3第三章多主体模型与社会科学复杂性研究

《《复杂系统建模与仿真复杂系统建模与仿真》》

中国人民大学经济科学实验室 http://ecolab.ruc.edu.cn 张树人 http://t.qq.com/DrZhangshuren

第三章基于主体的计量经济学

建议６课时，第建议６课时，第 11 ，， 22 节节 22 课时课时 , 3, 3 节节22 课时（部分内容可略过），４节２课课时（部分内容可略过），４节２课

时时



本章要求

学完本章后要求掌握以下知识点理解现实经济是一个复杂适应系统，复杂

适应系统与有限理论、经济进化理论有何关系；

理解采用基于主体的计量经济学作为研究方法论的优势，了解其应用现状；

能够分析新古典经济学理论的缺陷



大纲第一节超越新古典经济学第二节 . 基于主体的计量经济学 ACE 的

理论框架第三节 ACE 研究的应用领域第四节 ACE 研究的共性与一般过程



第一节超越新古典经济学新古典经济学的理论基础：完全理性假设经济主体行动的完全理性。所有经济主体愿意

并能够极大化他们的预期效用或预期收益；经济主体行为的完全理性在这一层意义上又称收益最大化假设。

经济主体知识的完全理性。所有经济主体具有理性预期。理性预期意味着所有经济主体都是理性的，因此在判断别的主体如何行动时都按照这一假定的去推理，大家都拥有同样的信息和正确的推理。



第一节超越新古典经济学 2

新古典经济学的理论基础：系统的均衡假设经济主体在进行经济交易时都是完全理性的，

因而相互博弈最终形成的经济状态通常是均衡的，均衡是经济系统的调整原理。

广义的均衡是一种状态：对立的双方在一个系统下的作用正好相互抵消，其作用的结果等于零。在这一特殊状态下，如果没有外部的作用，内部因素不会改变系统的均衡状态。

狭义的均衡表示通过价格等变量的自动调整，商品的供给数量等于需求数量。




经济主体行为的完全理性假设经济系统的均衡假设

在此理论基础上，经济学者应用数学工具推导出一系列经济结论，用于分析经济理论和经济现实。




完全理性假设允许应用一个典型个体代替群体。这个典型个体依据选定的学习规则修正他的判断和策略，并通过采取行动来确定系统下一期的状态。

经济主体行为最大化假设和经济系统均衡假设追求个体利益最大化的行为在市场机制的作用下，能导

致整个社会福利的最大化，资源达到最有效的配置。




古典经济学的局限超人理性的主体不切实际是数学分析的无奈

不能对个体之间的相互作用进行模型化研究，无法反映实际经济系统中信息的局部化差异和非均衡状态长期存在的事实




古典经济学的局限超人理性的主体不切实际是数学分析的无奈

不能对个体之间的相互作用进行模型化研究，无法反映实际经济系统中信息的局部化差异和非均衡状态长期存在的事实




现代经济学放弃上述两个假设有限理性代替完全理性 Simon ：经济主体行为的有限理性（ Bounded

Rationality）理论经济系统进化假设代替系统的均衡假设经济进化（ Economic Evolution）理论是在借

用了达尔文生物进化论的基本思想、充分吸收了众多西方经济学流派的观点、特别是熊彼特的创新理论和 Simon 的有限理性思想、并借助现代计算工具和数学工具的基础上逐渐形成



第一节超越新古典经济学８经济系统的复杂适应性古典经济学：复杂现象背后隐藏着简单

规律性。这一简单规律应是确定的，从它出发能解释所有经济现象。经济是一个机器，从局部可预测整体

现代经济学： No! 经济学永远不会有自然科学所拥有的确定性，经济的自然属性是复杂性和适应性




经济系统的复杂适应性， 6 个特征：分散的相互作用没有全局控制者层次交叉的组织连续的适应性永远创新偏离均衡的动态



第一节超越新古典经济学１０复杂性意味着：（ 1）系统是由一系列相互作用的主体（过程、元素）构

成一个网络（ 2）这些主体的活动自然形成了系统的动态积累行为（ 3）累积行为的描述可以与个别主体的细节知识无关适应性意味着：（ 1）环境中主体的活动可以被赋予一个值（如效用、偿付或适应）

（ 2）随着时间的推移，主体的行为趋向于使该值增加



第一节超越新古典经济学１１经济是一种重要的复杂适应系统经济是由无数个主体（如消费者）构成；主体在重要的方面有所不同，如消费偏好和收入等；主体被组织成群体或等级结构，如家庭和企业等；主体为适应环境，必须从时间中学习或自然选择，如教育

