（电力系统及其自动化专业论文）基于多智能体仿真的发电商竞价行为研究.pdf

士= z = l明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于多智能体仿真的发电商竞价行为 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：鱼! 塞揎 e l 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 关键词：复杂适应系统，多智能体，s w a r m 仿真，发电商竞价 a b s i r a c i i ne l e c t r i c i t ym a r k e t s ，g e n e r a t o rb i d d i n gb e h a v i o rh a sad i r e c ti m p a c to nt h et r a d i n g r e s u l t s a sar e s u l t , t h er e s e a r c ha b o u tt h i si s s u eh a sav i t a li m p o r t a n e es i g n i f i c a n c eb o mi n p r a c t i c ea n dt h e o r y b a s e do nt h ee x i s t i n gr e s e a r c h ，w em a k eas y s t e m a t i cs i m u l a t i o nf o rt h e s t u d yo fg e n e r a t o rb i d d i n gb e h a v i o r si nd i f f e r e n ts u p p l ya n dd e m a n dl e v e l sa n dd i f f i r e n t b i d d i n gs t r a t e g i e sw h i l et h em a r k e ti sp o o la c c o u n t e db yu n i f i e dm c e t h es i m u l a t i o ni s a c h i e v e db yt h em e t h o do fm u l t i a g e n ts i m u l a t i o nb a s e do nt h ep l a t f o r n lo fs w a r m t l l i i o u g h t h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ec a nm a k eac o n c l u s i o nt h a tt h ed i f f e r e n ts u p p l ya n dd e m a n d l e v e l ，t h ed i f f e r e n tb i d d i n gm e c h a n i s ma n dt h ed i f f e r e n tb i d d i n gs t r a t e g i e so fp o w e rs u p p l i e r s w i l lh a v ed i f f e r e n ti n f l u e n c e sa n dd i f f e r e n ti m p a c tl e v e lo nm a r k e tp r i c e sa n dp o w e rp u r c h a s e c o s t s b a s e do na b o v ea n a l y s i s ，s o m es u g g e s t i o n st h a ta x eg o o df o rt h eo p e r a t o ro fe l e c t m a ym a r k e t a r eg i v e n t l l i sn e w a p p r o a c hh a sae x p l o r em e a n i n gt os o l v et h ep r o b l e mo fg e n e r a t o rb i d d i n g b e h a v i o rw i t hm i x e db i d d i n gs t r a t e g y i ta l s om a k eal o to fs e n s ef o rd e v e l o p i n gar e a s o n a b l e p r i c i n gm e c h a n i s ma n do p e r a t i n gr u l e s r e nx u e - g u i ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h e n gh u a k e yw o r d s ：c a s ，m u l t i - a g e n t ，s w a r ms i m u l a t i o n ，b i d d i n gs t r a t e g y 华北电力大学硕十学位论文 目录 摘罩暮i a b s t r a c t i 第一章引言1 1 1 选题背景与意义。