多主體仿真平臺

多主體仿真平臺第一頁，共四十四頁，2022年，8月28日一、NetLogo簡介1.基本情況NetLogo是一個多主體建模仿真集成環(huán)境由美國西北大學連接學習與計算機建模中心（CenterforConnectedLearningandComputer-BasedModeling，CCL）開發(fā)。2002年發(fā)布了1.0版本，最新4.0第二頁，共四十四頁，2022年，8月28日2.主要功能多主體建模多個移動Agent分布在二維空間中，每個Agent自主行動，所有主體并行異步更新，整個系統(tǒng)隨著時間推進而動態(tài)變化。運行控制仿真輸出提供了多種手段實現仿真運行監(jiān)視和結果輸出實驗管理BahaviorSpace，自動管理仿真運行，并記錄結果。系統(tǒng)動力學仿真參與式仿真HubNet模型庫第三頁，共四十四頁，2022年，8月28日二、NetLogo仿真框架1.NetLogo軟件界面(見軟件)：模型部分 三個TabPage

命令行窗口

第四頁，共四十四頁，2022年，8月28日2.模型的抽象總體：大量的可移動主體在二維空間中交互作用，隨著時間推進，微觀個體的屬性不斷發(fā)生變化，系統(tǒng)的宏觀特征也因此而變化。從三個方面理解：主體空間表達仿真推進第五頁，共四十四頁，2022年，8月28日（1）主體虛擬世界由主體構成，主體能夠接受命令，進行活動，所有主體的行為并行發(fā)生。NetLogo中共有三類主體，turtles（小海龜）patches（瓦片）observer（觀察者）在4.0中將Links作為一類主體

第六頁，共四十四頁，2022年，8月28日主體類型turtles指能夠在世界中移動的主體。世界是二維的，劃分為由patches組成的網格，每個patch占據一個矩形小塊。patch不能移動patch也是主體patch和turtle一樣可以有自己的屬性和行為observer是一個全局主體，它觀察著由turtles和patches構成的世界，能夠執(zhí)行指令獲取世界全部或部分的狀態(tài)，或實現對世界的控制。第七頁，共四十四頁，2022年，8月28日虛擬世界第八頁，共四十四頁，2022年，8月28日（2）空間表達每個patch有二維坐標（pxcor,pycor）坐標值為整數。默認情況下，二維世界的水平、垂直坐標范圍為（-17，17）每個turtle也有坐標（xcor,ycor）turtle坐標不必是整數，因此turtle不一定正好位于某個patch的中心。一個patch上也可以同時有多個turtles。實際上對turtle而言，NetLogo的空間是連續(xù)的。第九頁，共四十四頁，2022年，8月28日拓撲結構根據在水平和垂直方向邊界是否進行回繞，形成四種結構環(huán)面（torus），默認結構盒子（box）垂直柱面（verticalcylinder）水平柱面（horizontalcylinder）回繞影響主體移動時是否穿越邊界軟件操作，在View上點擊Edit第十頁，共四十四頁，2022年，8月28日（3）仿真推進沒有明確的仿真時鐘變量，也沒有提供特定的事件處理機制仿真推進是通過不斷重復執(zhí)行某個例程實現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現對模型初始狀態(tài)的設置，生成所需的turtles，設置其狀態(tài)，以及其它工作。仿真的執(zhí)行通過例程go實現，在go例程中編寫所需執(zhí)行的各種指令，完成一個仿真步的工作。需要在Interface頁中建立一個按鈕與go例程相聯系，該按鈕是一個永久（forever)按鈕，點擊后將不斷重復執(zhí)行go例程，直到遇到stop指令或用戶再次點擊該按鈕則仿真終止。第十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日2.建?；具^程NetLogo模型包括可視化部件和例程兩部分，二者具有緊密聯系。先在Interface中創(chuàng)建可視化控件，然后在Procedures中實現相應的代碼，通過設置控件的屬性將二者聯系起來。第十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日Interface中主要有三類部件運行控制參數控制仿真顯示Procedure中的例程分為兩類：命令（command）例程報告（reporter）例程第十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日基本過程初始化確定活動順序定義主體屬性與行為仿真過程監(jiān)視圖形輸出仿真參數控制第十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日三、生態(tài)系統(tǒng)建模示例假設要模擬一個簡單的生態(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、該類生物經歷成長、繁殖、死亡過程。第十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日1.初始化創(chuàng)建生物群體，并將它們隨機分布在空間中。例程（demo1）tosetup;;定義例程setupclear-all;;設置整個世界為初始狀態(tài)

