多主體仿真平臺NetLogo課件

1、多主體仿真平臺NetLogo張 發(fā)Thursday, September 22, 2022一、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(xué)連接學(xué)習(xí)與計算機(jī)建模中心（Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling，CCL）開發(fā)。2002年發(fā)布了1.0版本，最新4.0 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(jìn)而動態(tài)變化。 運(yùn)行控制仿真輸出提供了多種手段實現(xiàn)仿真運(yùn)行監(jiān)視和結(jié)果輸出 實驗管理BahaviorS

2、pace，自動管理仿真運(yùn)行，并記錄結(jié)果。 系統(tǒng)動力學(xué)仿真參與式仿真HubNet 模型庫二、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 （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，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 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(wǎng)格，每個patch占據(jù)一個矩形小塊。patch不能移動patch也是主體patch和tur

3、tle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(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)對世界的控制。 （2）空間表達(dá)每個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。 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

4、四種結(jié)構(gòu)環(huán)面（torus），默認(rèn)結(jié)構(gòu)盒子（box）垂直柱面（vertical cylinder）水平柱面（horizontal cylinder）回繞影響主體移動時是否穿越邊界軟件操作，在View上點(diǎn)擊Edit（3）仿真推進(jìn)沒有明確的仿真時鐘變量，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)行某個例程實現(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現(xiàn)對模型初始狀態(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實現(xiàn)，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(lián)系，該按鈕是一個

5、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。2.建?；具^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）例程報告（reporter）例程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(shù)控制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（dem

6、o1）to setup ;定義例程setup clear-all ;設(shè)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(rèn)坐標(biāo)是（0，0） create-turtles 100 ;命令所有turtle執(zhí)行語句setxy random-xcor random-ycor ;各turtle 坐標(biāo)隨機(jī)產(chǎn)生，實現(xiàn)turtles在空間中的隨機(jī)分布 ask turtles setxy random-xcor random-ycorend2.仿真執(zhí)行例程實現(xiàn)turtle隨機(jī)移動實現(xiàn)go例程，與forever按鈕聯(lián)系go 調(diào)用move-turtles例程3.青草的模擬為模擬青草的存在設(shè)置

7、patches為綠色改寫setup 例程，其中調(diào)用了兩個新的例程setup-turtles和setup-patches，分別設(shè)置turtle和patch的初始狀態(tài) demo3to setup clear-all setup-patches ;調(diào)用例程setup-patches setup-turtles ;調(diào)用例程setup-turtlesendto setup-patches ;命令所有patches執(zhí)行指令set pcolor green ;該指令將patch顏色設(shè)置為綠色 ask patchesset pcolor greenendto setup-turtles create-turt

8、les 100 ask turtlessetxy random-xcor random-ycorend4.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，移動時要消耗能量。patch代表青草，綠色表示有，黑色表示無。為實現(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，還要修改移動例程以反映能量消耗。自定義turtle變量，修改goturtles-ownenergy ;聲明turtle變量energyto go move-turtles ;turtle隨機(jī)移動，消耗

9、能量 eat-grass ;吃草獲取能量end定義eatgrassturtle吃草獲取能量修改patch顏色表示草的有無to eat-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10 ask turtles if pcolor = green set pcolor black set energy (energy+10) end修改原來的move-turtles例程，添加能量消耗指令。to move-turtles ask turtles right random 360 forward 1 set en

10、ergy energy - 1 ;移動后能量減少1 endto reproduce ask turtles if energy 50 ;如果能量大于50則繁殖 set energy energy-50 ;母體能量減少50 hatch 1 set energy 50 ;產(chǎn)生一個后代，初始能量50 endto check-death ask turtles if energy=0 die ;如果能量小于等于0則死亡endto regrow-grass ask patches ;青草以0.03的概率再生 if random 100= terminate-time stop ;判斷是否應(yīng)停止 move

11、-turtles eat-grass reproduce check-death regrow-grass do-plots set ticks ticks+1 ;時鐘推進(jìn)end四、建模技術(shù)1. 訪問鄰域原語Neighbors ，Moore鄰域neighbors4 ，von Neumann鄰域 in-radius at-points 演示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(jìn)行讀寫 ask turtles set pcolor blue turtle還可以利用空間相關(guān)操作獲取所需的patches，然后對這些patches的屬性進(jìn)行讀寫 ask

12、 turtles set pcolor-of patch-at 1 0 blue 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”turtles at dx dy”返回與當(dāng)前patch相對距離（dx,dy）處的turtles集合。 T-T交互實現(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)方式選取一個或n個agent。選取一個a

13、gent的原語為one-of 例如“set color-of one-of turtles red”在所有turtles中隨機(jī)選擇一個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agentset with condition，返回滿足條件condition的agent集合。例如“turtles with 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o

14、ther-turtles-here，二者的區(qū)別僅在于是否包含調(diào)用者自身。例如“ask turtle 0 ask other-turtles-here fd 10”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。原語有-at dx dy，-on agentset等。例如“turtles-at 1 0”返回右側(cè)緊鄰patch上的所有turtle，“turtles-on patch-ahead”返回前方patch上的所有turtle。 3.持久關(guān)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(jìn)行操作。

15、例如在個體之間建立簡單的伙伴關(guān)系。假設(shè)還沒有找到伙伴的個體隨機(jī)移動，直到與另一個尚沒有伙伴的個體建立伙伴關(guān)系，一旦建立伙伴關(guān)系后將長期保持。為實現(xiàn)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(guān)系。 4.多類異質(zhì)主體NetLogo可以定義不同類別(稱為breeds)的turtles，各類turtle可以擁有特有的屬性和例程。定義關(guān)鍵詞為breed，例如：breed wolves wolfbreed sheep a-sheep一旦定義了一類turtle，系統(tǒng)自動創(chuàng)建該類所有turtle的集合，一些相關(guān)

16、的原語也馬上可以使用了，例如對于sheep類就有create-sheep、hatch-sheep、is-a-sheep?等。也可以指定該類具有的變量，例如對于sheep，“sheep-own grabbed?”就為sheep增加了一個變量。 五、NetLogo高級特性1.實驗管理實驗管理工具BehaviorSpace，能夠自動對參數(shù)空間進(jìn)行掃描，也能進(jìn)行較簡單的統(tǒng)計計算，記錄并輸出仿真結(jié)果。 2.參與式仿真參與式仿真工具HubNet，使得人們可以參與到仿真過程之中，每個參與者控制一個仿真主體，與計算機(jī)一起完成仿真實驗。進(jìn)行參與式仿真的基本過程是：首先在一臺計算機(jī)上運(yùn)行HubNet模型，作為服務(wù)器，建立HubNet活動，模