和广告效应等；主体的状态和行为随时间而改变，如价格调整；主体的变化是反馈的结果，如购买或销售；宏观层次行为从微观层次的相互作用中自然产生。如通货膨胀和失业等。



第一节超越新古典经济学１２沙堆模型：倒塌沙量的分配是在指定时间段 T 上遵循

一种强有力的规律。也就是说，一个给定沙崩量的平均发生次数是和它的大小量成反比的。即大的沙崩是很少的，小的沙崩是经常的。

例如， 24 个小时你可能观察具有 1000沙粒的一个沙崩， 10 个有 100沙粒的沙崩， 100 个 10颗沙粒的沙崩。

log(N) = log(K)-slog(c)

N=沙崩的数量， K=1000,c=沙崩中沙粒的数量， s ＝1

经济系统的许多行为，如股市崩盘，与此类似。



第一节超越新古典经济学１３经济主体行为的有限理性和经济进化论在复杂的经济系统面前，经济主体的理性是有

限的进化经济学者认为经济中也存在自然选择。企业在市场中相互竞争，赢利的企业增长扩大，亏损的企业收缩衰弱，直至被淘汰出局。企业要在激烈的竞争中利于不败之地，必须不断创新和不断适应，以保持持久的竞争优势



第二节基于主体的计量经济学 ACE理论框架

基于演化经济学演化经济学、认知科学认知科学和人人工智能技术工智能技术产生出来的基于主体的计量经济学（ Agent-based Computational Economics ）简称 ACE ，是研究经济理论和经济现实的一个新的有效方法论。

ACE把经济模型化成由一系列相互作用主体构成的进化系统，是复杂适应系统的经济学体现。



第二节　基于主体的计量经济学经济系统是一个由大量有自适应能力的主体组成的复杂自

适应系统。其中的主体可以是人、也可以是机构、政府、或其他各种

经济实体对象；主体之间的交互关系是并行的、局部的（非完全信息）、

无中央控制的，这些局部的、微观的交互在宏观上涌现出种种规则，比如市场准则与行为规范等；

这些涌现出来的宏观规则反过来又影响和限制了主体间的交互行为方式。

正是由主体的行为、交互网络与规则涌现互为因果、共同作用，使得经济系统成为一个复杂自适应系统



2.1 演化经济学熊彼特的《经济发展理论》：创新是经济变化

过程的实质，强调了非均衡和质变，资本主义在本质上是一种动态演进的过程

纳尔逊和温特《经济变迁的演化理论》：批判地继承了熊彼特的创新理论和西蒙（ Simon）关于人类行为和组织行为的理论，提出一个吸收了自然选择理论和企业组织行为的综合分析框架

基于有限理性和知识的分散性提出了“惯例”（ Routine）概念



2.2 认知科学科学地表达以及用计算机模拟这些人类大脑的认知过程

和精神情感就是认知科学在 ACE 中的角色人工智能（ Artificial Intelligence）是研究如何制造出人造的智能机器或智能系统，来模拟人类智能活动的能力，以延伸人类智能的技术。

早在 1992年一份美国国家科学基金的报告就指出：“经济学是人工智能一个很有前途的应用领域”，但人工智能在经济学中的应用仍远远滞后于其他自然科学领域

原因：使用工具不同；研究途径不同。



2. ３认知科学与计算机科学交叉的人工智能

人工智能的传统技术是专家系统和神经网络专家系统是一种在相关领域中具有专家水平解题能力

的智能程序系统，它能运用领域专家多年积累的知识与专门经验，模拟人类专家思维过程，求解需要专家才能解决的问题。

专家系统的最大优势是复杂系统的定性推理能力，因而它可以作为传统定量计算程序（如计量经济模型）的有力补充。专家系统能够有效的处理不完全和不确定信息，而在现实经济中，不完全和不确定信息是广泛存在的，因而专家系统在经济学领域应该大有用武之地。



2. ３认知科学与计算机科学交叉的人工智能３

目前，在经济领域应用最广泛的传统人工智能技术是神经网络（ Neural Networks）。神经网络是一个计算机程序，它模拟了人脑的认知处理过程

神经网络是由具有各种相互联系的单元组成的集合。每个单元具有极为简化的神经元的特性。神经网络常常被用来模拟神经系统中某些部分的行为，生产有用的商业化装置以及检验脑是如何工作的一般理论



