近日，在2021年易智瑞空間信息技術(shù)開(kāi)發(fā)者大會(huì)上，易智瑞創(chuàng)新中心技術(shù)總監(jiān)、研究院首席研究員盧萌介紹了復(fù)雜科學(xué)理論下地理人工智能GeoAI的發(fā)展，引起了與會(huì)者的廣泛興趣。
他指出，近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)算力的提升以及數(shù)據(jù)量獲取的增加，使得人工智能領(lǐng)域取得了發(fā)展，而復(fù)雜科學(xué)的理論也再次進(jìn)入了公眾的視野。值得注意的是，目前的人工智能的發(fā)展還只是復(fù)雜性科學(xué)理論的早期階段。多智能體模型(agent-based modeling，ABM)，作為基于復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)的模擬計(jì)算模型，或?qū)⒊蔀槲磥?lái)人工智能發(fā)展的新機(jī)遇。而這一領(lǐng)域和GIS的結(jié)合應(yīng)用，也正在得到越來(lái)越多的關(guān)注。比如，為野生動(dòng)物的遷徙建立生態(tài)環(huán)境走廊、分析交通堵塞以及制定疏通措施、預(yù)測(cè)流行性傳染疾病的傳播、分析土地利用變化、優(yōu)化林業(yè)砍伐結(jié)構(gòu)……結(jié)合了地理空間屬性的ABM模型，能夠?qū)Χ喾矫娴膯?wèn)題進(jìn)行分析和模擬。
首先，來(lái)了解一下ABM模型。ABM是計(jì)算機(jī)模擬的一種，譯為代理人基模型，又稱多元代理人系統(tǒng)或多智能體系統(tǒng)，是一種用來(lái)模擬具有自主意識(shí)的智能體(獨(dú)立個(gè)體或共同群體，例如組織、團(tuán)隊(duì))的行動(dòng)和相互作用的計(jì)算模型，通過(guò)圖像展示和評(píng)估智能體在系統(tǒng)整體中的作用。ABM也綜合了一些其他思想，比如博弈論、復(fù)雜系統(tǒng)、涌現(xiàn)、計(jì)算社會(huì)學(xué)、多智能體系統(tǒng)和演化計(jì)算等。
一個(gè)ABM模型主要包括以下要素 :一定數(shù)量的“代理人” ;一定數(shù)量的“代理人”之間的關(guān)系;一個(gè)模擬“代理人”的行為和互動(dòng)的框架。ABM明確了模擬個(gè)體或?qū)ο蟮男袨樵跁r(shí)間和空間中的因果關(guān)系。從概念上來(lái)說(shuō)，在ABM模型中需要給虛擬的“代理人”一定的“指示”，比如使“代理人”相互影響，以及與環(huán)境進(jìn)行交互等。“代理人”可以用來(lái)表示人，也可以表示野生動(dòng)物、車輛、地塊或其他離散的對(duì)象。在“代理人”的行為和決策影響下，模型在時(shí)間和空間中產(chǎn)生了相應(yīng)的模式。相比于一般的模型著重對(duì)事物的模式進(jìn)行量化分析和重現(xiàn)，ABM模型側(cè)重于對(duì)事物模式的產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行探討，而這些模式往往是從個(gè)體的行為決策中涌現(xiàn)的。
圖 1 agent based modeling對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的模擬
在一般情況下，建立ABM模型的過(guò)程可分為三步：定義“代理人”，定義“代理人”的行動(dòng)規(guī)則，以及定義“代理人”行動(dòng)的時(shí)間跨度。首先需要定義“代理人”，像前面提到的，“代理人”可以是動(dòng)物、土地地塊、貨運(yùn)卡車，或者是任何能夠做出選擇、執(zhí)行某種行動(dòng)、改變自身狀態(tài)的事物。“代理人”往往具有自身的屬性：當(dāng)“代理人”代表的是人時(shí)，可以具有身高、體重等屬性。下一步是定義“代理人”的行動(dòng)。每一次迭代它們都會(huì)依據(jù)自身的狀態(tài)和周邊的環(huán)境執(zhí)行某種操作，或不執(zhí)行任何操作。例如代表動(dòng)物的“代理人”可能會(huì)有跑、走、進(jìn)食、睡眠等行為;代表地塊的“代理人”的行為可能會(huì)表現(xiàn)在從農(nóng)業(yè)用地變更為城市用地。第三步是定義時(shí)間跨度，通常是通過(guò)定義“代理人”行動(dòng)的變化頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這一步驟是根據(jù)模型由現(xiàn)實(shí)的表示來(lái)決定的。
大多數(shù)的“代理人”都在特定的空間位置中做出決策，而這一相對(duì)空間位置也會(huì)影響“代理人”所做的決策。ABM模型中“代理人”與環(huán)境的關(guān)系也是互相影響的，個(gè)體的決策行為會(huì)改變整體環(huán)境，而環(huán)境也對(duì)每個(gè)個(gè)體產(chǎn)生影響。在ABM模型中，可以通過(guò)自定義個(gè)體(或群組)的行為和規(guī)則來(lái)確定個(gè)體所處的狀態(tài)或背景，繼而在適合的環(huán)境中迭代，執(zhí)行這些規(guī)則多次，從而模擬可能形成的結(jié)果。
