群体行为建模与计算机可视化仿真

群体是由许多彼此间存在相互作用的个体所构成的集合。在相互作用的动态过程中，每个个体都根据周围其他个体的行为以及自身的经验来调整自身的行为，以适应所处的环境。随着微观个体的行为改变，宏观上群体的状态也会不断地变化，而这种变化反过来又会影响个体行为的变化。于是，个体与群体在两个不同的层面进行着复杂的状态演化。

认知研究领域的学者倾向于通过单个个体的认知和思维过程来研究个体的行为，然而个体间具有互动作用的群体可能会在群体层面产生有组织的结构。通常，群体所产生的群体层次的行为会超出任何单个个体的认知范围。这种由低层次个体的相互作用而在较高层次产生群体有组织性的现象是令人感到异常惊奇的，因为我们每个人都是群体中的低层次个体，而高层次的有组织性是与个体行为同时同步发生，并且自然而然地出现的，它甚至超出了个体的认识而不易被感知。一些社会现象，如谣言的传播、群体事件的发生、互联网访问流量的变化、人流的运动以及网络舆论的形成等，都是与个体的信念、理性等密切相关的，但这些现象最终所呈现的形式极少是由任意个人授意的。因此，探究个体行为改变与群体行为演化的关系在教育学、心理学、社会学等领域有着极大的理论和应用价值。

另一方面，群体行为的产生与演化有着复杂的深层次原因，需要动态地进行考察和研究。随着计算机技术和统计理论的发展，除了辩证思维和实证方法以外，研究领域又出现了另一种重要的研究方法，即计算机仿真模拟方法。这类方法针对现实问题进行系统建模，通过适当的抽象和简化，并借助一组可控的系统参数，建立现实群体系统的理论模型、数学模型以及最终的仿真模拟模型，最终利用计算机对相关系统进行仿真模拟和统计计算，从而得到简化的现实系统模型的重要特征信息。这是一种基于模型的实验研究方法，为人们提供了一种认识和理解动态系统的辅助手段。它能够通过模拟过程揭示原始系统的本质特征和基本规律，有助于发现事先未预见的问题，为人们提供可靠的数据资料和统计学特征信息。

著名的计算机专家冯•诺依曼（Von Neumann）曾说过，进行科学研究的目的不仅是要逻辑并准确地解释各种自然和社会现象，而且还应为它们建立数学模型。当然，群体行为的模型总要比现实系统简单，但是它却抓住了现实系统的主要特征，进行群体行为演化建模的关键就是忽略现实系统中的次要因素，研究和发现影响系统变化的主要因素、过程以及相互作用的机制。

本书主要讨论群体行为的系统建模与仿真模拟，相关内容分为关于个体行为与群体演化的基础理论，以及系统建模与仿真模拟两部分。

基础理论部分主要从心理学、组织行为学、认知与学习理论等角度对个体和群体行为的机理、动因、过程等进行理论分析，归纳并阐述个体与群体行为的相关理论基础，内容共有4章：第1章论述影响群体中个体决策的诸多因素，如个体的需要、能力、性格、学习等，这些因素可以作为个体的特征参数供建模过程中选择；第2章讨论个体的动机、理性和决策过程等，可以作为模型中个体更新自身状态的决策策略的理论依据；第3章从组织行为学角度阐述了群体的产生与发展，以及群体动力学与群体结构等；第4章简要阐明群体沟通与群体中的冲突，以及群体中领导角色的作用与群体决策等。后两章内容有助于对模拟仿真的过程与结果进行分析和解释。虽然在建模与仿真过程中并不会用到基础理论的全部内容，但了解这些内容对不断地完善模型以及洞悉模型所呈现出的规律性有着积极意义。

建模与仿真部分共有5章：第5章较系统地介绍了Voronoi图的相关基本知识及其各种优良特性，以及二维Voronoi图的构造算法等，给出了构造算法的程序实现。第6章给出了两个基本的仿真模型：群体行为动态演化模拟的基本模型及其修正模型。这两个模型均以Voronoi图作为底层的数学结构基础，演化策略上沿用了传统的元胞自动机思想。这两个模型构成了群体行为建模与模拟的基本框架，具有广谱适应性。通过不同的参数或状态更新策略设置可以形成不同特征的模型。第7章重点讨论了三值选择下群体行为的演化过程，集中研究中立者密度对不同转化率、赞同率、系统稳态，以及其他系统主要特征指标的影响等，给出了相关统计指标的统计分析。第8章以重心Voronoi图作为模型的底层数学结构，研究个体移动情形下群体行为的演化过程，给出了统计学意义下的特征分析和结果对比。第9章根据幼儿行为习惯养成过程中存在的“从众”和“模仿”这两种特征，对幼教环境中幼儿良好行为习惯的养成进行了尝试性的模拟与分析，探索幼教环境中，尤其是教师（领导）影响下的幼儿良好行为习惯的形成规律。