;;創(chuàng)建100個turtles，創(chuàng)建后各turtle默認坐標是（0，0）

create-turtles100;;命令所有turtle執(zhí)行語句setxyrandom-xcorrandom-ycor;;各turtle坐標隨機產生，實現turtles在空間中的隨機分布

askturtles[setxyrandom-xcorrandom-ycor]end第十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日2.仿真執(zhí)行例程實現turtle隨機移動實現go例程，與forever按鈕聯系go調用move-turtles例程第十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日增加代碼:(demo2)togo;;定義仿真執(zhí)行例程gomove-turtles;;調用例程move-turtlesendtomove-turtles;;定義例程move-turtles;;所有turtle執(zhí)行[]中的命令序列

askturtles[rightrandom360;;右轉一個角度，度數隨機產生

forward1;;前進距離1]end第十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日3.青草的模擬為模擬青草的存在設置patches為綠色改寫setup例程，其中調用了兩個新的例程setup-turtles和setup-patches，分別設置turtle和patch的初始狀態(tài)第十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日demo3tosetupclear-allsetup-patches;;調用例程setup-patchessetup-turtles;;調用例程setup-turtlesendtosetup-patches;;命令所有patches執(zhí)行指令setpcolorgreen;;該指令將patch顏色設置為綠色

askpatches[setpcolorgreen]endtosetup-turtlescreate-turtles100askturtles[setxyrandom-xcorrandom-ycor]end第二十頁，共四十四頁，2022年，8月28日4.主體行為現在增加一些行為，假設turtle以青草為食，通過吃草獲得能量，移動時要消耗能量。patch代表青草，綠色表示有，黑色表示無。為實現這樣的模型，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以存儲當前能量值，另外添加吃草獲取能量的例程，還要修改移動例程以反映能量消耗。第二十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日自定義turtle變量，修改goturtles-own[energy];;聲明turtle變量energytogomove-turtles;;turtle隨機移動，消耗能量

eat-grass;;吃草獲取能量end第二十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日定義eatgrassturtle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?，表示已無草，然后自身能量增加10askturtles[ifpcolor=green[setpcolorblacksetenergy(energy+10)]]end第二十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日修改原來的move-turtles例程，添加能量消耗指令。tomove-turtlesaskturtles[rightrandom360forward1setenergyenergy-1;;移動后能量減少1]end第二十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日假設turtle能量小于等于0就死亡，當能量大于50就繁殖；青草以一定的恢復率再生。由于主體行為發(fā)生了改變，需重新定義go例程，togomove-turtles;;移動

eat-grass;;吃草

reproduce;;繁殖

check-death;;死亡

regrow-grass;;青草再生end第二十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日toreproduceaskturtles[ifenergy>50[;;如果能量大于50則繁殖

setenergyenergy-50;;母體能量減少50hatch1[setenergy50];;產生一個后代，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]]end第二十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日5.監(jiān)視仿真運行監(jiān)視器控件(monitor)顯示turtle數量，monitor表達式“countturtles”主體標簽每個主體有一個變量lable第二十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日6.圖形輸出在Interface中創(chuàng)建Plot控件，在Procedures中編制繪圖例程。繪圖概念每個Plot控件必須指定一個唯一名，在繪圖時通過Plot名指定在哪個Plot上繪圖繪圖時必須使用某個畫筆，畫筆默認是黑色實線，也可以創(chuàng)建自定義畫筆 第二十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日繪制turtles數量和青草數量曲線添加Plot控件創(chuàng)建兩個畫筆，分別指定顏色添加do-plots例程修改setup和go例程第二十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日tosetupclear-allsetup-patchessetup-turtles

