基于模拟的人口动态分析:韩国人口老龄化外文翻译资料

Simulation-Based Population Dynamics Analysis: Korean Population Aging

Jang Won Bae(B), Euihyun Paik, and Karandeep Singh

Department of Big Data Intelligence Research,Electronics and Telecommunications Research Institute, Daejeon, Korea

Abstract:：Many countries have experienced demographic problems. Population aging in Korea is, for example, considered as the representative and severe one. To analyze such population changes, this paper applied modeling and simulation method from the micro-level perspective. Specifically, this paper introduce Korean population dynamics model, and this model was designed with micro population data and population statistics in Korea. Using the developed model, we performed virtual experiments to estimate future population dynamics. Through the result analyses, this paper presents how the future Korean population would move and suggests socio-economic factors that are related with the progress of Korean population aging.

Keywords：Simulation-based analysis ;Population aging ;Demographic analysis ;Korean population aging

1 Introduction

As social and economic advances in modern times, many countries recently have experienced various demographic problems. One representative problem is population aging. Population aging is a shift in the distribution of a countryrsquo;s population towards older ages due to increasing life expectancy and decreasing fertility rate. This population problem has been widely spread in and Europe regions, and it would affect the form of work, families, health, education, and technology of the worldrsquo;s population ^[1].

In particular, population aging in Korea has been rapidly progressed: Korea became an aged society (over 65 years population takes 7 % of the overall population) in 2000 and is predicted to become an aging and a super-aging society (over 65 years population takes 14 % and 20 % of the overall population) before 2020 and 2030. Moreover, the period of transferring aging to super-aging society in Korea is estimated as 23 years, which is even faster than other advanced countries (e.g., France, and Sweden took 115 and 85 years). To alleviate Korean population aging, Korean government established economic and welfare policies, yet their effectiveness has been hardly seen.

To tackle population problems, many demographic researchers have been studied about population dynamics. Population dynamics helps to see the futurepopulation and establish political strategies for dealing with future population problems ^[2]. One approach for the population dynamics analysis is modeling and simulation. In particular, micro-level modeling and simulation provides individual features about how population structures were developed and how they would be evolved in the future. It also means that the micro-level modeling and simulation could also deliver key information for mitigating the population aging problem.

This paper introduces Korean population dynamics model, and the developed model describes behaviors and interactions of individuals in Korean population, i.e., from the micro-perspective. Behaviors and Interactions of an individual are modeled by stochastic process and rule-based interaction based on real-data, such as micro-population data and population statistics. We utilized also the real-data in the model development and initialization.

Using the developed model, virtual experiments were conducted. The virtual experiments were designed with varying parameters of behavioral models and rule-based interactions, and the experiment results are measured by demographic indexes for population aging, such as aging index, elderly dependency ratio, and median age of the population ^[3]. The result analysis shows Korean population aging has been progressed since 2010, and it becomes far worse after 2030. Also, we performed meta-modeling analysis on the experiment results to investigate significant factors that lead to the population aging. We expect those factors would be used to mitigate or hold Korean population aging.

This paper is organized as follows: Sect. 2 illustrates previous research about population dynamics and analysis; Sect. 3 introduces the developed model, Korean population dynamics model; Sect. 4 and 5 presents the design and results of virtual experiments; Sect. 6 concludes this paper.

2 Related Works

Population dynamics has been analyzed using analytical and simulation models. One famous example of the analyticalmodels isThomasMalthusrsquo;smodel ^[4].There has been several methods for the analytical models of population dynamics, such as differential equation, matrix-based model, and the optimization model. Based on these methods, more complex analytical models have been invented for resolving current population problems.

Simulation-based analysis on population dynamics has been also widely used. It is considered as an important method for studying natural population dynamics ^[5]. The classic method for simulation-based population dynamics analysis is microsimulation model invented by Orcutt ^[6]. Microsimulation model describes a population by the aggregation of individuals, and each individual is modeled using micro population data, e.g., Census data in US. Another simulation method is agent-based model. Agent-based model is also based on the bottom-up approach for modeling population dynamics, yet it rather focuses on the interaction among individuals in the population. Such simulation methods have been applied to estimated the future population changes and public policies.