圖表 2 ABM模擬的空間范圍和尺度
能夠代表和模擬人的決策行為是ABM模型最具有優(yōu)勢(shì)的特性之一，也是模型中輸入的最重要組成部分之一。再者，環(huán)境也是ABM模型中重要的組成部分，盡管環(huán)境沒(méi)有做出決策的屬性，但環(huán)境作為記錄歷史的文件，能夠?qū)€(gè)體的決策做出影響。個(gè)體和環(huán)境進(jìn)行的互動(dòng)也是ABM模擬的一大特性。
GeoScene作為新一代國(guó)產(chǎn)地理信息平臺(tái)，能夠很好地結(jié)合ABM模型的功能和特性，從而開(kāi)拓出新的應(yīng)用領(lǐng)域。在這一結(jié)合中，GeoScene主要用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)生產(chǎn)、地理處理和分析，以及模擬可視化展示。而ABM工具則提供了規(guī)則、對(duì)象的制定和時(shí)序安排的功能。由于ABM模型具有多元的、異質(zhì)的和動(dòng)態(tài)的屬性和行為規(guī)則，因此GeoScene的特性使其適合展示這一類模型輸入、輸出的地理空間屬性，分析其在非網(wǎng)格(連續(xù))的地理空間上的運(yùn)動(dòng)。兩者結(jié)合，ABM能夠增強(qiáng)GeoScene的動(dòng)態(tài)表述，GeoScene的空間分析功能能夠增強(qiáng)ABM的空間表述。
具體來(lái)說(shuō)，GeoScene平臺(tái)可為ABM模擬分析提供空間模型、建立模型和可視化驗(yàn)證的工具、空間驗(yàn)證工具、編程環(huán)境、模型的輸入與輸出、模型的驗(yàn)證與校準(zhǔn)等。以流行疾病傳播模型SIR (susceptible-Infected-Recovered model)為例，模型中“代理人”代表的是病毒傳播過(guò)程中的人類個(gè)體。首先，在模型中定義“代理人”的屬性，包括初始空間位置、自身狀態(tài)等等。模型首先在研究區(qū)域內(nèi)隨機(jī)生成“代理人”的空間位置，然后在空間中進(jìn)行隨機(jī)地移動(dòng)。每個(gè)“代理人”個(gè)體有四種狀態(tài)：未感染、已感染、治愈和死亡。這一步驟在Python編譯中可以通過(guò)創(chuàng)建agent類來(lái)表示。
圖3 SIR 模型中模擬代理人狀態(tài)的變化
第二步，定義“代理人”的行為規(guī)則：即圖3展示的流程。在密切接觸感染者后，則有一定的幾率感染和有一定的幾率死亡。這些規(guī)則可以通過(guò)創(chuàng)建模型類來(lái)表示。
圖4a、4b 中SIR模型設(shè)計(jì)的參數(shù)有：感染幾率，死亡幾率，模型總?cè)丝谝约案腥菊哒急龋约氨┞毒嚯x。圖中紅色的點(diǎn)代表感染者，藍(lán)色代表未感染者，黑色代表死亡人數(shù)。模型初始化時(shí)“代理人”隨機(jī)分布在模擬的城市各地，并隨機(jī)移動(dòng)。一部分?jǐn)y帶病毒的個(gè)體也在隨機(jī)移動(dòng)，這些個(gè)體將會(huì)按照一定比例死亡。未感染者在接近已感染者后會(huì)有一定的幾率感染。
圖4a SIR模型模擬未隔離疫情的傳播
圖4b SIR模型模擬采取隔離后疫情的傳播
圖4a、4b使用這一模型模擬了采取隔離措施和未采取隔離措施的病毒傳播影響結(jié)果，結(jié)果明確地顯示了隔離可以迅速降低感染人數(shù)峰值。而未采取隔離措施的，病毒將會(huì)持續(xù)傳播，感染人數(shù)和死亡人數(shù)都超過(guò)了采取隔離措施的模型。
ABM或?qū)⒊蔀槿斯ぶ悄馨l(fā)展的新機(jī)遇，易智瑞表示，GeoScene平臺(tái)將逐步接入這一種全新的模擬體系，為用戶帶來(lái)更多結(jié)合應(yīng)用。
據(jù)了解，易智瑞研究院是易智瑞公司最新成立的面向核心技術(shù)和前沿領(lǐng)域研究的部門(mén)，下設(shè)產(chǎn)品研發(fā)中心、創(chuàng)新中心、方案解決中心、大數(shù)據(jù)事業(yè)部等多個(gè)部門(mén)。易智瑞研究院的技術(shù)人員，大多是GIS軟件開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)領(lǐng)域的資深人士，深諳中國(guó)用戶的業(yè)務(wù)需求，同時(shí)在計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言和GIS軟件的底層或者二次開(kāi)發(fā)方面均有不俗的造詣。易智瑞研究院還擁有一支來(lái)自學(xué)術(shù)界和研究機(jī)構(gòu)的專家學(xué)者組成的顧問(wèn)專家組。易智瑞公司正與大量的大學(xué)和研究院達(dá)成戰(zhàn)略合作協(xié)議，依托院校和研究院進(jìn)行基礎(chǔ)性和理論性的研究，并且建立了良好的機(jī)制，進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化。
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