Agent-based Simulation of Consumer’s Market

慶應義塾大学大学院 政策・メディア研究科 修士 2 年Novel Computing Project ・武藤研究室所属

島 広樹

発表の流れ研究の背景Agent-based Social Simulation (ABSS)オブジェクト指向方法論一般システム理論Consumer’s Market社会科学の方法論としての ABSSおわりに

研究の背景

― 研究のゴール

社会システムの複雑性そして複雑化する社会

深刻化する社会問題 科学的研究の細分化

知の統合の必要性●先行事例

World モデル

諸理論を立体的に組み立てることで地球環境問題の深刻性を示した。

システムダイナミクス

諸領域の理論をマクロなレベルで統合することで複雑な事象を説明しようとした．

■本研究のドメイン

Agent-based Social Simulation

ミクロなレベルの相互作用の複雑なプロセスからマクロな事象を説明しようとする。

“Agent” という概念Agent と は？

自律性： 内部構造に基づいて行動や状態を制御する．社会性： 他の Agent や人間とコミュニケーションする．反応性： 外部環境を認識し、外部環境に働きかける．自発性： 受動的反応だけでなく、能動的動作を起こす．Agen

t（ Computer Science における “ Agent” の基本的特性）

―Agent-based Social Simulation

― M. J. Wooldridge and N. Jenninsg, “Intelligent Agents”, Lecture Note in Artificial Intelligence 890, Springer-Verlag, 1995

具体的には？

・ Software Agent

・社会シミュレーションにおいて行動する各主体

社会を構成する各主体の行動原則をプログラムとして表現したエージェントを多数用意し、それらを相互作用させることによって社会的構造を再現し、構造分析などに利用する手法

現実世界

人間の行動原理抽出

Agentプログラムとして表現

多数用意Bottom Up

Simulation社会構造の分析

•社会理論の研究•教育的利用

近未来のシナリオ導出•政策提言

•ニュービジネスの提案

Agent-based Social Simulation

―Agent-based Social Simulation

Advantage・個性を計算要素として尊重することができる点・創発的プロセスを取り扱うことができる点・動的関係性を構築できる点・モデルを手軽に交換することができる点

？

心理モデル A

情報モデル X情報モデル Y

心理モデル B心理モデル C

Agent-based Social Simulation のアドバンテージ

―Agent-based Social Simulation

ABSS の領域にみる先行研究（ Agent-based Social Simulation ）

Sugarscape “ 砂糖”と“香辛料”の山を求めてさまよう人工生命の動態を追い、

これを解釈することで人間社会を理解しようとするアプローチ

人工株式市場 過去の値動きのパターンを元に学習しながら取引を行う Agent

による人工株式市場において、現実との類似性を見いだすアプローチ

Swarm Project 人工社会シミュレーションを行うために開発されたソフトウェア

パッケージ。プログラムの素材集としての役割も果たそうとしている。

―Agent-based Social Simulation

― Joshua M. Epstein, Robert Axtell, “Growing Artificial Societies ―Social Science from the Bottom Up”, The Brookings

Institution, 1996

― W. B. Arthur, et al., "An Artificial Stock Market", Working Paper. University of Wisconsin, Department of Economics. など

― Swarm Project official home page: http://www.santafe.edu/projects/swarm/

Simulation という研究手法

Simulation =

Simulation の目的 現実世界の特定の現象を論理的・数学的に理解すること

現実世界の動きを予測し、対策を練ること

現実世界の何かについて、計画を立てたり、設計したりすること

人間の行動を把握したり、人間を訓練したりすること

実物ではできないことを代わりのもので実行すること

―Agent-based Social Simulation

―天気予報、環境、経済 など

―フライトシミュレータ、経営ゲーム など

―電子回路、原発、プラント、政策 など

―生命、社会、物理 など

オブジェクト指向方法論

オブジェクト指向プログラミングの考え方

プログラムの中でひとまとまりのものとして捉えると便利な機能や変数の群をモジュールとして区切り、プログラム全体の挙動をこうしたモジュールの相互作用によって導出しようというもの

― オブジェクト指向方法論

オブジェクト指向の基本概念

― オブジェクト指向方法論

抽象化

モデル化したい対象を煮詰め、本質的であると考えられる機能を抽出し、単純なものとして一般化する。

カプセル化（ブラックボックス化）インスタンス化継承階層

カプセル化

定義した構造をある種のパッケージにまとめ、内部構造が見えないようにし、 用意したインタフェースを通じてのみやり取りすることができるようにする。

抽象化

ID = 01 02 03 …

インスタンス化

オブジェクト指向のプログラミングでは、まずクラスと呼ばれる設計図を記述しなければならない。インスタンス化とはこの設計図から実体を生成すること。

継承

継承継承

一般化

特殊化ある対象の構造をそのまま受け継ぎ、それとの差を記述することによって、別の存在を定義する。

全体

部品

階層

ある対象が、さらに小さな幾つかの対象から構成されている。

オブジェクト指向のメリット 複雑性の管理が行いやすいという点

あるサイズを超えるシステムは、複雑すぎて一人で全部把握することはできなくなると言われている。オブジェクト指向のカプセル化を上手に利用すれば、複雑なシステムをうまく整理できるし、人間の思考回路にもうまく納まる。

