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2025.12.15至2025.12.21
标题:A Proportional-Integral-Derivative Inspired Model for Opinion Dynamics in a Trust Relationship Network
期刊:IEEE TRANSACTIONS ON SYSTEMS, MAN, AND CYBERNETICS: SYSTEMS, VOL. 54, NO. 5, MAY 2024.
作者:Chunli Ji , Yuehua Dai , Xiwen Lu , and Wenjun Zhang
分享人:河海大学——杨梵
01
研究背景
观点动力学是关于群体中的成员如何在群体交互环境中演化他们的意见并形成群体决策的一门学问。在信息时代的今天,OD重新引起了人们对群体决策的兴趣,因为群体交互是激烈且不确定的。其在金融市场、政策设计、推荐系统等多个领域应用广泛,精准的观点演化模型是提升这些领域决策科学性的基础。
然而现有观点动力学(OD)模型未充分考虑观点隐含信息和多维度变化特征的问题,以提升群体决策中观点收敛的准确性和效率。经典的模型仅关注当前观点状态,未整合过去累积表现、当前表现和未来趋势的多维度信息,导致观点收敛效率较低。而这种缺乏基于网络结构的明确收敛条件,难以保障模型在信任关系网络中的一致性和稳定性。
02
关键技术
1. 网络结构与收敛性的关联分析
对于一个在固定关系网络(如有向图、无向图图)上演化的动态系统(如观点更新、状态同步),其最终能否达成全局一致(共识),不依赖于动态演化的具体规则,而是由网络结构中是否存在全局可达节点这一关键属性决定。
2. PID控制器的社会学概念迁移
将一个智能体的状态更新,建模为由三部分驱动力的加权和:
P(比例)-当前状况:基于当前时刻自身状态与邻居/环境状态的差异进行调整。这反映了对即时情况的反应。
I(积分)-历史累积:基于过去一段时间状态调整的“效率”或“成果”进行调整。如果过去的调整被证明是有效的(如快速向目标靠拢),个体就更倾向于继续调整。这反映了“历史经验”的学习。
D(微分)-未来趋势:基于状态变化的趋势或加速度进行调整。如果发现当前的变化趋势正在使自己远离目标,则会提前进行“刹车”或反向修正。这反映了对“未来预期”的预判。
03
算法介绍
1. 系统模型
考虑一个由m位专家组成的专家小组,记为{ E_1,..,E_m },涉及一个具体问题.专家的意见表示为从0到1的连续标量,其中1表示极端积极的意见,0表示极端消极的意见。
图1 以6位专家组成的信任关系网络
专家被要求提供他们的初始意见,他们的自我置信度,以及他们在专家之间的社会关系。令x_i ( t )为专家E_i在t时刻的意见,其中t ( t∈N , N是非负整数集合)表示第t轮意见交互。设t_ii为专家Ei对自己初始观点的自信度,t_ij(j≠i)为专家Ei对专家Ej的相对信任度。较低的tij意味着Ej对Ei的影响较小。特别地,t_ij = 0表示没有影响。在这个意义上构建了基于专家自信心和相对信任度的信任关系矩阵T = ( t_ij ) _(m×m)。
根据专家之间的相对信任关系,构建一个有向图G( V、E)来刻画信任关系网络,其中节点集V = { E_1,..,E_m }表示m位专家,边集E = { ( E_i,E_j) | t_ij > 0 }表示专家之间的信任关系。边( E_i,E_j)∈E表示专家E_i受到专家E_j的影响,与弧( E_i、E_j)相关的权重由t_ij决定。(E_i , E_i)回路由专家E_i指向自己,与( E_i , E_i)回路相关联的权重t_ii表示专家E_i对自己意见的自信程度。图1是一个由6位专家组成的信任关系网络的例子。基于信任关系网络,确定有向图G(V、E)的邻接矩阵A = ( a_ij ) m × m如下:
基于支持度的信任关系网络OD模型由两个步骤组成。第一步是确定每个专家的邻域,考虑每个成员的邻域是由信任关系网络决定的,即:
第二步是根据收集到的信息对每个专家的观点演化过程进行建模。因为每个成员都是一个决策者,他们的邻居成员的意见就是要聚合的意见。
专家E_i的确信程度由他/她对当前观点的自信程度和邻居的支持程度决定。具有ε_i -相似意见的专家E_i在t时刻的邻居集定义为:
E_i在时刻t的ε_i -支持度γ_i( t ,ε_i)定义为E_i的具有ε_i -相似意见的邻居数与邻域总数的比值,即:
结合这两方面的影响,可以引入专家E_i在t时刻对其当前观点的确定度w_ii(t ,ε_i),作为自信度t_ii和ε_i -支持度γ_i(t,ε_i)的线性组合。需要指出的是,E_i邻域的基数会影响权重对ε_i -支持度的分配。如果专家E_i的邻域为空,则E_i不会考虑他人的意见。当|N(E_i ) |变大时,E_i更加关注支持度。因此,与γ_i(t,ε_i)相关的权重会被分配得更多,但仍在一个限制之下。假设当|N(E_i) |大于常数b时,γ_i(t,ε_i)的权重是一个截断值c∈( 0、1 ),否则,权重与|N(E_i)|线性相关。通过引入一个权重分配函数waf ( x )来确定ε_i -支持度的权重,它是从R到R的一个映射,满足:1 )当0≤x≤b时,waf ( x ) = ( cx / b );2 )当x > b时,waf ( x ) = c .对于专家E_i,分配给ε_i-支持度的权重定义为:
因此,专家E_i在t时刻的确信度w_ii(t,ε_i)被建模如下,表示与专家E_i当前意见相关的权重,即:
图2给出了专家E_i对其当前观点的确定程度的自信度t_ii和ε_i -支持度的关系。
图2 基于信任关系的OD模型权重wii(t,ε_i)的确定原则
2. 基于支持度模型的收敛性分析
用有向图 G (V,E) 描述信任网络后,邻接矩阵A的元素 a_ij 设定为 “1”(当 t_ij>0,即 E_i 信任 E_j)或 “0”(无信任关系),明确观点传播的拓扑结构;
这是收敛性分析的核心载体 —— 根据支撑式模型的观点更新规则(结合信任度与 ε- 支持度),演化矩阵的元素w^~_ij(t,εi)对应 “E_i 在t时刻受E_j观点影响的权重”:当j=i时,权重为E_i对自身观点的确定性程度w_ii (t, ε_i);当j是E_i的邻居时,权重为(1-w_ii (t, ε_i))×归一化后的邻居参考权重w_ij (t, ε_i);其余情况为 0。
演化矩阵W~(t,ε)是 “随机矩阵”(每行元素和为 1),这意味着观点更新本质是 “加权平均”,也就是随机矩阵的特性决定了其乘积的稳定性。然后研究通过三个引理逐步拆解演化矩阵的行为规律,为最终收敛定理做铺垫:
引理 1:演化矩阵与邻接矩阵的“结构绑定”
证明演化矩阵W~(t,ε)的“非零元素位置”始终与邻接矩阵A+单位矩阵I一致(I 对应成员对自身的信任)。即无论观点怎么更新,“谁能影响谁”的拓扑关系不会变—— 这保证了观点传播的路径稳定性,不会出现无中生有的影响关系。
引理 2:演化矩阵乘积的 “结构不变性”
定义演化矩阵乘积Uε(r,k)=W~(r+k−1,ε)×…×W~(r,ε)(即r到r+k-1时刻的演化矩阵连乘),证明其非零元素位置与“邻接矩阵A+I的k次幂”一致。这说明随着时间推移,观点影响的传递路径只会按网络结构延伸,不会混乱。
引理 3:演化矩阵的 “有限状态性”
由于ε-支持度γ_i(t,ε_i)的取值由“相似观点邻居数/总邻居数”决定(邻居数有限),演化矩阵W~(t,ε)的可能状态数量是有限的——不会出现无限多的变化模式,这为后续 “极限存在”的证明提供了关键依据。
