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      演化博弈的元胞自動機(jī)仿真

      2013-12-22 01:54:58
      河南科技 2013年7期
      關(guān)鍵詞:元胞參與者輿情

      (西北民族大學(xué),甘肅 蘭州 730124)

      隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)媒體被公認(rèn)為是繼報(bào)紙、廣播、電視之后的“第四媒體”?,F(xiàn)代社會,上網(wǎng)瀏覽網(wǎng)頁、查看新聞、關(guān)注政治、發(fā)表言論的網(wǎng)民越來越多,網(wǎng)絡(luò)以其自由、開放的特性吸引著更多人的關(guān)注和青睞。網(wǎng)絡(luò)論壇(BBS)、網(wǎng)絡(luò)聊天室(Chat Room)、個(gè)人博客(BLOG)、維基(Wiki)等等,一系列傳播工具的出現(xiàn)就使得網(wǎng)絡(luò)輿情的傳播方式和渠道呈現(xiàn)出多元化趨勢[1]。與一般社會輿情相比,網(wǎng)絡(luò)輿情具有虛擬性、平等性和開放性特點(diǎn),是社會輿情的一個(gè)子集,網(wǎng)絡(luò)主體是網(wǎng)民,本體是網(wǎng)民的意志、傾向和愿望,具有社會輿情的共同特點(diǎn)。由于因特網(wǎng)的全球分布和即時(shí)傳送,其影響范圍和程度為傳統(tǒng)媒體遠(yuǎn)不能及。輿情發(fā)展到高級階級會形成輿論,輿論是對某一特定事態(tài)的一種一致性的公開評價(jià),是一種已經(jīng)形成了的對事物態(tài)度傾向性統(tǒng)一觀點(diǎn)的表達(dá),不管其主體是公眾或官方,都會對社會產(chǎn)生重大影響。

      本文率先使用博弈理論對網(wǎng)絡(luò)輿情的傳播過程進(jìn)行解析,并建立一個(gè)相應(yīng)的博弈演化數(shù)學(xué)模型,利用MATLAB 編程,對模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。驗(yàn)證了模型的合理性與可行性,對網(wǎng)絡(luò)輿論的引導(dǎo)和預(yù)警有一定的指導(dǎo)意義,有助于解決網(wǎng)絡(luò)安全問題。

      1 博弈論概述

      1.1 博弈論的基本概念

      博弈論(game theory),又名“決策論”、“賽局理論”。一場博弈需要有兩個(gè)以上的參與者,每個(gè)參與者都對他人的行動做出反應(yīng)。博弈論是研究個(gè)體如何在錯(cuò)綜復(fù)雜、相互影響的環(huán)境中做出最合理的反應(yīng)[2]。一個(gè)簡單的博弈通常還有如下幾個(gè)要素組成[3]:

      (1)參與者(players):或者稱為“比賽者”、“代理人”,在一場競賽或博弈中,參與者至少需要兩個(gè),且每一個(gè)參與者都有決策權(quán)。

      (2)策略(strategies):一局博弈中,每個(gè)參與者都有選擇實(shí)際可行的、完整的行動方案。該方案不是某階段的行動方案,而是指導(dǎo)整個(gè)行動的方案。

      (3)收益(payoffs):每個(gè)參與者在一局博弈結(jié)束時(shí)的得失。收益不僅與該參與者自身所選擇的策略有關(guān),還與所有參與者所選定的策略有關(guān)。

      (4)納什均衡(Nash Equilibrium):均衡意味著每個(gè)參與者所采取的策略都是對其他參與者策略的最優(yōu)反應(yīng)。于是所有的參與者都面臨這樣一種情況,當(dāng)其他參與者不改變策略時(shí),他此時(shí)的策略是最好的。

      1.2 囚徒困境博弈(prisoner’s dilemma game,PDG)

      囚徒困境由數(shù)學(xué)家Albert Tucher:于1950年提出[4],模型中假設(shè)兩個(gè)小偷聯(lián)合作案后被捕,但警察沒有足夠的證據(jù),因此警察設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)制,將他們關(guān)在不同的屋子里分別訊問如果雙方都保持沉默(與對方合作),則兩人都會因證據(jù)不足而被輕判(雙方收益均為R);如果一方承認(rèn)(背叛對方)而另一方保持沉默,則承認(rèn)者將無罪釋放(收益為T),保持沉默的一方將被重判(收益為S);如果雙方都背叛對方而選擇招供,則雙方都會被判刑(雙方收益均為P)在PDG 中,收益參數(shù)需滿足T >R >P >S,且2R >T+S 收益矩陣可以表示為表一。

