多主體仿真平臺(tái)

多主體仿真平臺(tái)第一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日一、NetLogo簡(jiǎn)介1.基本情況NetLogo是一個(gè)多主體建模仿真集成環(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(kāi)發(fā)。2002年發(fā)布了1.0版本，最新4.0第二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.主要功能多主體建模多個(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)第三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日二、NetLogo仿真框架1.NetLogo軟件界面(見(jiàn)軟件)：模型部分 三個(gè)TabPage

命令行窗口

第四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日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)第五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日（1）主體虛擬世界由主體構(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（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(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日主體類型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部分的狀態(tài)，或?qū)崿F(xiàn)對(duì)世界的控制。第七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日虛擬世界第八頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日（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。第九頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)在水平和垂直方向邊界是否進(jìn)行回繞，形成四種結(jié)構(gòu)環(huán)面（torus），默認(rèn)結(jié)構(gòu)盒子（box）垂直柱面（verticalcylinder）水平柱面（horizontalcylinder）回繞影響主體移動(dòng)時(shí)是否穿越邊界軟件操作，在View上點(diǎn)擊Edit第十頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日（3）仿真推進(jìn)沒(méi)有明確的仿真時(shí)鐘變量，也沒(méi)有提供特定的事件處理機(jī)制仿真推進(jìn)是通過(guò)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(guò)例程go實(shí)現(xiàn)，在go例程中編寫(xiě)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(yè)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)擊該按鈕則仿真終止。第十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.建模基本過(guò)程N(yùn)etLogo模型包括可視化部件和例程兩部分，二者具有緊密聯(lián)系。先在Interface中創(chuàng)建可視化控件，然后在Procedures中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的代碼，通過(guò)設(shè)置控件的屬性將二者聯(lián)系起來(lái)。第十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日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）例程第十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日基本過(guò)程初始化確定活動(dòng)順序定義主體屬性與行為仿真過(guò)程監(jiān)視圖形輸出仿真參數(shù)控制第十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日三、生態(tài)系統(tǒng)建模示例假設(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(guò)吃草獲取能量、該類生物經(jīng)歷成長(zhǎng)、繁殖、死亡過(guò)程。第十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日1.初始化創(chuàng)建生物群體，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(yǔ)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]end第十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.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例程第十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日增加代碼:(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]end第十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.青草的模擬為模擬青草的存在設(shè)置patches為綠色改寫(xiě)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)第十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日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]end第二十頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.主體行為現(xiàn)在增加一些行為，假設(shè)turtle以青草為食，通過(guò)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(wú)。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(xiě)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。第二十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日自定義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第二十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日定義eatgrassturtle吃草獲取能量修改patch顏色表示草的有無(wú)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(wú)草，然后自身能量增加10askturtles[ifpcolor=green[setpcolorblacksetenergy(energy+10)]]end第二十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日修改原來(lái)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第二十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日假設(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end第二十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日toreproduceaskturtles[ifenergy>50[;;如果能量大于50則繁殖

setenergyenergy-50;;母體能量減少50hatch1[setenergy50];;產(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]]end第二十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.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lable第二十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日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(gè)Plot控件必須指定一個(gè)唯一名，在繪圖時(shí)通過(guò)Plot名指定在哪個(gè)Plot上繪圖繪圖時(shí)必須使用某個(gè)畫(huà)筆，畫(huà)筆默認(rèn)是黑色實(shí)線，也可以創(chuàng)建自定義畫(huà)筆 第二十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日繪制turtles數(shù)量和青草數(shù)量曲線添加Plot控件創(chuàng)建兩個(gè)畫(huà)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(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日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(huà)筆turtlesplotcountturtles;;繪制turtles數(shù)量

set-current-plot-pen“grass”;;選定畫(huà)筆grassplotcountpatcheswith[pcolor=green];;繪制青草數(shù)量end第三十頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日7.仿真參數(shù)控制參數(shù)控件開(kāi)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。 第三十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日例如：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)停止第三十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日代碼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第三十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日四、建模技術(shù)1.訪問(wèn)鄰域原語(yǔ)Neighbors，Moore鄰域neighbors4，vonNeumann鄰域<agentset>in-radius<number><agentset>at-points<list>演示第三十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.主體交互T-P交互turtle能夠直接訪問(wèn)所在之處的patch，對(duì)該patch的屬性進(jìn)行讀寫(xiě)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(xiě)askturtles[setpcolor-ofpatch-at10blue] 第三十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日patch可以通過(guò)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(guò)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。第三十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日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(yǔ)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。第三十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日獲得目標(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(yǔ)，語(yǔ)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(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日獲取目標(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(yǔ)有turtles-here和other-turtles-here，二者的區(qū)別僅在于是否包含調(diào)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(jìn)10。另一種方式是獲取特定patch上的所有turtles。原語(yǔ)有<breeds>-atdxdy，<breeds>-onagentset等。例如“turtles-at10”返回右側(cè)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(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.持久關(guān)系的建立基本方法是在個(gè)體中相互保持對(duì)方的引用，這樣可以隨時(shí)對(duì)對(duì)方進(jìn)行操作。例如在個(gè)體之間建立簡(jiǎn)單的伙伴關(guān)系。假設(shè)還沒(méi)有找到伙伴的個(gè)體隨機(jī)移動(dòng)，直到與另一個(gè)尚沒(méi)有伙伴的個(gè)體建立伙伴關(guān)系，一旦建立伙伴關(guān)系后將長(zhǎng)期保持。為實(shí)現(xiàn)這一模型，首先為turtle增加變量partner,用于保持對(duì)伙伴的引用，然后在移動(dòng)時(shí)從相遇的一些無(wú)伙伴的turtle中選擇一個(gè)，相互建立伙伴關(guān)系。第四十頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.多類異