基于云模式的經(jīng)濟(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_發(fā)工具設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

施於人，楊 曉，楊慧潔

（重慶理工大學(xué) 工程訓(xùn)練與經(jīng)管實(shí)驗(yàn)中心，重慶 400054）

2017年塞勒因其在行為經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)獲得諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎，標(biāo)志著開啟了經(jīng)濟(jì)學(xué)研究全新的詮釋范式。行為經(jīng)濟(jì)學(xué)和實(shí)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)學(xué)是密切相關(guān)的經(jīng)濟(jì)學(xué)分支。行為經(jīng)濟(jì)學(xué)研究往往需要采用實(shí)驗(yàn)方法研究經(jīng)濟(jì)社會問題，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、開展是研究者們在研究過程中的必要環(huán)節(jié)和手段。

過去的三四十年中，史密斯（Vernon Smith）、澤爾騰（Reinhard Selten）、普洛特（Charles Plott）等在經(jīng)濟(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展、規(guī)范等領(lǐng)域做了大量的研究工作，其研究成果告訴人們采用實(shí)驗(yàn)來研究問題所應(yīng)遵循的基本原則、范式，應(yīng)用方面的研究成果也不斷涌現(xiàn)。國內(nèi)對于實(shí)驗(yàn)方法在社會科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也有討論和研究［1-3］。

實(shí)驗(yàn)方法已經(jīng)開始被廣泛應(yīng)用于社會科學(xué)的研究，如會計(jì)［4］、市場營銷［5］、公共物品［6］等領(lǐng)域。大部分的研究，實(shí)驗(yàn)的參與者都是來自高校的大學(xué)生，如連洪泉等［7-8］開展的公共品供給研究，汪思綺、陳穎等［9-10］進(jìn)行的信任博弈研究。它們也常常被用于課堂教學(xué)，如H.Holm、P.Nystedt［11］在瑞典Linkoping大學(xué)進(jìn)行的信任博弈實(shí)驗(yàn)，劉文燕等［12］開展完全競爭市場和完全壟斷市場的實(shí)驗(yàn)。但目前國內(nèi)外研究者在開展研究、教學(xué)的過程中，所使用的實(shí)驗(yàn)平臺或工具并不能完全滿足研究中“便捷、快速、高效”構(gòu)建模型以及方便地滿足其他研究者復(fù)現(xiàn)、共享這些實(shí)驗(yàn)的需求。

1 經(jīng)濟(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)工具發(fā)展現(xiàn)狀

最早期開展的實(shí)驗(yàn)研究，不論是張伯倫（Chamberlin）的供給與需求實(shí)驗(yàn)，還是史密斯（Vernon Smith）提煉總結(jié)開展經(jīng)濟(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)遵循的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)五大原則，都主要依賴于紙、筆、撲克牌等工具。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)，研究者們開始采用一些通用開發(fā)工具來設(shè)計(jì)所需要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，如C＋＋、VB。采用通用開發(fā)平臺自己編寫代碼，對于從事經(jīng)濟(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的人來說，這并不是一個(gè)具備“比較優(yōu)勢”的選擇，且通用開發(fā)平臺不是專為經(jīng)濟(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_發(fā)設(shè)計(jì)的，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面效率不高。

Charles Plott等［13］采用Python、.net等開發(fā)工具，建設(shè)了可在線開展實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)站，如Veconlab，網(wǎng)站提供了部分經(jīng)典實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可用于進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但網(wǎng)站無法滿足自定義實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、開發(fā)，也無法進(jìn)行自定義實(shí)驗(yàn)的調(diào)試、變更以及定制實(shí)驗(yàn)流程和參數(shù)。

當(dāng)前最常用的開發(fā)工具是1998年由瑞士蘇黎世大學(xué)Fischbacher等使用C＋＋語言設(shè)計(jì)研發(fā)的z-Tree，如李賓等［14］在教學(xué)科研中使用的開發(fā)工具。此外，2017年MIT的Daniel Chen等開發(fā)了允許用戶可以創(chuàng)建基于B／S模式的設(shè)計(jì)開發(fā)工具——oTree。它們在一定程度上幫助研究者解決了自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的問題，使得研究者能使用相對簡單的程序語句，而不是完全由計(jì)算機(jī)專業(yè)人員才能使用的開發(fā)語言來完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)，并能相對容易地部署、運(yùn)行，但仍然具有一定的局限性：

1）z-Tree、Otree雖然降低了研究者所需要掌握計(jì)算機(jī)開發(fā)能力的門檻，但對于完全不熟悉計(jì)算機(jī)開發(fā)、編程、調(diào)試的研究者而言，它還是相對復(fù)雜。z-Tree內(nèi)嵌的編程語言為C＋＋，oTree則為