There are several studies for the analysis on population aging using the above methods: Prettner investigated the population aging from long-run economic growth perspectives by incorporating endogenous growth models and semi-endogenous growth models ^[7].

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基于模拟的人口动态分析:韩国人口老龄化

张元培(B) 白义贤 辛格

大数据情报研究部 电子和电信研究所 大田，韩国

摘要：许多国家都经历过人口问题。例如，在韩国，人口老龄化被认为是具有代表性和严重的问题。为了分析这类种群变化，本文从微观层面上应用建模与仿真方法。具体介绍了韩国人口动态模型，并利用韩国的微观人口数据和人口统计数据设计了该模型。利用所建立的模型，我们进行了虚拟实验来估计未来的种群动态。通过对模拟结果的分析，提出了未来韩国人口将如何变化，并提出了与韩国人口老龄化进程相关的社会经济因素。

关键词:模拟分析；人口老龄化；人口分析；韩国人口老龄化

1介绍

随着现代社会经济的进步，许多国家都经历了各种各样的人口问题，一个有代表性的问题是人口老龄化。人口老龄化是由于预期寿命的延长和生育率的下降，一个国家人口分布向老龄化的转变。这一人口问题已在欧洲地区广泛蔓延，它将影响到世界人口的工作、家庭、教育和技术的形式^[1]。

尤其是在韩国，人口老龄化一直在快速发展:韩国已在2000年成为一个老龄化社会（65岁以及上人口超过总人口的7%),预计在2020年和2030年前分别成为深度老龄化和超老型社会(65岁及以上人口超过总人口的14%和20%)。此外，韩国向超老龄化社会过渡的时间预计为23年，比其他发达国家(如法国、瑞典分别为115年和85年)还要快。为了缓解韩国的人口老龄化，韩国政府制定了经济和福利政策，但其效果却鲜有体现。

为了解决人口问题，许多人口学家对人口动态进行了研究。人口动态有助于预测未来人口和为解决未来的人口问题制定策略^[2]。种群动力学分析的一种方法是建模和仿真。特别是微观层次的建模和模拟提供了关于人口结构如何发展以及未来如何发展的个别特征。这也意味着微观层面的建模和仿真也可以为缓解人口老龄化问题提供关键信息。

本文介绍了韩国人口动态模型，所建立的模型从微观的角度描述了韩国人口中个体的行为和相互作用。个体的行为和相互作用是使用真实数据并通过随机过程和基于规则的相互作用来建模的，如微种群数据和种群统计。在模型的开发和初始化过程中，我们还利用了实际数据。

利用所建立的模型进行了虚拟实验。设计了行为模型参数和基于规则交互的虚拟实验。实验结果通过人口老龄化指标如老龄化指数、老年抚养比、人口^[3]中位年龄等来衡量。结果分析表明，韩国人口老龄化自2010年以来一直在发展，到2030年以后，这一趋势将进一步恶化。并对实验结果进行meta建模分析，探讨导致人口老龄化的重要因素。我们预计这些因素将被用来缓解或控制韩国人口老龄化。

本文组织如下:第2节阐述了前人关于种群动态的研究;第3节介绍了所建立的韩国人口动态模型;第4节和第5节给出了虚拟实验的设计和结果;第6节是本文的结论。

2相关的工作

利用分析和仿真模型对种群动态进行了分析。分析模型的一个著名例子是托马斯·马尔萨斯的^[4]模型。人口动力学分析模型的建立方法有微分方程法、矩阵法和优化模型。在这些方法的基础上，人们发明了更复杂的分析模型来解决当前的人口问题。

