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Netlogo建模基础知识讲解 NetLogo简介 1 基本情况NetLogo是一个用来对自然和社会现象进行仿真的可编程建模环境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 CenterforConnectedLearningandComputer BasedModeling CCL 开发 2002年发布了1 0版本 用户手册为4 0 2版本 最新为4 1 1版本 2 主要功能 多主体建模 重点 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 3 软件特色 完全可编程简单语言结构是LOGO语言的扩展 支持智能体和网络结构可以定义无限个智能体和变量多种内置命令帮助使用支持整型和双精度型浮点数计算跨平台 可复用的应用 二 NetLogo仿真框架 1 NetLogo软件 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 Agents 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 海龟 patches 瓦片 observer 观察者 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 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 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 仿真的基本框架 初始化tosetup 每一个仿真周期togo 是否结束 结束 对所有Turtle循环askturtles 每个Turtle做出决策forward1 是 否 三 编程指南 breed turtles own globals tosetup endtogo endaskturtles setpcolorwhite set default shapeturtles person setxyrandom xcorrandom ycorsetturtles ownrandomsetage 22 random53 setage age 1 sethouse0clear all ca forward fd 1create turles100sprout breedsnumber sproutnumber hatchnumber hatch breedsnumber askone ofmen setbreed ififelse 四 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eat grass turtle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 countturtles 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时停止 代码 五 建模技术 1 访问邻域原语Neighbors Moore邻域neighbors4 vonNeumann邻域in radiusat points 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askturtles setpcolorblue 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askturtles setpcolor ofpatch at10blue patch可以通过一些操作获取相关的turtle例如turtles here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 turtlesatdxdy 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 setcolor ofone ofturtlesred 在所有turtles中随机选择一个turtle 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agentsetwith condition 返回满足条件condition的agent集合 例如 turtleswith 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 askturtle0 askother turtles here fd10 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 atdxdy onagentset等 例如 turtles at10 返回右侧紧邻patch上的所有turtle turtles onpatch ahead 返回前方patch上的所有turtle 3 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 wolveswolf breed sheepa 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 sheep 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 4