      2 模型的建立

      利用元胞自動機(jī)的研究方法,首先將網(wǎng)絡(luò)空間抽象成一個(gè)二維平面,將這個(gè)平面平均分割為n ×n個(gè)方格[5]。圖1即為一個(gè)7 ×7的方格平面,每個(gè)方格稱之為一個(gè)元胞,代表網(wǎng)絡(luò)空間的一個(gè)個(gè)體。針對n ×n的二維元胞空間里任一元胞可采用形如(i,j)的數(shù)對來確定,其中2≤(i,j)≤n-1,則其鄰居可表示為:(i,j-1),(i,j+1),(i+1,j),(i+1,j+1),(i+1,j-1),(i-1,j-1),(i-1,j),(i-1,j+1)。

      圖1 二維元胞自動機(jī)的鄰居模型

      每一個(gè)元胞代表著一個(gè)個(gè)體,任意選取一個(gè)元胞(i,j)作為中心元胞,確定其為研究對象,即中心元胞發(fā)表一種言論或態(tài)度,將會與周圍鄰居元胞進(jìn)行博弈[6],對自身以及鄰居元胞產(chǎn)生一定影響,采用一個(gè)2 ×2的矩陣來表示中心元胞與任一鄰居元胞博弈的結(jié)果。

      中心元胞與其右方鄰居元胞博弈可產(chǎn)生如下矩陣:

      表2 中心元胞與其右方鄰居元胞博弈收益

      其中:

      E11(i,j)表示中心元胞(i,j)和(i,j+1)在對某一輿情都持贊成態(tài)度時(shí),元胞第一次博弈后中心元胞(i,j)的博弈收益;E12(i,j)表示中心元胞(i,j)在對某一輿情持支持態(tài)度,(i,j+1)持反對態(tài)度時(shí),元胞第一次博弈后中心元胞(i,j)的博弈收益;

      E11(i,j+1)則表示中心元胞(i,j)和(i,j+1)在對某一輿情都持贊成態(tài)度時(shí),元胞第一次博弈后,元胞(i,j+1)的博弈收益;E12(i,j+1)表示中心元胞(i,j)在對某一輿情持支持態(tài)度,(i,j+1)持反對態(tài)度時(shí),元胞第一次博弈后元胞(i,j+1)的博弈收益;

      E21(i,j)表示中心元胞(i,j)在對某一輿情持反對態(tài)度,(i,j+1)持支持態(tài)度時(shí),元胞第一次博弈后元胞(i,j)博弈收益;E22(i,j)表示二者皆持反對態(tài)度時(shí),元胞第一次博弈后中心元胞(i,j)的收益;

      E21(i,j+1)則表示中心元胞(i,j)在對某一輿情持反對態(tài)度,(i,j+1)持支持態(tài)度時(shí),元胞第一次博弈后(i,j+1)的收益;E22(i,j+1)表示二者皆持反對態(tài)度時(shí),元胞第一次博弈后中心元胞(i,j+1)的收益;

      當(dāng)元胞(i,j)分別與鄰居元胞進(jìn)行一次博弈之后,根據(jù)每次博弈收益計(jì)算出此次博弈中心元胞(i,j)平均收益W(i,j)即為:

      當(dāng)元胞、鄰居元胞都博弈一次后,就可以得到此次博弈之后每個(gè)元胞的平均收益,并由此計(jì)算出中心元胞加8 鄰居的總平均收益:

      并以此與W(i,j)作比較,作為元胞下一個(gè)時(shí)段狀態(tài)值改變的主要依據(jù)。

      在上述條件下,假設(shè)參與博弈的個(gè)體中贊成者比例為ρ,而反對者所占的比例為1-ρ,則贊成者的收益PC可以表示為:

      反對者的收益PD可以表示為:

      以囚徒困境為例,按照Nowak 和May所使用的博弈參數(shù)R=1,T=b(1 <b <2),P=S=0[9]代入上式。

      3 模型演化規(guī)則

      1)假設(shè)元胞(i,j)初始賦值即為t=0 時(shí)刻此元胞的收益值;

      2)元胞(i,j)以初始狀態(tài)值分別與所有鄰居元胞進(jìn)行博弈,每一次博弈都有一個(gè)收益,然后對所有收益的和求平均,即為W(i,j);

      3)按以上規(guī)則,平面空間內(nèi)所有元胞都與自己的鄰居元胞進(jìn)行一次博弈,分別求出每個(gè)元胞的平均收益,并以此計(jì)算整個(gè)平面內(nèi)所有元胞的總平均收益A(n,n);