2.4 ACE 与实验经济学 ACE 是在计算机中的实验经济学实验经济学是经济学的一个分支，它在

研究某一经济现象时，通过设计一个可控的实验环境，在控制某些条件下，观察决策者的行为，通过分析实验的结果以检验、比较和完善经济学理论，在可能的情形下提供政策决策的依据。



第三节 ACE 研究的应用领域 ACE 研究的两类基本问题自下向上的因果自下向上的因果 (upward causality)(upward causality) ，微观如，微观如

何促成和影响宏观层次的涌现？何促成和影响宏观层次的涌现？自上而下的因果自上而下的因果 (downward causality)(downward causality) ，宏观，宏观政策的调控是如何改变微观主体的经济行为政策的调控是如何改变微观主体的经济行为？

正是这两个方向的因果关系组连成回路因果（ loop causality），让经济学问题成为一个非线性复杂研究问题



第三节 ACE 研究的应用领域２

ACE 研究的领域也可因此分为两个层次一个是解释层次，用仿真研究方法研究

经济学中涌现现象产生的机制，回答为什么的问题

一个是实践层次，用仿真研究方法，以计算机为实验室进行宏观政策层面的调控或经济实验，回答怎么办的问题



第三节 ACE 研究的应用领域３经济学中涌现现象产生的机制是指在没有自上

而下的计划和控制的情况下，特定的宏观经济现象或规则的产生机制

如贸易网络、社会公认货币、市场协议、经济循环以及技术创新的分享等。

ＡＣＥ通过对主体行为进行假设，多主体建模，以期能建设性地论证、演示这些宏观现象能通过底层主体间的反复交互、自下而上地自发涌现出来



第三节 ACE 研究的应用领域４以计算机为实验室进行宏观政策层面的调控或经

济实验，就是把 ACE 框架作为一个计算实验室，对宏观的社会经济结构或政策如何影响微观的个体行为进行实验研究，从而能提出一些可供决策选择的其它可替代的社会经济结构或政策建议。

这样的研究往往通过寻找更深层次的可能的解释——不但解释为什么特定的规则会出现，同时解释为什么其他的规则没有出现，作为描述性研究的重要补充



第三节 ACE 研究的应用领域５

只有对宏观现象涌现的机制有一定的抽象理解，在能回答为什么的问题基础上，才可能回答怎么办的问题



第三节 ACE 研究的应用领域６ ACE 的研究范畴：八个研究领域 Tesfatsion （ 1）学习与认知算法；如遗传算法、神经网络等；（ 2）行为规范的演化；如对博弈论研究的扩展、社会公平规范

的稳定性问题等；（ 3）自底向上的市场机制建模；（ 4）经济网络的形成，如贸易网络形成；（ 5）组织的建模，如对“干中学”过程的模拟等；（ 6）自主市场中可计算性主体的设计；（ 7）针对真实可计算性主体的并发实验；（ 8）建立 ACE 计算实验室。



第三节 ACE 研究的应用领域 ACE 的研究范畴：八个研究领域 Tesfatsion 下面分别介绍这八个研究领域的相关应用研究然后再探讨每类研究当前还存在的问题适合于研究生以上水平的教学或有研究兴趣者适合于研究生以上水平的教学或有研究兴趣者

参考自学，可参考教科书对每类研究的简要介参考自学，可参考教科书对每类研究的简要介绍，去选择阅读对应的具体研究文献绍，去选择阅读对应的具体研究文献



第三节 ACE 研究的应用领域７ ACE 的研究范畴：八个研究领域 Tesfatsion （ 1）学习与认知算法；如遗传算法、神经网络等；使用学习与认知算法的注意事项 Gintis 的以问题为中心的博弈论学习算法在模型中的作用真实世界中的经验学习策略



第三节 ACE 研究的应用领域８ ACE 的研究范畴：八个研究领域 Tesfatsion （ 2）行为规范的演化；规范存在于特定的社会环境中，社会中的个体通常按照这一方式活动，如果违反则会受到惩罚。规范在某种程度上可以作为一种实体而存在，这样人们就可以把规范的成长和消亡作为一种演变进程来研究。

Axelrod 用 MAS仿真实验演示了相互协作的形成过程：在都持利己主义的群体博弈中，开始是部分群体无意识的随机行为，后来逐渐被社会选择所锁定、逐渐演变为具有明确预先期望的、有益的互惠行为，演化成为群体共同遵守的行为规范