1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1s w a r m 的国内外研究动态。2 1 2 2 发电商竞价问题的国内外研究动态3 1 3 论文研究内容4 第二章复杂适应系统及其仿真平台s w a r m 5 2 1 复杂适应系统5 2 1 1 复杂适应系统概述5 2 1 2 多智能体的复杂适应系统建模6 2 2s w 久l 之m 仿真平台7 2 2 1s w a r m 发展历史7 2 2 2s w a i 之m 构成一9 2 2 3s w 4 瓜m 建模思想与方法1 0 2 2 3s w a r m 编程环境配置1 l 2 3 本章小结1 2 第三章电力市场与竞价1 3 3 1 电力市场模式简介1 3 3 2 市场定价机制与竞价策略。1 4 3 3 发电商竞价行为分析。1 6 3 4 多智能体仿真与发电商竟价行为仿真。1 6 3 5 本章小结1 7 第四章基于s w a r m 的发电商仿真模型l8 4 1 仿真模型整体框架1 8 4 2 机组组合模型及其求解l9 4 2 1 目标函数1 9 4 2 2 约束条件2 0 4 2 3 拉格朗日松弛求解算法2 0 4 3 竟价策略选择2 5 4 4 仿真设计与实现2 8 电力大学硕士学位论文 4 4 1 环境的设计2 9 4 4 2a g e n t 的设计2 9 4 4 3m o d e l s w a r m 的设计2 9 4 4 4o b s e r v e r s w a r m 的设计3 0 4 5 本章小结3 l 第五章仿真分析3 2 5 1 算例数据3 2 5 2 仿真分析3 3 5 2 1 负荷恒定情况下的仿真分析3 3 5 2 2 负荷随机增长情况下的仿真分析4 0 5 2 3 单次报价时的仿真分析4 2 5 3 分析与建议4 3 5 4 本章小结4 4 第六章结论与展望4 5 6 1 结论4 5 6 2 展望4 6 参考文献4 7 弱c谢5l 在学期间发表的学术论文及参加科研情况。5 2 i i 1 1 选题背景与意义 竞价策略是指发电商利用电力市场的非完美性不按边际成本报价来增加自身 利益的报价行为【l 】。竞价策略的主要目标是在考虑电力系统运行的各种约束基础上， 通过合法地操纵市场力，选择最优报价曲线，进而实现自身利益的最大化。在电能 交易中，要达到系统购电费用最小化、发电商自身利润最大化的双重目标，进行有 策略的竞价是十分必要的【2 】。为此，国内外在研究发电商最优报价策略方面做了大 量工作。发电商选择最优报价策略的方法总的来说可以分为4 类：1 ) 基于成本分析 的发电商报价策略；2 ) 基于最优化方法的发电商报价策略；3 ) 基于博弈论的发电 商报价策略；4 ) 基于人工智能方法的发电商报价策略。此外，市场仿真和经验分 析也可用于构造最优报价策略【3 1 。 随着近年来复杂适应系统理论的发展，很多离散的、非线性的复杂问题都可以 通过复杂适应系统的方法进行求解。基于多智能体仿真建模是研究复杂适应系统的 一个基本方法，该方法通过对系统的模拟来研究系统中个体的行为特性及其产生的 全局特性。由圣塔菲研究所s f i 开发的s w a r m 平台是进行多智能体仿真的一个常用 工具。 s w a r m 是基于c a s 理论开发的基于多智能体仿真平台。它为研究人员提供了一 个通用框架，对模型和模型要素之间的交互没有任何约束，只要知道主体的行为规 则，就可以利用s w a r m 提供的类库对该主体构成的系统进行模拟，其主体交互独立 性、软件简单易用性和源代码开放性等特点，有利于工作人员方便地使用它来研究 复杂系统问题，而不会被数据处理、用户界面及编程等问题所困扰。因此，s w a r m 很 快被应用到物理系统、经济系统、社会系统【4 l 等领域，并不断得到推广。随着理论 与技术的不断成熟，复杂适应性系统与s w a r m 仿真相结合的方法正在被广泛使用到 各个领域，将该方法应用到电力市场仿真分析中的研究在国外也正在兴起。 