Python。

2）z-Tree的主體結(jié)構(gòu)仍基于20世紀(jì)90年代末期的開發(fā)工具所提供，其在運(yùn)行過程控制、通訊穩(wěn)定性、容錯(cuò)以及易用性等方面落后于目前開發(fā)工具、組件所能提供的功能。對zTree使用者而言，更無法解決源開發(fā)工具本身所導(dǎo)致的功能缺陷。oTree則需要研究者完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)后獨(dú)立安裝部署，才能提供互聯(lián)網(wǎng)模式的訪問方式。

3）其他研究者如果想重復(fù)實(shí)驗(yàn)，同樣需要掌握z-Tree、oTree的開發(fā)、調(diào)試技能，才能復(fù)現(xiàn)這些實(shí)驗(yàn)，來完成對研究成果的檢驗(yàn)。

因此，開發(fā)一種基于云模式的，能為從事實(shí)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)學(xué)、行為經(jīng)濟(jì)學(xué)的研究、教學(xué)人員提供一個(gè)可視化、易建模、能復(fù)用的實(shí)驗(yàn)建模開發(fā)工具（后文以“BeTools”指代）是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的需求。從實(shí)際應(yīng)用角度看，這類在線開發(fā)工具的實(shí)現(xiàn)也具有重要意義及可行性［15］。

2 開發(fā)工具的架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

云模式是目前許多軟件使用的新型開發(fā)、運(yùn)行、使用模式，其應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，如政務(wù)［16］、教育［17］等。在云模式的含義主要在3個(gè)層面，即：

IaaS（基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)）。任何一個(gè)系統(tǒng)使用都需要安裝到一定的硬件設(shè)備中，使用必須的操作系統(tǒng)、磁盤存儲和訪問帶寬。對Iaas服務(wù)模式也有要求［18］，目前這部分服務(wù)，可通過付費(fèi)給提供云服務(wù)的服務(wù)商，如阿里、華為等即可獲得。

PaaS（平臺即服務(wù)）。PaaS提供了基礎(chǔ)架構(gòu)，開發(fā)者可以在這個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)之上建設(shè)新的應(yīng)用或者擴(kuò)展已有的應(yīng)用，同時(shí)卻不必購買開發(fā)質(zhì)量控制或生產(chǎn)服務(wù)器。例如微軟的Azure（主要用途為計(jì)算服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)）、Amazon、Google。PaaS的架構(gòu)［19］、運(yùn)作模式［20］也有討論，不過仍不是本文所關(guān)注的，工具開發(fā)者可以通過采用提供類似功能的開源軟件或付費(fèi)獲得所需的功能服務(wù)。

SaaS（軟件即服務(wù)）。SaaS是一種通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)提供軟件的模式，最終用戶無需購買軟件，而是直接使用提供商基于Web的軟件來完成所需的各項(xiàng)工作和功能?？梢詫⑺斫鉃橐环N軟件分布模式，在這種模式下，應(yīng)用軟件安裝在云端，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)來使用這些軟件。在這種模式下，提供商在軟件開發(fā)過程中需采用符合這種運(yùn)行模式的軟件架構(gòu)和部署方式進(jìn)行開發(fā)和部署。

BeTools工具屬于這一模式中的SaaS，工具的使用、運(yùn)行，除了BeTools應(yīng)該具備提供的各項(xiàng)功能外，還必須包括IaaS、PaaS服務(wù)商的選擇、維護(hù)等必須的基礎(chǔ)設(shè)施和架構(gòu)。同時(shí)，SaaS方在提供最終應(yīng)用時(shí)，為獲得完整的云運(yùn)行模式，工具的開發(fā)設(shè)計(jì)需要采用符合“云”模式的架構(gòu)和部署方式。

2.1 實(shí)驗(yàn)／行為經(jīng)濟(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)的流程和類型分析

實(shí)驗(yàn)／行為經(jīng)濟(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)是經(jīng)濟(jì)學(xué)研究者（主持者）在挑選的受試者對象參與下，按照一定的實(shí)際規(guī)則并給以一定的物質(zhì)報(bào)酬，以仿真方法創(chuàng)造與實(shí)際經(jīng)濟(jì)相似的一種實(shí)驗(yàn)環(huán)境，不斷改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析整理加工，用以檢驗(yàn)已有的經(jīng)濟(jì)理論及其前提假設(shè)或者發(fā)現(xiàn)新的理論，又或者為一些決策提供理論分析的研究性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)均為回合制，在一個(gè)回合決策過程中，部分實(shí)驗(yàn)會采用“實(shí)時(shí)”方式進(jìn)行決策，基本流程見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)／行為經(jīng)濟(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本流程

