DOI 10.1007/s00146-008-0186-x
Wealth adjustment using a synergy between communication,
cooperation, and one-fifth of wealth variables in an artificial society
Arash Rahman AElig; Saeed Setayeshi AElig;
Mojtaba Shamsaei Zafarghandi
Received: 10 October 2007/Accepted: 10 July 2008/Published online: 24 January 2009
Springer-Verlag London Limited 2009
Abstract Wealth distribution based on classic sugarscape model leads to a population increase and the Gini coefficient decrease when cooperation and communication parameters are taken into account. In another study, this model was developed by implying a receipt of one-fifth of the assets of the population and derived utilization for poor people. The results showed a relation between mortality decrease, population increase, and Gini coefficient decrease (equality increase). In a synergic process, the wealth adjustment based on sugarscape model underwent some experiments by implying communication and cooperation, and the mechanism of receiving and utilizing the assets. The results show that the population increase and the Gini coefficient decrease play an important role in wealth adjustment.
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A. Rahman (amp;) Unit 3, No. 6, 8th alley, Sheikol Eslami, First St., 3rd Sq., Shahran, Tehran, Iran e-mail: arashrahman@yahoo.com A. Rahman Department of Computer Engineering (Software Engineering), Faculty of Engineering, Roudehen Branch, Islamic Azad University, Roudehen, Iran S. Setayeshi Department of Nuclear Engineering, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic), Hafez St, Tehran, Iran e-mail: setayesh@aut.ac.ir M. S. Zafarghandi Faculty of Nuclear Engineering and Physics, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic), Hafez St, Tehran, Iran e-mail: pysham@aut.ac.ir |
1 Introduction
Instinctive complication of human society and lack of a natural methodology for surveying and studying complicated social processes, has led the social scientists to take advantage of artificial society in related categories (Baptista et al. 2000; Bar-Yam 1997; Hales 1998, 2001; Rahman and Setayeshi 2006; Rahman et al. 2008c).
The research presented in this article is a part of a newly appeared course in which the agents interact with each other for the purpose of simulating social and economic processes (Rahman et al. 2008c; Wikipedia Encyclopedia et al. 2007). This new course has been referred to by different titles such as agent based communicational economics, evolutionary economics or simulated socio-economics.
In this research, the agents in an artificial society not only cooperate and communicate with each other in order to receive more welfare and resources, but they contribute one-fifth of their assets for benefit of the poor in the society. The objective is to study the effects of a combined mechanism (including receiving and utilizing one-fifth of agentsrsquo; assets in addition to the existence of cooperation and communication in an artificial society) on wealth distribution among a population. Our study has been accomplished by methods:
- Developed classic sugarscape model by implying cooperation and communication (Buzzing 2003; Buzzing et al. 2005).
- Developed classic sugarscape model by implying the mechanism of receiving and utilizing one-fifth of the agentsrsquo; assets.
- Wealth distribution in the sugarscape model (Gizzi et al. 2003).
- Wealth adjustment based on developed sugarscape.
Some experiments were performed by applying each of the above methods. In some cases, the results of a model were compared with the results of another model. In other cases, the results of a model were used as the assumptions for the other models in obtaining new results.
The main experiments include:
- Studying the effects of communication and cooperation among population in sugarscape artificial society
- Studying the wealth distribution among population in sugarscape
- Studying the wealth distribution by implying mechanism of receiving and utilizing one-fifth of the agentrsquo;s assets for the benefit of the poor in sugarscape
- Studying the wealth distribution by implying the mechanism of synergic receiving and utilizing of the one-fifth of the assets with the existence of cooperation and communication in sugarscape model.
The article mainly emphasizes on the wealth distribution by implying cooperation and communication in sugar environment, and then by implying the system of receiving and utilizing one-fifth of agentrsquo;s assets for the benefit of the poor in sugarscape model. In Sect. 5, the wealth adjustment mechanism by implying synergic of cooperation and communication, and receiving and utilizing of one-fifth of the agentrsquo;s assets for the benefit of the poor is studied.