发电商竞价行为是发电商通过市场相互作用的过程，发电商的报价直接影响着 市场出清价格的形成和发电商能够获得的出力，进而决定着发电商的收益；发电商 的收益又会对其报价策略产生影响，各发电商根据自身化收益最大化的原则独立进 行报价决策，在反复“报价竞价一一决策 过程中，体现出发电商竟价行为的 整体特性。因此可以将发电商竞价问题看做一个复杂适应系统，采用s w a r m 仿真的 方法，对发电商的竞价行为进行模拟研究，分析发电商竞价行为的特点。 综上所述，本文将针对电力市场多主体博弈的复杂性，基于c a s 理论，采用 s w a r m 仿真的研究方法对m c p 定价机制下，不同供求关系、占不同市场份额的发 华北电力人学硕十学位论文 电商在不同竞价策略下的竞价行为进行仿真，研究市场力、供需关系等对发电商竞 价行为的影响，以及发电商竞价行为对市场价格、市场购电费用的影响及其影响程 度。在市场化条件下，发电企业竞价行为对发电市场结构的形成与稳定具有举足轻 重的意义，通过仿真的方法对其进行研究在理论与实践上都具有一定的参考价值。 1 2 国内外研究现状 随着电力市场化改革的发展，发电商竞价问题受到广泛关注。近年来，国内外 学者在发电厂商最优报价策略的建模方面做了大量研究。同时，随着复杂适应系统 理论的发展，其主要仿真工具一一s w a 衄平台由于其特有的灵活性和简易性，目前 已被应用到众多领域。 1 2 1s w a r m 的国内外研究动态 s w a r m 是用于研究复杂自适应系统的多智能体仿真平台。近年来，基于s w a r m 仿真平台的应用研究迅速发展，涉及经济学、金融学、政治学、社会学、生物学、 生态学、物理学、地理学、军事，以及计算机科学等诸多领域，为科学研究带来了 崭新的概念、思路和方法。 在国外研究中，s w a r m 主要应用在生态学、生物学、经济学、社会学、物理学 和化学等领域，将s w a r m 仿真引入到电力系统领域的研究也正在兴起。文献 5 7 分 别使用s w a r m 仿真的方法对电力市场中的竞价、价格形成机制和监管措施等问题进 行研究。国内对s w a r m 的应用还比较少，主要集中在国外比较成熟的领域，如：文 献 8 通过介绍经济模型仿真的设计和实现方法，阐述了s w a r m 在经济仿真中的应用 及关键技术的实现。文献【9 】介绍了s w a r m 的基本结构、工作原理及其在复杂适应系 统中的使用，并通过一个简单的实例，阐述了使用s w a r m 仿真时模型的设计和实现 方法。文献f 1 0 】在讨论了s w a r m 技术形成与复杂适应系统的联系后，使用s w a r m 仿真 分析了一个重复博弈模型，指出s w a r m 仿真在博弈论中的应用前景。国内在电力市 场中引入s w a r m 仿真的文献主要集中在市场竞价机制上，如文献1 1l 】使用s w a r m 仿真 的方法对m c p 和p a b 两种竞价机制的均衡过程进行了仿真分析，比较了在发电商博 弈过程中和博弈平衡时两种机制下的出清电价情况以及市场力在两种机制中的作 用。文献 1 2 1 介绍了一种基于s w a r m 的不同合约发电市场中多主体博弈的模型。分 别针对发电厂、电网公司和政府三个主体的行为规则建立相应的模型，进行仿真， 得到不同合约电量比率下，多主体博弈均衡时政府税收、社会福利、市场规模及其 构成的量化分析结果，通过分析得到特定市场环境中的最优合约电量比率。 华北电力人学硕+ 学位论文 1 2 2 发电商竞价问题的国内外研究动态 在电力市场运作中，报价是发电商的基本行为，发电商通过申报价格，参与市 场交易。发电商的报价影响着市场的结算价格并决定着发电商成功交易的电量，不 同的报价，将获得不同的收益。处于对利润的追求，发电商往往不按边际成本报价， 而是通过有策略的报价来获取更高的利润。从电网角度看，科学的报价将有利于电 网的良好运行，最大程度优化安排机组出力，使购电费用达到最小。由此可知，研 究发电商的报价策略是发电商与系统购电方的一致需求，在电能交易中，要实现发 电商自身利润最大化和系统购电费用最小化这个双重目标，策略竞价是至关重要的 一环。鉴于发电商竞价问题的这种重要性，国内外专家学者针对该问题进行了大量 研究，总结出大量的建模方法。本文将主要针对建立两层优化模型研究发电商报价 策略的方法进行介绍。 文献【1 4 1 通过构造一个两层优化模型提出一种基于最优化方法的发电厂商报价 策略。其上层优化模型为电力市场的出清模型，电力市场运行机构根据预测负荷及 发电厂商的报价，按照整个电力市场运行成本最小的原则，确定发电调度计划和市 场出清电价；下层优化的目标是实现发电厂商利润最大化，两层优化之间通过市场 出清电价和发电商报价进行协调与联系。在处理市场中其他发电商对报价策略的影 响时，分别采用其他发电商的报价为已知量和服从一定概率分布两个方法进行分 析。