Netlogo建?；A(chǔ)知識(shí)講解

Netlogo建模根底知識(shí)講解秦奕深NetLogo簡(jiǎn)介1.根本情況NetLogo是一個(gè)用來對(duì)自然和社會(huì)現(xiàn)象進(jìn)行仿真的可編程建模環(huán)境建模仿真集成環(huán)境由美國(guó)西北大學(xué)連接學(xué)習(xí)與計(jì)算機(jī)建模中心〔CenterforConnectedLearningandComputer-BasedModeling，CCL〕開發(fā)。2002年發(fā)布了1.0版本，用戶手冊(cè)為版本，最新為版本2.主要功能多主體建?！仓攸c(diǎn)〕多個(gè)移動(dòng)Agent分布在二維空間中，每個(gè)Agent自主行動(dòng)，所有主體并行異步更新，整個(gè)系統(tǒng)隨著時(shí)間推進(jìn)而動(dòng)態(tài)變化。運(yùn)行控制仿真輸出提供了多種手段實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行監(jiān)視和結(jié)果輸出實(shí)驗(yàn)管理BahaviorSpace，自動(dòng)管理仿真運(yùn)行，并記錄結(jié)果。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真參與式仿真HubNet模型庫(kù)3.軟件特色完全可編程簡(jiǎn)單語言結(jié)構(gòu)是LOGO語言的擴(kuò)展，支持智能體和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以定義無限個(gè)智能體和變量多種內(nèi)置命令幫助使用支持整型和雙精度型浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算跨平臺(tái)、可復(fù)用的應(yīng)用。二、NetLogo仿真框架1.NetLogo軟件

