多主体仿真平台NetLogo课件

1、多主体仿真平台NetLogo张 发Thursday, September 22, 2022一、NetLogo简介1.基本情况NetLogo是一个多主体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（Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling，CCL）开发。2002年发布了1.0版本，最新4.0 2. 主要功能多主体建模多个移动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BahaviorS

2、pace，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 （1）主体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（小海龟）patches（瓦片）observer（观察者）在4.0中将Links作为一类主体 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tur

3、tle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。 （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。 拓扑结构根据在水平和垂直方向边界是否进行回绕 ，形成

4、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）回绕影响主体移动时是否穿越边界软件操作，在View上点击Edit（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

5、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）例程基本过程初始化确定活动顺序定义主体属性与行为仿真过程监视图形输出仿真参数控制1. 初始化创建生物群体，并将它们随机分布在空间中。 例程（dem

6、o1）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-ycorend2.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3.青草的模拟为模拟青草的存在设置

7、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 demo3to setup clear-all setup-patches ;调用例程setup-patches setup-turtles ;调用例程setup-turtlesendto 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 patchesset pcolor greenendto setup-turtles create-turt

8、les 100 ask turtlessetxy random-xcor random-ycorend4.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goturtles-ownenergy ;声明turtle变量energyto go move-turtles ;turtle随机移动，消耗

9、能量 eat-grass ;吃草获取能量end定义eatgrassturtle吃草获取能量修改patch颜色表示草的有无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 en

10、ergy energy - 1 ;移动后能量减少1 endto reproduce ask turtles if energy 50 ;如果能量大于50则繁殖 set energy energy-50 ;母体能量减少50 hatch 1 set energy 50 ;产生一个后代，初始能量50 endto check-death ask turtles if energy=0 die ;如果能量小于等于0则死亡endto regrow-grass ask patches ;青草以0.03的概率再生 if random 100= terminate-time stop ;判断是否应停止 move

11、-turtles eat-grass reproduce check-death regrow-grass do-plots set ticks ticks+1 ;时钟推进end四、建模技术1. 访问邻域原语Neighbors ，Moore邻域neighbors4 ，von Neumann邻域 in-radius at-points 演示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 ask turtles set pcolor blue 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 ask

12、 turtles set pcolor-of patch-at 1 0 blue 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”turtles at dx dy”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a

13、gent的原语为one-of 例如“set color-of one-of turtles red”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agentset with condition，返回满足条件condition的agent集合。例如“turtles with 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o

14、ther-turtles-here，二者的区别仅在于是否包含调用者自身。例如“ask turtle 0 ask other-turtles-here fd 10”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-at dx dy，-on agentset等。例如“turtles-at 1 0”返回右侧紧邻patch上的所有turtle，“turtles-on patch-ahead”返回前方patch上的所有turtle。 3.持久关系的建立基本方法是在个体中相互保持对方的引用，这样可以随时对对方进行操作。

15、例如在个体之间建立简单的伙伴关系。假设还没有找到伙伴的个体随机移动，直到与另一个尚没有伙伴的个体建立伙伴关系，一旦建立伙伴关系后将长期保持。为实现这一模型，首先为turtle增加变量partner,用于保持对伙伴的引用，然后在移动时从相遇的一些无伙伴的turtle中选择一个，相互建立伙伴关系。 4.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 wolves wolfbreed sheep a-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

16、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。 五、NetLogo高级特性1.实验管理实验管理工具BehaviorSpace，能够自动对参数空间进行扫描，也能进行较简单的统计计算，记录并输出仿真结果。 2.参与式仿真参与式仿真工具HubNet，使得人们可以参与到仿真过程之中，每个参与者控制一个仿真主体，与计算机一起完成仿真实验。进行参与式仿真的基本过程是：首先在一台计算机上运行HubNet模型，作为服务器，建立HubNet活动，模