ASML：基于组织隐喻的ACP方法的人工社会建模语言外文翻译资料

 2021-12-29 22:10:43

ASML: Artificial Society Modelling Language for ACP Approach Based-on Organization Metaphors

Mingsheng Tang, Xinjun Mao, Huiping Zhou, Xueyan Tan

School of Computer

National University of Defense Technology Changsha, Hunan, P.R. China tms110145@163.com

Abstract—Artificial society is the mapping and abstraction of large-scale complex systems (especially social systems), which has numerous complex characteristics such as diversity and dynamic evolution. It is also the basic part of ACP approach (Artificial societies for modelling, Computations experiments for analysis, Parallel execution for control, which is a methodology in social computing). Thus, artificial society modelling is an important and meaningful work. However, there are still no standardized and accepted approaches to modelling artificial society. With the analysis of artificial society modelling and based-on social organization metaphors, this paper presented Artificial Society Modelling Language-ASML to simplify and standardize processes of artificial societies modelling for ACP approach, including meta-model (including entities and relationships), graphical notations, models (including role model, interaction model, etc.) and so forth. This modelling language could support massive objects modelling, multi-level modelling, social aspects modelling, dynamic evolution modelling, and it has characteristics of high abstraction, multi-viewpoints, easy-to-use and platform-independent. Then, with a case study, the validity of this language has been verified.

Keywords-artificial society; ASML; ACP approach; organization abstractions; social computing

  1. INTRODUCTION

With the rapid progress of modern transportation and computer science, numerous changes have emerged in the structures of social networks, which shorten the distances between people. In addition, there are a rising number of interactions and communications in the society. On the one hand, the information in the human society transmits more and more quickly, including not only useful information but also rumours. On the other hand, it quickens the spread of infectious disease in the human society. It will cause some social problems that infectious disease and rumours spread rapidly in the human society, which have an important effect on stabilization, harmony and development of the human society. Moreover, the emergency as outbreak of an infectious disease that has features of complexity, no aurae, wide effects, and potential hazards of secondary derivatives is an unconventional emergency. Meanwhile, local nonlineal interactions among individuals could arouse or cause this unconventional emergency (H1N1 outbreak) as the emergence phenomenon in the society. However, there is a huge gap between local

nonlineal interactions and the emergence [1], i.e., the process from local nonlineal interactions to the emergence is fuzzy, as shown in Figure 1. In order to research on the process of emergence, researchers adopt a range of approaches and methods, including macro-dynamics, formal resoning approach and artificial sociey, etc.

Figure 1. The gap between local nonlineal interactions and the emergence

Macro-dynamics methods [2, 3, 4] construct mathematical models of the disease spread or the media spread in the crowd by the methods of dynamics. Based on these mathematical models, we can research the spread of diseases, rumors, computer viruses and so on, which may reproduce the emergence phenomenon in the virtual world. Formal method needs formal specifications of systems, and reasons the behaviour of the system o based on axioms, theorems and rules of the formal approach. Then, we can acquire qualitative assessments of the emergenc, e.g. SLBAS [5, 6] and FABS [7]. This pioneer study of artificial society can be traced to 1991 [8], which has been widely applied in social computing. On one hand, artificial society is a new modelling paradigm for complex systems, as a bottom-up modelling approach. On the other hand, artificial society is the abstract of the real physical system to build the virtual model, and it is the mapping of the real system in the computer world. Then, we could research and analyse the disease spread or other issues by simulation experiments [9, 10, 11]. Currently, there are some researches on emergencies and emergency management using the approach of artificial society such as BioWar [12, 13].

The research of emergence as outbreak of H1N1 ultimately aims at the emergency management. Emergency management was born with the emergency, that governments and public organizations take a series of real-time responses and control measures to reduce the impact of emergencies and preserve social stability. In order to conduct emergency management,

2012 Second International Conference on Cloud and Green Computing

National Nature and Science Foundation of China under Granted Nos.

9102403, 61133001 and 61070034, Program for New Century Excellent Talents in University and the China Scholarship Council (CSC) support this work.

