基于Repast系统仿真平台在地理学中的应用分析

基于Repast系统仿真平台在地理学中的应用分析 2012 11 Nov. ，2012年 月地下水 34 6 Ground water Vol. 34 NO. 6第 卷 第 期 Repast基于系统仿真平台在地理学中的应用分析 王国义 ( )，710127 西北大学城市与环境学院陕西 西安 ,, CAS ，摘 要基于 理论的系统仿 真 是近年来国内外研究的热点领域之 一在计算机上 建立模型进行仿 真 模 Repast ，Repast 。拟是研究复杂系统的一个基本 方法仿 真 平台 是目前比 较流行的一种建 模 平 台 通 过 介绍 建 模 的 背 Agent ，、，，景分析该平台 的框 架 结构特点及运行机制等内容该平台 移 植性和可扩展性强方便应用基于 建模仿 真 方 ，。法对复杂适 应系统及复杂性的研究及探索 同时也为复杂适 应系统的研究提供新的思 路通过介绍国内地理学者 对 Repast Repast 。，仿 真 平台 的应用对 仿 真 平台 在地理学中的应用前景进行讨论 ,, ; Repast ; ; 关键词复杂适 应系统仿 真 平台 仿 真 基于主体 ,, TP3,, A,, 1004 ,118 4 ( 2012 ) 06 ,018 4 ,0 3中图分类号文献标识码文章编号 Analysis on Application of The Repast System Simulation Platfom fo Geogaphy rrr WANG Guo ,y i ( Coege of Urban and Envronmenta Scence，Northwest Unversty，X,an 710127 ，Shaanx) lliliiiii Abstract: The CAS theory based on the system imsulation is one of the hota reas of research over the home country in re- cent years, The model building on computer to imsulation is a basic method for the study of the complex systems, The Repast simulation platform is a popular one, By introducing the Repast background，it analyzes its frame structure，features and oper- ation mechanism, The platform has strong with portability and scalability and is facilitated research and exploration based on application of Agent Modeling and Simulation of complex adaptive systems，and provides new ideas for study of complex adap- tive systems, The article is based on application of the Geographer at home and discusses the prospecto f Repast simulation platform in Geography, Key words: Complex adaptive system; Repast Simulation Platform; Simulation and Agent ,base d CAS Agent ，基于 理论在计算机上建立模型对复杂系统进行模建模的理念与传统的思想迥然不同必须更所以基于 ，Agent 。20 90 Agent Agent ， ，拟称为基于 的建模仿真方法世纪 年代以来多地考虑系统更低层次上 的行为规则的变化之 ( Geo ,c omputaton ) ( ) Agent i 的 研 究 进 入 了 地 理 计 算 的 时 包括联系的方式和强度甚 至 的 适 应 计量地理间的相互作用 Agent 。， 如今理论方法和计算机仿真技术相 结 合 ，，代强调数学模型和模拟实验并重的时代出现了与复杂性性函数等 : ( CA ) Repast ，、CAS ，适应系统相关的理论和方 法如元 胞 自 动 机 人 工 神 已成为研究 的常用方法之一建模仿真平台的开 ( ANN) 、( GA) 、( A ,li fe) ，。