草原土地利用變化多智能體仿真模型

潘理虎，秦世鵬，李曉文

(太原科技大學 計算機科學與技術學院，山西 太原 030024)

0 引 言

草原生態系統是一種重要的可更新資源，具有經濟、生態和社會多種功能效益，在國內的畜牧業生產以及生態調節方面發揮著重要作用[1]。然而，由于草原特殊的自然地理環境，加之草原人口的急劇膨脹和社會經濟的發展，草原土地發生了大范圍和不同程度的退化，嚴重制約了草原生態系統的正常發展[2-3]。因此，如何理解和掌握草原土地利用變化的驅動因素和一般發展規律，高效合理地利用草原成為政府和草原人民面臨的重大挑戰。

草原土地利用變化過程是一個人與自然耦合交織在一起的復雜系統，且該復雜系統各項要素之間存在眾多的非線性關系和復雜的交互行為，從而使得研究復雜化[4-5]。而運用多智能體建模仿真思想，可以對非線性的智能體交互進行合理表征[6]。周淑麗等[7]僅通過將新遷入城市的人口抽象為模型中的智能體來研究廣州市的土地動態擴張，以智能體遷入地的地理位置分析了該區域土地擴張的動態趨勢。Dan Yan等[8]選取鄱陽湖區為研究區域，利用多智能體系統理論建立了一個土地利用變化模擬系統，使用主成分分析法對驅動因素進行了簡化，并將農戶主體作為土地利用決策的直接制定者。Kocabas等[9]以溫哥華地區為研究區域，使用多智能體模型模擬了居民智能體對土地的利用行為和該區域土地類型的動態變化。縱觀以上研究，目前土地利用變化智能體模型的研究區域主要集中在城市和農村，對于其他典型地區的研究較少[10]。智能體的決策條件和決策行為較為單一，大多只考慮對于研究問題影響最大的決策條件和行為[11]。同時，模型常簡化智能體的智能決策能力[12-13]。因此，如何細化當前智能體模型中智能體的決策行為，完善模型內部調度和仿真結果的可視化展示，是解決智能體模型現存問題的重點內容。

該文采用多智能體建模思想，在計算機中建立一個全面的草原土地利用變化仿真模型。以收集到的內蒙古草地、牧民、牲畜和政策等真實數據作為模型初始化參數，將草原中的牧民、牧戶和政府以智能體的形式進行描述。同時依據現實情況和調查數據制定智能體的微觀行為規則。通過智能體與空間環境的不斷交互有效地還原草原土地利用變化機理和驅動因素，從而分析草原草地類型未來的變化趨勢及各驅動因子的作用結果。最后模擬了不同政策條件對草原土地和草原區牧民產生的影響，為草原發展提供科學指導。

1 草原土地利用變化多智能體模型構建

1.1 模型概述

草原土地利用變化多智能體模型作為系統仿真模型，主要用途是對在規定時間范圍、規定地理區域內的草原生態系統服務和消耗過程進行仿真，通過分析牧民、牧戶等主體在自然環境、社會環境和政府生態政策影響下的決策行為，研究草原生態發展和牧民生產決策的合理化方法。

基于以上目的，結合草原生態系統服務和消耗理論，定義了草原土地利用變化多智能體模型的輸入信息和輸出結果[14]。模型主要將現實草原的自然地理環境、社會經濟環境以及牧民、牧戶和政府等行為主體數據作為輸入信息。之后智能體模型對這些信息進行不斷地演化和計算，從而最終輸出未來一段時間內的草原利用狀態信息、政府政策作用結果以及模型中主體生產生活狀況等。目前，現實草原系統主要表現為牧民和牧戶以草地為原料進行牧業生產活動，在牧民和牧戶不同程度地利用強度下，草原不斷更新其狀態，并將狀態信息反饋給牧民和牧戶。牧民、牧戶在獲得信息后，對自身的生產生活模式進行調整。由此，形成了一個隨時間不斷演變的時空演化系統。

1.2 模型空間環境

1.2.1 自然地理環境

(1)地域空間與土地類型。

圖1 模型地域空間及土地類型分布

地域空間是指模型研究的地理區域，土地類型則為土地的狀態信息。草原土地利用變化模型以國內典型的以草甸草原類型為主的內蒙古呼倫貝爾市作為研究對象，選取呼倫貝爾市鄂溫克旗1∶10 000的土地利用圖中的200*200塊柵格為模型的地域空間，如圖1所示。其中柵格為模型地理空間的最小單位，大小為100 m*100 m。除草地之外，研究區域還包括其他土地類型。由于該文旨在探索在牧業生產作用下的草地利用狀態，因此模型對于其他類型土地不做處理。

