マイクロシミュレーション

マイクロシミュレーションとは、交差点を通過する高速道路の交通、金融取引、集団を通じて病気を広める病原体 などの活動を、コンピュータ化された分析ツールを使用して、個人の粒度レベルで分析することです。同義語には、ミクロ分析シミュレーション^[1]やミクロシミュレーション^[2]などがあります。確率的またはルールベースの構造に重点を置くマイクロシミュレーションは、個人の行動に重点を置く同様の補完的な手法であるマルチエージェントシミュレーションと混同しないでください。^[3]

たとえば、交通マイクロシミュレーション モデルを使用すると、交差点の車線を延長する効果を評価し、実際に車線を延長するために費用をかける価値があるかどうかを判断するのに役立ちます。

マイクロシミュレーションは、人や車両などの個々のユニットの相互作用を調べるという点で、他の種類のコンピュータモデリングと区別できます。各ユニットは自律的なエンティティとして扱われ、ユニットの相互作用は、確率的（ランダム化）パラメータに応じて変化することが許可されます。これらのパラメータは、個人の好みや傾向を表すことを目的としています。たとえば、交通モデルでは、一部のドライバーは用心深く、曲がる前に大きな隙間を待ちますが、他のドライバーは積極的で小さな隙間を受け入れます。同様に、公衆衛生モデルでは、個人によってウイルスに対する抵抗力が異なる可能性があり、ウイルスの拡散に寄与する個人的な習慣（たとえば、手を洗う頻度や徹底度）も異なる場合があります。

国際マイクロシミュレーション協会^[4]は、マイクロシミュレーションを、人、世帯、車両、企業などの個々のユニットのレベルで機能するモデリング手法と定義しています。モデル内では、各ユニットは、一意の識別子と一連の関連属性（年齢、性別、婚姻状況、雇用状況がわかっている人物のリスト、または出発地、目的地、運用特性がわかっている車両のリストなど）を含むレコードによって表されます。次に、一連のルール（遷移確率）がこれらのユニットに適用され、状態と動作のシミュレートされた変化がもたらされます。これらのルールは、税制の変更による税負担の変化のように決定論的（確率 = 1）である場合もあれば、特定の期間内に死亡、結婚、出産、または転居する可能性のように確率論的（確率 <= 1）である場合もあります。いずれの場合も、結果はこれらのルールを適用した結果の推定値であり、おそらく多くの時間ステップにわたって、全体的な集計変化と（重要な点として）モデル化されている人口または場所でこの変化がどのように分布しているかの両方が含まれます。

応用計量経済学の研究では、マイクロシミュレーションは、時間の経過に伴う個人の行動をシミュレートするために使用されます。マイクロシミュレーションは、動的または静的のいずれかになります。動的の場合、人々の行動は時間の経過とともに変化しますが、静的の場合は、一定の行動が想定されます。

課税、年金、その他の経済活動や金融活動に関するマイクロシミュレーションモデルは数多くある。これらのモデルは通常、政府機関や学術機関によって実装される。一例としては、今後50年間の英国における年金収入を動的にシミュレートするPensim2 （動的マイクロシミュレーション年金モデル）が挙げられる。EUROMODは27の欧州連合加盟国を対象とした静的マイクロシミュレーションモデルであり、 SOUTHMODは南半球のいくつかの国を対象に同じフレームワークを採用している。北米のマイクロシミュレーションモデルには、縦断的動的マイクロシミュレーションCORSIMや、その派生モデルDYNACAN（カナダ、2009年6月1日に終了）およびPOLISIM（米国）がある。米国保健福祉省は、課税、移転、医療プログラムの変更による潜在的影響を把握するために、静的マイクロシミュレーション移転所得モデル（TRIM）を使用している。^[5]都市開発の空間的に詳細なマイクロシミュレーションを提供する関連例としては、PECASがある。

計量経済学のマイクロシミュレーション モデルは、次の 2 つのタイプに分類できます。

• 閉じた縦断的動的マイクロシミュレーション モデル (DYNACAN や Pensim2 など) は、人口統計モジュールのシミュレートされたライフ イベント (出生率、死亡率、移住など) によってのみ変更される初期人口から始まります。したがって、モデルの実行中はいつでも、シミュレートされた人口は、モデル化されている人口の完全な代表的 (合成) サンプルのままであると予想されます。
• オープンモデルは、特定の主要個人に焦点を当て、その個人の人口に基づいてその代表性を生成する傾向があります。このような環境では、主要個人にとって「適切な」一連のライフ イベントを確保するために、必要に応じて新しい個人が人口に追加または削除されます。

この違いの最も明確な例の 1 つは、2 種類のモデルにおける結婚の扱いです。オープン モデルでは、キーとなる個人に適切な配偶者を簡単に生成できますが、クローズド モデルでは、その母集団内で結婚する可能性が高い人を特定し、それらの人をマッチングさせる必要があります。

マイクロシミュレーションは交通モデリングにも使用され、 TransModeler、PTV VISSIM、TSIS-CORSIM、Cube Dynasim、LISA+、Quadstone Paramics、SiAS Paramics、Simtraffic、Aimsun、MATSimなどのソフトウェア パッケージが代表的です。LINSIG、 TRANSYT、TRANSYT-7F、SIDRA INTERSECTIONなどの解析モデリング ソフトウェアは、交通モデル要素の組み合わせを表す数学的アルゴリズムに基づく異なるクラスのモデルを表します。

