Understanding Climate Policy Using Participatory Agent-Based Social Simulation

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1 Seminar Multi Agent Based Simulation Understanding Climate Policy Using Participatory Agent-Based Social Simulation nach Thomas E. Downing, Scott Moss, Claudia Pahl-Wostl Vortrag am von Tobias Nold

2 Gliederung 1. Klimaveränderung & sozialwissenschaftliche Simulation 2. Vergleich unterschiedlicher Bewertungsansätze 3. Modellierung und Simulation des Wasserhaushalts der Themse-Region 4. Bewertung der Simulationsstudie nach Edmonds Kriterien 5. Abschließende Beurteilung

3 1. Klimaveränderung & sozialwissenschaftliche Simulation Klimaveränderung ist ein langfristiger Prozeß, dessen besondere Problematik im Zusammenspiel von natürlicher Umgebung und sozial-ökonomischen Einflüssen durch Menschen liegt. Die komplexen Vorgänge und Einflußgrößen sind nur ansatzweise bekannt, von deren Zusammenwirken ganz zu schweigen. Klimaveränderung wird durch das Verhalten sozialer Systeme verursacht. Naturwissenschaftliche Ansätze wie Experimente und vorhersagende Modelle sind nicht anwendbar. Soziale Systeme können politisch gesteuert werden. Politiker erhalten jedoch aufgrund von Meßfehlern und Zweideutigkeiten oft nur unzuverlässige Informationen. Notwendigkeit einer sozialwissenschaftlichen Simulation

4 2. Vergleich unterschiedlicher Bewertungsansätze Downing, Moss und Pahl-Wostl nennen eigene Kriterien, speziell für klimatische Probleme. Im Gegensatz zu Edmonds unterscheiden diese Autoren jedoch in ihren Kriterien nicht zwischen Abstraktion und Entwurf und die Kriterien Auswertung, Interpretation und Anwendung werden nicht aufgegriffen. Es wird zusätzlich ein wichtiger Begriff definiert, nämlich integrierte Beurteilung. Integrierte Beurteilung ist ein strukturierter Prozeß zum Umgang mit komplexen Fragestellungen unter der Nutzung verschiedener wissenschaftlicher Disziplinen und/oder unabhängigen Personen um Entscheidern integrierte Einsichten zu gewähren [Down, S. 199]. Weiterhin werden Gründe genannt, warum integrierte Beurteilung im Normalfall nur mit multi-agentenbasierter Simulation möglich ist.

5 2. Vergleich unterschiedlicher Bewertungsansätze Entwurf und Festlegung des Modells Edmonds: Darstellung der für die Modellbildung zu berücksichtigenden Aspekte des Zielsystems ist notwendig. Modell soll ein Spiegelbild der Realität sein, keine Vernachlässigung wichtiger Aspekte. Downing, Moss und Pahl-Wostl greifen diese Gedanken auf: Berücksichtigung vieler natur- und sozialwissenschaftliche Disziplinen. Lokale klimatische Unterschiede müssen beachtet werden (Aufteilung der Erde in 12 Regionen wird als ausreichend empfohlen). Unterschiedliche Zeiträume (Minuten bis Jahrhunderte), Darstellung der Zukunft als Entscheidungsbaum, Berücksichtigung technischer und sozialer Veränderungen.

6 2. Vergleich unterschiedlicher Bewertungsansätze Ergebnisse der Simulation Edmonds: Ergebnisse sollen korrekte Folgerungen sein. Beschreibung, in welchem Umfang die Simulationsergebnisse das Ergebnis von Spezifikation und Entwurf sind. Klarer Simulationsablauf, sichtbarer Indeterminismus, repräsentative Ergebnisse. Downing, Moss und Pahl-Wostl verlangen: Nachvollziehbare Ergebnisse, Möglichkeit der Überprüfung. Konsistenz der Ergebnisse zu anderen Wissenschaften, insbesondere zu Psychologie, Wirtschafts-, Sozial- und Naturwissenschaften. Konsistenz ist im Falle einer multi-agenten-basierten Simulation durch Integration dieser verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen gegeben.