2 Sugarscape model
The models outlined above have been implemented according to the classic sugarscape model (Buzzing 2003; Gizzi et al. 2003). The model was presented by Epstein and Axtell (1996). The main elements of this model are: cellular automata (environment), agents, rules, sugar (source) which are defined here (Baptista et al. 2000; Buzzing 2003; Buzzing et al. 2005; Epstein and Axtell 1996; Kermani et al. 2003; Rahman and Setayeshi 2007a, b, c, d; Rahman et al. 2007, 2008a, b; Terna 2001; Vermeulen 2001):
Sugarscape Model frac14; CA thorn; Agents thorn; Sugar thorn; Rules: eth;1THORN;
In the formulated scenario of the model that is shown above, cellular automata (CA) is a mathematical model in which space and time are discrete. Time proceeds in steps and space is represented as a lattice or array of cells. The size of this lattice is referred to as the dimension of the CA. The cells have a set of properties (variables) that may change over time. The values of the variables of a specific cell at a given time are called the state of the cell and
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利用人工社会中沟通，合作和五分之一财富变量之间的协同作用进行财富调整
摘要：当考虑合作和交流参数时，基于经典糖域模型的财富分配导致人口增加以及基尼系数降低。在另一项研究中，这个模型的制定意味着收到人口五分之一的资产并为贫困人口提供利用。结果显示死亡率下降，人口增加和基尼系数下降（平等增加）之间的关系。在协同过程中，基于糖域模型的财富调整通过交流与合作以及接收和利用财富的机制进行了一些实验。结果表明，人口增长和基尼系数下降对财富调整起着重要作用。
1 简介
人类社会的复杂性和调查研究复杂社会过程的自然方法的缺乏，促使了社会科学家利用在相关领域的人工社会方法(Baptista et al. 2000; Bar-Yam 1997; Hales 1998, 2001; Rahman and Setayeshi 2006; Rahman et al. 2008c)。
本文提出的研究是新近出现的课题的一部分，其中代理人为了模拟社会和经济过程而彼此互动(Rahman et al. 2008c; Wikipedia Encyclopedia et al. 2007)。这个新课题已经被不同的标题所引用，例如基于代理的交际经济学，演化经济学或模拟社会经济学。
在这项研究中，人工社会中的代理人不仅要相互合作和交流，以获得更多的福利和资源，而且他们贡献了五分之一的资产，以造福社会中的穷人。本文旨在研究人口中财富分配的综合机制（包括接收和利用五分之一的代理人资产以及人工社会中合作和交流的存在）的影响。我们的研究通过以下方法完成：
1.通过合作和交流的发达经典糖域模型(Buzzing 2003; Buzzing et al.2005)。
2．通过接收和利用代理资产的五分之一的机制的经典糖域模型。
- 糖域模型中的财富分布（Gizzi等，2003）。
4．基于发达糖域模型的财富调整。
通过应用上述每种方法进行一些实验。在某些情况下，将模型的结果与另一个模型的结果进行比较。在其他情况下，一个模型的结果被用作获得新结果的其他模型的假设。
主要实验包括：
- 研究糖域人工社会中人口交流与合作的影响
- 研究糖域中人口的财富分配
- 通过接收和利用代理资产的五分之一的机制以利于糖域中穷人的利益来研究财富分配
- 通过在糖域模型中接收和利用代理资产的五分之一机制与合作交流的协同作用来研究财富分配。
本文主要通过糖环境中的合作与沟通来强调财富分配，然后通过接受和利用五分之一代理人资产的系统，为糖域模型中的穷人谋福利。在第五部分，研究了财富调节机制，是由合作沟通，以及为穷人的利益接收和利用代理人资产的五分之一的协同机制。
2 Sugarscape模型
在经典sugarscape模型的基础上，上面概述的模型已被实施(Buzzing 2003; Gizzi et al.2003)。该模型由Epstein和Axtell（1996）提出。该模型的主要元素是：环境，代理，规则，糖（资源），这里定义(Baptista et al. 2000; Buzzing 2003; Buzzing et al.2005; Epstein and Axtell 1996; Kermani et al. 2003; Rahman and Setayeshi 2007a,b,c,d;Rahman et al.2007,2008a,b; Terna 2001;Vermeulen 2001)：
糖域模型= CA 代理 糖 规则。
在上面示出的模型的公式化场景中，细胞自动机（CA）是空间和时间离散的数学模型。时间按步骤进行，空间表示为晶格或晶胞阵列。该晶格的大小称为CA的维数。单元格具有一组可能随时间变化的属性（变量）。给定时间的特定细胞的变量值称为细胞状态，并且所有细胞的状态一起形成（例如作为载体或基质）CA的全局状态或全局构型(Rahman et al.2008a).
