2023年生态仿真平台的开发与研究.doc

宁波理工学院 毕业论文〔设计〕开题报告 〔含文献综述、外文翻译〕 题 目：生态仿真平台的开发与研究 姓 名： 梁 亮 学 号： 3020815151 分院〔系〕 信息科学与工程分院 专业班级： 计算机科学与技术5 指导教师： 开题日期 2023年3月31日 文献综述内容 引言： 20世纪90年代以来，基于Agent的仿真建模技术被广泛应用于社会、经济和生态等领域的研究。这种建模技术利用人工智能和计算机科学领域的最新研究成果，在微观层次上构造Agent行为，进而由微观Agent行为推导出宏观效应。它是一种自下而下面向对象的仿真方法，可直接模拟组成系统的主体，以及Agent与Agent之间的相互作用，从而研究系统的整体行为。生态学理论体系认为，生态学应当借鉴生物进化理论，把生态系统作为由智能个体组成的复杂系统进行研究。在这种研究方法中组成生态系统的个体被称为生态主体，它具有认知与适应学习能力，简单的个体行为组成了复杂多变的生态景象。在基于Agent的仿真中，个体的生命由其行为来表现，而行为是基于规那么产生的。Agent和面向Agent系统技术已成为人工智能和计算机科学领域开展最快的课题之一。 ① 研究方向： 在当今社会，研究的主要采用元胞自动机和swarm平台相结合的方式。 元胞自动机：每一个元胞的状态变化都是一种计算。我们可以把每一个元胞都看作一台计算机，这样元胞自动机就是一种计算模型。元胞自动机每个元胞的变化是同步进行的，也就是对信息的处理是同步进行的，特别适合于并行计算。元胞自动机可能是下一代并行计算机的雏形。 元胞计算是目前的研究热点。其特点是大量和并行，跟传统的冯·诺伊曼计算机结构不同。 Swarm是由美国Santa Fe研究所基于CAS理论开发的多主体软件工具集。它采用多主体模拟的方法，对复杂适应系统进行模拟仿真。Swarm的核心是一个面向对象的框架，用以定义在仿真中互相作用的主体和其它对象的行为。大多数Swarm 的模拟程序包括四类对象：Model Swarm，Observer Swarm，模拟主体和环境。其中，Model Swarm 和Observer Swarm 是swarm 类的子类，swarm类是Swarm 模拟的根本构造块，一个swarm 是一系列对象以及这些对象的行为时间表的组合。不同的模拟系统具有不同的环境，例如，生态系统通是一个二维的平面环境，即Swarm 中提供的Grid2D。在生态领域的仿真实验中，Swarm的建模思想是建立一系列独立的主体，并通过独立事件之间进行交互作用，考察和研究系统的行为和演化规律。Swarm是一个人工世界，其中主体与对象起着十分重要的作用。主体是一个在其状态和行为规那么的根底上能够与其他代表相互作用的自主实体，而对象是一个包含变量的数据结构，这些变量能够记录对象的状态与功能。 ② 国内外现状与进展情况： 当今社会，计算机技术已经获得了非常大的进步与开展。计算机仿真的技术已经得到了一定的开发和应用。 计算机上进行系统模型试验的过程称为计算机系统仿真，日臻完善的计算机仿真技术为解决数学模型应用提供了可能性，且广泛地应用于科学研究、工程设计、技术训练等课题中，成功地为工业设备的设计、经济管理方案的验证、飞行员和驾驶员的训练、军事演习的实施、航天技术等各种技术难题指标确实定节约了资金、缩短了周期、提高了效率，甚至使诸如原子反响堆、飞机发动机的运行过程和地震发生机制等人不可及的危险场合的研究成为可能。 计算机在一些研究中弥补人们在智力、能力和效率上的缺乏。运用计算机仿真来探索生命活动的过程和行为不仅是有益和可行的，也是势在必行的。