(2)草地的生態供給

植被凈初級生產力(net primary productivity，NPP)是生態研究中用于衡量綠色植物能量生產能力的特定概念[15]。該模型中利用此概念來定量計算柵格草地生產的能量，以此表示牧民智能體實際可利用的草原生態能量。模型中的低覆蓋度草原、中覆蓋度草原和高覆蓋度草原對應的單位面積內可利用供給的NPP值(gC/m2)分別為16.9、33.7和52.5。

(3)草原氣候因子。

模型中定義的氣候因子為在某范圍內波動的隨機數，從而更加符合現實草原系統。

1.2.2 社會環境

模型中考慮社會經濟環境和人口分布環境兩類社會環境。在本模型中，牧民和牧戶在牧業生產活動中所獲得的收入與社會經濟增長率息息相關。人口分布環境直接決定了智能體的空間地理位置。

1.3 智能體定義

1.3.1 智能體類型及屬性

該模型根據現實草原系統的利用模式和運行機理抽象出牧民、牧戶和政府三類智能體。

牧民智能體的屬性包括ID、性別、年齡、受教育程度、職業、所在柵格、放牧數量、收入、所屬牧戶。牧民是進行牧業生產的基本勞動力。

牧戶智能體的屬性包括牧戶ID號、所在柵格編號、成員結構、地塊數量、擁有地塊的坐標。該智能體是由若干個牧民組合而成的。在草原土地利用變化模型中以牧戶為單位進行牧業生產活動。

政府智能體的屬性包括坐標和管轄區域。政府是草原管理者，可對草原進行一系列的管理工作。

1.3.2 智能體行為

智能體行為是推動模型演化的主要因素[16-17]。模型中各智能體根據其在模型中的角色和自身屬性具有不同行為。本模型結合現實草原生態消耗與土地利用變化過程抽象定義了模型中的八項主要行為。各項行為的具體描述和適用主體如表1所示。

表1 智能體行為與描述

1.3.3 土地利用狀態衡量指標

模型利用草原生態壓力指數定量評估草原土地的利用程度。具體的計算方式如式(1)所示：

(1)

其中，Consumed-NPPg表示牧戶的生產消耗NPP；Supply-NPP表示牧戶智能體可獲得的草原供給NPP。每個牧戶智能體所獲取的草原供給NPP的計算如式(2)所示：

(2)

其中，i表示第i類草原；Yi為第i類草原實際可利用供給NPP值，其數值在1.2.1節有詳細介紹；Ai為牧戶所擁有的該類草原面積，單位為m2。

模型中的草原供給在每個周期會根據當年的氣候狀況和牲畜數量發生變化。因此，模型設定的草原供給NPP的變化規則如式(3)所示：

Supply-NPPi=αi*λi*Supply-NPP

(3)

其中，Supply-NPPi表示第i年草原供給NPP值；αi表示第i年的草原氣候因子；λi表示第i年的草原退化因子；Supply-NPP表示根據式(2)計算得到的初始草原供給NPP值。

模型中每個柵格每年的草原草地退化因子與上一年的草原供給NPP和上一年的柵格生產消耗有關，具體變化規則如式(4)所示：

(4)

其中，Supply-NPPi-1表示第i-1年的草原供給NPP值；Consumed-NPPgi-1表示第i-1年的生產消耗NPP值。

Consumed-NPPg是牧戶智能體進行牧業生產活動中，飼草所需的NPP消耗量，其具體計算方式將在下一章詳細介紹。

2 智能體行為規則

2.1 牧民職業狀態轉換行為

依據內蒙古統計年鑒數據和草原實地調研問卷數據的分析統計結果，模型中的牧民智能體被劃分為不同職業狀態，并按模型運行周期遵循一定的規則轉換。牧民智能體的職業狀態共包括學前或初等教育、高等教育、牧民、城市臨時打工、城市固定就業、城市退休和草原退休七種。學前或初等教育狀態指牧民智能體處于幼兒或九年義務教育階段；高等教育狀態指牧民智能體處于中專、大學及以上教育狀態；牧民狀態代表牧民智能體從事牧業生產活動，即作為草原生產勞動力的狀態；城市臨時打工狀態指牧民智能體外出打工的狀態；城市固定就業狀態指牧民智能體從事城市正式工作的狀態；城市退休狀態和草原退休狀態均指牧民智能體已不具有勞動能力，其區別在于有無退休金。