2.模型的抽象總體：大量的可移動(dòng)主體在二維空間中交互作用，隨著時(shí)間推進(jìn)，微觀個(gè)體的屬性不斷發(fā)生變化，系統(tǒng)的宏觀特征也因此而變化。從三個(gè)方面理解：主體空間表達(dá)仿真推進(jìn)〔1〕主體〔Agents〕虛擬世界由主體構(gòu)成，主體能夠接受命令，進(jìn)行活動(dòng)，所有主體的行為并行發(fā)生。NetLogo中共有三類主體，turtles〔海龜〕patches〔瓦片〕observer〔觀察者〕主體類型turtles指能夠在世界中移動(dòng)的主體。世界是二維的，劃分為由patches組成的網(wǎng)格，每個(gè)patch占據(jù)一個(gè)矩形小塊。patch不能移動(dòng)patch也是主體patch和turtle一樣可以有自己的屬性和行為observer是一個(gè)全局主體，它觀察著由turtles和patches構(gòu)成的世界，能夠執(zhí)行指令獲取世界全部或局部的狀態(tài)，或?qū)崿F(xiàn)對(duì)世界的控制。虛擬世界〔2〕空間表達(dá)每個(gè)patch有二維坐標(biāo)〔pxcor,pycor〕坐標(biāo)值為整數(shù)。默認(rèn)情況下，二維世界的水平、垂直坐標(biāo)范圍為〔-17，17〕每個(gè)turtle也有坐標(biāo)〔xcor,ycor〕turtle坐標(biāo)不必是整數(shù)，因此turtle不一定正好位于某個(gè)patch的中心。一個(gè)patch上也可以同時(shí)有多個(gè)turtles。實(shí)際上對(duì)turtle而言，NetLogo的空間是連續(xù)的。〔3〕仿真推進(jìn)沒有明確的仿真時(shí)鐘變量，也沒有提供特定的事件處理機(jī)制仿真推進(jìn)是通過不斷重復(fù)執(zhí)行某個(gè)例程實(shí)現(xiàn)的模型中至少要有初始化例程和仿真執(zhí)行例程初始化例程實(shí)現(xiàn)對(duì)模型初始狀態(tài)的設(shè)置，生成所需的turtles，設(shè)置其狀態(tài)，以及其它工作。仿真的執(zhí)行通過例程go實(shí)現(xiàn)，在go例程中編寫所需執(zhí)行的各種指令，完成一個(gè)仿真步的工作。需要在Interface頁中建立一個(gè)按鈕與go例程相聯(lián)系，該按鈕是一個(gè)永久〔forever)按鈕，點(diǎn)擊后將不斷重復(fù)執(zhí)行g(shù)o例程，直到遇到stop指令或用戶再次點(diǎn)擊該按鈕那么仿真終止。2.建模根本過程N(yùn)etLogo模型包括可視化部件和例程兩局部，二者具有緊密聯(lián)系。先在Interface中創(chuàng)立可視化控件，然后在Procedures中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的代碼，通過設(shè)置控件的屬性將二者聯(lián)系起來。Interface中主要有三類部件運(yùn)行控制參數(shù)控制仿真顯示Procedure中的例程分為兩類：命令〔command〕例程報(bào)告〔reporter〕例程仿真的根本框架初始化tosetup每一個(gè)仿真周期togo是否結(jié)束？結(jié)束對(duì)所有Turtle循環(huán)askturtles每個(gè)Turtle做出決策forward1是否三、編程指南breed[]turtles-own[]globals[]tosetup[]endtogo[]endaskturtles[setpcolorwhite]set-default-shapeturtles"person"setxyrandom-xcorrandom-ycorsetturtles-ownrandomsetage(22+random53)setage(age+1)sethouse0clear-all(ca)forward(fd)1create-turles100sprout-breedsnumber[]sproutnumber[]hatchnumber[]hatch-breedsnumber[]askone-ofmen[setbreed]ififelse四、生態(tài)系統(tǒng)建模例如假設(shè)要模擬一個(gè)簡(jiǎn)單的生態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中有一種生物以青草為食，通過吃草獲取能量、該類生物經(jīng)歷成長(zhǎng)、繁殖、死亡過程。1.初始化創(chuàng)立生物群體，并將它們隨機(jī)分布在空間中。例程〔demo1〕tosetup;;定義例程setupclear-all;;設(shè)置整個(gè)世界為初始狀態(tài);;創(chuàng)建100個(gè)turtles，創(chuàng)建后各turtle默認(rèn)坐標(biāo)是（0，0）create-turtles100;;命令所有turtle執(zhí)行語句setxyrandom-xcorrandom-ycor;;各turtle坐標(biāo)隨機(jī)產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)turtles在空間中的隨機(jī)分布askturtles[setxyrandom-xcorrandom-ycor]end2.仿真執(zhí)行例程實(shí)現(xiàn)turtle隨機(jī)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)go例程，與forever按鈕聯(lián)系go調(diào)用move-turtles例程增加代碼:(demo2)togo;;定義仿真執(zhí)行例程gomove-turtles;;調(diào)用例程move-turtlesendtomove-turtles;;定義例程move-turtles;;所有turtle執(zhí)行[]中的命令序列askturtles[rightrandom360;;右轉(zhuǎn)一個(gè)角度，度數(shù)隨機(jī)產(chǎn)生forward1;;前進(jìn)距離1]end3.青草的模擬為模擬青草的存在設(shè)置patches為綠色改寫setup例程，其中調(diào)用了兩個(gè)新的例程setup-turtles和setup-patches，分別設(shè)置turtle和patch的初始狀態(tài)demo3tosetupclear-allsetup-patches;;調(diào)用例程setup-patchessetup-turtles;;調(diào)用例程setup-turtlesendtosetup-patches;;命令所有patches執(zhí)行指令setpcolorgreen;;該指令將patch顏色設(shè)置為綠色askpatches[setpcolorgreen]endtosetup-turtlescreate-turtles100askturtles[setxyrandom-xcorrandom-ycor]end4.主體行為現(xiàn)在增加一些行為，假設(shè)turtle以青草為食，通過吃草獲得能量，移動(dòng)時(shí)要消耗能量。patch代表青草，綠色表示有，黑色表示無。為實(shí)現(xiàn)這樣的模型，需要重新定義turtles的屬性和行為，然后重寫go例程。首先給turtle增加變量energy以存儲(chǔ)當(dāng)前能量值，另外添加吃草獲取能量的例程，還要修改移動(dòng)例程以反映能量消耗。自定義turtle變量，修改goturtles-own[energy];;聲明turtle變量energytogomove-turtles;;turtle隨機(jī)移動(dòng)，消耗能量eat-grass;;吃草獲取能量end定義eat-grassturtle吃草獲取能量修改patch顏色表示草的有無toeat-grass;;如果turtle所在patch顏色為綠色，表示有草，則吃草，;;令該patch顏色變?yōu)楹谏硎疽褵o草，然后自身能量增加10askturtles[ifpcolor=green[setpcolorblacksetenergy(energy+10)]]end修改原來的move-turtles例程，添加能量消耗指令。tomove-turtlesaskturtles[rightrandom360forward1setenergyenergy-1;;移動(dòng)后能量減少1]end假設(shè)turtle能量小于等于0就死亡，當(dāng)能量大于50就繁殖；青草以一定的恢復(fù)率再生。由于主體行為發(fā)生了改變，需重新定義go例程，togomove-turtles;;移動(dòng)eat-grass;;吃草reproduce;;繁殖check-death;;死亡regrow-grass;;青草再生endtoreproduceaskturtles[ifenergy>50[;;如果能量大于50則繁殖setenergyenergy-50;;母體能量減少50hatch1[setenergy50];;產(chǎn)生一個(gè)后代，初始能量50]]endtocheck-deathaskturtles[ifenergy<=0[die];;如果能量小于等于0則死亡]endtoregrow-grassaskpatches[;;青草以0.03的概率再生ifrandom100<3[setpcolorgreen]]end5.監(jiān)視仿真運(yùn)行監(jiān)視器控件(monitor)顯示turtle數(shù)量，monitor表達(dá)式“countturtles〞主體標(biāo)簽每個(gè)主體有一個(gè)變量lable6.圖形輸出在Interface中創(chuàng)立Plot控件，在Procedures中編制繪圖例程。繪圖概念每個(gè)Plot控件必須指定一個(gè)唯一名，在繪圖時(shí)通過Plot名指定在哪個(gè)Plot上繪圖繪圖時(shí)必須使用某個(gè)畫筆，畫筆默認(rèn)是黑色實(shí)線，也可以創(chuàng)立自定義畫筆 繪制turtles數(shù)量和青草數(shù)量曲線添加Plot控件創(chuàng)立兩個(gè)畫筆，分別指定顏色添加do-plots例程修改setup和go例程tosetupclear-allsetup-patchessetup-turtles