基于模拟的种群动态分析也得到了广泛的应用。它被认为是研究自然种群动态^[5]的一种重要方法。基于仿真的种群动力学分析的经典方法是由Orcutt^[6]发明的微仿真模型。微仿真模型通过个体的聚集来描述一个群体，每个个体都是使用人口数据来建模的，例如美国的人口普查数据。另一种仿真方法是基于agent的模型。基于agent的模型也基于自底向上的方法来建模种群动态，但它更关注种群中个体之间的交互作用。这些模拟方法已被应用于估计未来人口变化和公共政策。

利用上述方法进行人口老龄化分析的研究有几项:Prettner采用内生增长模型和半内生增长模型^[7]，从长期经济增长角度对人口老龄化进行了研究。Borschsupan等人开发了一个仿真模型描述一般均衡模型对人口老龄化和养老改革^[8]。Auerbach等人提出了老龄化人口在遗赠行为、技术变化和经济政策^[9]方面的人口变化仿真模型。这些以往的工作都是针对人口老龄化及其衍生的问题进行研究，但在应用到人口的真实数据以及在各种情况下进行分析时受到了限制。

3韩国人口动态模型

我们建立了韩国人口动态模型来估计未来人口的变化，并研究与老龄化社会相关的社会因素。采用微仿真与基于agent模型相结合的建模方法，将agent行为表示为随机过程和基于规则的交互作用^[10]，建立了韩国种群动态模型。未来的人口变化是通过模拟执行时单个变化的聚合来估计的。下面的小节将详细介绍韩国人口动态模型。

3.1个人建模

韩国种群动态模型由大量与种群中个体对应的agent组成。个体agent会在仿真执行过程中进行行为，其集体行为会产生种群变化(如种群大小和年龄分布)。本节解释我们如何开发单个代理。

我们设计了个体agent来持有属性(或状态)和行为(见图1中的个体)，它们的行为是通过考虑韩国人口规模和年龄分布的关系来选择的，属性是由所选择行为的关系依次决定的。具体来说，我们将代理行为定义为死亡率、生育率、教育、经济、婚姻和迁移。死亡率和生育率直接影响人口变化，其他行为与死亡率和生育率行为相关(例如，富裕已婚个体比贫穷单身个体寿命长)。

识别代理属性有两个考虑因素:(1)与代理行为的关系;(2)可获得的真实数据。结合这两个考虑因素，我们从韩国微种群数据^[11]中选择了agent属性。韩国的微观人口数据与美国的人口普查数据相同，因此描述了居民人口的个人信息(如年龄、性别、受教育程度、子女、就业状况等)。我们还将代理属性分为生物、家庭、社会和环境因素。这样的分类便于我们将代理行为与属性关联起来。

图1 利用微观人口数据和人口统计建立韩国人口动态模型

Agent行为被描述为随机过程和基于规则的交互。随机过程利用agent行为的转移概率，将转移概率(P_ij)数学定义为式(1)。

P_ij = P_r{X_t = j|X_t-1 = i}···········································································································(1)

其中P_ij为转移概率，X_t为t时刻的一组agent属性，大多数agent行为都是由随机过程描述的，但是matrimony行为包含交互模块。图2说明了婚姻行为是如何进行的。如果一个个体的agent没有处于已婚状态，那么agent将使用随机过程来决定是否现在结婚。当它决定结婚时，它应该找到它的配偶(见图2中的Makecouple())，这个随机过程不适合表达这个过程，因为它需要其他未婚代理的信息。因此，我们将此过程设计为基于规则的交互。

选择配偶的基于规则的交互可以来自领域知识、人口统计和社会规范。在本研究中，我们制定了关于夫妻年龄和教育水平差异的规则。年龄差异规则的一个例子是“已婚夫妇的男性不能比他们的配偶年长5岁。当我们将示例规则应用于所开发的模型时，男性个体代理在其搜索窗口中寻找5岁以下的女性代理。如果失败，他们的婚姻状态不会更改为已婚状态。