代理商指的是生活在环境中的元素，包括：用于模拟人类行为的人，人口或机构。
在环境中，代理人的生活和存活有一些规则。可以根据要求在糖环境中改变代理行为规则。糖环境中的规则有两个主要类别：管理代理的规则（例如移动规则，替换规则，再生规则;管理环境的规则（例如用a率再生糖）。
在sugarscape模型中没有固定的环境或糖域结构，但它可以定义为每个单元格中的二维网络（二维元胞自动机），其中可能有糖，代理，什么都没有，或两者都有。
糖是一种普遍的来源，应该被代理吃掉以求生存。获取的糖量代表财富。在初级状态中，通过使用特定的概率分布函数可以随机地在环境中分配糖。糖可以任何地方以一定的速率更新，以达到最大容量。
代理也被随机初始化：初始位置，财富和所有内部状态在适当的时间间隔内随机分布。在该组内部状态中，子集在代理的整个生命周期中保持不变，而另一个状态子集是时间相关的。此外，这些状态中的一些在本地依赖（不同）到每个代理，而其他状态是全局依赖的（共同的）。与时间无关的局部依赖代理状态包括：初始财富（以糖为单位），最长寿命，视力水平和代谢率。与时间无关的全局依赖代理状态集是：增强视力的持续时间，贫困阈值（= 0）。依赖代理状态都是本地的，包括：糖域中的位置，年龄和以糖为单位的实际财富。
代理在寻找糖时以同步方式执行本地规则。由于代理人的简单本地行动，全局人口动态是紧急的。
上述模型名为sugarscape模型，可以被认为是一个二维细胞自动机，每个点都有特殊的特征（x，y）。对于该糖域的每个点，指定糖水平和糖容量。最大糖容量是可以从该环境的任何点去除（食用）的糖量。在这种环境中，有一些点没有糖（沙漠），容量低。其他一些点没有糖但具有高容量（当代理消耗该点的所有糖时发生）。其他一些点可能富含高容量的糖。
图1 糖域中的人工社会：随机初始分配代理人的社会演变
这个糖域由糖水平分布和糖域场所的糖容量的计算机程序指定。因此，糖域包括能量因素和资源，并且可以被认为是代理人行动的50times;50阵列。现在，可以说格子是环境（糖域）的基本元素，每个糖域由50times;50个格子组成，规则在其上隐含，并允许代理占据它。格子上糖的量可以根据预定的生长速率生长，并且任何代理都可以搜索它以找到糖或在格子中生产它(Baptista et al.2000; Buzzing 2003; Buzzing et al.2005; Epstein and Axtell 1996; Hegselmann and Flache 1998; Kermani et al. 2003; Kermani et al.2003; Rahman and Setayeshi 2007a,b,c,d; Rahman et al.2007,2008a,b;Terna 2001; Vermeulen 2001)。
图1显示了一个关于糖域的人工社会的模拟。该图的第1部分显示了网格世界中糖的分布，糖分在网格的东北和西南象限的峰值处最高-其中颜色最灰-并且落在一系列梯田中。第2部分显示了糖域上代理的随机初始分布。第3部分有收集糖的代理的实际动态。每个代理人收集的糖量可以被视为他或她的资产或财富(Epstein and Axtell 1996; Rahman et al.2008a)。
每个代理人移动到糖量最高的网格并收获糖。在任何时间段，每个代理人都会消耗一些糖和获得糖。在第4部分中，代理将其活动集中在糖峰上。实际上，似乎形成了两个殖民地，每座山上都有一个。还要注意一些代理人死了。对于那些新陈代谢高，视力低下的人来说，生活特别艰难。该模型可被视为显示社会和经济活动的社会经济模型。
3 基于发达糖域模型合作和沟通的财富分配
一个典型sugarscape模型建立的模型是VUscape，由Buzzing呈现(Buzzing 2003; Buzzing et al. 2005)。他总结了经典糖域模型中的沟通与合作。
该模型检验了在任何时期内每个代理消耗的糖量（最大收获糖或收获阈值或合作阈值）对糖类中的沟通限制。因此，如果在具有比其收获阈值更多的糖的格子中替换该代理，则其不能单独消耗它。在这种情况下，它应该与其他代理商联系，邀请他们合作，进一步更换被考虑的格子中的邀请代理商，从而通过减少这个参数（合作门槛），增加代理商的合作需求，很明显，它的减少可能会导致环境中代理死亡率的增加。
为了创造交流，在环境中建立了听和说这两种机制。这是宇宙中两种自然的通信机制，可以在人工环境中同步或异步建立。同步机制需要更多的代理专业知识，这需要在人工环境中建立口头语言。但是，异步协议似乎更容易，发送方可以在环境中发送信号，接收方可以接收和解释它。
