系统科学——基于元胞自动机的信息扩散研究

1、系统科学基于元胞自动机的信息扩散研究目录10.1 研究背景10.2 文献综述10.3 问题确定10.4 模型构建Content10.5 仿真结果分析10.6 研究不足10.7 拟解决方案10.8 参考文献研究背景 2011年7月23日晚，两列满载乘客的动车在温州发生剧烈追尾。网络ID为“袁小芫”的微博网友是D301次列车上的乘客，事故发生四分钟后她发出了第一条微博。随后身在事故现场的一些微博用户不断更新关于现场的种种图片、文字信息，短时间内，甬温线特别重大铁路交通事故迅速以图文并茂的全透明方式在全国民众面前得以展现。 以新浪微博为例，截至24日12时，已有3286883条关于这起事件的微博。网

2、民从事故现场、寻人、遇难名单、献血现场等多角度展示这次突发事件。越来越多的信息能够通过网络实现快速的扩散研究背景通货膨胀人为操纵政治因素物价变动经济周期财政政策利率汇率过去现在信息扩散的形式p 传播途径（1）口口相传：信息通过人与人之间口口相传的方式进行传播（2）手机方式：信息通过手机进行转发、扩散（3）媒体：信息通过文字（报纸等）进行传播p 传播途径（1）过去的方式（2）网络用户间传递：用户创作的信息通过网络平台进行用户间的快速扩散线下的信息扩散与线下的信息扩散有何不同？提出问题：线下的信息扩散线上的信息扩散目录10.1 研究背景10.2 文献综述10.3 问题确定10.4 模型构建Cont

3、ent10.5 仿真结果分析10.6 研究不足10.7 拟解决方案10.8 参考文献文献综述文献综述文献综述信息扩散信息扩散元胞自动机元胞自动机扩散问题的扩散问题的元胞自动机元胞自动机信息扩散研究领域元胞自动机概述元胞自动机在经济管理领域应用流言、文化及舆论传播创新扩散模型线上、线下信息扩散 通过对“信息扩散、元胞自动机、扩散问题的元胞自动机”三方面的文献查找，发现研究方向，明确本文的研究点。文献综述信息扩散信息扩散信息扩散研究领域线上、线下信息扩散lA、环境方面的风险评估，包括气象、事故等的风险评估；lB、管理学方面： 网络角度、企业产品角度等线上信息扩散线下信息扩散 研究者多集中于对网络舆

4、情信息的扩散，包括对网络舆情传播规律的研究以及信息采集的分析。同时，由于元胞自动机适合用于复杂系统的研究,国内外学者开展了将其用于舆论传播的研究,并取得了一定的研究成果：方薇、何留进等（2010），刘慕仁、邓敏艺等（2002）均采用元胞自动机理论分析l手机信息的扩散：刘克霞（2009）认为针对同一种信息，不同人群的信息传递概率不同l线下口碑的传播：多研究口碑的传播动机等，如产品涉入、自身涉入、他人涉入、信息涉入等总结： 已有研究者采取“元胞自动机”的方法分别针对线上、线下信息扩散进行分析，但是将线上、线下的扩散对比分析还未有涉及。同时，刘克霞（2009）为我们提供了一种思路:信息扩散的传播概率

5、不同。文献综述元胞自动机 最早是由现代计算机之父冯诺伊曼提出的构想，经美国计算机科学家S. Wolfram 在其新著A New Kind of Science中，将其上升到了全新的科学方法，为复杂系统的模拟提供了新的理论依据与实现方法； John Conway 提出“生命游戏”，这是最著名的元胞自动机模型，元胞自动机开始显示出其在模拟复杂系统方面的无穷潜力； “生命游戏”被认为是元胞自动机研究的真正开始； 元胞自动机理论获得快速发展。沃夫曼从动力学的角度对元胞自动机进行了分析，并将计算机理论应用于元胞自动机的研究； 元胞自动机被广泛地应用于社会、经济、军事及自然科学的各个领域，元胞自动机作为一

6、种动态模型，更多的是作为一种通用性建模的方法，在社会学、生物学、计算机科学等领域开始得到广泛应用，几乎涉及社会和自然科学的各个领域。 元胞自动机的构想、产生及发展均与复杂系统及复杂行为相关。构建一个简单、离散的元胞自动机模型，简单采用的规则能够得到非常复杂的结果，这使得元胞自动机成为复杂系统描述和求解的有力工具。概述概述文献综述元胞自动机应用领域解决的问题模型特点对标准CA模型的扩展股票市场（应尚军等，2001；陈莹，2007；刘源远等，2008）股票市场投资者投资行为演化建立了二维元胞状态空间，考虑了多种因素及状态转换概率对标准 CA 的元胞状态空间进行了扩展创新扩散（祝树金等，2004；周