設(shè)定角色和實(shí)驗(yàn)參數(shù)。用來規(guī)定實(shí)驗(yàn)環(huán)境，即受試者在什么樣的環(huán)境下完成決策。角色是指參與實(shí)驗(yàn)的受試者是具備相同的實(shí)驗(yàn)屬性還是具備不同的實(shí)驗(yàn)屬性。

受試者分組／匹配。主持者將所有參與實(shí)驗(yàn)的受試者根據(jù)隨機(jī)或者固定匹配的方式分成若干組，分組和匹配方式會影響受試者的決策策略。

受試者決策。受試者收到主持者的開始實(shí)驗(yàn)指令后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)則進(jìn)行實(shí)驗(yàn)決策。

計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果。每輪實(shí)驗(yàn)完成后，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)、受試者決策行為等數(shù)據(jù)參照特定的模型算法完成計(jì)算。

根據(jù)角色和每個(gè)角色受試者決策次數(shù)、決策順序及決策影響關(guān)系，可以對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行如下分類，見表1。其中：并發(fā)決策是指受試者在實(shí)驗(yàn)過程中同時(shí)提交決策；順序決策是指受試者在實(shí)驗(yàn)過程中先后提交決策；實(shí)時(shí)決策是指實(shí)驗(yàn)過程中，只要當(dāng)前輪次未結(jié)束，受試者可以隨時(shí)、反復(fù)、多次提交決策。

表1 實(shí)驗(yàn)／行為經(jīng)濟(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆诸?/p>

2.2 BeTools的架構(gòu)設(shè)計(jì)

BeTools的設(shè)計(jì)理念是分層設(shè)計(jì)，服務(wù)是模塊化的。在Betools中，根據(jù)提供功能的公共、共用屬性，將功能細(xì)分為基礎(chǔ)層、平臺層和應(yīng)用層?；A(chǔ)層提供基本功能需求支撐，如通信服務(wù)、邏輯服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)等功能需求；平臺層提供共用函數(shù)及公共服務(wù)；應(yīng)用層給出模型開發(fā)功能，并將模型設(shè)計(jì)后部署、開展實(shí)驗(yàn)的部分（在線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)）獨(dú)立出來，一體化解決“實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)—部署—開展”所有環(huán)節(jié)，總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)開發(fā)工具（BeTools）系統(tǒng)架構(gòu)

基礎(chǔ)層各類組件采用第三方公司提供，它們需要被合理地選型、部署。

MySQL數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)存儲和管理服務(wù)。

RabbitMQ提供消息隊(duì)列服務(wù)，用于保證實(shí)驗(yàn)過程少掉線、少斷線。此外，因?yàn)樗邆浼悍绞讲渴鹉Ｊ?，可以?shí)現(xiàn)各微服務(wù)之間的消息異步，系統(tǒng)可以將實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的持久化存儲操作提取出來進(jìn)行異步處理，這將大大節(jié)省服務(wù)器的請求響應(yīng)時(shí)間，最終保證在相同數(shù)量的受試者參與實(shí)驗(yàn)時(shí)能提供更高的數(shù)據(jù)交換穩(wěn)定性。

通信技術(shù)SingalR集成了數(shù)種常見的消息傳輸方式，如long polling、WebScoket，并提供相應(yīng)的Api供開發(fā)人員選擇如何調(diào)用，幫助其快速地實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器端相互間的實(shí)時(shí)通信。它使得實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中主持者和受試者可以及時(shí)交換信息，保障在線實(shí)驗(yàn)的流暢性。

選擇Redis與KV存儲（RocksDB）相融合，以取代常用的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。由于每個(gè)實(shí)驗(yàn)在參數(shù)數(shù)據(jù)、決策數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)等方面差異明顯，相比關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，這樣組合可以提高Betools組件的靈活性以及提高實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)高頻讀寫的速度。

邏輯服務(wù)提供用戶自定義模型算法。采用以Python為腳本語言進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)，為研究者提供“傻瓜式”用戶自定義計(jì)算邏輯入口。

平臺層及應(yīng)用層功能則根據(jù)本文所描述的功能需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于云模式的經(jīng)濟(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)開發(fā)工具的主要目的是滿足研究者能方便、快捷地構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统绦颍焖俨渴痖_展實(shí)驗(yàn)，收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。完成的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍芊奖愕乇恢貜?fù)使用。在功能設(shè)計(jì)上，其具備如下特點(diǎn)：

1）模板化。提供“模板”方式構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＜锤鶕?jù)實(shí)驗(yàn)角色、受試者決策特征，選擇一類模板，可自動生成完成該類實(shí)驗(yàn)的整體流程和框架，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者只需要對模板中各環(huán)節(jié)進(jìn)行微調(diào)、修改，即可完成實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建。如圖3。

