מודל מבוסס סוכנים

שיתוף

מודל מבוסס סוכנים (באנגלית: Agent Based Model ובקיצור: ABM) הוא מודל של סימולציית מחשב המבוסס על התנהגות של סוכנים אינדיבידואליים. מודל זה קשור לנושאים של מערכות מורכבות, הגחה, שיטת מונטה קרלו, סוציולוגיה חישובית, מערכות מרובות סוכנים, ותכנות אבולוציוני.

רקע

מודלים מסורתיים בתורת המשחקים מאפשרים בניית מודלים של מספר מועט של שחקנים (בדרך כלל שניים), ומודלים אלו הם בדרך כלל מוגבלים - השחקנים צריכים להיות בעלי יכולות חישוב גבוהה מאוד, חוקי המשחק קשיחים מאוד והקשרים בין השחקנים גם הם קשיחים או רנדומליים לגמרי. מניסויים אמפיריים יודעים שבני האדם הם בעלי יכולת חישוב ורציונליות חסומה, חוקי המשחק משתנים תוך כדי התנהלותו והקשרים החברתיים הם מורכבים מאוד.

אחת הבעיות של כלכלה אקולוגית נוגעת ליציבות של המערכת ולסקאלה. באמצעות מודל של סוכנים אפשר לתת קשרים בין סוכנים וקשרים בין הסוכן לסביבה ברמות שונות (מיקרו, מאקרו וכו').

תאוריה

הגישה המתודולוגית השלטת למחקר הכולל מידול-מחשבים מאפיינת את רוב המערכות ככאלו הנמצאות בשיווי משקל או שהן נעות בין שיווי משקל שונים. מידול מבוסס סוכנים, באמצעות חוקים פשוטים יכול להניב התנהגות הרבה יותר מורכבת ומעניינת.

שלושת הרעיונות המרכזיים במודלים מבוססי סוכנים הם:

סוכנים חברתיים כאובייקטים,
הגחה
סיבוכיות

מודלים מבוססי סוכנים מבוססים על סוכנים המבצעים קשרי גומלין באופן דינמי, על פי חוקים מסויימים. המערכות שבתוכן הם פועלים יכולות ליצור סיבוכיות דומה לזו שאנו רואים בעולם האמיתי. הסוכנים האלה הם:

אינטליגנטים ומכווני מטרה - אבל הם לא כל כך חכמים שיוכלו לבצע סגירה קוגניטיבית המשתמעת מתורת המשחקים (חישוב לאחור של הפתרון האופטימלי עבורם).
ממוקמים בחלל ובזמן. לדוגמה הם שוכנים בתוך רשתות חברתיות כמו שכונות.

המיקום של הסוכנים והתגובות שלהם מקודדות באלגוריתמים של תוכנות המחשב. תהליך המידול הוא אינדוקטיבי. בונה המודל מבצע הנחות שנחשבות לרלוונטיות ביותר לסיטואציה הנתונה ומסתכל בתופעות שמגיחות מהאינטראקציות בין הסוכנים. לפעמים דבר זה מוביל לשיווי משקל. לפעמים מגיח דפוס, ולפעמים נוצר בלגן בלתי ניתן לפיענוח.

בכמה מובנים, מידול מבוסס סוכנים משלים את השיטות האנליטיות המסורתיות המיושמות במחקר. בעוד שהשיטות האלה מאפשרות לאפיין את שיווי המשקל של מערכת, מודלים מבוססי מחשב מאפשרים לחקור את האפשרות של ייצור שיווי משקל אלה.

במקום להתרכז ביציבות של שיווי משקל - הרעיון כי תהליך חוזר לשיווי משקל (בדרך כלל אותו שיווי משקל)- יש שיקול של עמידות המערכת לשינויים - הרעיון כי המערכת מסתגלת ללחצים פנימיים וחיצוניים כדי לשמור על תפקודים או שימושים. המשימה של רתימת סיבוכיות זו דורשת בחינה של הסוכנים עצמם - המגוון שלהם, התלות ביניהם ורמת קשרי הגומלין שלהם.