图2 韩国人口动态模型中个体的婚姻行为

在对所建立的模型进行仿真之前，需要建立由被建模个体组成的虚拟社会。在个体初始种群时，我们使用2%的韩国微种群数据样本来表征每个个体的属性(见图1)。

3.2仿真执行过程

为了对所建立的模型进行仿真，采用了基于事件的离散时间仿真执行算法。具体来说，模拟以每年一次的步骤进行，每个个体更新其属性并与其他个体交换事件。

图3说明了单个代理的生命事件结构。与模型设计类似，个体在每个模拟状态中依次执行死亡率、受教育程度、经济状况、婚育、人口迁移和生育率。然而，有一个例外情况:当死亡行为决定死亡时，其他行为不会被激活。代理行为中的大多数块是弹性执行的，而婚姻中的两个蓝色块是基于规则的交互，因为婚姻需要另一个个体。

图3 韩国人口动态模型中个体生命事件结构的每一次模拟状态

4虚拟实验

利用所建立的模型，对韩国人口动态进行了虚拟实验分析。我们改变了与婚姻和教育行为相关的个体的参数和规则。仿真结果利用个体信息提供了人口统计指标。

4.1人口索引

所建立的模型抽象描述了人口动态特别是韩国人口规模和分布相关的行为和互动。因此，实验结果将显示模型参数设置对韩国人口动态的影响。为了查看实验病例的人口变化，我们定义了目前在人口统计学^[3]中使用的几个指标。

在虚拟实验中使用了四个人口指标:人口增长率、老龄化指数、老年抚养比和中位年龄。人口增长率是指人口中个体数量的增加，定义为当前人口规模与先前人口规模之差与先前人口规模之比。老龄化指数和老年抚养比说明人口与老龄化社会的距离有多近，2014年全球老龄化指数和老年抚养比的平均值分别为39.7和12.3。

表1 具有不同参数和规则的个体行为模型的虚拟实验设计(如婚姻和教育行为模型)。

老龄化指数和老年抚养比分别按每百名人数中65岁以上的人数和15 - 64岁的人口中65岁或以上的人数计算。。最后一个指标是一个种群的年龄中值，它的定义是将一个种群划分为两个相同大小的群体的年龄。

我们从模拟结果中计算出这些指标，并利用它们来估计韩国人口老龄化的现状和预测其未来变化趋势。

4.2实验设计

我们开发了一个虚拟实验的实验设计。该设计解释了个体行为的参数和规则将如何变化。具体来说，设计考虑了夫妻年龄差异和受教育程度作为婚姻行为准则，离婚率作为参数。同时，将入学率分别定义为教育行为的参数。采用全因子设计方法，定义162例，每例重复10次。表1给出了实验设计细节。

5结果分析

本节给出了虚拟实验的仿真结果，并对结果进行了元模型分析。

5.1仿真结果

通过以上实验设计，我们得到了各个个体行为模型设置的仿真结果。模拟从2010年韩国人口状况开始，一直持续到2110年，以估计每年的人口变化。虚拟实验的个体数量为8900万，占韩国总人口的2%，其中韩国微观人口数据样本和2010年人口统计样本各占2%。

图4 (a)人口增长率，(b)年龄分布(c)老龄化指数，老年抚养比，(d)未来韩国人口中位年龄(年龄差:5岁，教育程度差:不在乎，离婚率:无变化，受教育程度:无变化情况)仿真结果

图4为一个实验案例(即，年龄差异:5岁，教育差异:不在乎，离婚率:不变，受教育程度:不变)。从图中可以看出，韩国的人口增长率从2010年开始下降，到2030年左右为负值，这意味着韩国的总体人口规模从2030年开始下降。此外，未来韩国人口的老龄化指数也在增加，其年龄中值也在增加。这些趋势表明，韩国在不久的将来将进入老龄化社会。实际上，韩国目前存在低生育率和人口老龄化问题^[12]，模拟结果也展现了同样的问题。

表2 线性回归模型标准化系数:因变量为人口数量、老龄化指数、老年抚养比、中位年龄;自变量为婚姻和教育行为模型的参数和规则

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