多主体仿真工具(张发)

2. 主体开发工具
多主体开发工具主要针对网络环境，目的是实 现异构分布式计算。 包括主体语言、可重用包/类库、开发工具、 开发平台等 主体开发平台提供了比较完整的功能，如图形 化建模、编程环境、调试工具等，使用方便。 多主体开发平台，如ADK、AgentBuilder、 AgentFactory、JADE、JACK、Zeus等。
2.建模基本过程
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中一般需要三类部件
运行控制 参数设定 仿真显示
Procedure中的例程分为两类：
命令（command）例程 报告（reporter）例程
5. 专用仿真工具
专门针对某类复杂系统编制相应的软件 包/类库/工具等， 这些工具只针对这些特定类型的复杂系 统，通过输入参数、自定义规则等驱动 程序运行，为研究这些特定系统提供了 方便。
二、目前的仿真工具
种类繁多、特点各异 目前公开的与复杂系统仿真相关的工具 有上百种，并且呈继续增加趋势。
复杂系统仿真工具简介
to eat-grass ;;如果turtle所在patch颜色为绿色，表示有草，则吃草， ;;令该patch颜色变为黑色，表示已无草，然后自身能量增加10 ask turtles[ if pcolor = green[ set pcolor black set energy (energy+10) ] ] end
开发
2. 主要功能
多主体建模 运行控制 仿真输出 实验管理 系统动力学仿真 参与式仿真 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。
主体开发工具
优点：
主体实现方便，容易实现推理、学习等智能行为 有比较完善的主体的通信基础设施 一些平台提供了可视化主体建模工具
缺点
多主体开发工具面向一般的分布式计算，没有专门 针对仿真的框架 主体比较复杂，开销较大 掌握较困难
3.复杂系统仿真框架
复杂系统仿真框架：
提供一组设计和描述多主体建模仿真的概 念，同时提供支持实现该框架的软件包。 研究人员采用这些概念设计仿真模型，编写 程序，程序中通过调用仿真框架提供的类库 和工具实现仿真计算平台
回绕影响主体移动时是否穿越边界
（3）仿真推进
仿真推进是通过不断重复执行某个例程实现的 至少要有初始化例程和仿真执行例程
初始化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。 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。
to setup ;;定义例程setup clear-all ;;设置整个世界为初始状态 ;;创建100个turtles，创建后各turtle默认坐标是（0，0） create-turtles 100 ;;命令所有turtle执行语句setxy random-xcor random-ycor ;;各turtle 坐标随机产生，实现turtles在空间中的随机分布 ask turtles [setxy random-xcor random-ycor] end
五种比较流行的仿真工具
Objective-C Swarm
非常稳定、相对较小、组织良好，提供了非常 完整的工具集。 基本概念清晰、设计良好、能实现图形界面和 模型分离。 “Swarm”能够包含“swarm”，每种“swarm” 可以有自己的对象集合和行为调度器，便于实 现异质复杂的模型。 Objective-C语言没有友好的开发环境、错误 检查能力弱、没有垃圾回收能力，文档和教学 材料太少。
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，主体的行为并行发生。 NetLogo中共有四类主体，
Turtles （小海龟） Patches （ 瓦片） observer（观察者） Links (链接)
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。
修改原来的move-turtles例程，添加能量 消耗指令。
to move-turtles ask turtles [ right random 360 forward 1 set energy energy - 1 ;;移动后能量减少1 ] end
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，
一个patch上也可以同时有多个turtles。 实际上对turtle而言，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(wrap) ，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）
3.青草的模拟
模拟青草的存在，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
to setup clear-all setup-patches setup-turtles end ;;调用例程setup-patches ;;调用例程setup-turtles
Swarm是一个经典的复杂系统仿真框架
仿真框架
优点：
仿真框架降低了复杂系统仿真的门槛 具有通用性，适用于几乎所有领域的微观仿真
缺点
这些框架掌握起来还是有一定的难度， 作为框架核心的一组主体建模概念不易理解 在研究实际问题时仍然需要编写较多的程序 程序中通过调用类库实现仿真调度、主体状态探测、 数据输出等，需要对支持类库有较多的了解。
基本过程
初始化 定义主体属性与行为 确定活动顺序 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（羊）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）
NetLogo
易用性很好 文档完整，适合教学使用 功能比较强大 编程环境比较受限 提供了错误检查，但没有调试能力
谢谢！
II
NetLogo 介 绍
一、NetLogo简介
1. 基本情况 它是一个多主体建模仿真集成环境 由美国西北大学Center for Connected
Learning and Computer-Based Modeling（CCL）
to setup-patches ;;命令所有patches执行指令set pcolor green ;;该指令将patch颜色设置为绿色 ask patches[set pcolor green] end to setup-turtles create-turtles 100 ask turtles[setxy random-xcor random-ycor] end
4.复杂系统仿真平台
将建模、实验控制、结果显示、数据分 析等功能综合在一起。 目前复杂系统仿真平台有NetLogo， MASS, SeSAm等
复杂系统仿真平台
优点
使用方便 基本概念容易理解 具有一定的灵活性。
缺点
对建模仿真过程的支持不够充分。 这类平台一般提供了一种语言用于对主体编程，这 些语言一般是该平台专用的，尽管比较简单，但仍 需要一个学习、掌握过程。 空间表达能力弱
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
Repast
比较完整的Java仿真框架。实现了Swarm的 大部分功能。 有运行控制、“Multi-Run”实验管理功能等。 Repast特别提供了许多地理和网络相关的类。 运行速度较快。 但是发行包组织不清晰、文档不完整，局部设 计上有一些问题。
MASON
对于经验丰富的程序员实现计算密集型仿真是 个好的选择。 MASON结构精巧、运行速度快，可以在多台 计算机之间分配任务。 提供的工具可以自由组合，图形显示界面可以 装配/拆卸。 但对初学者来说MASON不易掌握， 实现复杂逻辑不太方便，所使用的调度概念使 得编程很复杂。
Observer
turtle
patch
（2）空间表达
每个patch有二维坐标（pxcor,pycor）坐标值为整数。 二维世界的默认水平、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，因此turtle不一定正好位于某个 patch的中心。
2.仿真执行例程
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)
to go move-turtles end ;;定义仿真执行例程go ;;调用例程move-turtles