978-0-7695-4864-7/12 $26.00 copy; 2012 IEEE DOI 10.1109/CGC.2012.27

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researchers have introduced the ACP approach [14, 15, 16, 17], and initially ACP approach is used to solve complex socio- economic issues, as well as urban transport problems. In addition, this methodology could also effectively aid emergency management. Furthermore, artificial society modelling is the first part as well as the basic component of ACP approach, so to research on artificial society modelling is necessary and meaningful. However, currently it lacks a standardized approach to artificial society modelling [18]. Therefore, based on the above background and social organization abstractions, we propose a city-scale Artificial Society Modelling Language-ASML for ACP a

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2012年第二届云计算与绿色计算国际会议

ASML：基于组织隐喻的ACP方法的人工社会建模语言

唐明生，毛新军，周慧萍，谭雪艳

计算机学院

国防科技大学

湖南长沙，中国

tms110145@163.com

摘要：人工社会是大规模复杂系统（特别是社会系统）的映射和抽象，具有许多复杂的特征，如多样性和动态演化。它也是ACP方法的基础部分（用于建模的人工社会，用于分析的计算实验，用于控制的并行执行，这是社会计算中的一种方法）。因此，人工社会建模是一项重要而有意义的工作。然而，目前仍然没有标准化和公认的人工社会建模方法。通过对人工社会建模的分析和基于社会组织的隐喻，本文提出了人工社会建模语言 - ASML，以简化和标准化ACP方法的人工社会建模过程，包括元模型（包括实体和关系），图形符号，模型（包括角色模型，交互模型等）等。这种建模语言可以支持大规模对象建模，多级建模，社交方面建模，动态演化建模，并且具有高抽象，多视点，易于使用和平台无关的特征。然后，通过案例研究，验证了该语言的有效性。

关键词 - 人工社会;ASML; ACP方法;组织抽象; 社会计算

第1节 简介

随着现代交通和计算机科学的迅速发展，社交网络结构出现了许多变化，缩短了人与人之间的距离。 此外，社会中的互动和沟通次数不断增加。 一方面，人类社会中的信息传播得越来越快，不仅包括有用的信息，还包括谣言。 另一方面，它加速了传染病在人类社会中的传播。 这将导致传染病和谣言在人类社会中迅速传播的一些社会问题，这对人类社会的稳定，和谐和发展具有重要影响。此外，作为具有复杂性，无预兆，影响范围广和潜在的二级衍生危害特征的传染病爆发的突发事件是非常规的紧急情况。同时，个体之间的局部非线性交互可能引起或导致这种非常规的突发事件（H1N1爆发）作为社会现象出现。然而，局部非线性交互与突发事件之间存在巨大差距[1]，即从局部非线性交互到突发事件出现的过程是模糊的，如图1所示。为了研究出现过程，研究人员采用了一系列方法和技术，包括宏观动力学、形式推理方法、人工社会等。

图1 局部非线性相互作用与突发事件之间的差距

宏观动力学方法[2,3,4]通过动力学方法构建疾病传播或媒介在人群中传播的数学模型。基于这些数学模型，我们可以研究疾病，谣言，计算机病毒等的传播，这可以在虚拟世界中再现这些紧急现象。形式化方法需要系统的形式化规范，并基于形式化方法的公理、定理和规则来解释系统的行为。然后，我们就可以对突发事件进行定性评估,比如SLABS[5,6]和FABS[7]。这项人工社会的开创性研究可以追溯到1991年[8]，在社会计算中得到了广泛的应用。一方面，作为一种自下而上的建模方法，人工社会是一种新的复杂系统建模范式。另一方面，人工社会是建立虚拟模型的真实物理系统的抽象，是计算机世界中真实系统的映射。然后，我们可以通过模拟实验来研究和分析疾病传播或其他问题[9,10,11]。目前，BioWar等人利用人工社会的方法对突发事件和应急管理进行了研究[12,13]。

甲型H1N1流感爆发的研究以应急管理为目标。突发事件管理是伴随着突发事件而产生的，政府和社会团体采取一系列的实时响应和控制措施，以减少突发事件的影响，维护社会稳定。为了进行应急管理，研究人员引入了ACP方法[14,15,16,17]，最初，ACP方法用于解决复杂的社会经济问题以及城市交通问题。此外，该方法还可以有效地辅助应急管理。另外，人工社会建模是ACP方法的第一部分，也是ACP方法的基本组成部分，因此对人工社会建模的研究是必要和有意义的。然而，目前它缺乏一种标准化的人工社会建模方法[18]。因此，在上述背景和社会组织抽象的基础上，我们提出了一种面向ACP方法的城市规模人工社会建模语言ASML，包括元模型、图形符号和模型等，其目的和动机是规范和简化人工社会建模，进而有效地支持ACP方法，如图2所示。

图2 ASML研究动机

本文的内容如下。第二节介绍了人工社会建模的特点，包括方向和概念。第三节介绍了ASML的实体和语言工具，包括元模型、符号和模型库等。第四节使用ASML对人工校园进行建模。第五节将ASML与相关工作进行比较。第六节总结了这项工作，并强调了下一项正在进行的工作。