各職業狀態的轉換主要是由牧民的自然年齡增長驅動的。轉換規則的具體制定來源于鄂溫克旗實際調研數據和內蒙古統計年鑒。

2.2 牧戶牧業生產行為

當模型中的牧民智能體完成職業狀態轉換之后，開始進行牧業生產活動。牧戶智能體首先判斷其生產勞動力狀況，然后根據判斷結果執行牧業生產決策。若該家庭中的生產勞動力大于0，則進行正常的牧業生產活動；否則在模型運行當年的年初，將飼養的牲畜全部出欄。牧戶的生產消耗NPP計算方法如式(5)所示:

Consumed-NPPg=NUM×GW×GD×(1-MC)×Fc

(5)

其中，NUM表示飼養牲畜數量；GW表示單只牲畜一天所需的干草重量；GD表示牲畜當年的食草天數；MC表示干草含水比例(15%)；Fc表示草生物量(單位為g)與碳含量(單位為gC)的轉換系數(0.45)。本模型中，牧戶飼養牲畜的種類為羊。

牧戶智能體養羊數量的變化由每年的產仔率和出欄率計算。在模型的實際運行中牲畜出欄率與政策、環境和牧戶生產勞動力三個因素有關。出欄率μ的具體變化規則如式(6)所示:

(6)

其中，k的計算如式(7)所示:

(7)

其中，kp，ke，kf三種影響因素分別表示政策、環境和生產勞動力因子，它們的取值如式(8)～式(10)所示:

(8)

(9)

(10)

2.3 政府草原綜合效益評估

模型在每個仿真年份計算每個柵格的綜合效益，包括經濟效益和生態效益。具體計算方式分別如式(11)與式(12)所示:

Benefit-Econt=C*Consumed-NPPgt

(11)

(12)

其中，C表示單位NPP對應的價值，Consumed-NPPgt和Supply-NPPt分別表示第t年牧業生產消耗NPP值和草原生態供給NPP值，ECO-Pt-1表示上一年該柵格的草原生態壓力指數。

柵格綜合效益為經濟效益與生態效益的加權總和。該文采用遺傳算法優化柵格綜合效益，使其最大[18-19]。采用下述方法將最大化問題轉換為最小化問題。目標函數及約束條件如式(13)所示:

生：我是像圖3一樣添上幾條輔助線，把梯形變成一個長12厘米、寬8厘米的長方形，而圖中的陰影部分正好與圖中的空白部分相等，所陰影部分的面積就12×8÷2=48（平方厘米）。

(13)

其中，α1和α2分別為經濟效益和生態效益的權重，累加和為1；Imax為一個常量，是根據模型最大供給柵格所求的效益最大值，由模型敏感性測試設定。約束條件：生產消耗不可超過生態系統服務供給；經濟效益和生態效益達到一定程度的均衡，即：|α1-α2|≤0.4。

使用遺傳算法求解使柵格綜合效益最優的Consumed-NPPgt后，將其作為政府智能體當年的決策參數，之后政府參考該值對模型柵格區域進行相應調整，并將調整策略運用于下一年仿真。調整策略具體表現為政府智能體每年獲取使用遺傳算法求解的生產消耗NPP參數，并與當年實際生產消耗NPP量進行對比，若其差距超過實際值的一半，則政府調整該柵格的相應政策，若其差距在剩余范圍內，則政府維持該柵格的現有生產模式。

2.4 智能體行為交互

在草原土地利用變化多智能體模型運行的每個周期內，模型中的各類智能體遵循各自的行為規則不斷地與其他智能體和草原土地環境進行交互。在這一過程中，各類智能體不斷感知其他智能體信息和草原環境信息，以此來做出符合自身角色的動作和行為，并將這些動作和行為帶來的影響效應反饋于模型的空間環境。在草原土地利用變化多智能體模型中，智能體的交互流程如圖2所示。模型依據牧民的自然屬性調整、職業狀態轉換和行為規則完成周期性更新，并將更新結果作用于牧戶智能體。同時牧戶智能體遵循牧戶生產消耗行為規則進行牧業生產行為，將生產消耗數據傳遞給模型的草原環境，從而計算出草原的土地利用狀態。之后，政府和牧戶智能體根據草原的實時狀態做出響應動作，從而最終完成人與草原土地的交互反饋。