מודלים מבוססי סוכנים יכולים להסביר את ההגחה של דפוסים בסדר גבוה יותר - מבני רשתות של ארגוני טרור או של האינטרנט, חוק פיזור כוח בגדלים של פקקי תנועה, מלחמות, קריסות של שווקי מניות וכו'. ניתן להשתמש במודלים מבוססי סוכנים גם כדי לזהות נקודות מינוף, או נקודות בזמן שבהם התערבות יכולה להיות בעלת משמעות גדולה, וכן כדי להבדיל בין סוגים שונים של תלויות בנתיב.

מודלים מבוססי סוכנים וכלכלה אקולוגית

רוב המודלים של סוכנים בכלכלה אקולוגית מורכבים מ-2 אלמנטים - אוטומטיים תאיים וסוכנים.

אוטומט תאי

אוטומט תאי (Cellular Automata) הוא אוסף של יחידות קטנות על לוח או רשת, אשר התנהגותן נקבעת על־ידי כללים פשוטים, ומושפעת ממצב השכנים של יחידות אלו. האוטומטים האלה פותחו לראשונה על ידי ג'ון פון נוימן. התכונות של אוטומט תאי (CA) הן:

רשת בעלת N מימדים (בדרך כלל מדובר במשטח בעל 2 מימדים) המורכבת מתאים בעלי מצב מוגדר.
התנהגות דינמית של התאים המתוארת על ידי חוקים. החוקים מתארים את מצבו של תא בדור הבא. בתלות במצבו ובמצבם של תאים שכנים.

המבנה הבסיסי של המערכת הוא התא. במערכות הפשוט ביותר כל תא יכול להיות בעל 2 מצבים בלבד, ובמערכות מסובכות יותר בעל מספר מצבים.

היישום של אוטומט מצבים עבור כלכלה אקולוגית יכול להיות ישיר ומשתמשים בה הרבה כדי לייצור מערכות GIS. הרשת במקרה זה היא מפה של אזור מסויים, ומצבי התאים הם שימושי קרקע שונים, תאים באזורים גאוגרפיים מסויימים מוגבלים בגלל מגבלות פיזיקליות - לדוגמה אי אפשר להפוך חזרה יער מלאכותי ליער בראשיתי. חוקי מעבר קובעים מתי ואיך שימוש קרקע מסויים הופך לשימוש קרקע אחר. לדוגמה תא שהוא שטח יער יידלק באש אם תא שכן נדלק באש. אפשר גם ליישם חוקים כלליים, היות ולדוגמה שימוש קרקע יכולים להשתנות על ידי שינוי בביקוש לאדמה מסויימת שמתקיים ברמת ניתוח גבוהה יותר, או שיש השפעה כללית עקב שינויי אקלים. לדוגמה ביקוש גדול יותר לאדמה חקלאית יכול להיות מתורגם במודל לשינוי של התאים המתאימים ביותר לשטחי חקלאות.

אוטומט תאי מוגבל בכל מה שקשור בייצוג של סוכנים חברתיים, בגלל פשטותו. לדוגמה, רשתות חברתיות הן מורכבות יותר מאשר תאים שכנים בסריג. מספר המצבים האפשריים עבור סוכן יכול להיות גדול מידי. עבור שימושי קרקע, יש בעלי קרקעות שיכולים לקבל החלטות לגבי השטחים שלהם וחוק פשטני הוא בעייתי.

סוכנים

העיצוב של סוכנים במודלים מבוססי סוכנים הושפע מאוד מעבודות בתחום של מערכות מרובות סוכנים בתחום הבינה המלאכותית. מערכות מרובות סוכנים חוקרות את ההתנהגות של סוכנים אוטונומיים ובעלי כושר הסתגלות בעולם הפיזי (רובוטים) או בעולם הווירטואלי (סוכני תוכנה). וולדריג' (Wooldridge 2002) טוען כי סוכנים אינטליגנטים הם מכווני מטרה (כמו למקסם תועלת), ראקטיביים (מגיבים לשינויים בסביבה שהצליחו לזהות) ומסוגלים לתקשר עם סוכנים אחרים. אחד הקשיים הוא לאזן התנהגות ריאקטיבית מכוונת מטרה. תכנון מודלים בעלי סוכנים שיש להם רק התנהגות ראקטיבית היא דבר קל למדי, ומודלים אקולוגיים מבוססי פרטים יחידים מתייחסים לבעיות על ידי הדמייה של סוכנים לא אנושיים (לדוגמה DeAngelis and Gross, 1992).