文献【1 5 】在两层优化模型中采用基于内点法的最优潮流模型作为电力市场出清 模型，分析发电出力、发电商收益及潮流对电厂报价的灵敏度。文献 1 6 1 考虑了机 组的自组合问题，将市场出清电价作为两层优化间的协调变量。文献 1 7 】在进行_ 系列简化后，根据报价是否成功的概率得到发电厂商的期望收益，进而得到使发电 厂商期望收益最大的报价策略。文献【1 8 】建立了基于爬坡约束的多时段竞价模型， 通过数据模拟计算和分析比较，对发电商竞价问题进行研究。文献 1 9 】假设电厂报 价曲线是线性的，交易中心以购电费用最小为调度目标，发电商通过选择自己的报 价参数来最大化自身收益，同时考虑竞争对手的期望反应。通过蒙特卡罗随机模拟 方法和数值计算证明需求弹性有助于降低市场出清价格。文献【2 0 】建立了一个基于 序优化方法的日前市场策略竞价模型，即先构造一个描述竞价策略影响市场出清价 的近似模型；然后对给定的市场出清价利用拉格朗日松弛法解最优机组调度问题， 得到初始报价曲线：最后利用依次优化法以高概率从得到报价曲线集中挑选一条最 优曲线进行报价。该方法只从自身优化出发，没有考虑竞争对手的行为。文献【2 l 】 在p o o l 模式电力市场下，以系统购电费用最小为目标函数，采用内点法求解机组 的出力分配。通过机组出力优化与纳什均衡点交替的方法求解各机组的竞价参数。 文献 2 2 】以电网统一边际成本结算下购电费用最低为目标函数，以电网功率平衡、 发电容量限制和爬坡速度限制等为约束条件，建立多时段统一出清的竞价模型。文 华北电力人学硕十学位论文 献【2 3 】构造了一个基于最优潮流的双目标两层优化模型：市场调度机构根据购电费 用最小安排发电计划；发电商根据收益最大化进行策略竞价。文献 2 4 1 依据优化理 论提出求解发电商最优供给函数的二层规划模型，其上层模型是发电商利润最大化 问题，下层模型是基于最优潮流的优化调度问题。文献 2 5 在线性报价基础上构建 了发电商最优竞价策略的二层优化模型，并在其中考虑其他竞争对手竞价策略的不 确定性和网络约束对竞价策略的影响。 1 3 论文研究内容 发电商竞价策略的选择受到多种市场因素和自身因素的影响和制约，如市场竞 价模式、市场供求关系以及对手的竞价行为等。本文针对统一系统边际结算机制的 p o o l 模式中不同供求关系情况下，占有不同市场份额、具有不同发电性能的发电 商的竞价行为进行仿真研究。 论文主要内容与成果如下： 1 、在广泛查阅大量相关文献资料的基础上，学习了复杂适应系统和多智能体 建模技术，并对s w a r m 仿真技术进行了系统研究，为论文工作的平稳开展奠定了良 好的基础； 2 、研究了p o o l 模式下按照统一边际电价结算时的机组组合模型，并运用拉格 朗同松弛算法进行了求解； 3 、通过对发电商竞价问题的研究，利用s w a r m 技术构建了相应的仿真模型， 运用a g e n t 方法开展了发电商竞价问题的研究； 4 、结合仿真数据，在s w a r m 环境下，对不同供需情况下的发电商竞价问题进行 仿真研究，分析了供需关系、市场份额、机组特性等对发电商竞价行为及市场价格 等的影响，并得出一些有益的结论。 第二章复杂适应系统及其仿真平台s w a r m 2 1 复杂适应系统 2 1 1 复杂适应系统概述 在特定的条件下，许多复杂系统可以自组织地形成特定时空结构的有序状态， 并在一定的环境影响下通过自学习、自适应，不断演化形态而生存、繁衍和发展， 当适应能力赶不上环境的变化时，就会衰亡下去。这种复杂系统通常被称为复杂自 适应系统( c o m p l e xa d a p t i v e s y s t e m ，c a s ) 。也就是说，c a s 是由拥有一些行动自 由的单独个体组成的系统，这些个体的行动是相互影响的，人们不能完全预测到它 们的行动。复杂适应系统的概念是由遗传算法之父约翰霍兰( j o h n h h o l l a n d ) 于 1 9 9 4 年，在圣塔菲研究所成立l o 周年时正式提出来的。复杂适应系统理论的核心在 于把复杂对象看作受规则支配的复杂适应系统，把系统中的成员看作是具有适应性 与主动性的智能主体，这些主体能够与环境以及其它主体进行交互，在交互过程中 “学习 和“积累经验”，并在此基础上优化自身的结构和行为规则，以便更好的 在环境中生存。常见的复杂自适应系统有股票市场、一个动物群体、人体免疫系统 以及任何由人组成的集体。复杂自适应系统具有非常强的普适性，这是复杂性科学 具有强大生命力的重要原因，同时也是多学科交叉获得实质性进展的重要基础。复 杂适应系统中具有自主性、自适应性的智能个体是仿真活动的具体执行者，h o l l a n d 把这些个体与环境之间的主动的、反复的交互作用用“适应( a d a p t ) 一一词加以概 括，构成c a s 理论的基本思想适应产生复杂性【2 6 1 。 