圖3 BeTools提供的設(shè)計(jì)模板

2）界面設(shè)計(jì)“所見即所得”。摒棄界面設(shè)計(jì)采用數(shù)值定位、屏幕區(qū)塊分隔的控制形式，在實(shí)驗(yàn)者、受試者使用的用戶交互界面，采用“組件庫”＋“拖曳”的方式完成。

3）流程控制圖形化。對于實(shí)驗(yàn)過程中受試者的決策行為、實(shí)驗(yàn)過程控制、結(jié)果計(jì)算采用流程的方式進(jìn)行顯示和控制，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者通過定義流程節(jié)點(diǎn)、流程走向，而不是代碼方式來控制實(shí)驗(yàn)流程，以解決不同實(shí)驗(yàn)流程的多樣性及受試者決策行為多樣性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需求。

4）計(jì)算邏輯圖形化。實(shí)驗(yàn)過程中計(jì)算邏輯的實(shí)現(xiàn)，結(jié)合流程控制、圖形控制的方式進(jìn)行。從工具實(shí)現(xiàn)角度看，計(jì)算邏輯的實(shí)現(xiàn)形式包括編程語言、偽代碼、自然語言、流程圖等。編程語言計(jì)算機(jī)可以識別，但是對于最終用戶而言難度大，表述困難。偽代碼和自然語言容易解讀，但是難以形成規(guī)范化表述，容易形成歧義，無法滿足算法定義的要求。流程圖是以圖形的形式表述算法，一方面清晰明了容易解讀，另一方面在實(shí)現(xiàn)上容易規(guī)范，且實(shí)驗(yàn)開發(fā)工具本身需要提供流程定義和控制，因此計(jì)算邏輯部分可借助流程圖的形式來完成。在控制過程中，將數(shù)據(jù)、運(yùn)算符號、控制語句等以標(biāo)簽的形式進(jìn)行顯示，采用標(biāo)簽形式代表程序中一個(gè)語法或控制。用戶通過標(biāo)簽組合形成計(jì)算邏輯的算法流程，各類變量以“標(biāo)簽”的方式提供使用，計(jì)算過程通過“拖曳”計(jì)算符、變量標(biāo)簽、流程控制標(biāo)簽，組合成“計(jì)算式”，完成計(jì)算邏輯。系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)簽將計(jì)算邏輯轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的編程語言控制，形成計(jì)算機(jī)可以識別的算法。

5）云模式。提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的Excel格式導(dǎo)出以及在線發(fā)布、使用。使得研究者設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢砸绘I式在線“共享”模型和實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)，以便于其他研究者復(fù)用、驗(yàn)證。

同現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_發(fā)工具相比，BeTools具備如下功能特點(diǎn)，BeTools在α測試階段的使用情況表明：在模型設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)開展效率上，較zTree、oTree有明顯提高，在模型、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)使用和共享方面，優(yōu)勢明顯：

1）開發(fā)工具的學(xué)習(xí)掌握。時(shí)間從zTree、oTree需要的約2～4周縮減到1～3 d（有一定編程基礎(chǔ)），或從1～3個(gè)月縮減到3～5 d（無編程基礎(chǔ)）。

2）模型設(shè)計(jì)。周期從zTree、oTree所需的2～3周縮減到1～3 d。

3）模型部署、開展實(shí)驗(yàn)。周期從zTree、oTree所需的2～3 d變?yōu)樵O(shè)計(jì)完成即可實(shí)驗(yàn)。

4）模型復(fù)用及實(shí)驗(yàn)共享。從每次復(fù)用均需在新環(huán)境中重新調(diào)試，變?yōu)橐绘I設(shè)定即可生效。

主要實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_發(fā)工具功能對比見表2。

表2 主要實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_發(fā)工具功能對比

3 結(jié)束語

在行為經(jīng)濟(jì)學(xué)及實(shí)驗(yàn)方法可能成為現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)學(xué)研究替代范式的今天，“趁手”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)工具是在這一研究領(lǐng)域快速發(fā)展的必需品。在BeTools的設(shè)計(jì)、開發(fā)與實(shí)現(xiàn)中堅(jiān)持“云模式、模塊化、圖形化”的需求導(dǎo)向，通過“云模式”，解決了模型升級、部署、共享、復(fù)用的需求，通過“模塊化、圖形化”，降低使用者設(shè)計(jì)開發(fā)模型的計(jì)算機(jī)能力門檻，提高設(shè)計(jì)效率，能極大提高研究者開展實(shí)驗(yàn)研究的工作成效。當(dāng)然，在系統(tǒng)的易用性、可操作性方面，還有很多值得改進(jìn)和提升的空間。