7、齐，2005；Renato Guseo，2007）创新扩散动态过程模拟综合考虑多种因素的影响,元胞状态转换规则比较全面避免了元胞状态规则中的因素过于单一的缺陷市场营销（陈荣，余亮，2000）连带外部效应市场的演变行为模拟在模型中加入了状态转换概率赋予元胞记忆能力确定型 CA 的应用推广到了随机型CA 的应用建立智能体CA 模型舆论传播（刘慕仁等，2002；彭麟，2005）舆论传播的分析与模拟在周期边界条件下,对二维四方格子两种邻域(5 邻域、9 邻域)的情况,按少数服从多数的演化规则进行了计算机模拟对标准 CA 元胞性能进行扩展，并考虑了人的影响 在经济管理领域，国内外学者开始应用元胞自动机来

8、解释分析各种管理现象，对各种管理现象进行演化模拟。元胞自动机在经济管理系统中的常见应用如下表所示：元胞自动机在经济领域中应用元胞自动机在经济领域中应用 刘慕仁等（2002）认为网络空间是一个虚拟世界,网络空间中的邻居是“心理距离”的相邻,其状态转换可以用个体间的影响来计算,提出了考虑元胞坚定性的改进多数转换规则的计算算法，这为本研究中转换规则的制定提供参考。彭麟（2005）考虑了舆论系统中的人员表现出的主动性、适应性以及其独立性等因素，建立了相应的具有自适应性元胞自动机舆论传播模型。元胞自动机在舆论传播领域应用较广文献综述扩散问题的元胞自动机扩散问题的元胞自动机模型创 新 扩 散 模 型流 言

9、模 型 流言模型是这类问题的基本模型，它可以解释流言（或者文化、舆论以及流行趋势等）通过个体之间局部的交互进行传播的过程：1. 模型中的元胞一般会有两种状态：不知道流言和知道流言。 用状态集： S=0,1来表示，0代表不知道流言，1代表知道流言2.在二维模型中邻居采用冯诺依曼邻居或者摩尔邻居，更新规则如下：3. 采用冯.诺依曼型邻居，按照上述规则进行演化，可得如下结果： （初始时，中心元胞为流言发源地，黑色 代表知道流言，白色代表不知道流言，图中元胞空间的大小均为150150 ）；文献综述扩散问题的元胞自动机扩散问题的元胞自动机模型创 新 扩 散 模 型流 言模 型p本文借鉴流言模型和生命游戏

10、模型进行相关模型构建目录10.1 研究背景10.2 文献综述10.3 问题确定10.4 模型构建Content10.5 仿真结果分析10.6 研究不足10.7 拟解决方案10.8 参考文献问题确定线下的信息扩散与线下的信息扩散有何不同？提出问题：解决方法：问题确定：线上、线下信息扩散态度转变的影响情况不同这种影响差异可以通过元胞自动机来进行分析基于元胞自动机的线上、线下信息扩散模型研究目录10.1 研究背景10.2 文献综述10.3 问题确定10.4 模型构建Content10.5 仿真结果分析10.6 研究不足10.7 拟解决方案10.8 参考文献模型构建元胞自动机构造元胞自动机构造元胞自动

11、机元胞自动机元胞元胞元胞空间元胞空间演变规则演变规则邻居邻居（1）元胞： 又可称为单元或基元，如下图中的网格单元，是CA最基本的组成部分。元胞分布在离散的一维、二维或多维欧氏空间的晶格内部,具有离散有限的状态；（2）元胞空间： 元胞所分布的空间网点集合，如上图中的网格空间。其网点可有多种形式,例如二维元胞可按三角、四方或六边形等网格排列。需要规定模拟空间的大小并定义相应的边界条件。边界条件主要有周期型、反射型和定值型等；模型构建元胞自动机构造元胞自动机构造元胞自动机元胞自动机元胞元胞元胞空间元胞空间演变规则演变规则邻居邻居（3） 邻居： 在考虑一个元胞对其他元胞的影响时，必须规定每个元胞会影响

12、到哪些邻居元胞。在一维元胞自动机中，通常以半径r来确定邻居,距离一个r内的所有元胞均被认为是该元胞的邻居。模型设计可按四邻域、八邻域或扩展邻域确定。（4.）演变规则： 据元胞当前状态及其邻居状态确定下一时刻该元胞状态的动力学函数，就是一个状态转移函数。通常可以写为: 元胞自动机的演化之所以千变万化,是由于其转化规则的不同引起,转化规则是元胞自动机的核心,它决定系统演化的结果。模型构建本研究模型构建本研究模型构建元胞自动机元胞自动机元胞元胞元胞空间元胞空间演变规则演变规则邻居邻居 每个元胞代表一个进行信息扩散的主体，可以用一个有序对(i, j) ( i，j=1 30) 表示其在元胞空间中的位置，

