Agent-based Simulation of Consumer ’ s Market

1. 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

2. 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

3. ―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。 ■本研究のドメイン Agent-based Social Simulation システムダイナミクス 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。 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． 研究の背景

4. ―Agent-based Social Simulation Agentとは？ 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 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． Agent “Agent”という概念 （Computer Science における “Agent” の基本的特性） ― M. J. Wooldridge and N. Jenninsg, “Intelligent Agents”, Lecture Note in Artificial Intelligence 890, Springer-Verlag, 1995

5. ―Agent-based Social Simulation 現実世界 社会構造の分析 Simulation • 社会理論の研究 プログラムとして表現 Agent • 教育的利用 近未来のシナリオ導出 Bottom Up 多数用意 • 政策提言 人間の 行動原理 • ニュービジネスの提案 抽出 Agent-based Social Simulation 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

6. ―Agent-based Social Simulation ？ Agent-based Social Simulation のアドバンテージ • 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 情報モデル X 情報モデル Y 心理モデル A 心理モデル B 心理モデル C

7. ―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。 ― 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/

8. ―Agent-based Social Simulation Simulation という研究手法 実物ではできないことを代わりのもので実行すること • 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 ―生命、社会、物理 など ―天気予報、環境、経済 など ―電子回路、原発、プラント、政策 など ―フライトシミュレータ、経営ゲーム など

9. ― オブジェクト指向方法論 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

10. ― オブジェクト指向方法論 抽象化 インスタンス化 カプセル化 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。 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。 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。 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。 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。 ID = 01 02 03 … 継承 階層 全体 一般化 継承 継承 部品 特殊化 オブジェクト指向の基本概念 抽象化 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

11. ― オブジェクト指向方法論 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。

12. ― システム論的世界観 認識プロセス 観察 境界 入出力 sys sub subsub 組織性 サブ- システム 階層性 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

13. ― システム論的世界観 全体の理解 全体の理解 ― 創発 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。 system sub-system デカルト的分析手法 一般システム論的世界観

14. ― 社会科学の方法論としてのABSS 「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。

15. ― システム論的世界観 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。

16. ― 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

17. ― 社会科学の方法論としてのABSS 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。 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。

18. ― 社会科学の方法論としてのABSS 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がもたらすもの 従来の社会科学の方法論 ABSS が提供できるもの 社会理論を文章や数式として表現 文章や数式として伝達 伝達・共有の限界 モデルの適用 頭脳や紙上で計算 論理構造の限界 計算速度の限界 計算精度の限界 現実社会

19. ― 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

20. ― Consumer’s Market Consumer’s Market • Black Box Product Agent の多様性 Agent の情報交換

21. ― Consumer’s Market Decision Communication Information System Module List Action (Sell, Buy…) Agent の構造 環境 他者 環境

22. ― Consumer’s Market Communication Module

23. ― Consumer’s Market World 考える fact 意思決定 event event Based On event 知る 行動 入手情報リスト fact fact event Information event fact Information Information ・・・ Change 情報の量 の限界 情報の質 の限界 限定合理性 計算能力 の限界

24. ― Consumer’s Market 欲求 • 環境の影響 • 文化 • 社会階層 • 対人的影響 • 家族 • 状況 内的情報探索 情報探索 露出 購入前 代案評価 記 憶 刺激 ・マーケティ ング活動 注意 • 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 購買 理解 受容 消費 保持 購入後 代案評価 外的情報探索 不満 満足 処分 EBM Model (Engel, Blackwell & Miniard, 1995)

25. ― Consumer’s Market 欲求 情報探索 Communication Module 他者 情報記憶 広告等 満足度予測 判断の アルゴリズム ・Information Packet 購買 topic: Product content:Estimation 消費 学習機能 評価 処分 Agent の Decision System

26. ― 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。 （低） コミュニケーションネットワークの密度（F) （高）

27. ― Consumer’s Market 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 実験結果（１） ―各商品のシェア推移 縦軸 シェア（異なる色は異なる銘柄を指す） 横軸 時間（ 0 ＜＝ t < 500 ）

28. ― Consumer’s Market 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 実験結果（２） ― 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 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） 横軸 時間（ 0 ＜＝ t < 500 ） 縦軸

29. ― Consumer’s Market 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。

30. ― 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。

31. ― 社会科学の方法論としてのABSS モデル設計 社会構造分析 利用目的 設計 設計 心理学 研究者 心理モデル 心理モデル シミュレーション 市場構造 研究者 市場モデル 市場モデル • 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 ・ ・ ・ ・ コミュニケーション モデル ABSSを利用した研究コラボレーション Object Library 社会構造 分析者 （各種モデルをプログラムとして記述） （モデルの選出） ABSSによるコラボレーション

32. 提案する次世代型社会科学基盤の設計図 知の組織化 社会理論をプログラムとして表現 Existent Theory Case Study Standardization Social Data 社会理論プログラムのライブラリーを構築 社会科学研究者 Verification Social Simulation Theory Metabolism 社会構造の論理的的解明 近未来のシナリオの導出 社会理論における知の組織化

33. ―おわりに 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）

34. ―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。

35. 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, 1999 • Hiroki 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, 1999 • Hiroki Shima, Takashi Iba, Yoshiyasu Takefuji, "Agent-based Simulation of Black Box Product's Market", 1999

36. Appendix

37. ― 社会科学の方法論としてのABSS 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。

38. ― 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。

39. 肉体労働 機械化によるオートメーション化 → ブルーカラーの生産性向上 • 事務作業 コンピュータによるオートメーション化 → ホワイトカラーの生産性向上 • 頭脳処理 Agent-based Social Simulation ？？？ →社会科学研究者の生産性向上 研究の目的 オートメーション化の流れ

40. ― 社会科学の方法論としてのABSS 観測の限界

41. 研究の目的 研究の目的 社会科学の 従来の社会科学の方法論 Agent-based 方法論 社会理論を文章や数式として表現 社会理論をプログラムとして表現 プログラムとして伝達 文章や数式として伝達 伝達・共有が高速かつ正確 伝達・共有の限界 コラボレーションの促進 モデルの適用 モデルの適用 頭脳や紙上で計算 コンピュータで計算 論理構造の限界 複雑な論理構造 計算速度の限界 高速な計算が可能 計算精度の限界 正確に計算 現実社会 現実社会