Mikrosimulation - Microsimulation

Die Mikrosimulation (aus der mikroanalytischen Simulation oder der mikroskopischen Simulation) ist eine Kategorie computergestützter Analysewerkzeuge, mit denen Aktivitäten wie der durch eine Kreuzung fließende Straßenverkehr , Finanztransaktionen oder Krankheitserreger , die Krankheiten in einer Bevölkerung verbreiten , sehr detailliert analysiert werden können . Mikrosimulation wird häufig verwendet, um die Auswirkungen vorgeschlagener Interventionen zu bewerten, bevor sie in der realen Welt implementiert werden. Beispielsweise könnte ein Verkehrsmikrosimulationsmodell verwendet werden, um die Wirksamkeit der Verlängerung einer Abbiegespur an einer Kreuzung zu bewerten und so zu entscheiden, ob es sich lohnt, Geld für die tatsächliche Verlängerung der Spur auszugeben.

Einführung

Die Mikrosimulation kann von anderen Arten der Computermodellierung unterschieden werden, wenn die Interaktion einzelner Einheiten wie Personen oder Fahrzeuge betrachtet wird . Jede Einheit wird als autonome Einheit behandelt, und die Interaktion der Einheiten kann je nach stochastischen (randomisierten) Parametern variieren . Diese Parameter sollen individuelle Vorlieben und Tendenzen darstellen. In einem Verkehrsmodell sind einige Fahrer beispielsweise vorsichtig und warten vor dem Abbiegen auf eine große Lücke, während andere aggressiv sind und kleine Lücken akzeptieren. In ähnlicher Weise können Personen in einem Modell der öffentlichen Gesundheit in ihrer Resistenz gegen ein Virus sowie in ihren persönlichen Gewohnheiten, die zur Ausbreitung des Virus beitragen, variieren (z. B. wie häufig / gründlich sie ihre Hände waschen).

Die International Microsimulation Association definiert Mikrosimulation als eine Modellierungstechnik, die auf der Ebene einzelner Einheiten wie Personen, Haushalte, Fahrzeuge oder Unternehmen arbeitet. Innerhalb des Modells wird jede Einheit durch einen Datensatz dargestellt, der eine eindeutige Kennung und eine Reihe zugehöriger Attribute enthält - z. B. eine Liste von Personen mit bekanntem Alter, Geschlecht, Familienstand und Beschäftigungsstatus; oder eine Liste von Fahrzeugen mit bekannten Ursprüngen, Zielen und Betriebsmerkmalen. Auf diese Einheiten wird dann eine Reihe von Regeln (Übergangswahrscheinlichkeiten) angewendet, die zu simulierten Änderungen von Zustand und Verhalten führen. Diese Regeln können deterministisch (Wahrscheinlichkeit = 1) sein, z. B. Änderungen der Steuerschuld aufgrund von Änderungen der Steuervorschriften, oder stochastisch (Wahrscheinlichkeit <= 1), z. B. Wahrscheinlichkeit, innerhalb eines bestimmten Zeitraums zu sterben, zu heiraten, zu gebären oder umzuziehen . In beiden Fällen ist das Ergebnis eine Schätzung der Ergebnisse der Anwendung dieser Regeln, möglicherweise über viele Zeitschritte hinweg, einschließlich der gesamten Gesamtveränderung und (wichtig) der Verteilung dieser Änderung auf die zu modellierende Bevölkerung oder den zu modellierenden Ort.

Ökonometrische Mikrosimulation

In der angewandten ökonometrischen Forschung wird die Mikrosimulation verwendet, um das Verhalten von Personen über die Zeit zu simulieren. Die Mikrosimulation kann entweder dynamisch oder statisch sein. Wenn es dynamisch ist, ändert sich das Verhalten von Menschen im Laufe der Zeit, während im statischen Fall ein konstantes Verhalten angenommen wird.

Es gibt verschiedene Mikrosimulationsmodelle für Steuern, Renten und andere Arten wirtschaftlicher und finanzieller Aktivitäten. Diese Modelle werden in der Regel von Regierungsbehörden oder Wissenschaftlern implementiert . Ein Beispiel ist Pensim2 (ein dynamisches Mikrosimulationsrentenmodell ), das das Renteneinkommen für die nächsten 50 Jahre im Vereinigten Königreich dynamisch simuliert . Euromod ist ein statisches Mikrosimulationsmodell für 15 EU- Staaten. Zu den nordamerikanischen Mikrosimulationsmodellen gehören das longitudinale, dynamische Mikrosimulationsmodell CORSIM sowie die Tochtermodelle DYNACAN (Kanada, Ende 1. Juni 2009) und POLISIM (USA). Das US-Gesundheitsministerium verwendet das statische Mikrosimulations-Transfereinkommensmodell (TRIM), um die möglichen Auswirkungen von Änderungen an Steuer-, Transfer- und Gesundheitsprogrammen zu verstehen. Ein verwandtes Beispiel für eine räumlich detaillierte Mikrosmulation der Stadtentwicklung ist PECAS .