本书由庞明勇进行总体结构的策划，刘楠负责基础理论部分的撰写，高向敏撰写了建模与模拟仿真部分的内容，全书由庞明勇进行统稿。相关研究过程中，庞明勇与高向敏合作对仿真模型的建立、模拟程序的实现以及相关结果的分析等进行了讨论，相关模型的实现是由高向敏在庞明勇的指导下完成的。本书研究工作得到全国社会科学“十一五”规划（教育科学）国家青年课题（CHA060073），以及江苏省教育科学“十一五”规划2008年度课题（B-b/2008/ 01/009）的共同资助。

由于时间仓促并限于作者水平，不当之处在所难免，敬请读者批评指正。

编 者

2010年6月23日

前言

第1章 个体行为基础 1
1.1 个体行为及其一般过程 1
1.1.1 需要 1
1.1.2 动机 2
1.1.3 行为 3
1.1.4 结果 4
1.2 个体行为结果的MARS模型 4
1.2.1 个性 4
1.2.2 气质 5
1.2.3 性格 6
1.2.4 价值观 7
1.2.5 情绪与情感 8
1.3 能力 10
1.3.1 能力的分类 10
1.3.2 能力的形成 11
1.3.3 能力差异 11
1.4 态度 12
1.4.1 态度的特性 12
1.4.2 态度的分类 13
1.4.3 态度对行为的影响 14
1.4.4 态度的形成及其影响因素 14
1.4.5 态度的改变及其影响因素 15
1.5 学习 16
1.5.1 学习与学习理论 16
1.5.2 强化策略 18
1.5.3 行为校正：通过强化进行学习 19
第2章 个体行为动机与个体决策 21
2.1 动机及其功能 21
2.2 早期的动机理论 21
2.2.1 需要层次理论 21
2.2.2 X理论和Y理论 24
2.2.3 双因素理论 25
2.3 当代动机理论 27
2.3.1 麦克莱兰的需要理论 27
2.3.2 认知评价理论 28
2.3.3 目标设置理论 29
2.3.4 自我效能感理论 30
2.3.5 期望理论 31
2.3.6 公平理论 32
2.4 各种动机理论的整合 34
2.5 个体决策与理性选择模型 34
2.5.1 知觉 34
2.5.2 影响知觉的因素 36
2.5.3 个体和群体的知觉 36
2.5.4 知觉与个体决策之间的联系 39
2.5.5 提高决策中的创造力 40
2.6 决策过程 41
2.6.1 有限理性 41
2.6.2 常见的理性扭曲 41
2.6.3 直觉决策 43
2.6.4 决策中的公众舆论与道德问题 43
第3章 群体与群体行为 44
3.1 群体概述 44
3.1.1 群体 44
3.1.2 群体的分类 45
3.1.3 群体的功能 46
3.2 群体发展 46
3.2.1 群体的有效性及影响因素 46
3.2.2 群体心理 48
3.2.3 群体形成的原因 48
3.2.4 群体发展的阶段 49
3.3 群体动力学与群体规范 50
3.3.1 群体动力学 50
3.3.2 群体规范及其功能 51
3.3.3 群体的凝聚力 52
3.4 群体结构 54
3.4.1 角色 54
3.4.2 地位 55
3.4.3 群体规模 55
3.4.4 群体构成 56
3.4.5 群体压力和从众性 56
第4章 群体沟通模型与群体决策 59
4.1 沟通 59
4.1.1 沟通的类型 59
4.1.2 沟通的功能 60
4.2 群体沟通 61
4.2.1 沟通的一般过程模型 61
4.2.2 有效沟通的障碍 62
4.2.3 有效沟通的技巧 63
4.3 群体冲突 63
4.3.1 冲突观念的变迁 64
4.3.2 冲突产生的原因 65
4.3.3 冲突的过程 66
4.3.4 群体冲突动态分析 68
4.3.5 冲突管理 69
4.4 领导与领导理论 70
4.4.1 领导与权力和管理 71
4.4.2 领导的基本职能 71
4.4.3 领导特质理论 72
4.4.4 领导行为理论 73
4.4.5 领导权变理论 76
4.5 群体决策 79
4.5.1 群体决策的优缺点 79
4.5.2 群体思维和群体转移 80
4.5.3 群体决策技术 81
第5章 Voronoi图 84
5.1 Voronoi图的历史与发展 84
5.2 Voronoi图的定义 84
5.3 Voronoi图的基本性质 86