do-plots;;繪制初始點(diǎn)endtogomove-turtleseat-grassreproducecheck-deathregrow-grass

do-plots;;隨仿真運(yùn)行繪制圖形endtodo-plotsset-current-plot“totals”;;選定plot控件set-current-plot-pen“turtles”;;選定畫筆turtlesplotcountturtles;;繪制turtles數(shù)量

set-current-plot-pen“grass”;;選定畫筆grassplotcountpatcheswith[pcolor=green];;繪制青草數(shù)量end7.仿真參數(shù)控制參數(shù)控件開關(guān)(switch)、滑動(dòng)條(slider)、選擇器(chooser)這些控件都對(duì)應(yīng)一個(gè)全局變量,在Procedures中將這些全局變量作為參數(shù)使用在程序中，就能實(shí)現(xiàn)仿真參數(shù)的控制。 例如：選擇仿真時(shí)長(zhǎng)用滑動(dòng)條設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)變量名terminate-time添加全局變量ticks修改go例程,隨著仿真修改ticks當(dāng)ticks=terminate-time時(shí)停止代碼globals[ticks];;聲明全局變量ticks…togo

ifticks>=terminate-time[stop];;判斷是否應(yīng)停止move-turtleseat-grassreproducecheck-deathregrow-grassdo-plots

setticksticks+1;;時(shí)鐘推進(jìn)end五、建模技術(shù)1.訪問鄰域原語Neighbors，Moore鄰域neighbors4，vonNeumann鄰域<agentset>in-radius<number><agentset>at-points<list>2.主體交互T-P交互turtle能夠直接訪問所在之處的patch，對(duì)該patch的屬性進(jìn)行讀寫askturtles[setpcolorblue]turtle還可以利用空間相關(guān)操作獲取所需的patches，然后對(duì)這些patches的屬性進(jìn)行讀寫askturtles[setpcolor-ofpatch-at10blue] patch可以通過一些操作獲取相關(guān)的turtle例如turtles-here就返回當(dāng)前patch處的turtle集合。也可以通過空間相關(guān)操作獲取相應(yīng)patch上的turtles。例如〞turtlesatdxdy〞返回與當(dāng)前patch相對(duì)距離〔dx,dy〕處的turtles集合。T-T交互實(shí)現(xiàn)T-T交互的第一步是得到目標(biāo)turtle的句柄，然后進(jìn)行操作。獲取目標(biāo)turtle句柄的常用方式有三種：隨機(jī)選取、根據(jù)特定條件、空間相關(guān)。隨機(jī)選取是指在特定agent集合中以隨機(jī)方式選取一個(gè)或n個(gè)agent。選取一個(gè)agent的原語為one-of例如“setcolor-ofone-ofturtlesred〞在所有turtles中隨機(jī)選擇一個(gè)turtle，將其顏色設(shè)為紅色。獲得目標(biāo)agent或agentset的第二種方式是根據(jù)特定條件。方法是使用with原語，語法為agentsetwith[condition]，返回滿足條件condition的agent集合。例如“turtleswith[color=red]〞返回紅色的turtle集合；獲取目標(biāo)agent或agent集合的第三種方式是運(yùn)用空間相關(guān)操作。比較直接的一種是獲取當(dāng)前patch上的turtle集合，原語有turtles-here和other-turtles-here，二者的區(qū)別僅在于是