Ökonometrische Mikrosimulationsmodelle können in zwei Typen eingeteilt werden:

• Geschlossene , longitudinale, dynamische Mikrosimulationsmodelle (wie DYNACAN und Pensim2) beginnen mit einer Anfangspopulation, die nur durch die simulierten Lebensereignisse der demografischen Module wie Fertilität, Mortalität und Migration verändert wird. Somit kann zu jedem Zeitpunkt während des Modelllaufs erwartet werden, dass die simulierte Population eine vollständig repräsentative (synthetische) Stichprobe der Population bleibt, die sie modelliert.
• Offene Modelle konzentrieren sich in der Regel auf bestimmte Schlüsselpersonen und generieren ihre Repräsentativität basierend auf der Population dieser Personen. In einer solchen Umgebung werden nach Bedarf neue Personen zur Bevölkerung hinzugefügt oder daraus entfernt, um eine "angemessene" Reihe von Lebensereignissen für die Schlüsselpersonen sicherzustellen.

Eines der deutlichsten Beispiele für diese Unterscheidung ist die Behandlung der Ehe innerhalb der beiden Modelltypen. Während offene Modelle einfach einen geeigneten Ehepartner für die Schlüsselperson generieren können, müssen geschlossene Modelle stattdessen bestimmen, welche Personen in ihrer Bevölkerung wahrscheinlich heiraten, und sie dann zusammenbringen.

Verkehrsmikrosimulation

Ansicht einer typischen Mikrosimulations-2D-Animation. Dargestellt ist ein Kreisverkehr in einem Land, in dem der Verkehr links fährt .

Die Mikrosimulation wird auch in der Verkehrsmodellierung verwendet und wird durch Softwarepakete wie TransModeler , PTV VISSIM , TSIS-CORSIM , Cube Dynasim, LISA + , Quadstone Paramics , SiAS Paramics , Simtraffic, Aimsun und MATSim charakterisiert . Analytische Modellierungssoftware wie LINSIG , TRANSYT , TRANSYT-7F oder SIDRA INTERSECTION stellen eine andere Klasse von Modellen dar, die auf mathematischen Algorithmen basieren, die Kombinationen von Verkehrsmodellelementen darstellen.

Verkehrsmikrosimulationsmodelle simulieren das Verhalten einzelner Fahrzeuge innerhalb eines vordefinierten Straßennetzes und werden verwendet, um die wahrscheinlichen Auswirkungen von Änderungen der Verkehrsmuster aufgrund von Änderungen des Verkehrsflusses oder von Änderungen der physischen Umgebung vorherzusagen.

Die Mikrosimulation hat ihre größte Stärke bei der Modellierung überlasteter Straßennetze, da sie Warteschlangenbedingungen simulieren kann. Mikrosimulationsmodelle liefern weiterhin Ergebnisse bei hohen Sättigungsgraden bis zum Punkt des absoluten Stillstands. Diese Fähigkeit macht diese Art von Modellen sehr nützlich Verkehrsoperationen in städtischen Gebieten und Stadtzentren, darunter zu analysieren Vertauschungen , Karussell , der nicht signalisiert und signalisierten Kreuzungen , Signal koordinierte Korridore und Netze. Die Mikrosimulation spiegelt auch relativ kleine Änderungen in der physischen Umgebung wider, wie z. B. die Verengung von Fahrspuren oder die Verlagerung von Kreuzungsstopplinien.

In den letzten Jahren hat die Mikrosimulationsmodellierung an Aufmerksamkeit gewonnen, da sie das vorhergesagte Verkehrsverhalten durch 3D-Animation visuell darstellen kann , sodass Laien wie Politiker und die breite Öffentlichkeit die Auswirkungen eines vorgeschlagenen Systems vollständig einschätzen können. Weitere Fortschritte werden in diesem Bereich durch die Zusammenführung von Mikrosimulationsmodelldaten mit 3D-Animation in Kinoqualität und mit virtueller Realität von Unternehmen wie FORUM8 in Japan erzielt .