13、即元胞(i, j)表示元胞空间中第i行第j列的用户。 用30*30个网格来构建元胞空间，网格中行与列的交叉点代表信息扩散中的个体，因此参与演化的个体数为900 在CA模型中，邻居形式有多种。本研究拟采用摩尔( Moore) 型，即每个用户周围有8个邻居，t时刻用户的状态由t-1时刻的邻居状态与t-1时刻自身状态共同影响。模型构建本研究模型构建本研究模型构建元胞自动机元胞自动机元胞元胞元胞空间元胞空间演变规则演变规则邻居邻居（1）状态集： 模型确定的初始元胞状态集为S=0，1，元胞的这两种状态代表信息扩散的主体在面对某个信息时所做出的选择情况其中，0表示网民选择不传播该信息，单元格涂成白色；1表

14、示用户选择传播该信息，单元格涂成黑色。（2）转移规则从受周围人影响的难易程度角度进线上、线下的模型构建在当前时刻，如果一个元胞状态为“传播信息”，则下一时刻保持传播在当前时刻，如果一个元胞状态为“不传播信息”，且八个相邻元胞中至少有7个个的状态为“传播信息”，则在下一时刻该元胞状态变为“传播信息”线线上上线线下下在当前时刻，如果一个元胞状态为“传播信息”，则下一时刻保持传播在当前时刻，如果一个元胞状态为“不传播信息”，且八个相邻元胞中至少有5个个的状态为“传播信息”，则在下一时刻该元胞状态变为“传播信息”模型构建本研究模型构建本研究模型构建元胞自动机元胞自动机元胞元胞元胞空间元胞空间演变规则演

15、变规则邻居邻居演变规则程序展示演变规则程序展示线线上上线线下下目录10.1 研究背景10.2 文献综述10.3 问题确定10.4 模型构建Content10.5 仿真结果分析10.6 研究不足10.7 拟解决方案10.8 参考文献仿真结果分析通过上面两个图我们可以看出： 线上的信息扩散最终稳态体现出最终选择进行信息扩散的人较少 线下的信息扩散最终稳态体现出最终选择进行扩散的人较多线上线上线下线下目录10.1 研究背景10.2 文献综述10.3 问题确定10.4 模型构建Content10.5 仿真结果分析10.6 研究不足10.7 拟解决方案10.8 参考文献研究不足（1）本文构建的模型是从信

16、息接受者角度考虑的，还可以从信息传播者的角度进行考虑。例如可以考虑针对同一种信息，线上线下进行传播时针对不同的人群其传播概率会有什么样的不同。即将元胞的初始状态进行改进。（2）由于时间限制，研究角度略显单一，只关注与线上和线下传播的区别，而信息种类和不同的信息来源等问题都会对信息扩散产生较大的影响，因此得出的结果与实际情况有点出入；（3）由于对于MATLAB工具不太熟悉，因此我们仅仅是对“生命游戏”模型进行了演化规则的初步改进。应该考虑更全面，演化规则应更全面、更细致。目录10.1 研究背景10.2 文献综述10.3 问题确定10.4 模型构建Content10.5 仿真结果分析10.6 研究

17、不足10.7 拟解决方案10.8 参考文献拟解决方案1 1从信息接受者和传播者两方面进行考虑，对八个邻元进行具体细分，通过问卷调查，得到中心元胞把信息传给不同邻元的概率；2 2可以分别研究不同类别的信息和不同来源的信息不同类别的信息和不同来源的信息对信息扩散的影响，这对线上和线下的信息扩散都有重大影响，有助于研究结果的改进；3 3对于演化规则的设置，直接套用“生命游戏”不足以描述信息扩散的实际情况，应该考虑到意见领袖的突出影响，对意见领袖对意见领袖的影响赋予较大的权重的影响赋予较大的权重，这有助于研究结果更接近实际情况； 针对老师的一些建议，我们提出了初步的解决方案，能够使我们的研究结论更贴合

18、实际，具体如下：目录10.1 研究背景10.2 文献综述10.3 问题确定10.4 模型构建Content10.5 仿真结果分析10.6 研究不足10.7 拟解决方案10.8 参考文献参考文献1. 刘慕仁，邓敏艺，孔令江.舆论传播的元胞自动机模型J.广西师范大学学报自然科学版,2002,20(2):1-32. 方薇，何留进，孙凯.采用元胞自动机的网络舆情传播模型研究J. 计算机应用，2010，30（3）：751-7553. 高太山. 网络舆情中虚假信息传播的元胞自动机仿真D. 首都经济贸易大学：20114. 刘克霞.基于元胞自动机的手机信息传播模型研究D. 哈尔滨工业大学:20095. 张廷,高宝俊,宣慧玉.