Schelling 的种族隔离模型



第三节 ACE 研究的应用领域９ ACE 的研究范畴：八个研究领域 Tesfatsion （ 3）自底向上的市场机制建模

价格合谋的演化人工股市外币市场货币的形成



第三节 ACE 研究的应用领域１０

ACE 的研究范畴：八个研究领域 Tesfatsion （ 4）经济网络的形成，如贸易网络形成，信息网络的传播；有策略的经济主体在互动中构成不完全竞争市场时，他

们选择交易伙伴的方式，会影响所形成的交易网络的形态

信息级联　信息在传播过程中形成的一种特殊的网络。当主体忽略了自己的特殊情况，而选择简单地模仿他人时，信息级联就会发生。银行恐慌和股市崩溃就是两个经典的信息级联例子，主体注意到其他人从一些金融机构（例如银行或者股市）中撤出资金时，他们也可能会对此机构失去信心，从而抽回自己的资金



第三节 ACE 研究的应用领域１１

ACE 的研究范畴：八个研究领域 Tesfatsion （ 5）组织的建模，如对“干中学”过程的模拟等；

Prietula 等《模拟组织：机构和团体的可计算模型》

可计算组织理论在 ACE 的组织理论研究中，试图强调公司的组织结构对行为的影响

组织发展中的结构演变



第三节 ACE 研究的应用领域１２

ACE 的研究范畴：八个研究领域 Tesfatsion （ 6）自动化市场中可计算性主体的设计；

电子商务智能代理：智能代理，智能竞拍、智能搜索与谈判、协商

齐平约束合约：允许主体通过向合约的另一方支付一定罚金来放弃合约，但由此产生的合约的有效性在很大程度上取决于如何进行惩罚

借助于模型探寻合适的智能代理策略



第三节 ACE 研究的应用领域１３

ACE 的研究范畴：八个研究领域 Tesfatsion （ 7）针对真实可计算性主体的并发实验／平行实验；经济学的田野实验以人类为实验的被试ＡＣＥ以程序为被试并发实验：用真实被试的行为指导计算主体的

具体学习过程，同时从计算主体的行为观察上，去了解现实经济中人类主体的行为现象产生的机制



第三节 ACE 研究的应用领域１４

ACE 的研究范畴：八个研究领域 Tesfatsion （ 8）建立 ACE 计算实验室问题：对大多数经济学家来说，建立基于主体的计算

模型存在一个很大的障碍，就是经济学研究者一般都缺乏较强的编程技巧

解决：建立 ACE 计算实验室，提供一个计算框架作为公共的模型平台，能够支持若干相互作用主体的系统进行可控制和可重复的实验。 CL 应该具有清晰的、简单的、图形用户操作界面，这使得研究者即便他们只有最一般的编程技巧，也可以进行严谨的计算研究。



第三节 ACE 研究的应用领域１５

ACE各研究领域内尚存在的问题：如何对 ACE 框架中的可计算主体的思想建

模？主体具有何种程度的适应性是合适的？在行为规则的进化这一研究领域中，还存

在的一个关键问题是：当欺骗可立即带来收益的增加、而绑定许诺并不可能的情况下，主体间怎样合作才可达成进化？



第三节 ACE 研究的应用领域１６

ACE各研究领域内尚存在的问题：在市场的自底向上建模这一领域内存在

的一个重要问题是：怎样解释市场进化和其他市场相关的经济制度之间的关系？



第三节 ACE 研究的应用领域１７

ACE各研究领域内尚存在的问题：在研究经济网络的形成这一领域内存在

的主要问题是：在选择交易对象时，无法确切地知道这一选择是否是有利的，即，选择给定伙伴的后效事先并不能知道。这种情形下，如何设计主体选择合作伙伴的行为策略？



第三节 ACE 研究的应用领域１８

ACE各研究领域内尚存在的问题：在组织建模这一领域中主要问题在于：

为了达到组织目标，什么是组织的最佳形式？或者说 :环境属性、组织结构和组织表现之间的关系是什么？



第三节 ACE 研究的应用领域１９

ACE各研究领域内尚存在的问题：在自主市场（电子商务智能代理）的可

计算主体设计这一领域内，存在的问题是：对于一个具体的问题，什么样的主体设计是最合适的？



第三节 ACE 研究的应用领域２０

ACE各研究领域内尚存在的问题：在真实和计算主体的平行实验这一领域

：如何使平行实验真正平行、使得比较不仅有意义而且能够更有效地洞察实际问题的本质 ? 在实施上存在的主要障碍是在实验设计中，如何保证人类被试能明确感知到的因素都被包含在可计算主体的所在的模拟环境中？