遗传算人工生命等这也得 经网络发则为这种方法的研究创造了条件 ，到了越来越多地理研究者的应用和认可并成为跨学科研究 ,1,。 ， 题近 年 来随着社会的进步和科学技术的发 的热点课 1 Repast 介绍，展复杂系统与复杂性的研究已引起诸多领域科研工作者的 Repast 概述 。，，1 ,1 其中复杂适应系统因其鲜明的可操作性逐 渐 广泛兴趣 Repast( Reursive Porus Agent Simulation Toolkit ) 。起源于芝 成为复杂性研究领域的热点课题 Agent ，基于 建模仿真相对于一般数学建模而言在 解 决 ，加哥大学的社会科学计算研究所其最初的设计目标是为社、，非线性系统模拟方面 有 显 著 优 势是研究此类复杂系 离散、会仿真提供一个易于使用易于扩展且功能强大的仿真工具 、。 CAS 统产生的全局自适应行为的一个基本方法理论明确 ，Repast Agent 。包但现在 已发展成一个通用的多 仿 真 平 台 指出复杂系统中大量的微观个体之间随时间推移进行的互 、其设计目标 是使用的方便性较短的学习周期以及可扩展 ，，动能够在系统宏观尺度上突现出新的功能和结构从 而 能 。、，性它提供了一系 列 生 成运 行 主 体显示和收集其数据的 ，够探讨微观个体的决策行为如何形成复杂的宏观空间格局 。Repast 、类库还能够以图的形式显示运行中的模型数据 “”。对运行中的模型进行快照以及生成模型运行的影像资料 ,0 7 ,2 62012 ,,收稿日期,,: ( 40901093 ) 国家自然科学基金项目生态脆弱区农户土地利用行为与农业景观格局的互动机理及模拟研究基金项目 ,,( 1987 ,) ，，，，: 。 作者简介王国义土地利用变化与生态脆弱区研究 男四川广元人在读硕士研究生主攻方向 tcktck，，Swarm 。“i”，”i”，法实际上它是一个类 的模拟软件构架向前推进每一个时间内仿真模型将会将按照 Repast S Repast, NET Repast J 除了提供所有 与 的核心功 Agent 循环动作执行队列以调用行为类中事先定义好的 动 ，; Pont ,an d ,C cilik 能还具有更 为 丰 富 多 样 的 新 特 性采 用 ，。作从而改变仿真的状态而显示机制主要负责运行仿真的 ，，可视化开发环境大大减少了用户的代码工作量能 够 自 动 。、实时可视化这种机制主要由一些空间类与这些空间类相 java ，，生成 代码实现与手工编码的无缝结合集 成 多 种 日 志 、，应的显示类简单图形类和各种绘图接口等组成以 图 形 化 ，，和图形工具提供与外部工具的自动连接嵌套了更强大的 gent ， A。的方式提供 的仿真过程的观察和数据的采集另 外 ，2 D3 D ，GSNetwork 、I、空间资源不仅提供基本的 空间还支持 ，还可以根据仿真模型的需求选择是否创建一些可选模块例 ,4,。 Repast ( Repast ROAD 等复杂 环 境现在由非赢利组织机构 。如空间类和仿真数据可视化类等 Organization for Architecture and Development) 。来维护它是一 1Repast 表 仿真程序核心构成模块 ，( http: // epast, sou ,R个免费的仿真平台可以在其官方网站 模块名说明 rceforge, net) 。 Repast 上下载到它的可执行程序与源 码的 核 Agent 类定义 Agent 的属性与行为Agent 。心部分可以看作是对基于 建模服务的规范它包括三 ，， 个具体的工具这些工具都有着相同的内核服务而 区 别 仅 模型类利用建立仿真模型 。在于底层的平台和模型开发语言的不同三个具体的工具 行为类仿真调度器与 Agent 类之间的解耦器Java Repast J，, Net 、是基于 平 台 的 基 于 微 软框 架 的 数据源类仿真程序的分析显示类与 gent 类之间的解耦器、A Repast,N et Python Repast Py。Repast J ，和基于 脚本的 其中是 。 Repast Py 用于定 义内核服务的基准工具一般推荐在 上用 1 ,3 Repast 应用领域 Python ，Repast J Java Repast Swarm ，Swarm 脚本编写基础模型而在 上 用 或 在 是一种类 的模拟软 件 构 架由 于 对 ,2,Repast, Net C#。，上用 编写高层的模型 模型和模型要素之间的交互方式不做任何限制使用者则可 ，1 ,2 Repast 以将精力集 中在所感兴趣的特定系统中而不必受数据处 分析 、Repast Java ， 理用户界面 及其他纯软件工作和编程等方面的问题所困 本身由一系列的 包及一些第三方类库构成 Java ，， 。