交通マイクロシミュレーション モデルは、事前に定義された道路ネットワーク内の個々の車両の動作をシミュレートし、交通の流れの変化や物理的環境の変化によって生じる交通パターンの変化の影響を予測するために使用されます。

マイクロシミュレーションは、待ち行列状況をシミュレートできるため、混雑した道路網のモデル化において最大の強みを発揮します。マイクロシミュレーションモデルは、絶対的な交通渋滞に至るまで、高い飽和度で結果を提供し続けます。この機能により、これらのタイプのモデルは、インターチェンジ、ラウンドアバウト、信号なしおよび信号付き交差点、信号調整回廊、エリアネットワークなど、都市部や市内中心部の交通運用を分析するのに非常に役立ちます。^[6]マイクロシミュレーションは、車線の狭小化やジャンクションの停止線の再配置など、物理的環境の比較的小さな変化も反映します。

近年、マイクロシミュレーションモデリングは、予測される交通行動を3Dアニメーションで視覚的に表現し、政治家や一般市民などの素人が提案計画の影響を十分に理解できるようにする能力があることから注目を集めています。この分野では、日本のフォーラムエイトなどの企業によって、マイクロシミュレーションモデルデータと映画品質の3Dアニメーションやバーチャルリアリティが融合され、さらなる進歩が遂げられています。

近年、歩行者またはエージェント ベースのマイクロシミュレーションは業界で利用され、受け入れられるようになっています。これらのシステムは、空間利用率、サービス レベル、密度、パッキング、フラストレーションなどの分析尺度に関して、空間領域を移動する個々の人々のシミュレーションに重点を置いています。

現在の交通マイクロシミュレーションソフトウェア パッケージの多くは、交通コンポーネントと歩行者を組み合わせて、より完全なシステムを作成していますが、多くの過渡的群衆シミュレーションツールは、大規模な都市空間設計での使用に向けて改良され続けています。

健康科学では、マイクロシミュレーションによって個々のライフ ヒストリーが生成されます。この手法は、集団の割合の「ストック アンド フロー」型モデリング (マクロシミュレーション) では対象のシステムを十分に説明できない場合に使用されます。このタイプのモデリングでは、必ずしも個体間の相互作用 (前述のとおり) が伴うわけではなく、その場合は個体を互いに独立して生成でき、離散的な時間ステップではなく連続時間で簡単に操作できます。

健康科学におけるマイクロシミュレーションモデルのいくつかの例は、米国国立がん研究所のCISNETプログラム（http://cisnet.cancer.gov/）にまとめられています。カナダでは、人口健康モデル（POHEM）が、糖尿病、心血管疾患、関節炎など、複数の慢性疾患を検査する共通プラットフォームとなっています。^[7]

マイクロシミュレーションに対する経済および健康アプローチは、環境、経済、または政策条件の変化が特定の個人集団に与える影響についての洞察を提供します。ただし、多くの変化の影響は状況に依存しているため、同じ変更 (所得税の区分など) が一部の地域では望ましい効果をもたらす可能性がありますが、他の地域では望ましくない効果をもたらす可能性があります。この理解は、マイクロシミュレーションに対する空間アプローチの根底にあります。空間マイクロシミュレーションという用語は、特定の地域に住む個人の特性を、その地域について知られている一連の制約変数に基づいて近似できるようにする一連の手法を指します。計量経済学的マイクロシミュレーションと同様に、空間マイクロシミュレーションは動的または静的であり、相互作用するユニットまたは受動的なユニットを含めることができます。^[8]

ガイ・オーカットは、空間マイクロシミュレーションの創始者として広く知られています。空間マイクロシミュレーションには、高度な計算とデータ要件があり、モデルを設定するにはある程度のコンピュータプログラミングが必須です。これらの理由から、この手法は広くは使用されていません。しかし、いくつかの要因により、学術地理学および関連分野における空間マイクロシミュレーションに関する出版物の数は急増しています。これには次のものが含まれます。

• 高性能なパーソナルコンピュータが容易に入手でき、コストも低い。
• マイクロシミュレーション モデルを作成できる、ユーザー フレンドリで低コストのコンピュータ ソフトウェアの出現。例としては、R、Java、Pythonがあり、いずれもフリーでオープン ソースのソフトウェアとして分類できます。
• 政府、企業、非営利団体によるデータ収集活動の改善。
• データのアクセシビリティの向上。

トピック固有のプログラム（交通シミュレーションを参照）に加えて、汎用プログラミング言語もあります。例としては、JAS-mine、^[9] LIAM2、^[10] MODGEN、^[11] OpenM++などがあります。^[12]

• 交通の流れ
• 動的マイクロシミュレーション年金モデル

• Moscarola, FC, Colombino, U., Figari, F., & Locatelli, M. (2014)。労働から財産への税金の移行。労働市場均衡下でのシミュレーション。IZA ディスカッションペーパー 8832、労働研究所 (IZA)。