41第四章多主体系统仿真的软件工具
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探测器的主要功能
– 在Swarm模型中 ，实时观测所有 主体的行为。
– 为建立GUI提供 有效数据。
Probe
Open probe for class Close probe
Input value for variable Executes method
《复杂系统建模与仿真》
Collection
《复杂系统建模与仿真》
CAS理论简介
SWARM介绍 · SWARM的诞生 · 发展历史 · 简介 · 建模思想 · 结构 · 类库
建模流程标准化 模型实例
《复杂系统建模与仿真》
SWARM简介
Swarm 是一个用于复杂适应系统（ CAS）模拟的多主体软件平台。
Swarm用来支持建模者对复杂适应 系统的研究使用多主体模拟（MultiAgent Simulation） 的方法开展研 究工作。
Swarm的递归结构
Probes
Schedule
The Model Swarm
The Interface
Agent Sub-Swarm
Sub-sub-Swarm
《复杂系统建模与仿真》
ModelSwarm
ModelSwarm 是swarm的子类。 ModelSwarm 中的每一个对象对应模型
《复杂系统建模与仿真》
Swarm 的结构
一个Swarm模型包括
– 模型Swarm （ModelSwarm）
– 观察者Swarm （Observபைடு நூலகம்rSwarm）
分层的“Swarm”可 以将模型的数据收集 和实现进行分离.
Swarm model swarm observerswarm
《复杂系统建模与仿真》
世界中的一个主体。 ModelSwarm包括模型中行为的时间表
。 ModelSwarm 还包括一系列输入和输出
。输入的是模型参数，如对象的个数、 初始值等；输出的是要观测的变量的值 及模型的运行结果。
《复杂系统建模与仿真》
ObserverSwarm
ObserverSwarm 同样是swarm的一个子类。 ObserverSwarm 是一个特殊的对象，它可以
Swarm最初只能在Unix操作系统和 X Windows界面下运行。
1998年四月，伴随着1.1版的发布，Swarm推 出了可以在Windows 95/98/NT上运行的版本 。
1999年，Swarm又提供了对Java的支持，（ 在此之前只能使用Objective-C）从而使Swarm 越来越有利于非计算机专业的人士使用。
复杂适应系统理论强调主体行为是系统进化的根本 动因，其核心思想是适应性造就复杂性，这一理论 对于生态、物理、经济、社会等领域的研究具有很 强的指导意义。
《复杂系统建模与仿真》
CAS理论简介
SWARM介绍 · SWARM的诞生 · 发展历史 · 简介 · 建模思想 · 结构 · 类库
建模流程标准化 模型实例
Observer
-create: aZone;
-buildObjects; -buildActions; -activateIn: swarmContext; Model Model
《复杂系统建模与仿真》
Swarm 建模
Inanimate agents Animate agents
模型
观察者
《复杂系统建模与仿真》
· SWARM的诞生 · 发展历史 · 简介 · 建模思想 · 结构 · 类库 建模流程标准化 模型实例
《复杂系统建模与仿真》
SWARM类库的简介
SWARM有七个核心库: defobj，collection ，random ，tkobjc ， activity， swarmobject和simtools 。
《复杂系统建模与仿真》
SWARM建模思想（续）
Swarm支持分级建模方法，在嵌套 结构中，个体可由其它个体的 swarms所组成。
Swarm提供了面向对象的可重用组 件库，用来建模并进行分析，显示 以及对实验进行控制。
《复杂系统建模与仿真》
CAS理论简介 SWARM介绍
· SWARM的诞生 · 发展历史 · 简介 · 建模思想 · 结构 · 类库 建模流程标准化 模型实例
Map
Set
《复杂系统建模与仿真》
List
list是根据建立成员的先后顺序建立的一个线性列表
KeyedCollection
– Map
• 建立从key objects到 member objects的联系。 • Map 定义了从key values 到member values的映射。
– Set
通过探测器接口观察其它个体。 ObserverSwarm 包括一组个体和一个行为时
间表。