A- 。具有良好的可扩展性在 包中最重要的是实现基于 扰甚至对于非计算机专业学者而言使用也是相当方便在 gent chicogo, src, sim ，u，Swarm ，，模拟仿真的 包它根据功能的不同又被 国内的应用起步较晚但发展趋势异常迅猛尤其是 ，、分成多个子包分别负责仿 真 的 建 立操控并驱动仿真的运 2001 “Swarm ”年中国人民大学信息学院举办仿真培训班以 ; ; 、行为仿真运行与运行控制提供图形用户接口收集记录仿 ，Swarm 。 后基于 研究的学者越来越多近几年美国桑塔费研 ，; 真过程中产生的数据以图表的形式显示记录并存放网络 “SwarmFest”“”，究所每年举办的和复杂系 统 暑 期 班更 为 全 ; gent A仿真时的网络拓扑结构信息可视化显示 的空间关系 Swarm CAS 。 球 和 爱好者提供一个更加系统的学习交流机会 epast gent 。，RA等同时还为多 模拟仿真提供一个面向对象 Swarm 、正是由于 可以模拟任何物理系统经济系统或社会系 ，、的设计和编程框架并大量采用模板方法抽象工厂等软件 ，、、、、统所以受到国内外经济学金 融 学政 治 学社 会 学生 物 ，Re- 设计模式来提高框架的通用性这使得用户既可以调用 、、、、学生态学物理学地理学军事以及计算机科学等领域的 past Java ，，提供的 包也可以自己编程实现所需功能构 建 出 Swarm 、。专家学者或爱好者们的广泛关注基于多智能体的 REPAST J 。AVA模块化良好的仿真模型本身由一系列的 包 ，仿真平台在经济学研究领域的应用最为广泛并主要集中在 。 Agent 及一些第三方类库构成与 多 仿真密切相关的包是 ; Swarm 、市场供求关 系经济博弈论和金融等研究领域基 于 uchicogo, src, sim，在这个包中又根据功能的不同分成多个子 ， 仿真平台的管理学研究主要包括微观管理学和宏观管理学REPAST ，。包具有良好的可扩展性其本身集成了多个第三 ，其中微观管理学以供应链研究为主而宏观管理学则主要集 JAVA 。，方的 类库例如它集成了可以高效生成多种分布类 ; ，、中在城市管理方面此外在环境资源保护生物生态地理学 Cot; gap lj。型的随机数类库 集成了遗传算法类 库 用 户 在 建 领域的应用研究主要包括区域可持续发展研究和生物生态 REPAST 。立 仿真模型时还可以使用其他的类库无论选择哪 Repast 。，学研究等方面而自从 发布以来其主要应用领域包 ,3, ，( 种构建方法仿真程序都必须包含以下几种构成模块表 :括以下几个方面 1 ) 。Repast ，，四个模块中模型类 是 仿真程序的核心它 为 仿 ( 1 ) : 、系统理论研究通过仿真观察模拟系统中特定现象 ，真模型的建立提供一系列的方法以结构化的形式定义 ，、。 REPAST CAS 的产生过 程发 现验 证 的 一 般 规 律例 如 用 ，。、模型的执行过 程数据源类在仿真程序运行时记 录收 集 ECHO; Agent CAS 实现 理论中的著名模型 通过多 仿 真 研 究 34 6 2012 11 第 卷 第 期 地 下 水 年 月 ( 3 ) : Agent ( Agent ,; Repast 经济系统仿真在基于 的计算经济学讨孙永强等通过 平台建立了岛屿空降作战的仿真模 based Computational Economics ACE) ，CAS Agent 、，这一新兴的经济学分支 型通过 理论和 加以展开规范抽象对应模型的 ; 。 : ，REPAST 顾 洪 超 等 领域，被用于经济模型的实现与仿真例如商业网 先决条件实现空降作战的行为模式和模型结构 Repast ，，、。通过与博弈理论的结合利用 仿 真 平 台将 已 有 的 模 供应链仿真等 络仿真 ( ) ，复制动态 方 程进 行 封 装在给定的条件下进行仿真研 ( 4 ) : Argonne REPAST 综合应用美国 国家实验室对 进行 型 ，，IS、究并将该方法应用到电力 市 场 当 中对发电厂商竞价行为 ，G了扩展使其支持 分布式仿真等功能并在此基础上开发 ; ，Repast IS G进行仿真模拟江华等通过研究介 绍 了 对 与 集 。 ，例如美国电力市场仿真 了一些大型的复杂适应系统仿真 ; ，。在土地利用方面江 西 师 范 大 学 成研究的必要性和可行性等 Repast ABM ，的王强通过构建 模 型运 用 平台对鄱阳湖地区 。