关于c a s 的基本思想，有三点需要强调说明： l 、c a s 中的主体是主动的、活的实体。这是与其他系统理论的关键区别，也正 是由于这个特点，它能够广泛应用于经济、社会、生态等其他方法难以应用的复杂 系统； 2 、在c a s 模型中，个体与环境、个体与个体之间的相互影响、相互作用，是系 统演变和进化的主要动力； 3 、c a s 理论把宏观和微观有机地联系起来。通过主体和环境的相互作用，使得 个体的变化成为整个系统变化的基础，统一地加以考察。 复杂适应系统主要用于研究系统在不同层次上的组成，认识它们之间的相互作 用、与环境的关联以及由此构成的整体特性，探讨其发生、变化的规律、过程和原 因等，揭示整个系统的活动机理，为人们认识、理解、控制、管理复杂系统提供了 大学硕十学位论文 基于多智能体( a g e n t ) 的建模仿真方法是结合计算机仿真技术来研究复杂适应 系统，其研究对象是c a s 理论中的自适应主体，这是与其它系统理论的关键区别。 该方法利用a g e n t 的行为规则、函数等，建立复杂适应系统的整体模型，并借助计算 机仿真工具来研究从小规模性质到整体系统行为的演变特性。 对于复杂系统，国内的研究往往选择从理论入手，由上而下地全面解决复杂系 统中的问题，而国外则侧重从下而上的进行，通过对具体系统的研究总结出研究复 杂系统的一般理论和方法。基于多智能体的建模仿真方法结合了中外研究的特点， 既为理论研究提供方法工具，又为应用研究提供思想和指导，是一种适合于研究复 杂系统的方法。因此，在工程、生物、经济、管理、军事、政治、社会等各个方面 都得到广泛应用。 多智能体建模方法中的个体通常具有以下四个特点【2 8 】： l 、自治性：个体能够自主采取行动来实现预期的目标，而不需要其它个体的 介入。 2 、社会性：个体能够与系统中的其他个体进行信息交互，借以实现自己的目 标。 3 、应激性：个体能够感知所处环境的变化，通过自身行为影响环境，并对环 境的变化做出反应。 4 、主动性：个体的行为是自发进行的。 基于多a g e n t 的建模是一种自底向上综合的建模方法，基本过程如下：以a g e n t 作为系统的基本抽象单位，先建立每个a g e n t 的具体模型，并赋予个体a g e n t m 定的 智能( 行为规则) ，然后采用合适的多主体系统体系结构来组装这些个体a g e n t ，设 置多个a g e n t 之间的交互方式以及它们与环境之间的关系，从而建立整个复杂适应系 统的模型。 基- 于多a g e n t 的复杂适应系统建模，具有以下特点： 1 、涉及的a g e n t 数量较多，并且具有一定的智能性，各a g e n t 之间存在局部连接 规则。 2 、建模时的关注点是系统中发生于a g e n t 之间的交互行为和作用，宏观系统的 属性变化复杂系统整体的涌现性，是通过个体交互作用的结果体现出来的。 3 、在系统层次上，该方法把注意力集中于相关的个体行为，自底向上地观察 和描述系统的整体行为，是一种从微观到宏观、跨层次的研究思路。 在基于多智能体的建模仿真方法中，比较常用的一种方法就是基于多智能体的 华北电力人学硕十学位论文 仿真方法。基于多智能体的仿真方法是一种面向对象的仿真方法，通过利用a g e n t 的自治特性，使仿真框架结构可以灵活组合各种不同性质的a g e n t 。这些不同性质的 a g e n t s u 用环境信息实现相互间的通信，并根据自身的行为规则来进行决策。通过引 入多a g e n t 概念构造的智能仿真系统模型，为模拟具有多样性和复杂性智能体的活 动、在更广泛范围内对复杂问题建立人类智能活动的仿真系统提供了可能性【2 9 1 。 在基于多a g e n t 的仿真中，个体的生命由其行为表征。这里的行为是指a g e n t 响 应其环境条件、内部状态及其目驱动的活动的集合。多a g e n t 仿真模型基于这一观点， 完全用程序指令描述个体的行为，通过将个体与程序相关联，实现一个由交互的计 算实体组成的人工世界的仿真。 仿真通过将一个真实的生态系统的实体转换为相应的人工系统来实现。每个生 态的( 和社会的) 个体( 或一群个体) 被类似地描述成一个可计算的a g e n t ，即一个自主 计算进程，它能够响应各种激励并与其它a g e n t 进行通讯，根据从外界获取的信息来 决定自己的行为。a g e n t 的行为是其观察环境信息以及与其它a g e n t 交互的结果，而 突显出来的整体行为则是所有a g e n t 局部行为的整体结果。 多a g e n t 仿真主要用于表现复杂情况( 个体有不同的行为规则，并且个体间相互 影响) 并对其交互过程进行全局分析。