– ObserverSwarm 的个体是用来观测的探测器以及 输出界面，如图表、二维格点等。
– ObserverSwarm的行为时间表用来描述各探测器 采样的间隔和顺序。
《复杂系统建模与仿真》
两类SWARM的合并
先建ObserverSwarm
在ObserverSwarm 中 建立ModelSwarm 作 为自身一个 subswarm，并为它分 配内存空间；
ModelSwarm 建立模 型的主体(agent)以及 主体的行为。
[modelSwarm create: self]; [modelSwarm buildObjects]; [modelSwarm buildActions]; [modelSwarm activateIn: self];
前四个是支持库，有可能在Swarm 之外 用到；后三个是Swarm 专有的类库。
目前，Swarm还为建模提供三个领域相 关的库：space、ga和neuro。
可以将自行编写的库文件加入到其中。
《复杂系统建模与仿真》
Swarmobject
Swarmobject 库包括swarmobject 和
《复杂系统建模与仿真》
SWARM的诞生
在科学研究，特别是复杂系统的研究中 ，人们常常要借助计算机来完成他们的 工作。
为了使计算机建模成熟起来，我们需要 一个工艺精良的，标准的软件工具集。
《复杂系统建模与仿真》
SWARM的诞生（续）
从1994 年开始，圣菲研究所（SFI）开 展了一个研究项目，以开发一个工具集 来研究复杂适应系统，从而将建模者们 从编写程序的繁琐劳动中解放出来，可 以将精力集中于他们所研究的专业领域 。
建模流程标准化 模型实例
《复杂系统建模与仿真》
CAS理论简介
所谓复杂适应系统，是指系统与外部环境交互作用 的过程中，通过自适应改变系统本身的组织结构和 行为特点，从而不断向前发展和演化。
将组成系统的元素视为具有适应性的主体，简称主 体，所谓具有适应性，是指它能够与环境以及其他 主体进行交互作用，在这种交流的过程中不断“学 习”或“积累经验”，并根据学到的经验改变自身 结构和行为方式。
《复杂系统建模与仿真》
SWARM简介(续)
用户可以使用Swarm 提供的类库构建 模拟系统，使系统中的主体和元素通过 离散事件进行交互。
SWARM可以用于各个广泛的研究领域, 比如说生物学，经济学，物理学，化学 和生态学等。
《复杂系统建模与仿真》
CAS理论简介 SWARM介绍
／Repast/Ascape/Netlogo，掌握该 工具建立多主体建模的 一般工作原 理和步骤，能够编写Swarm经济社 会 模型
《复杂系统建模与仿真》
大纲
第一节 综述 第二节. Swarm 第三节 Repast 第四节 Ascape
《复杂系统建模与仿真》
Swarm ：基于CAS理论的 模拟平台
ActionGroup
– Actiongroup相当于一系列动作的计划，它由对主体 建立的一系列动作所构成。
– ActionGroups把在同一时间各个主体的不同行为集 合在一起。
Schedule
– 时间表是模型运行的时序列表，用户可以将周期性 执行的动作按顺序放入这个数据结构中，并指明运 行间隔和触发条件，就可以按照这个约定运行而不 需人为的干预。
· SWARM的诞生 · 发展历史 · 简介 · 建模思想 · 结构 · 类库 建模流程标准化 模型实例
《复杂系统建模与仿真》
SWARM建模思想
Swarm的整个思想是提供一个执行环境， 在这个环境中，大量的对象能够“生活”，并 以一种分布式的并行方式互相作用。
在Swarm上的很多工作并不仅仅是为了使 并行性的任务易于管理，而且是建立一种机制 ，使人们意识到在它们的实验装置中多个时间 线程是如何互相作用的。
《复杂系统建模与仿真》
Simtool
Simtool库中包括支持探测器（probe ）的类，可以在模型的运行过程中观察 或修改变量（可增加agent）。
Simtools 还提供数据分析和显示支持的 工具，能够产生统计数据汇总以及画时 序图等等功能。
《复杂系统建模与仿真》
The
Swarm 对标准面 向对象编程的一个 发展是探测器技术
Integration of Swarm activities
GUI
Model
Swarm kernel
Operating System CPU
Sub-Swarm ModelSwarm ObserverSwarm Swarm kernel
《复杂系统建模与仿真》
CAS理论简介 SWARM介绍
Collection提供了一 系列对象的列表。
Swarm 支持向一 个列表中的所有对 象传递消息，还可 以将列表中的对象 按某个属性排序。
Collection 主要的 子类包括 Array, List, Set和 Map.