プログラムの再利用が行いやすいという点 以前に構築したモデルや、他の人の構築したモデルを再利用することが比較的容易なのである。これは、そのまま利用することも、継承によって細部を修正して利用することも含んでいる。

開発速度が向上するという点 極めて単純なシステムを構築する際にはこれは当てはまらないが、構築するシステムがある程度複雑になってくるとオブジェクト指向を用いた方が早いケースも多い。これは、上記二つの利点を関係している。

― オブジェクト指向方法論

システム論の基本的な考え方システムの認識段階

「観察者」の役割や目的 まず、ある「全体」を認識 それに「境界」を設定 「制御機構」を同定 「入力」と「出力」の定義 「組織性」を認識 「階層性」を認識

観察 境界 入出力

組織性 サブ -システム

階層性

sys

sub

subsub

認識プロセス

― システム論的世界観

創発性と分析的手法の限界「創発」という概念

システムとは、小さな要素群が組織化された複雑性に発生するある種の秩序である。そして、この秩序、即ちシステムは、小さな要素群のレベルではその存在を想定することができないような、ある特性をもつ。システム論の言葉では、この特性が発現する性質のことを創発と呼んでいる。

― システム論的世界観

デカルト的分析手法 一般システム論的世界観

全体の理解 全体の理解

― 創発

system

sub-system

「一般システム研究会」設立主旨

「一般システム研究会」設立主旨より一般システム研究会は 1954年に個々の伝統的な知識分野を越えて応用しうる理論的体系の発展を促す目的で設立された。主な役割は、①いろいろな分野の概念、法則およびモデルの同型性を研究し、各分野間の有益な転用をはかること②理論的なモデルのかけている分野で適切な理論モデルの発展を促すこと③異なった分野での理論的な努力の重複を最小限にとどめること④専門家のコミュニケーションの改善を通じて科学の統一化を促進すること。

― 社会科学の方法論としてのABSS

一般システム論の停滞共有されるべき世界観を提示した時点で停滞

「要素が同等の他の要素群と相互作用し、その複雑なプロセスから創発的に上位の秩序が生まれ、それもまた他の秩序と秩序群と相互作用する一つの要素であり、これが階層的に発達している」という世界観

世界の表記方法を示したのはいいが、具体的な内容が伴わなかった。

停滞の原因 各分野のモデルを説明するのに、共有された一般的な言葉を用いると内容

が伴わず、専門用語を用いると統合が進まない 、というジレンマがある。 停滞の原因は、さまざまな分野の研究成果を共通の言語で記述し、「集積」

するための、そしてそれを活用するための技術に恵まれなかったことに求められる。

「まだ「洞察、定理、恒真命題、あるいは単なる予感といったものの混合物」に過ぎない 。」

一般システム理論の成果はまだ存在しない。一般システム論の世界観に基づいて処理論の統合を実践するための道具がなかったのである。

― システム論的世界観

「一般システム論」と「オブジェクト指向方法論」の親和性

①観察者の主観で秩序を同定し、モデルを定義する点②記述される対象の境界が明確である点③対象に何らかの入出力が存在する点④対象はさらに小さな対象によって構成されると

いう階層性が成立し得る点など

― システム論的世界観

社会科学の方法論としてのABSS

社会、人間もしくはそれに付随する存在のモデルを、ある共有された人工言語によってオブジェクトとして表現し、これを組織化することによってシステムを定義し、このシステムがコンピュータ上で展開するプロセスを追うことによって、現実世界の現象を理解、説明、予測もしくは制御するための科学を、オブジェクト指向社会科学（ Object-Oriented Social Science ）として定義する。