这种仿真的目的不仅是考虑系统模型中定量的 特性( 数字参数) ，而且考虑定性的特性( 个体行为) 。 2 2s w a r m 仿真平台 随着复杂适应系统理论的不断完善，世界各地的研究机构开发出了多种复杂适 应系统建模的仿真工具。这些仿真工具为各自然学科、人文社会学科的复杂适应系 统研究提供了便利的、可重复验证的实验条件，加速了理论与实践的相互验证、相 互完善的过程。 目前最常用的研究复杂适应系统的多智能体仿真平台是由圣菲研究所开发的 s w a r m 平台。s w a r m 平台具有对个体进行详细描述和对整体行为、性能进行统计、 分析的功能和高效率、可信、可重用的特点，通过为研究者们提供标准的工具集， 帮助研究者专注于研究的本质工作，而不必注意制造工具的细节，是研究复杂系统 的一个很好的工具。 2 2 1s w a r m 发展历史 s w a r m 是由美国圣塔菲研究所( s a n t af ei n s t i t u t e ，简称s f i ) 开发的用来帮助研究 人员分析复杂适应系统的多智能体仿真工具，其目的是为基于多主体仿真模型 ( a b m s ，a g e n t - b a s e dm o d e l s ) 的开发提供一系列标准的计算机工具，并成为研究 者交流的中介，从而使研究者可以将研究重心放在建模的本质任务上，而不用去考 w i n d o w s 系统和u n i x 操 须运行在s o l a r i s 和l i n u x 操作系统上，经改进后也可以支持d e ca l p h a 平台以及其他u n i x 系统的变体。1 9 9 8 年4 月，s w a r m1 1 发布，其应用范围进一步扩展，在c y g n u sw i n 3 2 软件包的支持下， s w a r m 可以在微软w i n d o w s9 5 n t 上运行。1 9 9 9 年下半年，s w a r m2 0 和2 0 1 发布， 增加了对j a v a 层的支持，j a v a 程序员可以根据需要调用s w a r m 库，从而使得s w a r m 越 来越有利于非计算机专业的人士使用。目前，最新的s w a r m 版本是2 2 版，提供了对 j a v a 语言的支持，其使用更加方便，功能也更加完善【3 0 。 s w a r m 实质上是一个用o b j e c t i v e c 语言预先编制好的类库，提供标准的建模、 环境、图形类来支持模拟实验的分析、显示和控制等功能，用户可以根据需要使用 s w a r m 提供的类库构建模拟系统，使系统中的个体和元素通过离散事件进行交互， 并通过相应的类来分析、控制和显示复杂自适应系统的仿真工程和仿真结果。由于 s w a r m 没有对模型和模型要素之间的交互进行任何约束，而是为模拟物理系统、社 会系统及经济学系统等提供了一个通用的模型构架，所以研究者只要关注自己的模 型的建立，然后利用s w a r m 的类库来定义模型中不同a g e n t 的特征和行为，并且给出 运行的时间表，就可以从s w a r m 提供的观察窗口中看到仿真结果。研究者还可以通 过在仿真监测窗口改变初始输入参数，实时观察参数改变时系统的运行状态，了解 这些参数对仿真结果的影响，从而找出模型中的关键因素以及它们之间的联系，进 而从本质上把握系统演化的规律。基于以上优点，s w a r m 仿真平台的应用研究得以 迅猛发展，为复杂系统建模方法带来了崭新的概念、思路和方法。 s w a r m 仿真主体交互的独立性、软件的简单易用性和源代码开放性等特点，使 非计算机专业人士也可以方便的使用此工具来研究复杂系统问题，因此，s w a r m 很 快被广泛应用到各个领域，并不断得到推广。在国外的研究中，s w a r m 主要应用在 生态学、生物学、经济学、社会学、物理学和化学等领域。意大利经济学家亚历山 大佩龙建立的“人力资本和产业结构的进化”模型，通过模拟企业的规模、结构 以及员工技能的动态变化，揭示产业结构和人力资本之间交互影响的关系。国外的 经济学家还建立了“在线供应链仿真模型”、“仿真避税行为模型”、“对银行中 介研究的一种实验方法：银行网络仿真 等模型对经济学领域的问题进行研究。由 此也可以看出，这种基于分析行为主体的互相影响的新方法得到了西方经济学家的 认可，并且在经济学的很多领域内都取得了很好的效果【3 。 在国外的s w a r m 模拟仿真实验发展得比较成熟的时候，国内的学者也对s w a r m 仿真产生了浓厚的兴趣，并尝试把它应用到经济学、生态学和社会科学等诸多领域 中【3 2 】【3 6 1 。中国科学院自动化所复杂系统与智能科学实验室一直致力于复杂系统的 研究，并在这一领域进行了多年的探索。