Collection
List
Keyed Collection
Array
《复杂系统建模与仿真》
第四章 多主体系统仿真的软件 工具
建议10课时，第1，2节4课时, 3\4 节2课时（部分内容可略过）
中国人民大学经济科学实验室 ecolab.ruc.edu 张树人 t.qq/DrZhangshuren
《复杂系统建模与仿真》
本章要求
学完本章后要求掌握以下知识点 理解工具在多主体建模中的作用 至少掌握下面工具的一种：Swarm
swarm。
Swarmobject是所有模拟主体的根类，
它定义了内存管理的接口，并提供对探 测器（probe）的支持。 Swarm是模型的总控，ModelSwarm 和 ObserverSwarm 都是从这一基类继承 的。
《复杂系统建模与仿真》
Major Activity classes
– 一个generator 对象
必须提供一个产生随机 数序列的“种子”（ seed），这也是 generator的主要功能 。
Set 中的每一个主体的 key value 是由主体自身确定的，它是和 主体一一对应的。
Array
Array 是collecton成员的集合。 通过这个固定的数据结构，根据每一个成员偏移量 ，能够很快计算出它的位置。
《复杂系统建模与仿真》
Ramdom
Ramdom库提了 一套随机数生成器 。
这个模拟工具集就叫做Swarm。1995 年 SFI 发布了Swarm的beta 版。
《复杂系统建模与仿真》
CAS理论简介
SWARM介绍 · SWARM的诞生 · 发展历史 · 简介 · 建模思想 · 结构 · 类库
建模流程标准化 模型实例
《复杂系统建模与仿真》
SWARM发展历史
《复杂系统建模与仿真》
主要内容
CAS理论简介 SWARM介绍
· SWARM的诞生 · 发展历史 · 简介 · 建模思想 · 结构 · 类库 建模流程标准化 模型实例
《复杂系统建模与仿真》
CAS理论简介
SWARM介绍 · SWARM的诞生 · 发展历史 · 简介 · 建模思想 · 结构 · 类库
Swarm 的随机数 库支持正态分布、 均匀分布、指数分 布等多种随机分布 。
Ramdom被分为 Distributions和 Generators
random
Generators
...
Distributions
...
《复杂系统建模与仿真》
随机数列的产生
从某种分布中获取随 机数序列，需要
– 在Swarm模型中 ，实时观测所有 主体的行为。
– 为建立GUI提供 有效数据。
Probe
Open probe for class Close probe
Input value for variable Executes method
《复杂系统建模与仿真》
Collection
《复杂系统建模与仿真》
CAS理论简介
SWARM介绍 · SWARM的诞生 · 发展历史 · 简介 · 建模思想 · 结构 · 类库
建模流程标准化 模型实例
《复杂系统建模与仿真》
SWARM简介
Swarm 是一个用于复杂适应系统（ CAS）模拟的多主体软件平台。
Swarm用来支持建模者对复杂适应 系统的研究使用多主体模拟（MultiAgent Simulation） 的方法开展研 究工作。
Swarm的递归结构
Probes
Schedule
The Model Swarm
The Interface
Agent Sub-Swarm
Sub-sub-Swarm
《复杂系统建模与仿真》
ModelSwarm
ModelSwarm 是swarm的子类。 ModelSwarm 中的每一个对象对应模型
《复杂系统建模与仿真》
Swarm 的结构
一个Swarm模型包括
– 模型Swarm （ModelSwarm）
– 观察者Swarm （Observபைடு நூலகம்rSwarm）
分层的“Swarm”可 以将模型的数据收集 和实现进行分离.