― 社会科学の方法論としてのABSS

ABSS は、特にオブジェクトの自律性を重視した Agentを用いたシミュレーションとして位置づけられる。

ABSS がもたらすもの

社会理論を文章や数式として表現

従来の社会科学の方法論

モデルの適用

文章や数式として伝達

頭脳や紙上で計算

現実社会

論理構造の限界計算速度の限界計算精度の限界

伝達・共有の限界

プログラムとして伝達伝達・共有が高速かつ正確コラボレーションの促進

コンピュータで計算複雑な論理構造高速な計算が可能正確に計算

ABSS が提供できるもの

― 社会科学の方法論としてのABSS

ABSS の限界

観測の限界

モデリングの限界

計算精度の限界――細かさ

誤差の限界―― バタフライ効果

― 社会科学の方法論としてのABSS

Consumer’s Market

Black Box Product

Agent の多様性

Agent の情報交換

― Consumer’s Market

Agent の構造

DecisionSystem

CommunicationModule

InformationList

他者

環境

Action(Sell, Buy…)

環境

― Consumer’s Market

Communication Module

― Consumer’s Market

限定合理性

Worldfact

event

event

event

event

fact

fact

fact

event

入手情報リストInformation

Information

Information

・・・

知るBased On

行動

意思決定考える

情報の量の限界

Change

情報の質の限界

計算能力の限界

― Consumer’s Market

欲求

情報探索

購入前代案評価

購買

消費

処分

購入後代案評価

不満 満足外的情報探索

刺激・マーケティ

ング活動

内的情報探索

露出

注意

受容

理解

保持

記 憶

環境の影響•文化•社会階層•対人的影響•家族•状況

環境の影響•消費者の資源•動機づけと関与•知識•態度•パーソナリティー、価値とライフスタイル

EBM Model

(Engel, Blackwell & Miniard, 1995)

― Consumer’s Market

欲求

情報探索

満足度予測

購買

消費

処分

評価学習機能

情報記憶

判断のアルゴリズム

他者

広告等

CommunicationModule

topic: Productcontent: Estimation

・ Information Packet

Agent の Decision System― Consumer’s Market

実験実験の要旨

各エージェントがコミュニケーションを行う相手の数を調整し、それによって市場の動きや個々のエージェントの振る舞いがどのように変わるのかを見た。

0F 5F 10F

― Consumer’s Market

コミュニケーションネットワークの密度（ F) （高）（低）

実験結果（１） ―各商品のシェア推移

― Consumer’s Market

縦軸シェア（異なる色は異なる銘柄を指す）

F=0 の場合のシェア推移 F=5 の場合のシェア推移 F=10 の場合のシェア推移

横軸時間（ 0 ＜＝ t < 500 ）

実験結果（２） ―

― Consumer’s Market

最も売れてる商品のシェア（青色）

上位５商品のシェアの和（紫色）

Agentの適応度の平均値（黄緑色）

Agentの商品体験率の平均値（赤色）

上位 1商品のシェア、上位 5商品のシェア、

各主体の適応度、商品の体験率

F=0 における各値の推移 F=5 における各値の推移 F=10 における各値の推移

横軸時間（ 0 ＜＝ t < 500 ）

縦軸

実験結果の考察実験より、説明できた現象 コミュニケーションがある一部商品のマーケットシェ

アの拡大を促進する。 エージェントのコミュニケーション相手が多いほど、短期的な噂が発生し、それが社会に大きな影響をもたらすことになる。

良い商品を求めるのに有益な、客観的な情報を入手するためには、多くの他者とのコミュニケーションが重要である。

― Consumer’s Market

Consumer’s Market のCase Study から得られた、方法論的考察

意義 シミュレーションにおいて、各主体の個性、限定合理性の概念、主

体間の動的な相互作用など、他の手法では取り扱うことのできない特性を取り扱うことができ、 ABSS の可能性を検証することができた。

限界 プログラミングのプロセスから発生する、モデルの恣意性、強い

主観性が混入せざるを得ないという点で、科学的方法として物足りないという現状がある。シミュレーションの第二、第三、第四の目的を達成するためには、さらなる工夫が必要である。

ABSS の次のステージ モデルの共有と検証を社会的規模で展開することが、科学的方法に

は不可欠である。そのためには、モデルの相互利用を図るためのobject の規格策定（標準化）や共有されるべきライブラリーの構築と運用が極めて重要である。

― Consumer’s Market

ABSS によるコラボレーション

ABSS を利用した研究コラボレーション

Object Library

心理モデル

市場モデル

コミュニケーションモデル

シミュレーション

モデル設計 社会構造分析 利用目的

・政策提言・政策効果の予測・社会構造の分析・マーケティング戦略

（各種モデルをプログラムとして記述） （モデルの選出）社会構造分析者

心理学研究者

市場構造研究者

心理モデル

市場モデル

設計

・・・・

設計

― 社会科学の方法論としてのABSS

知の組織化

社会理論をプログラムとして表現

提案する次世代型社会科学基盤の設計図

社会理論プログラムのライブラリーを構

築

Case StudyStandardization

社会科学研究者

Existent Theory

Social Data

社会理論における知の組織化

VerificationTheory Metabolism

Social Simulation

社会構造の論理的的解明

近未来のシナリオの導出

Future Work

オブジェクトの規格策定（標準化）オブジェクトライブラリーの構築社会的規模でのコラボレーションの活性化現実世界からの観測データを活用既存のモデルのオブジェクト化リソースのパッケージ化コラボレーション基盤としての拡充現実世界への適用（→シミュレーションの目的）

