚且不論得到此因果機(jī)制難度極大或者僅存在理論可能性。

九、ABM仿真模擬核心特征與邏輯流程

基于頭腦構(gòu)想的思想實驗是仿真模擬的核心特征。仿真模擬從想象出發(fā)去模擬社會，而非從結(jié)果出發(fā)“馬后炮”式地解釋或論證社會現(xiàn)象，這更符合本能與直覺。ABM(agent-based modeling)是當(dāng)前仿真模擬的主流研究方法，賦予智能體(agents)更大的決策自主性、更強(qiáng)的情境模糊性，力求更貼近真實場景。ABM仿真模擬邏輯流程如下：(1)思維預(yù)想。如果腦海中沒有所謂“社會學(xué)想象力”，則無法進(jìn)行仿真模擬，仿真模擬核心特征就是研究者思維預(yù)想的操作化；(2)場景預(yù)演。任何被模擬的自然與社會現(xiàn)象都有具體場景，場景或情境預(yù)設(shè)是仿真模擬的前提。有的場景比較理想，例如元胞自動機(jī)(Cellular Automation)模型；有的更貼近真實，例如將GIS地圖導(dǎo)入程序模擬群體運(yùn)動規(guī)律；(3)機(jī)制設(shè)計(mechanism design)。機(jī)制設(shè)計是核心工作，決定著智能體以何種規(guī)則運(yùn)行，即：個體行為規(guī)則(decision rule)是什么、策略更新規(guī)則(strategy updating)是什么等；(4)條件假設(shè)。相關(guān)變量參數(shù)的分布特征(正態(tài)/偏態(tài)分布、連續(xù)/離散型假設(shè)等)需要進(jìn)行特定假設(shè)，仿真模擬結(jié)果在此基礎(chǔ)之上才能夠呈現(xiàn)。換言之，不存在沒有條件假設(shè)之下的仿真模擬與結(jié)果；(5)窮盡可能。仿真模擬很重要的任務(wù)是窮盡模型納入的參數(shù)與變量的所有取值譜系，即考察所有因素、變量與參數(shù)的所有可能性，對其影響效果進(jìn)行譜系化系統(tǒng)呈現(xiàn)；(6)結(jié)果解讀。根據(jù)所記錄的仿真模擬相關(guān)變量的數(shù)據(jù)，計算或估計之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而對目標(biāo)社會現(xiàn)象進(jìn)行相應(yīng)的解讀。重點(diǎn)之一是揭示現(xiàn)象的過程演化機(jī)制，重點(diǎn)之二是對由此過程導(dǎo)致的特定結(jié)果或現(xiàn)象進(jìn)行解釋。仿真模擬的結(jié)果解讀具有有限性和條件性，是特定機(jī)制與特定模型之下的結(jié)果與結(jié)論；(7)再次循環(huán)。

十、仿真模擬方法的條件性與局限性

如同其他研究方法與研究范式，不存在永遠(yuǎn)正確，只是相對合適。數(shù)據(jù)統(tǒng)計基于現(xiàn)實得到的數(shù)據(jù)認(rèn)識內(nèi)在規(guī)律，仿真模擬(ABM)則基于個體思維意識活動，試圖用不斷逼近真相的個體理性與基于數(shù)學(xué)與系統(tǒng)控制的模型設(shè)計，認(rèn)識社會現(xiàn)象及其內(nèi)在規(guī)律。仿真模擬的研究范式與具體方法具有內(nèi)在條件性與局限性，即仿真模擬永遠(yuǎn)揭示可能性與或然性，而非絕對真理，這可能在目前或今后都無法解決。因為社會科學(xué)比自然科學(xué)具備更大的復(fù)雜性，仿真模擬所發(fā)現(xiàn)的因果、規(guī)律與機(jī)制僅僅是現(xiàn)實世界的一種當(dāng)前似然最優(yōu)的可能性，具有條件性與局限性。但是，我們并不能因噎廢食，因為仿真模擬在高維信息處理、過程機(jī)制演化、因果關(guān)系檢視、變量參數(shù)譜系與持續(xù)動態(tài)優(yōu)化等方面具有顯著的優(yōu)越性。

2016-10-12

國家社科基金重大項目“大數(shù)據(jù)時代計算社會科學(xué)的產(chǎn)生、現(xiàn)狀與發(fā)展前景研究”(16ZDA086)的階段性成果。

呂鵬(1984-)，男，江蘇徐州人，清華大學(xué)社會學(xué)博士、自動化系博士后。研究方向：計算社會科學(xué)、仿真模擬、空間博弈論。