Agent-based modeling of past societes and their social organization

Abstract

Some of the most interesting questions one can ask about early societies are about people and their relations, and the nature and scale of their organization. In this thesis, we attempt to answer such questions using ideas mainly from multi-agent systems, game-theory, and agent-based modeling (ABM). Specifically, we provide a generic ABM system, AncientS-ABM, for simulating and evaluating the potential social organization of an artificial ancient society, configured by available archaeological data. Unlike most existing agent-based models used in archaeology, our ABM framework includes completely autonomous, utility-based agents. It also incorporates different social organization paradigms, different decision-making processes, and also different cultivation technologies used in ancient societies. Equipped with such paradigms, the model allows us to explore the transition from a simple to a more complex society by focusing on the historical social dynamics; and to assess the influence of social organization on agents' population growth, agent community numbers, sizes and distribution. Our ABM also blends, for the first time, ideas from evolutionary game theory with multi-agent systems' self-organization. We model the evolution of social behaviours in a population of strategically interacting agents in repeated games where they exchange resources (utility) with others. The results of the games contribute to both the continuous re-organization of the social structure, and the progressive adoption of the most successful agent strategies. Agent population is not fixed, but fluctuates over time, while agents in stage games also receive non-static payoffs, in contrast to most games studied in the literature. To tackle this, we present a novel formulation of the evolutionary dynamics via assessing agents' rather than strategies' fitness. In addition, AncientS-ABM is able to also simulate societies inter-community interactions, by modeling the exchange and distribution across agent communities. In particular, we incorporate a trading sub-model by employing different spatial interaction models for simulating trade across agent settlements, in order to explore the resulting trading network’s efficiency and its evolution at different points in time. We further utilize ideas from graph theory to analyze the trading network's structure, seeking to provide insights on the artificial society's organization on a higher level. Finally, we also extend our ABM by incorporating a natural disaster sub-model. As a case study, we employ our ABM to evaluate the impact of the implemented social organization paradigms on an artificial Early Bronze Age "Minoan" society, located at different geographical parts of the island of Crete, Greece. Model parameter choices are based on archaeological evidence and studies, but are not biased towards any specific assumption. Results over a number of different simulation scenarios demonstrate better sustainability for settlements consisting of and adopting a socio-economic organization model based on self-organization, where a "heterarchical" social structure emerges. Results also demonstrate that successful agent societies adopt an evolutionary approach where cooperation is an emergent strategic behaviour. In simulation scenarios where the natural disaster module was enabled, we observe noticeable changes in the settlements' distribution, relating to significantly higher migration rates immediately after the modeled Theran eruption. In addition, the initially cooperative behaviour is transformed to a non-cooperative one, thus providing support for archaeological theories suggesting that the volcanic eruption led to a clear breakdown of the Minoan socio-economic system. Moreover, we observe that modeling a trading network that favours settlements' importance rather than distance between settlement locations, can produce settlement patterns similar to the one that exist in archaeological record. The existence of some important resource-distribution centers, with possibly a strong hierarchy during the Early and Middle Minoan period, as well as significant resource-aggregation centers during the Late Minoan period, also arise as plausible possibilities via our agent-based model.