7 3. Modellierung und Simulation des Wasserhaushalts der Themse-Region Ein FIRMA-Projekt zur Simulation des Wasserhaushalts der Themse-Region unter Einbeziehung politischer Maßnahmen zur Nachfragesteuerung. Das Simulationsmodell enthält: ein hydrologisches Modell zur Darstellung der Auswirkungen von Niederschlag und Temperatur auf die vorhandene Wassermenge ein Modell zur Simulation der Wassernachfrage in Trockenzeiten. Integrierte Bewertung natürlicher und sozialer Faktoren. Ein Teil der politischen Fragestellung ist die Wirksamkeit der Aufrufe zum besonders sparsamen Umgang mit Wasser während der Trockenzeiten. Das Modell konzentriert sich daher insbesondere auf soziale Prozesse und Interaktionen.

8 3. Modellierung und Simulation des Wasserhaushalts der Themse-Region Hintergrund Privatisierung der Wasserversorger Anfang der 90er Jahre: Aus Kostengründen keine Reparaturen, aber Manager mit hohen Gehältern. Berichte darüber in Trockenphasen Manager gelten als Problemverursacher Aufrufe zur Sparsamkeit wurden wirkungslos Wichtige Aspekte für die Wirksamkeit der Aufrufe sind daher: das Ansehen der Wasserversorger und deren Manager das Ansehen der staatlichen Umweltmanager und der Politiker kulturelle Fragen

9 3. Modellierung und Simulation des Wasserhaushalts der Themse-Region Beteiligte Agenten: thamesworld: enthält sämtliche beteiligte Komponenten thamesground: das hydrologische Modell firmamodel: das eigentliche hier betrachtete Modell policyagent: Öffentliche Verwaltung thamesworld thamesground year month firmamodel citoyen-1 citoyen-2 citoyen-3 citoyen-4 [Moss, S. 8] policyagent citoyen-97 citoyen-98 citoyen-99 citoyen-100 citoyen citoyenmeta citoyen-1,, citoyen-100: die Haushalte citoyenmeta: Festlegung der Regeln für den Wassergebrauch seines citoyens

10 3. Modellierung und Simulation des Wasserhaushalts der Themse-Region Arbeitsweise des Modells Beschreibung der Auswirkung der sozialen Faktoren auf den Wasserhaushalt. Die Einbeziehung dieser Faktoren ist nicht unbedingt notwendig und auch nicht ausreichend, da kulturelle und politische Faktoren dominieren. Beschreibung eines simplen und von anderen Wissenschaften unabhängig gültigen Mechanismus, basierend auf dem sozialpsychologischen Konsistenzprinzip. Unterschiedlich beeinflußte Haushaltagenten in einer von Neumann-Neighbourhood mit maximal vier Nachbarn. Zufällige Festlegung der Stärke der Beeinflussung durch öffentliche Verwaltung, Nachbarn und eigene Meinung. Simulation der Verbreitung und Nutzung von Informationen.

11 3. Modellierung und Simulation des Wasserhaushalts der Themse-Region Regel für den Wasserverbrauch temperature = {warm, cold}, wird durch Zufall bestimmt dryness = {wet, dry}, dry genau dann, wenn das Grundwasser seit zwei Monaten weniger als 85 % des Maximalwertes beträgt Die Regel hat die Form if (environmentalstate [warm dry]) then (activityfrequencyconsumption?activity?freq?cons)

12 3. Modellierung und Simulation des Wasserhaushalts der Themse-Region Ergebnisse (1) Darstellung der wirkungsvollen Steuerung des Wasserverbrauchs durch die Kombination von überwiegend durch staatliche Stellen gelenkte und hauptsächlich durch Nachbarn beeinflußte Agenten. Bei Aufruf zum sparsamen Umgang durch staatliche Stellen verringerte sich der Verbrauch. Nach Ende der Trockenzeit erfolgte ein sofortiger Anstieg.

