4.1第四章 多主体系统仿真的软件工具

《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《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／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《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》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CAS理论简介《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》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CAS理论简介《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。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》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CAS理论简介《复杂系统建模与仿真》SWARM发展历史Swarm最初只能在Unix操作系统和XWindows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Windows95/98/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。《复杂系统建模与仿真》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CAS理论简介《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（Multi-AgentSimulation）的方法开展研究工作。《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·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》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《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（ObserverSwarm）分层的“Swarm”可以将模型的数据收集和实现进行分离.Swarmmodelswarmobserverswarm《复杂系统建模与仿真》Swarm的递归结构SwarmSub-SwarmAgentScheduleTheInterfaceTheModelProbesSub-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。[modelSwarmcreate:self];[modelSwarmbuildObjects];[modelSwarmbuildActions];[modelSwarmactivateIn:self];-create:aZone;-buildObjects;-buildActions;-activateIn:swarmContext;ObserverModelModel《复杂系统建模与仿真》Swarm建模AnimateagentsInanimateagents模型观察者《复杂系统建模与仿真》IntegrationofSwarmactivitiesOperatingSystemSwarmkernelGUIModelCPUSub-SwarmModelSwarmObserverSwarmSwarmkernel《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类库的简介SWARM有七个核心库:defobj，collection，random，tkobjc，activity，swarmobject和simtools。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》MajorActivityclasses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。《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》TheProbeSwarm对标准面向对象编程的一个发展是探测器技术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。ExecutesmethodInputvalueforvariableOpenprobeforclassCloseprobe《复杂系统建模与仿真》Collection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.CollectionListKeyedCollectionArrayMapSet《复杂系统建模与仿真》Listlist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keyobjects到memberobjects的联系。•Map定义了从keyvalues到membervalues的映射。–SetSet中的每一个主体的keyvalue是由主体自身确定的，它是和主体一一对应的。ArrayArray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。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GeneratorsGenerators...Distributions...random《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–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。–一个distribution对象产生随机数的序列GeneratorDistributionseedrandom随机数序列number《复杂系统建模与仿真》DefobjDefobj中提供了对消息、错误处理、调试和内存分配的支持。增强了Objective-C的功能。支持对象界面，并能够实现分离，从而使Swarm编写的程序的层次性更加清晰。《复杂系统建模与仿真》SpaceSpace是一个简单的空间库。包括一系列用于二维离散模型的类。这些空间类型在生态系统模拟中经常用到。Space中的类大多数是从Grid2D，一个可以在指定格点上存储对象和整型值的二维数组继承得来。《复杂系统建模与仿真》GraphicalUserInterface（GUI）GUI对象可提供如下管理–曲线图表–柱状图–主体随时间变化情况的反应在这个过程中，要进行数据的收集，计算以及实时更新《复杂系统建模与仿真》TkobjcZoomRaster–定义显示光栅图