― おわりに

まとめ

オブジェクト指向の方法論を次世代型社会科学の基盤として位置づけることを提案した。オブジェクト指向社会科学を、一般システム論の世界観に基づく分析を実践する手段として、科学的方法論の中で位置づけた。Consumer’s Market のシミュレーションを通じ、これを具体的な形で実践し、その可能性と限界を示した。今後の展開において、社会的コラボレーションの基盤を確立し、知の組織化を計ることの重要性を確認した。

― おわりに

修士２年間での研究成果島 広樹 , 「新しい時代の情報技術 ― ANSS 構想― (Agent Network Simulation System) 」 , 富士総合研究所創立10周年記念懸賞論文(優秀賞受賞作品 ), 1998島 広樹 , 井庭 崇 , 小澤太郎 , 武藤佳恭 ,「情報流通ダイナミズムのエージェントネットワーク型シミュレーション」 , 日本シミュレーション＆ゲーミング学会第10回全国大会 , 1998 島 広樹 , 武藤 佳恭 , 「情報流通ダイナミズムのマルチエージェント型シミュレーション－人工社会モデルに対するコミュニケーションモジュールの適用－」 , 進化経済学論集第３集（進化経済学会第３回大阪大会研究報告） , Mar. 26-27, 1999Hiroki Shima, Takashi Iba, Taro Ozawa, Yoshiyasu Takefuji, "Information Propagation and Price Fluctuation on Multi-Brand Market" , Computational Intelligence Methods and Applications: Soft Computing in Financial Markets, 1999Hiroki Shima, Takashi Iba, Yoshiyasu Takefuji, "Agent-based Simulation of Black Box Product's Market", 1999

Appendix

社会モデルのプログラミング

ABSS は、人間やその心理、社会などに対するモデルをコンピュータ上で動かすことのできるプログラムとして表記してやることからスタートする。 社会科学のモデルの中には、一般化されており、抽象度が高いため、そのままの形では機能しないものが多くある。社会科学の場合、見えないところに存在する多くの仮説を前提としていなければ、理論が成り立たない 。社会シミュレーションを行うためのプログラミングの際には、完全な論理性が求められるため、見えない仮説を引き出し、それを論理化してやらなければならない。プログラマーはこうした曖昧な点を払拭し、論理的欠如を補うことが求められる。

― 社会科学の方法論としてのABSS

Bottom-up アプローチ

ボトムアップ型アプローチの背景には、システムが階層的に成り立っているという一般システム論的な世界観がある。 自然科学においては、このアプローチの妥当性はほぼ確認される。だが、社会科学の場合は、これを構成する要素をモデル化したものが、現実の動きを表現する能力において不確実性が高いという問題がある。「モデルが極度に単純化され、その不確実性が高い場合においても、ボトムアップ型アプローチが有効であるかという問題」に帰結される。 これまでのアプローチでは明らかに行き詰まっている状況の中で、感覚的に理解しやすいボトムアップ型アプローチの有効性を信じ、期待を寄せる人が増えてきたという段階でしかないのである。現象が論理的・数学的プロセスによって説明されるべきであると信じている限りにおいて、下位の現象に与えられるモデルと、上位の現象に与えられるモデルとの間に、論理的・数学的な整合性が取れるかどうかについて検証することが可能である点である。

― 社会科学の方法論としてのABSS

オートメーション化の流れ

研究の目的

→ ブルーカラーの生産性向上

機械化によるオートメーション化

• 事務作業

→ ホワイトカラーの生産性向上

コンピュータによるオートメーション化

• 頭脳処理

→社会科学 研究者の生産性向上

？？？Agent-based Social Simulation

• 肉体労働

観測の限界

― 社会科学の方法論としてのABSS

研究の目的

社会理論をプログラムとして表現

研究の目的

社会理論を文章や数式として表現

従来の社会科学の方法論

モデルの適用

文章や数式として伝達

頭脳や紙上で計算

現実社会

論理構造の限界計算速度の限界計算精度の限界

伝達・共有の限界

モデルの適用

現実社会

プログラムとして伝達

Agent-based 方法論社会科学の

伝達・共有が高速かつ正確コラボレーションの促進

コンピュータで計算複雑な論理構造高速な計算が可能正確に計算