《多主体仿真平台》PPT课件

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1、多主体仿真平台NetLogo,张 发 2020年10月5日,一、NetLogo简介,1.基本情况 NetLogo是一个多主体建模仿真集成环境 由美国西北大学连接学习与计算机建模中心（Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling，CCL）开发。 2002年发布了1.0版本，最新4.0,2. 主要功能,多主体建模 多个移动Agent分布在二维空间中，每个Agent自主行动，所有主体并行异步更新，整个系统随着时间推进而动态变化。 运行控制 仿真输出 提供了多种手段实现仿真运行监视和结果输出 实验管理 BahaviorSpace，自

2、动管理仿真运行，并记录结果。 系统动力学仿真 参与式仿真 HubNet 模型库,二、NetLogo仿真框架,1. NetLogo软件 界面(见软件)： 模型部分 三个TabPage 命令行窗口,2.模型的抽象,总体： 大量的可移动主体在二维空间中交互作用，随着时间推进，微观个体的属性不断发生变化，系统的宏观特征也因此而变化。 从三个方面理解： 主体 空间表达 仿真推进,（1）主体,虚拟世界由主体构成，主体能够接受命令，进行活动，所有主体的行为并行发生。 NetLogo中共有三类主体， turtles（小海龟） patches（瓦片） observer（观察者） 在4.0中将Links作为一类主

3、体,主体类型,turtles指能够在世界中移动的主体。 世界是二维的，划分为由patches组成的网格，每个patch占据一个矩形小块。 patch不能移动 patch也是主体 patch和turtle一样可以有自己的属性和行为 observer是一个全局主体，它观察着由turtles和patches构成的世界，能够执行指令获取世界全部或部分的状态，或实现对世界的控制。,虚拟世界,（2）空间表达,每个patch有二维坐标（pxcor,pycor）坐标值为整数。 默认情况下，二维世界的水平、垂直坐标范围为（-17，17） 每个turtle也有坐标（xcor,ycor） turtle坐标不必是整数

4、，因此turtle不一定正好位于某个patch的中心。 一个patch上也可以同时有多个turtles。 实际上对turtle而言，NetLogo的空间是连续的。,拓扑结构,根据在水平和垂直方向边界是否进行回绕 ，形成四种结构 环面（torus），默认结构 盒子（box） 垂直柱面（vertical cylinder） 水平柱面（horizontal cylinder） 回绕影响主体移动时是否穿越边界 软件操作，在View上点击Edit,（3）仿真推进,没有明确的仿真时钟变量，也没有提供特定的事件处理机制 仿真推进是通过不断重复执行某个例程实现的 模型中至少要有初始化例程和仿真执行例程 初始化

5、例程实现对模型初始状态的设置，生成所需的turtles，设置其状态，以及其它工作。 仿真的执行通过例程go实现，在go例程中编写所需执行的各种指令，完成一个仿真步的工作。 需要在Interface页中建立一个按钮与go例程相联系，该按钮是一个永久（forever)按钮，点击后将不断重复执行go例程，直到遇到stop指令或用户再次点击该按钮则仿真终止。,2.建模基本过程,NetLogo模型包括可视化部件和例程两部分，二者具有紧密联系。 先在Interface中创建可视化控件，然后在Procedures中实现相应的代码，通过设置控件的属性将二者联系起来。,Interface中主要有三类部件 运行控

6、制 参数控制 仿真显示 Procedure中的例程分为两类： 命令（command）例程 报告（reporter）例程,基本过程,初始化 确定活动顺序 定义主体属性与行为 仿真过程监视 图形输出 仿真参数控制,三、生态系统建模示例,假设要模拟一个简单的生态系统， 该系统中有一种生物以青草为食，通过吃草获取能量、 该类生物经历成长、繁殖、死亡过程。,1. 初始化,创建生物群体，并将它们随机分布在空间中。 例程（demo1）,2.仿真执行例程,实现turtle随机移动 实现go例程，与forever按钮联系 go 调用move-turtles例程,增加代码: (demo2),3.青草的模拟,为模拟

7、青草的存在设置patches为绿色 改写setup 例程，其中调用了两个新的例程setup-turtles和setup-patches，分别设置turtle和patch的初始状态,demo3,4.主体行为,现在增加一些行为，假设turtle以青草为食，通过吃草获得能量，移动时要消耗能量。 patch代表青草，绿色表示有，黑色表示无。 为实现这样的模型，需要重新定义turtles的属性和行为，然后重写go例程。 首先给turtle增加变量energy以存储当前能量值， 另外添加吃草获取能量的例程， 还要修改移动例程以反映能量消耗。,自定义turtle变量，修改go,定义eatgrass,turt

8、le吃草获取能量 修改patch颜色表示草的有无,修改原来的move-turtles例程，添加能量消耗指令。,假设turtle能量小于等于0就死亡，当能量大于50就繁殖；青草以一定的恢复率再生。由于主体行为发生了改变，需重新定义go例程，,5.监视仿真运行,监视器控件(monitor) 显示turtle数量，monitor表达式“count turtles” 主体标签 每个主体有一个变量lable,6.图形输出,在Interface中创建Plot控件，在Procedures中编制绘图例程。 绘图概念 每个Plot控件必须指定一个唯一名，在绘图时通过Plot名指定在哪个Plot上绘图 绘图时必须