13 3. Modellierung und Simulation des Wasserhaushalts der Themse-Region Ergebnisse (2) Trockenheit & Wasserverbrauch Consumption 3000 Consumption dryness duration duration elapsed months 0 [Moss, S. 16]

14 3. Modellierung und Simulation des Wasserhaushalts der Themse-Region Modell und Realität (1) Politiker und unparteiische Personen stellten Unterschiede fest; nach dem Ende einer Trockenphase steigt in der Realität der Verbrauch langsamer an. Anpassung des Modells Veränderung des Modells bietet die Möglichkeit der Berücksichtigung technischer Entwicklungen.

15 3. Modellierung und Simulation des Wasserhaushalts der Themse-Region Modell und Realität (2) Ein Vergleich der Simulation mit realen Werten simulated consumption policy indicated consumption 1000 [Moss, S. 20] 0 Jul-89 Sep-89 Nov-89 Jan-90 Mar-90 May-90 Jul-90 Sep-90 Nov-90 Jan-91 Mar-91 May-91 Jul-91 Sep-91 Nov-91 Jan-92 Mar-92 May-92

16 4. Bewertung der Simulationsstudie nach Edmonds Kriterien 1. Abstraktion: Ist die Abstraktion spezifiziert? Es wird dargestellt, welche Aspekte des Zielsystems von der Abstraktion berücksichtigt werden und worauf die Simulation beruht. Wassermodell, verschiedene Einflußgrößen, sozialpsychologisches Konsistenzprinzip, soziale Prozesse. Die Abstraktion ist anwendbar und sie entspricht meiner Meinung nach in genügendem Maße dem Zielsystem. Einzige Vereinfachung ist fehlender Einfluß durch Menschen, die weder Nachbar noch Behörde sind, Berücksichtigung von Konsumunterschieden der Individuen. Die Abstraktion ist spezifiziert.

17 4. Bewertung der Simulationsstudie nach Edmonds Kriterien 2. Entwurf: Wird deutlich, in welchem Bezug der Entwurf zur Abstraktion steht? (1) Es ist klar sichtbar, welche Teile der Spezifikation von der Abstraktion stammen und welche Einzelheiten die Implementation erforderte. Entwurf enthält zusätzlich zur Spezifikation der Abstraktion die CitoyenMetas, Darstellung der Nachbarschaft als von Neumann-Neighbourhood mit maximal vier Nachbarn. Die Äquivalenz von Abstraktion und Entwurf kann überprüft werden, ob die Implementation die Vorgaben des Entwurfs berücksichtigt, wird nicht gesagt, kann aber ebenfalls überprüft werden. Simulationsergebnisse können nachvollzogen werden, sind transparent.

18 4. Bewertung der Simulationsstudie nach Edmonds Kriterien 2. Entwurf: Wird deutlich, in welchem Bezug der Entwurf zur Abstraktion steht? (2) Keine Aussagen über kritische Fehler in der Simulation, diese ist vermutlich unabhängig von der Verwendung einer bestimmten Programmiersprache. Realisierung erfolgte in SDML, Programmierung in Mimose lieferte ähnliche Ergebnisse. O Die Bezüge sind teilweise dargestellt.

19 4. Bewertung der Simulationsstudie nach Edmonds Kriterien 3. Simulation: Sind die Simulationsergebnisse fehlerfrei? (1) Es ist unbekannt, ob die beschriebenen Simulationsergebnisse zwangsläufig das Ergebnis von Modellspezifikation und Entwurf sind. Die zugrundeliegenden Simulationsprozesse sind klar spezifiziert und beschrieben. Hydrologisches und soziologisches Modell sowie deren Zusammenhänge sind klar dargestellt. Meiner Meinung nach sind die beschriebenen Ergebnisse stellvertretend für alle möglichen Ergebnisse. Aufgrund der Spezifikation des Modells sind nur wenige verschiedene Ergebnisse möglich.