通过对生命活动过程计算机仿真方法的初步研究，探索利用计算机资源实现生物数学模型在其实践中的有救应用方法和生命科学与数理科学有机结合的途径，并将这些根本方法推广到各种生命活动过程的计算机仿真中，能更好地起到衔接生命科学数学模型及与之相关的生命科学实践的作用 ③存在问题 生态系统是一个复杂的系统，计算机对此的模仿暂时只是一定程度上的仿真。不过也具有参考价值和意义。 有限元胞自动机的可能性空间随着空间的扩大呈指数增长。比方100个网格的元胞自动机要穷尽一遍可能性需要2100步骤，大概是1后面跟30个0，对于这种大数目的可能状态，虽然它肯定是有限的，然而我们已经可以认为穷尽可能性不可能了。在用程序进行模拟的时候，只要初始个数到达一定大小，就认为已经足够模拟真实世界了。从而我们说，混沌型和复杂型，是相对于那种少量几步就开始循环的周期来说的。 经过swarm中的game of life的验证，模型的周期现象根据参数和数据的不同，有不同程度的重复存在。 文献综述： 元胞自动机模型与黄河三角洲侵蚀仿真 元胞自动机模型与黄河三角洲侵蚀仿真，是一个利用元胞自动机进行对黄河出海口侵蚀以及冲刷的仿真研究，主要利用的是元胞自动机原理进行模仿，它的核心思想是：利用简单的规那么，将复杂的系统转变简单的体系。 规那么体现为建模的过程： 主要元素包含，细胞，细胞空间，相邻细胞，规那么，细胞的自动控制组成。 按照文中的说明，细胞空间是对应自然空间的一个矩阵，细胞是陆地细胞，海岸细胞，海洋细胞等组成，相邻细胞指有Von Neumann邻接和Moore邻接等在自动细胞模型中最常见的邻接。Moore邻接用来表示当前周围细胞的对该细胞的影响。规那么是模型演化的规律，在t+1位置的细胞室Cell(i,j)由邻接的Cell(i,j)和在t位置的细胞决定。当Moore邻接起作用时，对Cell(i,j)的规那么可以用公式表示。发生的影响分为均匀的和有向的两种情况。 将现实中的因素影射到模型中去，这用细胞的属性来表示，包含海拔高度，包括风力、风引起的波浪，潮汐、气流、风暴潮汐等等。 当模型建立完成之后，就可以按照参数和规那么进行时间和空间上的模拟了。但是在细胞模型中，时间参数也是抽象的，只能通过模型的反复来实现，在模型的反复中，体现现实时间的跨度是困难的。根据1997年的数据，按照规那么模拟1997年到1999年的情况。因此，模型的验证的结果并没有提到。只是进行了一种科学推理。 一个基于Swarm的人工生态系统模型 人工系统模型的关键是模型的建立，对生态仿真系统的研究具有非常好的启示性。 模型由环境、主体和行为规那么三局部组成，其根本框架是将局部生态环境进行均匀的网格划分，其中单元格是作物植株个体的生长空间，同时也可以被昆虫个体作为栖息地所占据。这样一块就被分成了假设干个“细胞〞，所有的“细胞〞构成了模型建立所依据的细胞空间。昆虫主体的演化过程由其行为规那么集控制，这些规那么决定了主体与主体之间、主体与环境之间相互作用的方式。 环境是按照细胞自动机理论设计的二维的元胞格子，代表区域环境，具有温度，湿度等属性〔或者说是变量〕。 主体是定义模型中的生物，该模型定义了两类昆虫，害虫和它的天敌，组成了主体之间的生态关系。能量，年龄，位置，颜色标记等组成主体的属性，对于每个个体具有：视野，新陈代谢，最大能量，年龄，繁殖力和生命周期等属性。 行为规那么就是模型的算法规那么：移动规那么，繁殖规那么，死亡规那么等。模型开始运行时，环境中任意分布一定数量的昆虫主体，每个主体具有自己的状态属性。模型运行中主体不断产生位置移动并按照以上规那么与环境和其他主体发生交互作用。整个过程的统计数据被收集并输出，便于对主体的宏观行为结果进行分析。 其他参数和变量。 能从该文献得到比拟清晰的生态仿真的模型，可以建立相类似的模型。我设定采用相类似的生态金字塔模型。底部为生态环境，上面按照捕食关系建立模型，按照一定行为规那么对金字塔模型进行时序运算。 