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

do-plots;;隨仿真運行繪制圖形endtodo-plotsset-current-plot“totals”;;選定plot控件

set-current-plot-pen“turtles”;;選定畫筆turtlesplotcountturtles;;繪制turtles數量

set-current-plot-pen“grass”;;選定畫筆grassplotcountpatcheswith[pcolor=green];;繪制青草數量end第三十頁，共四十四頁，2022年，8月28日7.仿真參數控制參數控件開關(switch)、滑動條(slider)、選擇器(chooser)這些控件都對應一個全局變量,在Procedures中將這些全局變量作為參數使用在程序中，就能實現仿真參數的控制。 第三十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日例如：選擇仿真時長用滑動條設置仿真時長，對應變量名terminate-time添加全局變量ticks修改go例程,隨著仿真修改ticks當ticks=terminate-time時停止第三十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日代碼globals[ticks];;聲明全局變量ticks…togo

ifticks>=terminate-time[stop];;判斷是否應停止

move-turtleseat-grassreproducecheck-deathregrow-grassdo-plots

setticksticks+1;;時鐘推進end第三十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日四、建模技術1.訪問鄰域原語Neighbors，Moore鄰域neighbors4，vonNeumann鄰域<agentset>in-radius<number><agentset>at-points<list>演示第三十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日2.主體交互T-P交互turtle能夠直接訪問所在之處的patch，對該patch的屬性進行讀寫askturtles[setpcolorblue]turtle還可以利用空間相關操作獲取所需的patches，然后對這些patches的屬性進行讀寫askturtles[setpcolor-ofpatch-at10blue] 第三十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日patch可以通過一些操作獲取相關的turtle例如turtles-here就返回當前patch處的turtle集合。也可以通過空間相關操作獲取相應patch上的turtles。例如”turtlesatdxdy”返回與當前patch相對距離（dx,dy）處的turtles集合。第三十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日T-T交互實現T-T交互的第一步是得到目標turtle的句柄，然后進行操作。獲取目標turtle句柄的常用方式有三種：隨機選取、根據特定條件、空間相關。隨機選取是指在特定agent集合中以隨機方式選取一個或n個agent。選取一個agent的原語為one-of例如“setcolor-ofone-ofturtlesred”在所有turtles中隨機選擇一個turtle，將其顏色設為紅色。第三十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日獲得目標agent或agentset的第二種方式是根據特定條件。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；第三十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日獲取目標agent或agent集合的第三種方式是運用空間相關操作。比較直接的一種是獲取當前patch上的turtle集合，原語有turtles-here和other-turtles-here，二者的區(qū)別僅在于是否包含調用者自身。例如“askturtle0[askother-turtles-here[fd10]]”表示ID=0的turtle令處于同一patch上的其他turtle前進10。另一種方式是獲取特定patch上的所有turtles。原語有<breeds>-atdxdy，<breeds>-onagentset等。例如“turtles-at10”返回右側緊鄰patch上的所有turtle，“turtles-onpatch-ahead”返回前方patch上的所有turtle。第三十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日3.持久關系的建立基本方法是在個體中相互保持對方的引用，這樣可以隨時對對方進行操作。例如在個體之間建立簡單的伙伴關系。假設還沒有找到伙伴的個體隨機移動，直到與另一個尚沒有伙伴的個體建立伙伴關系，一旦建立伙伴關系后將長期保持。為實現這一模型，首先為turtle增加變量partner,用于保持對伙伴的引用，然后在移動時從相遇的一些無伙伴的turtle中選擇一個，相互建立伙伴關系。第四十頁，共四十四頁，2022年，8月28日4.多類異質