5.3.1 最近邻近特性 86
5.3.2 线性特性 86
5.3.3 局域动态特性 86
5.3.4 与Delaunay三角对偶 86
5.4 Voronoi图的构造方法 87
5.4.1 增量法 87
5.4.2 间接法 88
5.4.3 分治法 89
5.4.4 离散Voronoi图生成方法 89
5.5 Voronoi图的应用 90
5.6 重心Voronoi图 91
5.6.1 重心Voronoi图的定义 92
5.6.2 重心Voronoi图的应用 93
5.7 重心Voronoi图构造算法 97
5.7.1 MacQueen 算法 97
5.7.2 Lloyd算法 98
5.7.3 一种整合的确定性－概率算法 98
5.8 程序实现 100
5.8.1 平面Voronoi图的生成程序 100
5.8.2 Voronoi图可视化 130
第6章 群体行为演化的仿真模型 137
6.1 群体演化的基本模型 137
6.1.1 群体行为的产生 137
6.1.2 离散Voronoi图动态模型 138
6.1.3 群体行为动态演化建模 139
6.2 群体行为动态演化模拟的基本模型 140
6.2.1 群体行为动态演化建模的关键
步骤 140
6.2.2 基本模拟模型的程序实现 142
6.3 基本模拟模型的宏观特性分析 149
6.3.1 相关概念及定义 150
6.3.2 系统稳态及其主要特征分析 151
6.3.3 初始条件与系统稳态的关系 153
6.3.4 权值对群体行为演化的影响 154
6.4 群体行为动态演化模拟的修正模型 155
6.4.1 群体行为动态演化建模的关键
步骤 156
6.4.2 修正模型的程序实现 157
6.5 修正模型群体行为的统计学特性分析 167
6.5.1 相关统计指标 167
6.5.2 系统稳态及其主要特征分析 168
6.5.3 初始赞同率与稳态赞同率的关系 170
6.5.4 权值对群体行为演化的影响 171
6.5.5 转化率随时步及初始赞同率变化
的情况 173
6.5.6 系统演化时间与初始赞同率之间
的关系 174
6.5.7 群体大小对群体行为演化的影响 175
6.6 小结 176
第7章 三值选择下的群体行为演化模型 178
7.1 群体行为动态演化建模 178
7.2 程序实现 179
7.3 实验、结果与分析 189
7.3.1 相关统计指标 189
7.3.2 该模型下的系统稳态及其主要
特征分析 190
7.3.3 中立者密度对初始赞同率与稳
态赞同率之间关系的影响 192
7.3.4 中立者密度对系统演化时间与
初始赞同率之间关系的影响 193
7.3.5 中立者密度对转化率与初始赞
同率之间关系的影响 194
7.3.6 中立者密度对赞同大转化率、反对大
转化率与初始赞同率之间关系影响 195
7.3.7 中立者密度对赞同小转化率、反对小
转化率与初始赞同率之间关系影响 196
7.3.8 在一定中立者密度下，各转化率与
初始赞同率之间关系 197
7.4 小结 199
第8章 个体移动下的群体行为演化模型 201
8.1 群体行为动态演化建模 201
8.2 程序实现 203
8.3 实验、结果与分析 215
8.3.1 相关统计指标 215
8.3.2 系统稳态及其主要特征分析 216
8.3.3 个体移动对初始赞同率与稳态赞
同率之间关系的影响 220
8.3.4 个体移动对系统演化时间与初始
赞同率之间关系的影响 221
8.3.5 个体移动对各转化率与初始赞同
率之间的关系的影响 222
8.3.6 个体移动情况下赞同纠正率、反对
纠正率与初始赞同率之间的关系 223
8.4 小结 224
第9章 幼儿群体良好行为习惯形成的模拟
模型 226
9.1 基本的建模思想 226
9.2 群体行为动态演化建模 227
9.3 模拟模型的程序实现 229
9.4 实验、结果与分析 242
9.4.1 相关统计指标 243
9.4.2 幼儿群体行为的形成过程及其主
要特征分析 243
9.4.3 初始条件与幼儿群体行为演化的
稳态 255
9.5 小结 263
附录 265
参考文献 272

1. MSC Adams多体动力学仿真基础与实例解 [陈志伟 董月亮 编著]