Mikrosimulation für Fußgänger oder Menschenmengen

Die Mikrosimulation auf Fußgänger- oder Agentenbasis hat in den letzten Jahren in der Industrie an Verwendung und Akzeptanz zugenommen. Diese Systeme konzentrieren sich auf die Simulation einzelner Personen, die sich in Bezug auf analytische Maßnahmen wie Raumnutzung, Servicelevel, Dichte, Verpackung und Frustration durch einen Raumbereich bewegen.

Viele aktuellen Verkehrsmikrosoftwarepakete kombinieren Verkehrskomponenten und Fußgänger ein vollständigeres System zu schaffen , während viele Übergänge- Crowd Simulation Tools auch weiterhin für den Einsatz in großem Maßstab städtischen Raum - Design verfeinert werden.

Mikrosimulation in den Gesundheitswissenschaften

In den Gesundheitswissenschaften erzeugt die Mikrosimulation individuelle Lebensgeschichten. Die Technik wird verwendet, wenn die Modellierung der Proportionen (Makrosimulation) der Population vom Typ "Stock-and-Flow" das interessierende System nicht ausreichend beschreiben kann. Diese Art der Modellierung beinhaltet nicht notwendigerweise die Interaktion zwischen Individuen (wie oben beschrieben) und kann in diesem Fall Individuen unabhängig voneinander erzeugen und kann leicht mit kontinuierlicher Zeit anstelle von diskreten Zeitschritten arbeiten.

Im CISNET-Programm des US National Cancer Institute ( http://cisnet.cancer.gov/ ) wurden mehrere Beispiele für Mikrosimulationsmodelle in den Gesundheitswissenschaften zusammengefasst . In Kanada ist das Bevölkerungsgesundheitsmodell (POHEM) eine gängige Plattform, die mehrere chronische Krankheiten untersucht, darunter Diabetes, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Arthritis.

Räumliche Mikrosimulation

Wirtschaftliche und gesundheitliche Ansätze zur Mikrosimulation bieten Einblicke in die Auswirkungen von Änderungen der ökologischen, wirtschaftlichen oder politischen Bedingungen auf eine bestimmte Population von Personen. Die Auswirkungen vieler Änderungen sind jedoch kontextabhängig, was bedeutet, dass dieselbe Änderung (z. B. in den Einkommenssteuerbändern) in einigen Regionen wünschenswerte Auswirkungen haben kann, in anderen jedoch unerwünschte Auswirkungen. Dieses Verständnis liegt den räumlichen Ansätzen zur Mikrosimulation zugrunde. Der Begriff räumliche Mikrosimulation bezieht sich auf eine Reihe von Techniken, mit denen die Eigenschaften von Personen, die in einem bestimmten Gebiet leben, basierend auf einer Reihe von Beschränkungsvariablen , die über das Gebiet bekannt sind , angenähert werden können . Wie bei der ökonometrischen Mikrosimulation kann die räumliche Mikrosimulation entweder dynamisch oder statisch sein und wechselwirkende oder passive Einheiten umfassen.

Guy Orcutt wird häufig als Urheber der räumlichen Mikrosimulation genannt. Die räumliche Mikrosimulation stellt hohe Anforderungen an Rechenleistung und Daten, und ein gewisses Maß an Computerprogrammierung ist eine Voraussetzung für die Einrichtung von Modellen. Aus diesen Gründen ist die Technik nicht weit verbreitet. Eine Reihe von Faktoren hat jedoch zu einem raschen Anstieg der Anzahl von Veröffentlichungen zur räumlichen Mikrosimulation innerhalb der akademischen Geographie und verwandter Disziplinen geführt. Diese schließen ein:

• Die Verfügbarkeit und die niedrigen Kosten leistungsfähiger PCs .
• Das Aufkommen benutzerfreundlicher und kostengünstiger Computersoftware, mit der Mikrosimulationsmodelle erstellt werden können. Beispiele sind R , Java und Python , die jeweils als freie und Open-Source-Software klassifiziert werden können .
• Verbesserung der Datenerfassungsaktivitäten von Regierungen, Unternehmen und gemeinnützigen Organisationen.
• Verbesserung der Datenzugänglichkeit.

Programmiersprachen und Plattformen

Neben themenspezifischen Programmen gibt es allgemeine Programmiersprachen (siehe Verkehrssimulation). Beispiele sind JAS-mine, LIAM2, MODGEN und OpenM ++.

Siehe auch

• Verkehrsfluss
• Dynamisches Mikrosimulationsrentenmodell

Weiterführende Literatur

• FC Moscarola, U. Colombino, F. Figari & M. Locatelli (2014). Verlagerung der Steuern von Arbeit zu Eigentum. Eine Simulation im Arbeitsmarktgleichgewicht . IZA Discussion Papers 8832, Institut für Arbeitsforschung (IZA).

Verweise