20 4. Bewertung der Simulationsstudie nach Edmonds Kriterien 3. Simulation: Sind die Simulationsergebnisse fehlerfrei? (2) Die Simulationsergebnisse hängen nicht auf kritische Weise von bestimmten Parametern ab. Die einzigen echten Parameter Wärme und Feuchte beeinflussen das Ergebnis, aber nicht kritisch. Stochastische Komponenten wirken sich aufgrund vieler Haushaltagenten nur als Gesamtheit vieler Komponenten aus. Klare Aussagen über die Verwendung indeterministischer Komponenten. Die Anzahl der Nachbarn sowie die Einflußgrößen auf die Haushaltagenten sind stochastisch. Die Simulationsergebnisse sind fehlerfrei.

21 4. Bewertung der Simulationsstudie nach Edmonds Kriterien 4. Analyse: Werden die Ergebnisse klar dargelegt? Die Darlegung der Ergebnisse ist durch Aussagen, welche Simulationsergebnisse betrachtet werden, begründet. Wasserverbrauch zu unterschiedlichen Zeiten ist das Ergebnis. Die Deutung der Ergebnisse ist Ebenbild der Beschreibung. Widerspiegelung der Modellbeschreibung. Zur Untersuchung der Ergebnisse wird keine spezielle Methode benötigt, es genügt eine Betrachtung der Werte. Die Darstellung der Analyse ist klar.

22 4. Bewertung der Simulationsstudie nach Edmonds Kriterien 5. Interpretation: Ist die Interpretation gerechtfertigt und anwendbar? Die Ergebnisse der Analyse rechtfertigen die Schlußfolgerungen. Schlußfolgerungen: Anpassung des Modells an die Realität notwendig, nur ein großer Schritt in Richtung eines plausiblen Wasserverbrauchsmodells. Die Interpretation erfolgte in einem ähnlichen Umfeld wie die Spezifikation des Modells. Spezifikation mit Hilfe vieler wissenschaftlicher Disziplinen, Interpretation mit Hilfe unparteiischer Personen. Die Interpretation ist gerechtfertigt und anwendbar.

23 4. Bewertung der Simulationsstudie nach Edmonds Kriterien 6. Anwendung: Sind die Schlußfolgerungen bei Betrachtung des Zielsystems gerechtfertigt? Die Schlußfolgerungen sind durch die Beweiskraft der übrigen Modellierungsschritte gerechtfertigt. Alle anderen Modellierungsschritte wurden ausreichend positiv beurteilt. Der Grad der Übereinstimmung von Modell und Zielsystem rechtfertigt die Beweiskraft der Schlußfolgerungen. Nur wage Schlußfolgerungen vorhanden, nichts konkretes. Die Schlußfolgerungen sind gerechtfertigt.

24 5. Abschließende Beurteilung Ein einfaches und plausibles Wassermodell, basierend auf menschlichem Verhalten. Edmonds Kriterien wurden größtenteils erfüllt. Einfache Anpassung an neue Entwicklungen und Erkenntnisse ist möglich. Bei Bedarf kann eine beliebige Verfeinerung oder Vergröberung des Modells erfolgen. Prototypischer Charakter, aber sehr hohes Potential!

25 Literaturverzeichnis [Down] Thomas E. Downing, Scott Moss, Claudia Pahl-Wostl: Understanding Climate Policy Using Participatory Agent-Based Social Simulation. In: Scott Moss, Paul Davidsson (Eds.): Multi-Agent-Based Simulation, Seiten 198 bis 213. Berlin und andere: Springer-Verlag, [Edmo] Bruce Edmonds: The Use of Models Making MABS More Informative. In: Scott Moss, Paul Davidsson (Eds.): Multi-Agent-Based Simulation, Seiten 15 bis 32. Berlin und andere: Springer-Verlag, [Moss] Scott Moss, Thomas E. Downing, Juliette Rouchier: Demonstrating the Role of Stakeholder Participation: An Agent Based Social Simulation Model of Water Demand Policy and Response, Manchester, Oxford.