圖2 智能體交互流程

3 模型實現與實驗分析

3.1 模型實現

該研究遵循模型規則并在Repast Simphony仿真平臺的基礎上[20-21]，設計開發了草原土地利用變化多智能體仿真模型。結合草原生態系統消耗過程以及多智能體系統特性將草原土地利用變化仿真系統的結構分為四個模塊，如圖3所示。

圖3 草原土地利用變化多智能體模型運行架構

數據輸入模塊為模型提供了可操作的數據，可實現模型中的智能體、空間環境等要素的初始化。

多智能體模型模塊刻畫智能體之間的數據傳遞和智能體與空間環境的交互反饋。該模塊描述了智能體的重要行為決策，并對草原生態供給與消耗情況進行計算，從而完成模型中所有與智能體相關的行為活動。模塊控制部分包括智能體調度、狀態控制、仿真時鐘控制和環境控制，主要負責實現模型各項要素的有序運轉。

模型演化模塊根據仿真年份的不斷推進實現模型事件的重復和演化，智能體根據其獲取到的信息和學習結果做出自適應調整。

數據管理模塊在每個仿真年份可將仿真結果進行提取、統計與可視化表示，并將其最新數據保存至存儲器中，作為模型下一年運行時的變量。

3.2 實驗與分析

3.2.1 模型設定與實驗數據

表2 模型運行參數與變化規則

3.2.2 仿真情景與結果

根據研究區現狀及未來可能的發展趨勢，在仿真實驗時，設計三種情景，模擬各情景未來30年生態消耗狀況及草原生態壓力的發展。

(1)正常情景。

此情景模擬草原現階段情況下的運轉情況，不考慮政府通過綜合效益評估而對草原實施的政策調整，結果如圖4所示。草原生態系統消耗壓力保持下降趨勢，如圖4(a)。說明此情景下，基于目前調研數據發展的草原生態系統不會過載。原因在于牧民養殖牲畜數量的持續下降，由此帶來的生產消耗的下降，如圖4(b)。

圖4 正常情景仿真結果

(2)進城打工率提高情景。

此情景僅調節牧民進城打工概率，在原本的基礎上增加0.1，其余參數與正常情景一致，得到仿真結果如圖5所示。通過觀察可知，草原生態壓力指數同樣呈逐漸下降趨勢，且對比正常情景，其下降幅度更大。分析模型中各類人口發現，此情景中，牧民數量逐漸下降如圖5(d)，從而使得牧業生產勞動力減少，牲畜養殖數量與牧戶的牧業生產收入大幅下降，如圖5(b)。這表明，牧民進城務工率的提高使草原系統的生態服務供給難以得到有效利用。

圖5 打工率提高情景仿真結果

(3)政府宏觀調控情景。

此情景模擬了政府評估柵格綜合效益，對利用模式不合理的柵格實行政策管理，結果如圖6所示。

通過仿真結果可知，生態系統壓力初期持上升趨勢，之后始終保持穩定。柵格平均生態效益經過前期的小幅下降后保持穩定，并未發生明顯繼續下降現象，如圖6(d)。牧民的牧業收入在前期保持增長，當增長到一定值后保持穩定。仿真結果表明，政府對于牲畜數量過多的柵格實行養殖限制，在一定程度上保護了草原生態。此種情景下，牧民的收入和柵格平均生態收益都維持在一個相對高的范圍內，實現了一種草原利用的合理模式。

圖6 政府政策調整情景仿真結果

4 結束語

在計算機中針對具體現實問題構建多智能體模型來分析以人類活動為中心的復雜現實現象，是目前對于解決社會問題較為新穎且有效的方式。該文采用多智能體建模技術構建了一個完整的草原土地利用變化仿真模型，綜合考慮草原系統中影響草地類型變化的各項環境因素，并依據現實情況和調查數據制定智能體的微觀行為規則，實現了從微觀到區域的多智能體模擬仿真。仿真結果證明了模型對于分析草原土地利用變化過程的正確性和有效性，對于完善現有智能體模型具有重要意義。目前，所構建的仿真模型是針對一個相對獨立的空間區域進行研究的，在接下來的工作中，還需對空間尺度大的、包含不同草原類型的區域進行研究，從而構建大規模的草原仿真模型。