基于Agent的技術(shù)創(chuàng)新演化研究

王煒 羅守貴

摘要：文章采用Matlab仿真軟件動態(tài)模擬生產(chǎn)者和消費者的行為，融入生態(tài)特征的變異率（Mutation Rate）和雜交率（Cross-over rate）來模擬生產(chǎn)者的自主創(chuàng)新和合作創(chuàng)新運行機理；并研究技術(shù)創(chuàng)新演化過程中的外部和內(nèi)部動力機制，分為環(huán)境選擇（ Environmental Selection ）和種內(nèi)選擇（Constructional Selection）；同時，運用生態(tài)演化效率指標(biāo)來測度技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展情況；文章提出技術(shù)創(chuàng)新相關(guān)生態(tài)策略，對持續(xù)性的技術(shù)創(chuàng)新具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：技術(shù)創(chuàng)新；智能體建模；演化；變異；雜交；matlab

一、 技術(shù)創(chuàng)新演化與智能體的研究進展

1. 技術(shù)創(chuàng)新演化的研究。熊彼特20世紀(jì)30年代最早提出技術(shù)創(chuàng)新的演化概念，此演化與生態(tài)群落演化有相似性：（l）進化機制相似。達(dá)爾文（1859）提出，生物的進化依靠多樣性、遺傳性和自然選擇三種核心機制來完成。“多樣性”意味著物種至少有一個重要的可分辨的特征；“遺傳性”確保物種特征能夠穩(wěn)定復(fù)制；“自然選擇”意味著一些物種能更好地適應(yīng)環(huán)境的壓力，而且通過繁殖會增加總量。盡管企業(yè)與生物有很大的區(qū)別，但是這三種機制在企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新演化中同樣起著相似的作用。可以說，企業(yè)有不同技術(shù)創(chuàng)新能力等的不同，比如不同的專利和技術(shù)成果，表現(xiàn)出企業(yè)的“多樣性”；而隨著時間的推移可以傳遞核心競爭力，也表現(xiàn)出“遺傳”特性；最后，市場競爭以及企業(yè)的成長與衰退，提供了與自然選擇相類似的市場選擇機制。（2）進化的方式相似。生物的變異主要有兩種方式，一種是漸進的，一種是突變的。與此對應(yīng)，企業(yè)的演化也具備這兩種方式。企業(yè)漸進式技術(shù)創(chuàng)新演化過程是緩慢且連續(xù)的。對于初創(chuàng)時期的企業(yè)來說，本質(zhì)上是一個初級的“學(xué)習(xí)型企業(yè)”，在所有的領(lǐng)域都要進行摸索。隨后，每一次成功經(jīng)歷都將作為經(jīng)驗和知識被保留下來，并且將這種經(jīng)驗融入到日常的經(jīng)營中去，逐漸形成企業(yè)穩(wěn)定的、適應(yīng)環(huán)境的DNA。

2. 智能體（Agent）模型仿真的研究。是由美國Minsky教授最早提出智能體（Agent）的概念，描述一個具有自適應(yīng)、自治能力的硬件、軟件或其他實體，其目標(biāo)是認(rèn)識與模擬人類智能行為。Delre（2007）將ABMS用于營銷管理的促銷活動選擇上，對不同營銷策略進行仿真，并將仿真的重點放在促銷的目標(biāo)與時機上；Hur（2010）的研究是致力于以技術(shù)不確定性和贏家通吃為特征的多等級競爭，他運用了ABMS來了解這種競爭的動力，尤其是當(dāng)競爭者之間表現(xiàn)出異構(gòu)行為的情況下；Oliva等（2010）建立了一個基于智能體的投入產(chǎn)出非工作性模型，他們將每一個基礎(chǔ)設(shè)施分解成為相互關(guān)聯(lián)的要素，通過考慮要素之間的資源交換來研究基礎(chǔ)設(shè)施之間的相互依存關(guān)系。

與國外相比，余強毅（2014）使用matlab平臺，開發(fā)Agent模型來研究農(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)復(fù)雜性與動態(tài)性，表達(dá)特定區(qū)域內(nèi)的農(nóng)作物空間格局及其動態(tài)變化過程，完成黑龍江省賓縣的區(qū)域?qū)嵶C研究；金淳（2013）以移動商務(wù)環(huán)境下的餐飲推薦系統(tǒng)為例，分析了消費活動過程中顧客與服務(wù)的交互行為，以及情境因素對顧客消費的影響，構(gòu)建了服務(wù)推薦及顧客行為規(guī)則，并在REPAST環(huán)境下實現(xiàn)了Agent仿真模型。陸云波（2013）對任務(wù)、流程、人員和組織進行Agent建模，模擬隱性工作的涌現(xiàn)，輸出工期、成本、質(zhì)量、隱性工作和工作積壓等定量結(jié)果，評估項目組織與流程的匹配度，這一模型有助于促進項目組織和流程設(shè)計的定量化研究；楊敏（2013）比較了AB建模和基于方程（equation-based，EB）建模在建模過程上的區(qū)別，從結(jié)果驗證、過程驗證和模型對接研究三個方面回顧了AB模型驗證的主要方法論問題和相關(guān)研究進展，指出建模工具標(biāo)準(zhǔn)化、一致性判斷、靈敏度分析和參數(shù)空間壓縮技術(shù)是未來AB模型驗證的主要方向。