SWARM—一个支持人工生命建模的面向对象模拟平台 Swarm是复杂适应系统建立模型而设计的软件平台。 Swarm已经帮助提供了讨论模拟技术和方法论的焦点，还提供在特定的研究团体中模型组件和库的共享，这是智力交换的一个重要形式。最终，建立一个用于模型定义的形式化框架建立一个特定用于实验科学工具的计算机程序的必要标准。 Swarm的建模思想就是让一系列独立的Agent通过独立事件进行交互，帮助研究由多个体组成的复杂适应系统的行为。通过这些类库包括许多可重用的类以支持模拟实验的分析、显示和控制，即用户可以使用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。由于Swarm 没有对模型和模型要素之间的交互作任何约束，所以Swarm 可以模拟任何物理系统、经济系统或社会系统。事实上在各个广泛的研究领域都有人在用Swarm 编写程序，这些领域包括生物学经济学物理学化学和生态学等。 Swarm提供的一个很有用的例子： 例如，在狼／兔子这个模拟系统中可能有三种行为：“兔子吃胡萝卜〞，“兔子躲避狼的追踪〞和“狼吃兔子〞。每种行为是一个独立的动作。在时间表中，对这三种行为按照以下顺序排序：“每天，兔子先吃胡萝卜，然后它们躲避狼的追踪，最后狼试图吃兔子〞。模型按照这种安排好的事件的执行顺序向前开展，并尽量使这些事件看起来像同步发生的。 元胞自动机理论与现代科学中的计算主义 元胞自动机：为了构造一个能够自我复制的机器，冯·诺伊曼提出了元胞自动机的概念。元胞自动机，英文名Cellular Automata，简称CA，有的文献中译为细胞自动机、分子自动机、点格自动机或单元自动机等等。冯·诺依曼和乌拉姆只是给出了一个初步的根本的概念。 按照计算理论，但凡信息的变换都是计算。显然，元胞自动机每一个元胞的状态变化都是一种计算。我们可以把每一个元胞都看作一台计算机，这样元胞自动机就是一种计算模型。 我们看到，元胞自动机每一个元胞的变化是同步进行的，也就是对信息的处理是同步进行的，特别适合于并行计算。元胞自动机可能是下一代并行计算机的雏形。 元胞的计算是目前的研究热点。其特点是大量和并行，跟传统的冯·诺伊曼计算机结构不同。 从元胞自动机的构成及其规那么上分析，标准的元胞自动机应具有以下几个特征： 同质性：在元胞空间内的每个元胞的变化都服从相同的规律，所有元胞均受同样的规那么所支配。 规那么性：元胞的分布方式相同，大小、形状相同，地位平等，空间分布规那么整齐。 空间离散:元胞分布在按照一定规那么划分的离散的元胞空间上。 时间离散:系统的演化是按照等间隔时间分步进行的，时间变量t只能取等步长的时刻点。 状态离散且有限：元胞自动器的状态只能取有限个离散值，在实际应用中，往往需要将有些连续变量进行离散化。 并行性：各个元胞的在每个时刻的状态变化是独立的行为，相互没有任何影响。 时空局部性:每一个元胞的下一时刻的状态，取决于其邻域中所有元胞的状态，而不是全体元胞。从信息传输的角度来看，元胞自动机中信息的传递速度是有限的。 Population Ecology Simulation 文章记录一个岛屿上的生物生存模型，包含有人，鹿，狼。分析模型的环境参数，需要的个体和行动规那么，主要提供了一些模型的函数表达式。将以前获得的经验通过函数表达出来，其中函数所用到的参数也有许多的实际使用价值，都是经过调查和积累得出的。 该篇文献特别提到了模型个体的迁入，迁出的问题，使模型更加动态化，也使模型更加现实。 如果是高级的模型，应当参加动态的因素，如环境的承载能力，环境的阻力。甚至原先设定的参数都可能发生动态的变化。将不定因素考虑进去的模型在实际操作上的难度将会大大增加。 ③ 参考依据 [1] Chong Huang (Institute