Netlogo建模基础知识讲解.ppt

Netlogo建模基础知识讲解,14302010008秦奕深,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（Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling，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to setup,每一个仿真周期to go,是否结束？,结束,对所有Turtle循环ask turtles,每个Turtle做出决策forward 1,是,否,三、编程指南,,breed [ ]turtles-own [ ]globals [ ]to setup [ ] endto go [ ] endask turtles [ set pcolor white ]set-default-shape turtles "person"setxy random-xcor random-ycorset turtles-own randomset age ( 22 + random 53 )set age ( age + 1 )set house 0clear-all(ca)forward(fd) 1create-turles 100sprout-breeds number [ ]sprout number [ ]hatch number [ ]hatch-breeds number [ ]ask one-of men [set breed ]if ifelse,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“count turtles”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 ，von Neumann邻域 in-radius at-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 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 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agent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other-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turtle3.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 wolf]breed [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.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。

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。