3. 小結(jié)。基于以上技術(shù)創(chuàng)新演化和智能體（Agent）模型仿真的國內(nèi)外研究，目前技術(shù)創(chuàng)新演化還停留在定性或者理論模型階段，尚未從時間角度來連續(xù)地觀察技術(shù)演化過程中的驅(qū)動機制和演化程度的定量分析。本文全新演繹企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新動態(tài)演化過程。因此，在matlab仿真平臺上，采用智能體模擬生產(chǎn)者和消費者的行為，融入具有生態(tài)特征的變異率（Mutation Rate）和雜交率（Cross-over Rate）來形象地分別表示企業(yè)的自主創(chuàng)新和合作創(chuàng)新；并探討技術(shù)創(chuàng)新演化過程中的“自然選擇”機理：環(huán)境選擇（Environmental Selection）和種內(nèi)選擇（Constructional Selection）；同時，運用演化效率指標(biāo)來描述技術(shù)創(chuàng)新演化情況。

二、 agent建模與生態(tài)模擬算法

1. agent建模與算法。在本文仿真系統(tǒng)中，有兩類agent，包括生產(chǎn)者agent和消費者agent，這里假設(shè)生產(chǎn)者同屬于一個行業(yè)，例如生產(chǎn)電腦的電子品行業(yè)。

所有生產(chǎn)者的集合如下：

4. 演化算法模擬。

Step 1：初始化兩個生產(chǎn)者1和生產(chǎn)者2（Producer1、Producer2），每個生產(chǎn)者有初始生命值來表示當(dāng)前企業(yè)規(guī)模（生產(chǎn)者可以消耗生命值來生產(chǎn)產(chǎn)品，如果生命值為0，則生產(chǎn)者無法進行生產(chǎn)），各自隨機生產(chǎn)一種產(chǎn)品。市場有三類消費者，分別有不同的效用權(quán)重評價函數(shù)，三類消費者占市場比重為（30%，30%，40%）。

依次執(zhí)行Step2、Step3、Step4，重復(fù)循環(huán)100次：

Step2：每個生產(chǎn)者以合作創(chuàng)新概率？琢分別生產(chǎn)新產(chǎn)品（生物界稱為雜交率？琢∈（0，1），Cross over rate）。兩個生產(chǎn)者是這樣交換技術(shù)的，從Producer1、Producer2已生產(chǎn)出來的產(chǎn)品中，分別隨機取兩個已有產(chǎn)品：G1={g1，…，gN}、G2={g′1，…，g′N}。隨機產(chǎn)生一個整數(shù)n∈[1，N]，n分別將G1，G2分割成四個片段G11={g1，…，gN}、G21={gn+1，…，gN}、G12={g′1，…，g′N}、G22={g′n+1，…，g′N}。將G11與G22合成，G12與G21合成，即組成兩個新產(chǎn)品分別是G′1={g1，…，gn，g′n+1，…，g′N}、G′2={g′1，…，g′n，gn+1，…，gN}。

Step3：每個生產(chǎn)者以自主創(chuàng)新概率（生物界稱為變異率？茁∈（0，1），Mutation rate）。生產(chǎn)者通過生產(chǎn)一個新產(chǎn)品G={g1，…，gN}，隨機數(shù)gi∈[1，10]。由此可生產(chǎn)出不同的產(chǎn)品個數(shù)10N。

Step4：比較所有產(chǎn)品的加權(quán)效用值E（環(huán)境選擇Environmental selection），選出具有最大加權(quán)效用值E的產(chǎn)品id，即此產(chǎn)品受市場歡迎，下期增加此產(chǎn)品的產(chǎn)量6個，下期其他產(chǎn)品減少產(chǎn)量2個。并根據(jù)相應(yīng)的產(chǎn)量來調(diào)整兩個生產(chǎn)者的生命值，受市場歡迎的產(chǎn)品隸屬生產(chǎn)者增加能量值Energy，同時，由自主創(chuàng)新所生產(chǎn)出的產(chǎn)品所獲得的能量值大于生產(chǎn)者合作創(chuàng)新生產(chǎn)出此產(chǎn)品所獲得的能量值。生產(chǎn)其他產(chǎn)品的其余生產(chǎn)者減少生命值。