Swarm model swarm observerswarm
《复杂系统建模与仿真》
世界中的一个主体。 ModelSwarm包括模型中行为的时间表
。 ModelSwarm 还包括一系列输入和输出
。输入的是模型参数，如对象的个数、 初始值等；输出的是要观测的变量的值 及模型的运行结果。
《复杂系统建模与仿真》
ObserverSwarm
ObserverSwarm 同样是swarm的一个子类。 ObserverSwarm 是一个特殊的对象，它可以
Swarm最初只能在Unix操作系统和 X Windows界面下运行。
1998年四月，伴随着1.1版的发布，Swarm推 出了可以在Windows 95/98/NT上运行的版本 。
1999年，Swarm又提供了对Java的支持，（ 在此之前只能使用Objective-C）从而使Swarm 越来越有利于非计算机专业的人士使用。
复杂适应系统理论强调主体行为是系统进化的根本 动因，其核心思想是适应性造就复杂性，这一理论 对于生态、物理、经济、社会等领域的研究具有很 强的指导意义。
《复杂系统建模与仿真》
CAS理论简介
SWARM介绍 · SWARM的诞生 · 发展历史 · 简介 · 建模思想 · 结构 · 类库
建模流程标准化 模型实例
Observer
-create: aZone;
-buildObjects; -buildActions; -activateIn: swarmContext; Model Model
《复杂系统建模与仿真》
Swarm 建模
Inanimate agents Animate agents
模型
观察者
《复杂系统建模与仿真》
· SWARM的诞生 · 发展历史 · 简介 · 建模思想 · 结构 · 类库 建模流程标准化 模型实例
《复杂系统建模与仿真》
SWARM类库的简介
SWARM有七个核心库: defobj，collection ，random ，tkobjc ， activity， swarmobject和simtools 。
《复杂系统建模与仿真》
SWARM建模思想（续）
Swarm支持分级建模方法，在嵌套 结构中，个体可由其它个体的 swarms所组成。
Swarm提供了面向对象的可重用组 件库，用来建模并进行分析，显示 以及对实验进行控制。
《复杂系统建模与仿真》
CAS理论简介 SWARM介绍
· SWARM的诞生 · 发展历史 · 简介 · 建模思想 · 结构 · 类库 建模流程标准化 模型实例
Map
Set
《复杂系统建模与仿真》
List
list是根据建立成员的先后顺序建立的一个线性列表
KeyedCollection
– Map
• 建立从key objects到 member objects的联系。 • Map 定义了从key values 到member values的映射。
– Set
通过探测器接口观察其它个体。 ObserverSwarm 包括一组个体和一个行为时
间表。
– ObserverSwarm 的个体是用来观测的探测器以及 输出界面，如图表、二维格点等。
– ObserverSwarm的行为时间表用来描述各探测器 采样的间隔和顺序。
《复杂系统建模与仿真》
两类SWARM的合并
先建ObserverSwarm
在ObserverSwarm 中 建立ModelSwarm 作 为自身一个 subswarm，并为它分 配内存空间；
ModelSwarm 建立模 型的主体(agent)以及 主体的行为。
[modelSwarm create: self]; [modelSwarm buildObjects]; [modelSwarm buildActions]; [modelSwarm activateIn: self];
前四个是支持库，有可能在Swarm 之外 用到；后三个是Swarm 专有的类库。
目前，Swarm还为建模提供三个领域相 关的库：space、ga和neuro。
可以将自行编写的库文件加入到其中。
《复杂系统建模与仿真》
Swarmobject
Swarmobject 库包括swarmobject 和
《复杂系统建模与仿真》
SWARM的诞生
在科学研究，特别是复杂系统的研究中 ，人们常常要借助计算机来完成他们的 工作。
为了使计算机建模成熟起来，我们需要 一个工艺精良的，标准的软件工具集。
《复杂系统建模与仿真》
SWARM的诞生（续）
从1994 年开始，圣菲研究所（SFI）开 展了一个研究项目，以开发一个工具集 来研究复杂适应系统，从而将建模者们 从编写程序的繁琐劳动中解放出来，可 以将精力集中于他们所研究的专业领域 。
建模流程标准化 模型实例
《复杂系统建模与仿真》
CAS理论简介
所谓复杂适应系统，是指系统与外部环境交互作用 的过程中，通过自适应改变系统本身的组织结构和 行为特点，从而不断向前发展和演化。
将组成系统的元素视为具有适应性的主体，简称主 体，所谓具有适应性，是指它能够与环境以及其他 主体进行交互作用，在这种交流的过程中不断“学 习”或“积累经验”，并根据学到的经验改变自身 结构和行为方式。