中国科学技术大学人工智能中心为在中国 8 推广复 为“人 2 2 2s 设 m o d e l s w a r m 和位于顶层的o b s e r v e r s w a r m ，其逻辑结构如图2 1 所示。仿真运行时， 首先创建o b s e r v e r s w a r m 对象，然后通过o b s e r v e r s w a r m 对象创建用户接口并实例化 m o d e l s w a r r n 对象，在m o d e l s w a r r n 对象中创建后续层次的各主体对象，并对主体的 活动进行调度，各主体运行的结果通过探测器接口，在o b s e r v e r s w a r m 对象创建的 图形界面中显示出来，便于用户观察分析。 图2 1s w a r m 平台逻辑结构图 m o d e l s w a r m 是s w a r m 的子类，是由多个对象组成的群体，其中每一个对象都与 被模拟世界中的一个主体对应，这些个体共享一个行为时间表和内存池。此外， m o d e l s w a r m 还包括一系列的输入和输出。输入的变量为模型的参数，如对象的个数、 初始参数等，输出的是需要观测的变量和模型的运行结果。 o b s e r v e r s w a r m 是s w a r m 的顶层，其最主要的组件是m o d e l s w a r m 。 o b s e r v e r s w a r m 既可以向m o d e l s w a r m 输入数据，也可以从中读取数据，并通过探测 器接口( 如图表、二维格点图等) 观察运行结果。 m o d e l s w a r m 和o b s e r v e r s w a r m 中都包含b u i l d o b j e c t s 、b u i l d a c t i o n s 和a c t i v e l n 三 个主要方法。b u i l d o b j e c t s 方法主要实现模型的构造。b u i l d a c t i o n s 方法实现对仿真活 动的安排，通常包含两个重要部件，需创建a c t i o n g r o u p 和s c h e d u l e 两类对象。 a c t i o n g r o u p 是“刺激 事件的序列，s c h e d u l e 决定如何执行a c t i o n g r o u p q j 的事件。 仿真时，通知主体执行各自方法的命令被放在a c t i o n g r o u p 类对象中，通过s e l e c t o r 容器封装后，插入到时问表对象s c h e d u l e 中，按顺序调度。a c t i v e l n 方法主要是激活 华北电力大学硕十学位论文 仿真。以上方法在m o d e l s w a r m 和o b s e r v e r s w a r m 中的具体功能如表2 1 所示。 表2 1o b s e r v e r s w a r m 矛l l m o d e l s w a r m 中主要方法的功能对比 方法o b s e r v e r s w a r mm o d e l s w a r m b u i l d o b j e c t s1 ) 运行构造函数， 设置 o b s e r v e r s w a r m 探测面板、通过调用 m o d e l s w a r m 的b u i l d o b j e e t s 方法，实 构造仿真的二二维世界、个体生存环境以及 例化m o d e l s w a r m ：各仿真主体。 2 ) 设置颜色板，显示对象颜色； 3 ) 创建二维栅格世界； 4 ) 显示仿真控制面板及各对象： 5 ) 显示时序图。 b u i l d a c t i o n s 实现显示仿真结果、更新探测器实现主体行为的仿真，通常是触发个体的 本质性动作 a c t i v e l n调用m o d e l s w a r m 中的a c t i v e l n 方激活主体行为的仿真 法，激活仿真程序。 2 2 3s w a r m 建模思想与方法 s w a r m 的建模思想是让一系列独立的a g e n t 通过独立事件进行交互，从而帮助研 究由这些主体组成的复杂适应系统的行为和演化规律。s w a r m 是一个面向多主体， 应用于复杂系统仿真的计算机试验平台，其内核中的事件触发机制是多线程的，可 以实现在多个a g e n t 交互时，各a g e n t 的动作在保持时序性的同时，呈现出并发性的 特性，直观上更接近实际系统的演进过程。 使用s w a r m 仿真可实现独立个体行为与全局行为的巧妙结合与统一。虽然个体 行为通常都比较简单，但其引发的全局行为却可能极为复杂。