Step5：這段技術(shù)演化過程中的，觀察兩個生產(chǎn)者生命值Energy、產(chǎn)量Output（每個生產(chǎn)者生產(chǎn)的所有產(chǎn)品產(chǎn)量）、演化效率值（AVF、AVE、maxFC）隨時間的變化情況。其中，maxFC取所有產(chǎn)品平均效用FC中的最大值：MAX（FC1、FC2、FC3、…）。

三、 模擬仿真分析

根據(jù)技術(shù)創(chuàng)新演化過程中，我們設(shè)定，生產(chǎn)者1規(guī)模比較大，生產(chǎn)者2規(guī)模相對小；自主創(chuàng)新投入成本大于合作創(chuàng)新，且風(fēng)險大，但一旦創(chuàng)新產(chǎn)品獲得成功，自主創(chuàng)新所獲得的利潤反而大于合作創(chuàng)新。我們從時間維度觀察兩個生產(chǎn)者規(guī)模、產(chǎn)量、市場主導(dǎo)產(chǎn)品種類、生態(tài)效率的變化，演化過程中存在三種情況，也與現(xiàn)實相仿：（1）第一種情況：生產(chǎn)者2規(guī)模超過生產(chǎn)者1的規(guī)模，即“長江后浪推前浪”；（2）第二種情況：生產(chǎn)者1規(guī)模依舊大于生產(chǎn)者2規(guī)模，并且差距越來越大，即“強者更強，弱者更弱”；（3）第三種情況：生產(chǎn)者1規(guī)模與生產(chǎn)者2規(guī)模同比增大，即大小企業(yè)攜手“各領(lǐng)風(fēng)騷”

第一種情況中：起初，生產(chǎn)者1的產(chǎn)品占市場主導(dǎo)地位；在第10步時，生產(chǎn)者1基于大規(guī)模企業(yè)資源進行自主創(chuàng)新（mutation），同時，小企業(yè)的生產(chǎn)者2通過加大研發(fā)投入經(jīng)費、高科技人力資源、或通過模仿基礎(chǔ)上再創(chuàng)新占主導(dǎo)者生產(chǎn)者1的產(chǎn)品等方式來提升自主創(chuàng)新力度，如此迎頭趕上；在第10步～30步之間，可以觀察到生產(chǎn)者1和生產(chǎn)者2的產(chǎn)品通過環(huán)境選擇（Environmental Selection）優(yōu)勝劣汰，已分別占領(lǐng)市場，兩者的市場地位旗鼓相當(dāng)；在第30步時，生產(chǎn)者2依舊地“吃老本”，小企業(yè)生產(chǎn)者2具有“船小好調(diào)頭”的活力，再次自主創(chuàng)新，他的產(chǎn)品恰好迎合了市場，由此完全占領(lǐng)了市場，并超越了生產(chǎn)者1，持續(xù)地增加占主導(dǎo)市場產(chǎn)量，從而規(guī)模日益壯大。從整個創(chuàng)新進程來看，生產(chǎn)者2的自主創(chuàng)新雖然在短期內(nèi)可能耗費大量的人力、物力和各種資源等投入成本，但其在長期內(nèi)對經(jīng)濟的貢獻(xiàn)卻完全彌補前期創(chuàng)新投入的大量成本，自主創(chuàng)新改變企業(yè)命運，呈現(xiàn)“長江后浪推前浪”局面。同時，在各企業(yè)自主創(chuàng)新階段，規(guī)模和產(chǎn)量同方向變化，并且種內(nèi)選擇（Constructional Selection）為AVF的變化，環(huán)境選擇（Environmental Selection）為AVE的變化，兩者都有明顯的波動，并且AVF>AVE，由此說明種內(nèi)選擇激烈程度大于環(huán)境選擇。

第二種情況中：起初，生產(chǎn)者1的產(chǎn)品占市場主導(dǎo)地位；在第10步時，生產(chǎn)者2由于規(guī)模比較小，希望通過自主創(chuàng)新來占領(lǐng)市場，但此次自主創(chuàng)新的產(chǎn)品并沒有通過市場的種內(nèi)選擇，自主創(chuàng)新所帶來的大量成本投入反而沒有給企業(yè)帶來相應(yīng)的利潤回報，收入小于投入，面臨虧損境遇。而生產(chǎn)者1憑借規(guī)模大的好口碑，產(chǎn)品一直占領(lǐng)市場，呈現(xiàn)越來越強的勢頭；在第25步時，生產(chǎn)者1規(guī)模大并沒有“驕傲自滿”，而是憑借強大的研發(fā)資源再自主創(chuàng)新來保持市場產(chǎn)品主導(dǎo)實力，持續(xù)地保持“霸主”地位；在第30步時，為了能“破釜沉舟”來扭轉(zhuǎn)虧損，生產(chǎn)者2再次自主創(chuàng)新，不幸的是，此次的新產(chǎn)品仍舊沒有受到市場的認(rèn)可，使得企業(yè)每況愈下，而生產(chǎn)者1依舊牢牢占據(jù)市場，呈現(xiàn)“強者更強，弱者更弱”的局面。