עם זאת בני אדם משלבים התנהגות מכוונת מטרה יחד עם תגובתיות. כלכלנים נאו-קלאסיים מניחים סוכן אנוכי ורציונלי כדי לתאר התנהגות אינדיבידואלית. מודל זה מתאר אולי בני אדם שפועלים בשווקים תחרותיים מאוד, עורכים של מספר ניסויים טענו כי הדבר לא מייצגת את ההתנהגות של בני אדם במספר מצבים של קבלת החלטות שיש להם חשיבות לכלכלה אקולוגית (Gintis, 2000).

עבור מצבים של הערכה כלכלית או פעולה משותפת יש חשיבות רבה למוטיבציה, הגינות והעדפות והמאפיינים של אלו עשויים להשתנות בין סוכנים שונים. כמו כן החלטות הקשורות בניהול סביבתי הינן מורכבות בדרך כלל ולא סביר שיש מצב שלסוכנים יש מידע מלא או הבנה מלאה של הבעיה. בכלכלה השתמשו במודלים של רציונליות חסומה וניתן להשתמש גם במונחים מתחום הפסיכולוגיה כדי להכליל מימדי התנהגות נוספים כמו רגשות, מוטיבציה ותפיסות. הצרה היא שהמסגרת הרחבה ביותר מזו של הסוכן האנוכי הרציונלי מספקת הרבה מאוד מסגרות ניתוח. במסגרת כלכלה התנהגותית יש דגש רב על מודלים של למידה שמסבירים התנהגות שנצפתה בניסויים (Camerer, 2003) אחרים מתמקדים בהקמת השערות אודות איך אנשים מקבלים החלטות בבעיות פשוטות במסגרת לחץ זמן.

דוגמה

דוגמה פשוטה של מודל בעל שני סוכנים שיש להם קשרי גומלין ביניהם ובינם לסביבה. הסוכנים שואבים מידע מהסביבה שמספק להם תפישה על מצבה של הסביבה. הסוכנים יכולים לקיים קשרים באופן עקיף - לדוגמה על ידי השפעה על משאב משותף או באופן ישיר - לדוגמה על ידי תקשורת. התקשורת יכולה לשמש כדי להעביר מידע על אסטרטגיות אפשריות, ידע על משאבים והסכמות לגבי איך פותרים בעיות משותפות.

שיטות

שפה פשוטה וזמינה ליצירת מודלים מבוססי סוכנים היא נט-לוגו (NetLogo) נט-לוגו תוכננה במקור למטרות חינוכיות אבל כיום משמשת גם אלפים רבים של משמשים למטרות מחקר. קולג'ים רבים השתמשו בה כדי ללמד סטודנטים אודות מידול מבוסס סוכנים. תוכנה דומה סטאר-לוגו (StarLogo), שוחררה גם כן, והיא בעלת פונקציונליות דומה. סוורם, Swarm הייתה אחת ממערכות ה-ABS למטרות כלליות הראשונות. סוורם משתמשת בשפת התכנות אובג'קטיב סי, ומומלצת למתכנתי סי עם מעט ניסיון בתכנות מונחה עצמים. ניתן לתכנת את סוורם גם באמצעות ג'אווה. מתכנתי ג'אווה, משתמשים הרבה גם ב-MASON וב-(Modelling toolkit)|Repast ועבור מתכנתי סי++ מתאימה התוכנה . EcoLab. פלטפורמה נוספת היא Cormas המתמקדת בניהול משאבי טבע, פיתוח כפרי או מחקר אקולוגי, ומתבססת על שפת סמול-טוק (SmallTalk).