9、使用某个画笔，画笔默认是黑色实线，也可以创建自定义画笔,绘制turtles数量和青草数量曲线,添加Plot控件 创建两个画笔，分别指定颜色 添加do-plots例程 修改 setup和go例程,7.仿真参数控制,参数控件 开关(switch)、滑动条(slider)、选择器(chooser) 这些控件都对应一个全局变量,在Procedures中将这些全局变量作为参数使用在程序中，就能实现仿真参数的控制。,例如：选择仿真时长,用滑动条设置仿真时长，对应变量名terminate-time 添加全局变量ticks 修改go例程, 随着仿真修改ticks 当ticks=terminate-time时停

10、止,代码,四、建模技术,1. 访问邻域原语 Neighbors ，Moore邻域 neighbors4 ，von Neumann邻域 in-radius at-points 演示,2.主体交互,T-P交互 turtle能够直接访问所在之处的patch，对该patch的属性进行读写 ask turtles set pcolor blue turtle还可以利用空间相关操作获取所需的patches，然后对这些patches的属性进行读写 ask turtles set pcolor-of patch-at 1 0 blue,patch可以通过一些操作获取相关的turtle 例如turtles-he

11、re就返回当前patch处的turtle集合。 也可以通过空间相关操作获取相应patch上的turtles。 例如”turtles at dx dy”返回与当前patch相对距离（dx,dy）处的turtles集合。,T-T交互,实现T-T交互的第一步是得到目标turtle的句柄，然后进行操作。 获取目标turtle句柄的常用方式有三种：随机选取、根据特定条件、空间相关。 随机选取是指在特定agent集合中以随机方式选取一个或n个agent。选取一个agent的原语为one-of 例如“set color-of one-of turtles red”在所有turtles中随机选择一个turtl

12、e，将其颜色设为红色。,获得目标agent或agentset的第二种方式是根据特定条件。 方法是使用with原语，语法为agentset with condition，返回满足条件condition的agent集合。 例如“turtles with color = red”返回红色的turtle集合；,获取目标agent或agent集合的第三种方式是运用空间相关操作。 比较直接的一种是获取当前patch上的turtle集合，原语有turtles-here和other-turtles-here，二者的区别仅在于是否包含调用者自身。 例如“ask turtle 0 ask other-turtle

13、s-here fd 10”表示ID=0的turtle令处于同一patch上的其他turtle前进10。 另一种方式是获取特定patch上的所有turtles。原语有-at dx dy，-on agentset等。 例如“turtles-at 1 0”返回右侧紧邻patch上的所有turtle，“turtles-on patch-ahead”返回前方patch上的所有turtle。,3.持久关系的建立,基本方法是在个体中相互保持对方的引用，这样可以随时对对方进行操作。 例如在个体之间建立简单的伙伴关系。 假设还没有找到伙伴的个体随机移动，直到与另一个尚没有伙伴的个体建立伙伴关系，一旦建立伙伴关系

14、后将长期保持。 为实现这一模型，首先为turtle增加变量partner,用于保持对伙伴的引用，然后在移动时从相遇的一些无伙伴的turtle中选择一个，相互建立伙伴关系。,4.多类异质主体,NetLogo可以定义不同类别(称为breeds)的turtles，各类turtle可以拥有特有的属性和例程。 定义关键词为breed，例如： breed wolves wolf breed sheep a-sheep 一旦定义了一类turtle，系统自动创建该类所有turtle的集合，一些相关的原语也马上可以使用了， 例如对于sheep类就有create-sheep、hatch-sheep、is-a-sh

15、eep?等。 也可以指定该类具有的变量，例如对于sheep，“sheep-own grabbed?”就为sheep增加了一个变量。,五、NetLogo高级特性,1.实验管理 实验管理工具BehaviorSpace，能够自动对参数空间进行扫描，也能进行较简单的统计计算，记录并输出仿真结果。,2.参与式仿真,参与式仿真工具HubNet，使得人们可以参与到仿真过程之中，每个参与者控制一个仿真主体，与计算机一起完成仿真实验。 进行参与式仿真的基本过程是： 首先在一台计算机上运行HubNet模型，作为服务器，建立HubNet活动，模型启动时指定HubNet会话（session）名作为该活动的标识。 会话启动后出现HubNet控制中心,管理者通过控制中心实现用户管理 HubNet服务器启动后，参与者可以在其它计算机上启动HubNet客户程序，用户选择要参与的会话进行登录。 登录后会出现客户端界面，用户通过控件实现对主体行为的控制。,3. 使用扩展包,除了使用NetLogo内建的原语外，还可以在模型中引入扩展包， 使用扩展包中提供的命令和报告器就象使用内建原语一样。 NetLogo可以使用第三方扩展包，当然也可以根据需要自行编写扩展包实现特定功能,