Μερικά από τα πιο ενδιαφέροντα ερωτήματα σχετικά με τις πρώτες ανθρώπινες κοινωνίες, αφορούν την φύση και τον τρόπο οργάνωσής τους, καθώς και τις σχέσεις μεταξύ των μελών τους. Σε αυτή τη διατριβή, προσπαθήσαμε να απαντήσουμε σε τέτοια ερωτήματα χρησιμοποιώντας ιδέες προερχόμενες κυρίως από τρεις επιστημονικούς κλάδους: τα πολυπρακτορικά συστήματα, την θεωρία παιγνίων, και την μοντελοποίηση και προσομοίωση βασισμένη σε πράκτορες (Agent-Based Modeling, ΑΒΜ). Συγκεκριμένα, αναπτύξαμε ένα σύστημα (πολυ)πρακτορο-κεντρικής μοντελοποί-ησης, το AncientS-ABM, για την προσομοίωση και την αξιολόγηση της δυνητικής κοινωνικής οργάνωσης μιας (τεχνητής) αρχαίας κοινωνίας, το οποίο μπορεί να παραμετροποιηθεί από διαθέσιμα αρχαιολογικά δεδομένα. Σε αντίθεση με τα περισσότερα υπάρχοντα μοντέλα βασισμένα σε πράκτορες που χρησιμοποιούνται στην αρχαιολογία, το πρακτορο-κεντρικό σύστημά μας περιλαμβάνει πλήρως αυτόνομους πράκτορες, που είναι βασισμένοι στην αρχιτεκτονική πρακτόρων με βάση τη χρησιμότητα. Επίσης ενσωματώνει διαφορετικά παραδείγματα κοινωνικής οργάνωσης, διαφορετικές διαδικασίες λήψης αποφάσεων, καθώς και διαφορετικές γεωργικές τεχνολογίες (πρακτικές) που πιθανότατα χρησιμοποιούνταν στις αρχαίες κοινωνίες. Εφοδιασμένο με τέτοια παραδείγματα, το μοντέλο μας επιτρέπει να διερευνήσουμε τη μετάβαση από μια απλή σε μια πιο περίπλοκη κοινωνία εστιάζοντας στην ιστορική κοινωνική δυναμική· στοχεύοντας στην εκτίμηση της επίδρασης της κοινωνικής οργάνωσης στην ανάπτυξη του πληθυσμού των πρακτόρων, του αριθμού των κοινοτήτων-οικισμών, αλλά και του μεγέθους και της κατανομής αυτών των κοινοτήτων. Επίσης, το μοντέλο μας συνδυάζει, για πρώτη φορά, ιδέες από την εξελικτική θεωρία παιγνίων μαζί με αυτή της αυτο-οργάνωσης πολυ-πρακτορικών συστημάτων. Μοντελοποιούμε την εξέλιξη των κοινωνικών συμπεριφορών σε έναν πληθυσμό στρατηγικά αλληλεπιδρούντων πρακτόρων που συμμετέχουν σε επαναλαμβανόμενα παίγνια με τα οποία ανταλλάσσουν πόρους (χρησιμότητα) με άλλους παίκτες. Η έκβαση των παιγνίων συμβάλλει τόσο στη συνεχή αναδιοργάνωση της κοινωνικής δομής των πρακτόρων, και στην προοδευτική υιοθέτηση των πιο επιτυχημένων στρατηγικών από τους πράκτορες. Ο αριθμός των πρακτόρων στο μοντέλο μας δεν είναι σταθερός, αλλά αλλάζει με την πάροδο του χρόνου, ενώ οι πράκτορες λαμβάνουν επίσης μη στατικές αποδόσεις, σε αντίθεση με τα περισσότερα παίγνια που μελετώνται στην βιβλιογραφία. Αυτό μας οδήγησε στην ανάγκη να παράσχουμε μια νέα διατύπωση της εξελικτικής δυναμικής των παιγνίων μέσω της εκτίμησης της (συνάρτησης) ωφέλειας των πρακτόρων και όχι των στρατηγικών. Επιπλέον, το AncientS-ABM μπορεί να προσομοιώσει και διακοινοτικές αλληλεπιδράσεις, μοντελοποιώντας την ανταλλαγή και τη διανομή πόρων μεταξύ των διαφόρων κοινοτήτων πρακτόρων. Συγκεκριμένα, ενσωματώνουμε ένα υπο-μοντέλο εμπορικών συναλλαγών, χρησιμοποιώντας γνωστά μοντέλα χωρικής αλληλεπίδρασης για την προσομοίωση του εμπορίου μεταξύ των οικισμών, προκειμένου να εξεταστεί η αποτελεσματικότητα του εμπορικού δικτύου και της εξέλιξής του σε διαφορετικά χρονικά σημεία. Επίσης, χρησιμοποιώντας ιδέες από την θεωρία γραφών, αναλύουμε τη δομή του δικτύου εμπορικών συναλλαγών, επιδιώκοντας να κατανοήσουμε την κοινωνική οργάνωση της τεχνητής κοινωνίας σε υψηλότερο επίπεδο. Τέλος, επεκτείνουμε περαιτέρω το μοντέλο μας, ενσωματώνοντας ένα υπο-μοντέλο φυσικής καταστροφής. Ως μελέτη περίπτωσης, χρησιμοποιούμε το μοντέλο μας για να αξιολογήσουμε τον αντίκτυπο συγκεκριμένων κοινωνικών οργανωτικών δομών σε μια τεχνητή "Μινωική" κοινωνία της Πρώιμης Εποχής του Χαλκού στην Κρήτη. Η παραμετροποίηση του μοντέλου βασίζεται σε αρχαιολογικά στοιχεία και μελέτες, αλλά δεν προκαταλαμβάνεται από οποιαδήποτε συγκεκριμένη αρχαιολογική θεωρία ή παραδοχή. Αποτελέσματα από αρκετά διαφορετικά σενάρια προσομοίωσης καταδεικνύουν καλύτερη βιωσιμότητα για τους οικισμούς πρακτόρων που υιοθετούν ένα μοντέλο κοινωνικο-οικονομικής οργάνωσης που βασίζεται στην "αυτο-οργάνωση'', και όπου μια "ετεραρχική" κοινωνική δομή αναδύεται. Τα αποτελέσματα δείχνουν επίσης ότι οι επιτυχημένες κοινωνίες πρακτόρων υιοθετούν μια εξελικτική προσέγγιση όπου η συνεργασία εμφανίζεται ως αναδυόμενη στρατηγική συμπεριφορά. Στα σενάρια προσομοίωσης όπου λήφθηκε υπόψη το υπο-μοντέλο φυσικής καταστροφής, παρατηρούμε αισθητές αλλαγές στην κατανομή των οικισμών, που σχετίζονται με σημαντικά υψηλότερα ποσοστά μετανάστευσης, αμέσως μετά την έκρηξη του ηφαιστείου της Θήρας. Επιπλέον, η αρχικά συνεργατική συμπεριφορά των πρακτόρων μετατρέπεται σε μια μη συνεργατική, παρέχοντας έτσι υποστήριξη σε αρχαιολογικές θεωρίες που υποδηλώνουν ότι η έκρηξη του ηφαιστείου της Θήρας οδήγησε στην κατάρρευση του Μινωικού κοινωνικο-οικονομικού συστήματος. Επίσης, φαίνεται πως η μοντελοποίηση ενός δικτύου εμπορικών συναλλαγών όπου ευνοείται περισσότερο η σημασία των οικισμών παρά η απόσταση μεταξύ τους, μπορεί να παράγει μοτίβα ανάπτυξης οικισμών παρόμοια με αυτά που υπάρχουν στο αρχαιολογικό αρχείο. Η ύπαρξη μερικών σημαντικών κέντρων διανομής πόρων, με ενδεχομένως ισχυρή ιεραρχία κατά την Πρώιμη και Μεσομινωική περίοδο, αλλά και σημαντικών κέντρων συγκέντρωσης πόρων κατά την διάρκεια της Ύστερομινωικής περιόδου, προκύπτουν επίσης ως εύλογες υποθέσεις μέσω της χρήσης του πρακτορο-κεντρικού μας μοντέλου.