在s w a r m 系统中，个 体行为的组合决定着全局行为，全局行为通过信息的时白j 和空间分布，又决定了独 立个体进行决策的环境，影响个体行为的走向，个体行为的改变又对全局行为产生 影响，如此反复，构成一个闭环的反馈系统，形象地将实际系统的运动模拟出来。 一个s w a r m 模拟程序通常包括四个部分：( 1 ) e n v i r o n m e n t 模拟世界，模拟实 际系统运行的外界环境，是仿真主体存在的空间； ( 2 ) a g e n t 主体，模拟在实际系 统中活动的个体，是仿真行为的执行者；( 3 ) m o d e l s w a r m ，是被模拟系统的整体， 包含仿真时需要的所有主体；( 4 ) o b s e r v e r s w a r m ，提供用户接口和监测器接口， 用于观察被模拟世界的状态和变化【3 3 】。 与s w a r m 模拟程序的构成相对应，在进行s w a r m 仿真设计时，需进行以下四步 操作： 华北电力人学硕 ( 1 ) 创建一个用于各独立主体活动的环境空间，各主体可以在该空间中进行 信息交互； ( 2 ) 创建各仿真主体( a g e n t ) ，各主体具有独立的属性和行为规则，可以感 知环境的变化做出相应的反应； ( 3 ) 创建m o d e l s w a r m 对象，在m o d e l s w a r m 象中，将虚拟世界、仿真对象等仿 真中需用到的模型实例化，为主体提供内存区域，安排主体的活动，并通过时间表 进行统一调度； ( 4 ) 创建o b s e r v e r s w a r m 对象，在o b s e r v e r s w a r m 对象中，设置仿真过程中出 现的各种用户界面，调用m o d e l s w a r m 模型，执行仿真，输出仿真结果和相应的观察 曲线。 2 2 3s w a r m 编程环境配置 s w a r m 提供了对j a v a 和o b j e c tc 两种编程语言的支持，要创建一个s w a r m 应用 要求用户可以使用j a v a 或o b j e c t i v ec 这两种面向对象程序设计语言中的至少一种。 由于j a v a 具有跨平台性及一次编译，多次运行等特点，作为j a v a 的一个类库 来进行扩充与发布的s w a r mf o rj a v a 版本很快成为经济学、金融学、政治学、社会学、 生物学、生态学、物理学、地理学、军事以及计算机科学等领域的主流仿真工具。 本文将采用j a v a 的编程环境进行建模仿真。下面主要介绍一下e c l i p s e 嵌套s w a r m 的 平台配置。 l 、安装j d k ：d ：w r o g r a mf i l e s u a v a j d k l 5 0 _ 15 2 、安装e c l i p s e ：d ：w r o g r a mf i l e s e c l i p s e 3 、将s w a r m - 2 2 - j a v a t a r g z 解压缩后，放置到相应的目录下：d ：w r o g r a m f i l e s s w a r m - 2 2 - j a v a 4 、设置环境变量 1 ) 右健点击“我的电脑 “属性 “高级 “环境变量 “系统变量( s ) “新建 2 ) 添加j a v ah o m e 变量 变量名：j a v a h o m e ；变量值：d ：w r o g r a mf i l e s k l a v a j d k l 一50 1 5 3 ) 添加s w a r m h o m e 变量 变量名：s w a r m h o m e ：变量值：d ：p r o g r a mf i l e s s w a r m 2 2 - j a v a 4 ) 添加c l a s s p a t h 变量 变量名：c l a s s p a t h 变量值：d ：p r o g r a mf i l e s u a v a j d k1 5 0 - 15 l i b t o o l s j a r ； d ：p r o g r a mf i l e s u a v a j d k1 5 o _ l5 l i b d t j a r ； d ：p r o g r a mf i l e s s w a r m 2 2 - j a v a s h a r e s w a r m k a w a j a r ； 北电力人学硕十学位论文 - j a v a s h a r e s w a r m s w a r m j a r ； 加+ d ：p r o g r a mf i l e s s w a r m - 2 2 - j a v a b i n ；d ：p r o g r a m f i l e s j a v