      4)把W(i,j)與A(n,n)分別做比較,當(dāng)以W(i,j)≥A(n,n)元胞(i,j)在下一時(shí)刻改變其狀態(tài),否則不改變;

      5)將上時(shí)刻元胞的平均收益記為下時(shí)刻元胞的初始值,按2)、3)、4)進(jìn)行下一步演化。

      4 模型仿真結(jié)果與分析

      根據(jù)上述理論,借助MATLAB 軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真,多次仿真比較后發(fā)現(xiàn)隨著系統(tǒng)演進(jìn)的繼續(xù),個(gè)體之間發(fā)生交互作用,觀點(diǎn)開始發(fā)生改變,圖3為每仿真五次得到的狀態(tài)圖,包括初始狀態(tài)、演化中的兩個(gè)狀態(tài)和最終狀態(tài)[10-11]。(藍(lán)色表示該元胞持支持態(tài)度,黃色表示持反對態(tài)度)

      圖2 博弈演化過程

      由上圖可以看出,在觀點(diǎn)均勻分布的初始狀態(tài)下,隨著元胞間博弈和時(shí)間的影響,系統(tǒng)中網(wǎng)民輿情態(tài)度的發(fā)展有少量元胞呈現(xiàn)出群聚的現(xiàn)象。但在博弈演化過程中,輿情的傳播著很難發(fā)生大規(guī)模集群現(xiàn)象。

      另一方面如統(tǒng)計(jì)圖3所示,網(wǎng)民對某一網(wǎng)絡(luò)輿情態(tài)度的發(fā)展變化態(tài)度最終趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。

      圖3 贊成者與反對者數(shù)量變化統(tǒng)計(jì)圖

      5 結(jié)語

      本文針對網(wǎng)絡(luò)輿情的傳播問題,建立數(shù)學(xué)模型,用博弈的相關(guān)理論對輿情傳播進(jìn)行了剖析。在無引導(dǎo)策略的前提下,持贊成、反對的兩種態(tài)度在一定區(qū)域內(nèi)均勻分布,利用MATLAB 算法模擬了輿情的自然演進(jìn)過程。但是模型在上述假設(shè)的情況下建立,沒有考慮時(shí)間、元胞鄰居、媒體[6]等主要因素的影響,而在現(xiàn)實(shí)社會中,網(wǎng)絡(luò)輿論傳播是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),影響它的機(jī)制和因素有很多,考慮到個(gè)體差異、社會突發(fā)事件等諸多因素建立的模型將更加貼近現(xiàn)實(shí)、更加有效地模擬網(wǎng)絡(luò)輿論的傳播,因此本模型的普適性有一定的限制。

      實(shí)際問題中,人員移動[12]、輿論潛伏期等均會影響輿論的發(fā)展,所以考慮這些因素,對模型進(jìn)行改進(jìn),確定較為合理的匹配參數(shù)。

      [1]劉毅,網(wǎng)絡(luò)輿情研究概論[M].天津:天津人民出版社.2007.(7)

      [2]Von Neumann J,Morgenstern O.Theory of games and economic behavior[M],Princeton,NJ:Princeton University Press,1953.

      [3]Szabó G,F(xiàn)áth G.Evolutionary games on graphs[J].Phys.Rep,2007,446:97-216.

      [4]Rapoport A,Chammah A M,Prisoners Dilemma,Ann Arbor,MI:University of Michigan Press,1965.

      [5]代瓊琳,復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上的演化博弈動力學(xué)研究[D].北京:北京郵電大學(xué),2011.

      [6]BERT INO E,SANDHU R.Database security-concepts,app roa2ches,and challenges [J]IEEE Transaction son Dependable and Secure Computing,2005,2(1):2-19.

      [7]Hofbauer J,Sigmund K,Evolutionary Games and Population Dynamies,Cambridge:Cambridge University Press,1998.

      [8]Hauert C,Szab G,Game theory and Physies,Am.J.Phys.73,2005,405-414

      [9]Nowak M A,May R,Evolultionary games and spatial chaos,Nature 359,1992,826-829.

      [10]劉建明,輿論傳播,北京:清華大學(xué)出版社,2001年

      [11]張立,網(wǎng)絡(luò)輿論傳播中若干算法的研究,104~110,2009年6月

      [12]李蘭瑛.基于CA的網(wǎng)絡(luò)輿論傳播因素的研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2008,8(22):6179-6186.

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