《复杂系统建模与仿真》
SWARM简介(续)
用户可以使用Swarm 提供的类库构建 模拟系统，使系统中的主体和元素通过 离散事件进行交互。
SWARM可以用于各个广泛的研究领域, 比如说生物学，经济学，物理学，化学 和生态学等。
《复杂系统建模与仿真》
CAS理论简介 SWARM介绍
／Repast/Ascape/Netlogo，掌握该 工具建立多主体建模的 一般工作原 理和步骤，能够编写Swarm经济社 会 模型
《复杂系统建模与仿真》
大纲
第一节 综述 第二节. Swarm 第三节 Repast 第四节 Ascape
《复杂系统建模与仿真》
Swarm ：基于CAS理论的 模拟平台
ActionGroup
– Actiongroup相当于一系列动作的计划，它由对主体 建立的一系列动作所构成。
– ActionGroups把在同一时间各个主体的不同行为集 合在一起。
Schedule
– 时间表是模型运行的时序列表，用户可以将周期性 执行的动作按顺序放入这个数据结构中，并指明运 行间隔和触发条件，就可以按照这个约定运行而不 需人为的干预。
· SWARM的诞生 · 发展历史 · 简介 · 建模思想 · 结构 · 类库 建模流程标准化 模型实例
《复杂系统建模与仿真》
SWARM建模思想
Swarm的整个思想是提供一个执行环境， 在这个环境中，大量的对象能够“生活”，并 以一种分布式的并行方式互相作用。
在Swarm上的很多工作并不仅仅是为了使 并行性的任务易于管理，而且是建立一种机制 ，使人们意识到在它们的实验装置中多个时间 线程是如何互相作用的。
《复杂系统建模与仿真》
Simtool
Simtool库中包括支持探测器（probe ）的类，可以在模型的运行过程中观察 或修改变量（可增加agent）。
Simtools 还提供数据分析和显示支持的 工具，能够产生统计数据汇总以及画时 序图等等功能。
《复杂系统建模与仿真》
The
Swarm 对标准面 向对象编程的一个 发展是探测器技术
Integration of Swarm activities
GUI
Model
Swarm kernel
Operating System CPU
Sub-Swarm ModelSwarm ObserverSwarm Swarm kernel
《复杂系统建模与仿真》
CAS理论简介 SWARM介绍
Collection提供了一 系列对象的列表。
Swarm 支持向一 个列表中的所有对 象传递消息，还可 以将列表中的对象 按某个属性排序。
Collection 主要的 子类包括 Array, List, Set和 Map.
Collection
List
Keyed Collection
Array
《复杂系统建模与仿真》
第四章 多主体系统仿真的软件 工具
建议10课时，第1，2节4课时, 3\4 节2课时（部分内容可略过）
中国人民大学经济科学实验室 ecolab.ruc.edu 张树人 t.qq/DrZhangshuren
《复杂系统建模与仿真》
本章要求
学完本章后要求掌握以下知识点 理解工具在多主体建模中的作用 至少掌握下面工具的一种：Swarm
swarm。
Swarmobject是所有模拟主体的根类，
它定义了内存管理的接口，并提供对探 测器（probe）的支持。 Swarm是模型的总控，ModelSwarm 和 ObserverSwarm 都是从这一基类继承 的。
《复杂系统建模与仿真》
Major Activity classes
– 一个generator 对象
必须提供一个产生随机 数序列的“种子”（ seed），这也是 generator的主要功能 。
Set 中的每一个主体的 key value 是由主体自身确定的，它是和 主体一一对应的。
Array
Array 是collecton成员的集合。 通过这个固定的数据结构，根据每一个成员偏移量 ，能够很快计算出它的位置。
《复杂系统建模与仿真》
Ramdom
Ramdom库提了 一套随机数生成器 。
这个模拟工具集就叫做Swarm。1995 年 SFI 发布了Swarm的beta 版。
《复杂系统建模与仿真》
CAS理论简介
SWARM介绍 · SWARM的诞生 · 发展历史 · 简介 · 建模思想 · 结构 · 类库
建模流程标准化 模型实例
《复杂系统建模与仿真》
SWARM发展历史
《复杂系统建模与仿真》
主要内容
CAS理论简介 SWARM介绍
· SWARM的诞生 · 发展历史 · 简介 · 建模思想 · 结构 · 类库 建模流程标准化 模型实例
《复杂系统建模与仿真》
CAS理论简介
SWARM介绍 · SWARM的诞生 · 发展历史 · 简介 · 建模思想 · 结构 · 类库
Swarm 的随机数 库支持正态分布、 均匀分布、指数分 布等多种随机分布 。
Ramdom被分为 Distributions和 Generators
random
Generators
...
Distributions
...
《复杂系统建模与仿真》
随机数列的产生
从某种分布中获取随 机数序列，需要