通过这种方式形成环境中的合作与沟通：如果代理处于（x，y）位置且糖值高于其收获阈值，则代理将形成消息（（x，y），糖）和以概率偏好在相邻方向上发送它。代理在这些方向上听到发送的消息。然后，该代理使用其替代决定其信息（如果在格子距离内糖值高于该代理附近存在的糖量，代理将直接更换到那个地方）(Buzzing 2003; Buzzing et al.2005)。
3.1 实验A
实验A用于研究参数设置，人口的交流与合作带来的影响。(Buzzing 2003; Buzzing et al.2005; Vermeulen 2001)。
3.1.1 设置参数
附录B的表4显示了实验1的调整参数。在10次迭代中完成了800个时间段。可以看出，新陈代谢和视力水平在1级受到限制，以便更清楚地表明交流和合作的影响（新陈代谢和视力水平对这些结果没有影响）（Buzzing 2003），视力水平对代理人提供了类似的信息比如听，但我们这里只会研究沟通和合作的影响。此外，个人因素应在本地行动。沟通能力成为决策制定中广泛而通用的一部分。当具有广阔的视觉水平时，可以正确地测量和研究这种一般信息共享（由于倾听和说话）的影响。
3.1.2 结果
结果表明，没有合作和交流，社会就无法生存，由于饥饿，人口将在短时间内死亡（图2），而合作和交流可以保证代理人的生存和人口数量的增加（图3）。此外，合作可以使环境中的人口数量（约600个代理人）稳定和持续。这些结果促使其他有趣的结果作为预设。
图 2 没有合作和沟通存在的人工社会糖域模型
通过将这些结果隐含在基于糖域模型和进行其他实验的财富分配的开发模型中，可以找到更有趣的结果。
在这里，使用由Gizzi，Vail和Lairson提出的基本糖域模型的开发模型(Gizzi et al. 2003; NetLogo Group 2006)。该模型由NetLogo软件（NetLogo Group 2006）创建。该模型是由Wilenski（1998）创建的财富分配模型（NetLogo Wealth Distribution Model）的发展。该模型基于（Epstein和Axtell 1996）描述和创建的模型。该模型可以被视为一种显示社会福利的经济非经典理论模型。每个代理人收集的糖量被视为他或她的资产或财富。
图 3 存在合作交流的人工社会糖域模型
这种模式从社会中大致相等的财富分配开始（社会包括三个阶层：贫穷，中等和富裕）。然后代理人试图尽可能地收集糖。每个代理人试图进入相对于关于他或她的视力水平中存在最多糖的方向。在任何时间段，每个人都会消耗一些糖或获得它。通过应用基尼系数可以估算财富分配的平等或不平等（该系数的数量可以从0变为1，如果接近1，则表明世界上存在更多的不平等）(Gizzi et al. 2003; NetLogo Group 2006)。
3.2 实验B
通过这个实验，将研究人口增长对社会财富分配的影响。
3.2.1 参数优化
我们开发了这个模型，通过Netlogo软件（NetLogo Group 2006）实现并添加新的图表和监视器。
附录B的表5显示了实验B的优化参数。它执行了800个时间段，两个群体状态，首先是250个代理，接下来是500个代理。为了在时间迭代中考虑沟通和合作对人口持久生存的影响，人口增长被认为是统计学上的。实验中更关心的是控制基尼系数的平均值。
3.2.3 结果
首先，通过250个代理群体研究实验结果。如图4所示，基尼系数的数量从0.321（财富分配初始化中存在的数量）到0.479不等。这种增加表明社会中的不平等现象增多。图5显示了代理商平均财富平均值的高波动。糖单位的数量在开始时为27，在执行结束时变为38。当人口数量变为500个代理人时，基尼系数平均值从0.325达到0.439（图6）。财富平均值在开始时为27，并且在执行结束时保持不变（图7）。这是因为代谢增加了更多的代理存活。财富平均图表更稳定，偏差更小。
在表1中，基尼系数和财富平均值的计算量已经在执行上述测试的状态2中示出。结果表明，当人口数量为500个代理人时 - 执行开始时基尼系数平均值高于250个代理人口状态 - 基尼系数平均值在执行结束时较少。换句话说，在500名代理人群中，执行过程中财富更加平等，而且，对于大人口而言，在执行开始和结束时平均财富的稳定性确保了平均财富的平均波动。
图 4 250个代理人的基尼系数表
图 5 250个代理人环境中的财富平均值
图 6 500个代理商的基尼系数表
图 7 500个代理商环境中的财富平均值
实验的第二种状态（500个代理）的高代谢和财富平均减
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资料编号：[3089]
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