因此本文得出结论:当信任网络中存在“非空全局可达节点集(GRS)”时,支撑式模型下的群体观点必然收敛到共识。
这里的“全局可达节点集(GRS)”是关键——指网络中存在至少一个节点(比如群体中的核心决策者),所有其他节点都能通过有向信任路径连接到它。简单说,只要群体中有 “信息枢纽”,能让所有人的观点最终传递到这个枢纽并受其影响,观点就不会发散。
最终的共识观点是“所有成员初始观点的凸组合”(加权平均),且全局可达节点对应的权重更大——这符合现实逻辑:核心节点的观点对最终共识的影响更显著。
04
实验结果分析
1. 实验设置
实验数据是关于美国西海岸的一个制造组织中的咨询网络。组织2个管理者组成,即{ E_1,E_2,..,E_21 },有向建议网络表示谁向谁寻求建议。用一个有向图G( V,E)来表示建议网络,其中21个节点是21个管理者,弧(E_i,E_j)表示管理者E_i向管理者E_j提出建议。图3描绘了直接建议网络。
图3 21位管理者之间的咨询网络
表1列出了网络的邻接矩阵A = ( a_ij )_( 21×21),其中a_ij = 1表示管理者E_i向管理者E_j征询意见。管理者E_i ( i = 1,2 , ... , 21)的邻域为N ( E_i ) = { E_j | a_ij = 1,j = i }。
管理者需要提供他们的初始意见和他们对邻居的相对信任度。通过去模糊化和归一化处理[ 0、1 ]中的变量, 可以捕获他们OD的关键特征,并最大限度地保存隐式和显式信息。在本文的模拟中,从均匀分布在[0,1]的区间上随机生成21位管理者的初始意见向量:
2. 实验结果
在图4中可以看出,随着阈值ε的减小,收敛速度增加。子图( a )至( d )显示,21位管理者的意见是逐渐稳定的。假设21位管理者在最大观点与最小观点之间的距离小于0时达成软共识。01,即| X_max ( t ) –X_min ( t ) | < 0.01时,可以发现管理者小组分别在t = 25,24,20,17时达成共识,这意味着较低的阈值ε反映了对相似意见更严格的要求,加快了邻域内意见的交互和融合,加快了收敛速度。
图4 21位管理者的OD过程采用信任关系网络中的支持型模型
图5描述了第四节中基于PID启发模型的21位管理者的观点演化过程。类似地,子图( a )到( d )代表四种情况,ε= 1.0,0.5,0.2;0.1。结果还表明,经理人小组最终会以不同的收敛速度达成共识。此外,从子图( a )到( d )可以看出,21位管理者的意见分别在t = 11,10,9,8时达到了软一致,这表明较低的阈值ε显示出较高的收敛速度。
图5 基于PID的信任关系网络上21位管理者的OD过程
图6展示了21位管理者基于SNHK模型的观点演化过程,其中子图( a )至( d )分别代表四种情况,ε= 1.0,0 . 5,0 .2,0.1。可以看出,当ε= 1和ε= 0.5时,经理人小组最终达成共识,但当ε= 0.2和ε= 0.1时,管理者小组无法达成共识。将图6与图5和图4进行对比,可以看到基于支持度的模型和PID启发的模型可以增强群体共识,即使所有的管理者对他们的邻居成员几乎没有信心。
图6 基于SN - HK模型的21位管理者的OD过程
05
总结
本文聚焦信任关系网络中的观点动力学(OD)研究,针对传统模型信息维度单一、收敛效率低的问题,提出支撑式观点模型与 PID 启发式观点模型:前者整合 “显性信任信息”与“隐性观点差异信息”,定义了ε- 支持度量化观点相似性,并明确 “信任网络存在非空全局可达节点集(GRS)”这一收敛条件;后者受 PID 控制理论启发,进一步融合“当前观点表现(比例项)、历史调整效率(积分项)、未来演化趋势(微分项)” 的多时序信息,更贴合人类决策逻辑。
END
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