第三種情況中：起初，生產(chǎn)者2的產(chǎn)品占市場主導(dǎo)地位；在第10步-30步之間，生產(chǎn)者2不斷地進行自主創(chuàng)新，在激烈的市場環(huán)境中不斷地銳意進取，創(chuàng)新產(chǎn)品一直占領(lǐng)市場，將產(chǎn)品所得利潤不斷反饋到自主研發(fā)投入，自主研發(fā)投入繼而又創(chuàng)新出新產(chǎn)品，不斷地實現(xiàn)正反饋；在第25步時，大型規(guī)模企業(yè)的生產(chǎn)者1意識到后起之秀小企業(yè)生產(chǎn)者2所帶來的“危機感”，憑借其雄厚的經(jīng)濟技術(shù)實力基礎(chǔ)進行企業(yè)改革技術(shù)創(chuàng)新，其所自主創(chuàng)新的產(chǎn)品贏得部分市場的認(rèn)可，繼而兩個生產(chǎn)者的產(chǎn)品瓜分市場，不分伯仲；在第50步時，面臨著市場多元化，生產(chǎn)者1和生產(chǎn)者2意識到單個企業(yè)已經(jīng)無法滿足當(dāng)前技術(shù)創(chuàng)新對多學(xué)科，多領(lǐng)域知識融合的需要，同時，產(chǎn)品生命周期的縮短和競爭的加劇也導(dǎo)致企業(yè)獨立自主創(chuàng)新的不確定性增加和成本加大，如果忽視合作創(chuàng)新，搞閉門造車式的自主創(chuàng)新，在時間和成本上都是不合算的，而雙方有不同的技術(shù)優(yōu)勢。兩者可以通過優(yōu)勢互補，共同研發(fā)、共擔(dān)成本和風(fēng)險，共享創(chuàng)新成果的一種創(chuàng)新模式。這期間，創(chuàng)新成本投入相對小，分享利潤相對減少，來實現(xiàn)共贏，攜手齊頭共進，“各領(lǐng)風(fēng)騷”局面。同時，無論是自主創(chuàng)新還是合作創(chuàng)新階段，隨著創(chuàng)新活動越多，種內(nèi)選擇AVF和環(huán)境選擇AVE也越波動劇烈。

四、 結(jié)論與展望

通過本文模擬仿真發(fā)現(xiàn)，技術(shù)創(chuàng)新演化過程是一個比較慢長的動態(tài)的復(fù)雜過程，企業(yè)對創(chuàng)新方式的選擇也是一個復(fù)雜的動態(tài)決策過程。不同規(guī)模企業(yè)在同一時期選擇技術(shù)創(chuàng)新的方式是不同的，有的選擇自主創(chuàng)新，有的選擇合作創(chuàng)新，并不是所有的企業(yè)現(xiàn)階段都能進行自主創(chuàng)新，也不是所有的企業(yè)都有進行合作創(chuàng)新的條件和基礎(chǔ)，不同場合下兩種創(chuàng)新方式會有不同的效果。自主創(chuàng)新是企業(yè)核心競爭力的源泉，尤其是中國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的關(guān)鍵；同時，合作創(chuàng)新是共贏發(fā)展之路。二者都是企業(yè)獲得先進技術(shù)，參與市場競爭的手段，可以相互替代，也可以相互補充，不同場合下兩種創(chuàng)新方式會有不同的效果，兩種技術(shù)創(chuàng)新模式和經(jīng)濟增長率組成的系統(tǒng)在長期構(gòu)成一個穩(wěn)定的過程，在長期內(nèi)產(chǎn)生積極的促進作用。未來，本文還需要從下面三個角度進行拓展：（1）把上游生產(chǎn)者作為第三類agent；（2）增加生產(chǎn)者個數(shù)，如此可以觀察仿真系統(tǒng)內(nèi)3個以上生產(chǎn)者如何進行合作創(chuàng)新，構(gòu)建更為復(fù)雜的創(chuàng)新交互系統(tǒng)。

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基金項目：國家社科基金重大項目（項目號：12&ZD026）。

作者簡介：羅守貴（1963-），男，漢族，河南省鄭州市人，上海交通大學(xué)安泰經(jīng)濟與管理學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，研究方向為區(qū)域創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展；王煒（1984-），女，漢族，浙江省杭州市人，上海交通大學(xué)安泰經(jīng)濟與管理學(xué)院博士生，研究方向為產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展與創(chuàng)新。

收稿日期：2015-06-27。