第2节 人工社会的必要条件

2.1 ACP方法的人工社会建模特点

ACP方法以人工社会模型为基础，需要建立代理人口模型、人工社会环境模型和应急模型。ACP方法是针对复杂的大规模或大型系统的复杂问题，特别是应急管理等社会问题。因此，采用ACP方法进行应急管理的人工社会建模具有许多复杂的特点：

  1. 大规模对象：由于人工社会是由大规模、大型的建模对象组成的，例如，为了建立一个城市规模的人工社会，我们应该建模和描述数以百万甚至数以千万计的个体或对象。因此，对大规模建模对象的描述和表达需要语言工具的支持。
  2. 社会方面：人工社会的一个重要特征是社会性，这也是与其他复杂系统的一个重要区别。因此，描述人工社会的社会特征或性质也很重要，如社会组织、社会关系和社会角色等，这就需要语言工具的建模语言来描述这些特征。
  3. 多层次：人工社会是计算机世界中真实社会或系统的映射，社会系统通常具有不同的层次，包括个人、家庭、社区和城市等不同的层次。为了更全面地描述人工社会和描述社会等级，语言工具应提供多级建模的能力。
  4. 多样性：人工社会由许多个人和环境组成，例如，不同的个体可能扮演不同的角色，扮演相同角色的不同个体可能处于另一个物理或虚拟环境中。 此外，个人和环境的多样性将导致人工社会的多样性。 因此，建模语言工具还需要能够描述和表达人工社会的许多不同方面。
  5. 动态演化：人工社会是物质社会的映射，人工社会是动态变化、发展和演变的，呈现出不同的特征和性质。然而，人工社会的动态演进需要引导和约束，而人类社会的演化是研究并行实施与管理的重要组成部分。因此，语言工具需要提供一种描述，或培养、描述人工社会动力学和进化的能力。
  6. 各种非常规突发事件：ACP方法能够在各种非常规突发事件影响下研究应急管理，因此建模语言需要支持各种非常规突发事件建模。

2.2 人工社会建模的方向和概念

人工社会是计算机世界中人类社会或物理复杂系统的映射。人类社会是一个复杂的大规模系统，不同的研究者正在关注社会系统的不同方面。然而，对于人工社会建模，还没有标准化、统一的方法或语言。因此，我们希望人工社会建模语言能够规范和指导人工社会建模，从而有效地支持ACP方法。

图3 人工社会建模方向

突发事件也是人工社会应急管理的一部分。如图3所示，人工社会主要包括代理人口、环境和突发事件。

  1. 代理人口

代理人口是人工社会的重要组成部分，包括代理人口的统计信息（如性别比、职业或角色、年龄分布等）。此外，它还可以定义社会关系的类型和组成规则、代理人的属性和行为的约束和规则。

  1. 代理

代理是人工社会中最基本、最重要的组成实体，是人类社会或现实系统中个体的抽象。

  1. 社会组织

在人类社会中，有许多社会组织，这些社会组织包括许多属性及其社会组织结构。组织结构定义组织之间或组织成员之间的关系。

  1. 环境
  2. 物理环境

物理环境是影响人工社会中的主体行为的实体，物理环境是主体生存的空间。此外，物理环境中也有一些规则和约束。例如，图书馆的开放时间是8:00到22:00，其他时间图书馆不提供任何服务。环境主要需要定义其运行平台、规则和资源等的属性，根据地理信息系统的标准和其他要求，物理环境可以分为点、线、多边形地理实体和交通条件。

  1. 非物理环境：

非物理环境是人工社会环境的动态部分，也可能影响代理人的行为，如时间，天气和气候。

  1. 突发事件

突发事件是一种特殊事件，包括与疾病相关的公共卫生突发事件和公共安全突发事件。

第3节 人工社会建模语言——ASML

3.1 人工社会建模语言的元模型

人工社会建模语言可以对人工社会进行建模和抽象，以获得与平台无关模型（PIM）的计算机模型。 人工社会是一个复杂的庞大系统。 为了支持人工社会的建模，建模语言需要具有高度抽象的社会学和组织隐喻的思想来理解人工社会。 目前，组织抽象已成功应用于软件工程领域[19,20]。 此外，基于组织抽象的ASML引入了群体，角色的概念，可以描述社会层面，社会关系等。同时，代理人可以动态地扮演社会角色，以获得不同的行为模式。人工社会建模语言的核心概念包括实体和关系，如图4所示。实体是人工社会模型的基本成员或组成部分。