第三节 ACE 研究的应用领域２１

ACE各研究领域内尚存在的问题：在如何建立 ACE可计算实验室这一领域内存在的问题

是：在建造能够进行可控的实验、严格研究复杂分布式多主体系统的可计算实验室时，是应该为每个应用建立一个单独的 CL ，还是争取建设通用的多目标平台？

实验结果如何才能有效地传达给别的研究者，比如通过描述性统计或可视化的图表与其他研究者交流，而不会给他们带来信息过载或迷惑？实验结果如何才能通过和其他来源的数据相比较得到确认？



第三节 ACE 研究的应用领域２２

所有的 ACE 研究都存在的问题：如何决定 ACE建模分析的粒度和广度？



第四节　 ACE 研究的共性与一般过程

ACE 研究的目的：（手段）在计算机上建立一个人工经济

，人工经济中的人工适应主体可以在很大的自由度和很细的粒度上被模拟

（方法）通过对人工适应主体状态和行为的研究和测试

（目的）深入地探查广泛的现实经济现现实经济现象象




共性１：基于主体的计算技术是在计算机上建共性１：基于主体的计算技术是在计算机上建立一个人工经济（立一个人工经济（ Model EconomyModel Economy））

共性２：在这个人工经济中，允许出现大量的共性２：在这个人工经济中，允许出现大量的微观主体行为及其相互作用。微观主体行为及其相互作用。

共性３：在共性３：在 ACEACE 模型中，一旦所有主体的初始模型中，一旦所有主体的初始状态和行为模式以及主体状态和行为模式以及主体 -- 主体和主体主体和主体 --环境环境相互作用的市场协议被确定，经济系统中不存相互作用的市场协议被确定，经济系统中不存在集中控制，人工经济沿时间路径自动发展。在集中控制，人工经济沿时间路径自动发展。

共性４：一个仅仅在现象解释上取得成功的共性４：一个仅仅在现象解释上取得成功的ACEACE 研究模型也只能说提供了从初始环境到最研究模型也只能说提供了从初始环境到最终结果的充分条件，而非充要条件终结果的充分条件，而非充要条件

人工经济的发展是内生的，在一段时期内，它通常只能被观察，而不能被干涉

这样一个模型的结论还不能证明模型假设的成立，只能说给出所研究现象的一个可能的解释。只有当模型能够预测，并能给出可控实验的成功案例时，模型才可以说是有效的。成功案例越多，模型的效度越高




ACEACE 建模的一般过程建模的一般过程１系统的划分：边界、层次２建立模型的框架：主体的类型和属性的设计３模型设计：平台选择、算法选择４平行实验的设计（可选）：对照真实实验５结果分析。观察模型运行的结果，并应用经

济学理论给予解释

后面几章会介绍可选的平台和算法




ACE建立模型 3 个层次复杂性：环境复杂性给定计算资源和信息，一个主体

(Agent) 用最好的模型对其环境做出正确预测（用平均出错率度量）的难度。

模型复杂性给定语言限制和数据，建立和测试一个模型的计算难度。

行为复杂性给定组织的集体表现行为、每个主体的算法和结构，发现群体中所有主体行为模型的难度。




ＡＣＥ优势1. 增加了建模过程的透明度，增加了模型的直观性

2. 可以促进统一社会科学理论框架的建立，利用多种不同社会科学领域的理论和数据，建立起综合的、统一的理论

3. ACE 经济模型可以用来检验经济理论 4. ACE 经济模型还可以通过放松其标准假设，

如共同知识、理性预期、以及完美资本市场等，从而检验这些理论的鲁棒性

比如， ACE 的框架可以鼓励经济学家在研究增长、分配和福利问题时，能够以一种更全面的涵盖各种经济、社会、政治和心理因素的方式进行，从而恢复早期政治经济学家所具有的广阔的视野对于以前使用标准的数学建立的模型，经济主体确实能够按照由这些理论确定的均衡去学习相互协调吗？如果是，它们是如何学习协调的？如果存在多个均衡，哪一个均衡（如果有的话）将成为占优势的吸引者？




不足：对研究者的要求非常高需要跨学科、多领域，跨界研究需要开展各学科间的合作如果参与合作的个人很少或没有受过交叉学科训练，那么跨越学科界限的交流将会很困难

对于经济学和社会科学研究者来说，掌握基本的计算和统计技能非常重要



本章—完

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3第三章 多主体模型与社会科学复杂性研究

3第三章多主体模型与社会科学复杂性研究