  1. 代理：是一个自主的行为实体，位于特定环境中，具有适应能力，并有自己的计划和行为。
  2. 角色：是代理行为和身份的抽象表示。代理人通过扮演角色来获得角色的行为和计划。
  3. 环境：包括物理环境和非物理环境，物理环境是指道路、建筑物等人工社会中的环境实体或静态环境因素。此外，非物质环境是环境的动态部分，如时间、天气等。
  4. 群体：指具有一定社会关系或在同一社会组织中的一组代理人，能够描述代理人之间的社会关系或社会组织之间的关系。一方面，它可能包含几个描述代理人之间社会关系的代理人。另一方面，它也可以作为描述社会组织之间关系的群体集合。
  5. 群体结构：定义群体的整体架构或结构，可以描述角色或群体之间的关系。群体结构可以约束角色之间的关系。代理将通过扮演此角色获得角色的关系。
  6. 事件：指可能影响人工社会的属性和规则的集合，包括公共卫生突发事件和公共安全突发事件。
  7. 突发事件：指在人工社会中发生的特殊事件，可能对社会造成严重危害，需要采取应急管理措施处理。

图4 人工社会建模语言的元模型

  1. 交互：基于社交网络或随机的人工社会中代理人之间的交互活动。 因此，它是代理人的特殊行为。
  2. 行动：是实现其计划，职能和任务的角色的基本行为实体，角色的计划取决于行动。
  3. 计划：角色根据时间、环境或情况计划下一阶段的行动，并具有相应的积极程度。一个计划可以作为一个角色的行为规划，它主要包括一系列行动、相应的时间、可能性和活跃程度等。
  4. 属性：描述实体的静态属性。

ASML的元模型不仅定义了实体，还定义了实体之间的关系，包括社会关系，位置，影响，如图4所示。

  1. 社会关系：可以用一个群体来描述的主体或群体之间的关系。两种类型的社会关系是预先定义的：同级对同级和上级到下级。这两种社会关系在不同的情况下可以赋予不同的含义。
  2. 激发：突发事件会刺激某些角色。因此，事件和这些角色之间存在一种关系。例如，H1N1突发可以激发H1N1患者这一角色。
  3. 影响：突发事件对人工社会产生影响，可能影响社会成员。 影响关系将影响人工社会的成员，包括代理人群，某些角色，群体或环境。 例如，地震突发会对环境产生影响并破坏某些环境。
  4. 所有权：是特定实体（代理人口和角色、群体和角色以及物理环境之间）之间的特殊关系。这意味着一个实体可以包含或拥有另一个实体。
  5. 位置：在人工社会中，代理人口居住在某些特定的环境中（物理或非物理环境），因此代理人口与环境之间存在着位置关联。
  6. 参与：指代理和交互之间的特殊关系，即代理加入交互。

3.2 ASML的符号，视角和模型

ASML为用户提供图形符号以模拟他们自己的人工系统模型，这些符号如图5所示。同时，图6显示了ASML模型的关系。

图5 ASML的符号

图6 ASML模型的关系

  1. 人口视角：这一视角主要涉及人工社会的整体构成，包括角色，群体，事件和环境。 在这种视角中，它不需要关注各种实体的细节，而是关注人工社会的整体构成。
  2. 环境视角：环境模型主要关注物理环境的资源及其GIS地理信息，以及非物理环境的资源和属性。 物理环境具有层次结构，通过所有权联系，物理环境与其相关子物理环境之间的关系可以在该模型图中显示。 我们可以通过“Super_environment”来表示上级物理环境，并通过“Sub_environment”来表示从属物理环境，以构建环境之间的层次关系。
  3. 代理人行为和属性的视角：角色是人工社会的重要组成部分，是代理人行为和属性的抽象。 另外，代理和角色之间的关系与对象和类之间的关系类似。 在这个观点中，角色包括许多属性，例如：性别，年龄分布，行为和时间表。 角色模型将描述和表达角色的这些属性，行为和时间表。
  4. 社会组织和社会关系的视角：代理人之间的社会关系构成了人工社会的社会网络，这是重要的一点。 因此，社会关系需要在群体结构模型中进行定义。 此外，群体可以描述各种社会关系，然后不同的社会关系可以模拟不同的群体，例如 一组描述代理人之间的朋友关系。 在这个视角中，它主要涉及群体结构，包括群体或成员之间的结构。群体结构模型需要群体给出这些角色之间的角色和社会关系。 此外，它还可以模拟群体之间的结构关系，以描述社会层次结构，以支持社会多层次建模。

图7 交互的触发器和造成的影响

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资料编号：[3087]

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