耕地利用变化中的农户土地利用决策进行了模拟分析总 Repast GIS 2 与 的集成Repast ，仿真软件的应用 前 景 广 大随着研究的进一 ，体来讲 ，步深入智能体仿真程序在社会各方面会扮演越来越重要的 ，智能体模型缺乏空间特性而现实中的很多事物都是跟 Repast 。仿真平台的应用较少 ，，角色但在地理学方面，，空间相关的例如模拟城市 的 扩 张 中房屋的位置和交通路 。 GIS ，线都具有空间特征具有强大的空间分析功能正好可 。IS G所以通过 与智能体模型的集成正好利 以弥补这一缺陷 IS 。G用了智能体模型的智能性和 的强大空间分析功能智能 4 结语 IS 3 ，、G体模型和 的集成主要有 种方式即松散耦合中度耦合 ( 1 ) Repast Agent 是面向多 模拟仿真构建的一个灵 活 简 。松散耦合指系统之间的数据交互是通过文件 和紧密耦合，洁的可扩展平台为研究复杂适应系统提供了免费方便的工 ，。 形式进行可以通过适配器实现对各类文件的存取中度耦 。 具。 其利用的技术是 合是系统间通过协议通讯进行数据交换( 2 ) Repast 、通过对 仿真平台的基本原理分 析 过 程 以 及 / 、。虚拟机客户 机 服 务 器 等紧密耦合指在运行 中 完 成 系 统 Repast IS ，G应用领域做了一个简单的介绍此外对 于 的集成 ,5,。 间的通讯和相互调用，做出了一个可行性分析与现阶段集成途径介绍该平台移植 ，智能体模型所处的环境层一般通过离散的网格实现这 A- ，，，性和可扩展性 强使 用 方 便易 于 学 习方便了应用基于 IS ，G和栅格 有很大的相似性因为两者都是用离散的二维区 gent 。建模仿真方法对复杂适应系统及复杂性的研究及探索 ，域单元进行空间的组织和表达以及通过层来进行属性或状 ( 3 ) Repast ，结合国内地理学者的研究结果总 结 了 仿 真 。 智能体与 ，态的组织并通过一定的算法来操作空间和属性，CAS 平台在我国地理学的研究现状基于 理论的复杂性研究 智能体之间或智能体和环境之间的交互可以很方便的通过。 及仿真平台给地理学提供了一个更为广阔的平台GIS 。，矢量 来表达此外智能体在二维空间网格上的行动规 S ，GS GII则也可以通过矢量 来设定所以智能体模型和 集成 : 。目前主要是以下三种方法通 从技术上实现是完全可行的 ESRI ArcGIS Agent Analyst ( AA ) 过 公司提供的 扩展模块 工 参考文献、Java Topology Suite( JTS) GIS 通过 工具包进行集 具进行集成,1,，，, agent —薛领杨 开 忠沈 体 雁基 于 的 建 模地 理 计 算 的 新 发 展 MapGeo Toos GS open 、lI。成以及使用 等 工具包进行集成 ,J,, , 2004 ，19 ( 2 ) 35;1 :35 9 ,地理科学进展 ,2,，, REPAST: Agent 郝成 民刘 湘 伟基 于 建 模 仿 真 的 可 扩 展 平 台 ,J,, , 2007 ，( 11 ) , 计算机仿真 ,3,，, REPAST———Agent ,J,, 姜昌 华韩 伟 等一 个 多 仿 真 平 台系 统 , 2006 ，( 18 ) , 仿真学报 3 Repast 在地理学中的应用,4,，, Agent Repast , 傅游杜宇基 于 的 建 模 仿 真 平 台信 息 技 术 与 信 , 2009 ，02 ，018 ,Agent ，息化 多 建模仿真基于多个可识别的离散主体这 些 主 ,5,，，, Repast IS G、、江华徐兰声杨昆基 于 的 智 能 体 模 型 与 的 集 成 研 ，体具有自主 性适 应 性智 能 性 等 特 点在计算机仿真系统 , ( ) ,200 9 ，( 04 ) 22:0 :22 2 ,究长江大学学报自然科学版 ，，中通过对微观个体的行为 和 作 用 规 则组成自下而上的复 ,6,，, Repast , 丁岳伟姜波基于 的地理空间仿真模型的实现微 计 算 Agent ，，杂系统的演化过程与传统的建模方法相比多 仿真具 , 2009 ，25 ( 10 ) , 机信息 、。 直观性和层次性的特点地理学是一个涉及多个 有灵活性,7,，, Repast Simphony ， 张砚劼丁晨基于 平台的经济系统仿真初探 多 ，，学科的复杂系统科学具有自然和社会的双重属性因 此( ) 1006 ,783 3 ( 2009 ) 0 3 ,16 1 ,0 2 ,中国商界产经 Agent 、建模仿真时在局部建模阶段将自然科学社 会 科 学 的 ,8,, Repast Simphony , 张砚劼基于 平台的的经济仿真探讨 以 个 人 ，相关领域知识进行融合在研究地理现象与过程中具有重要 , , 2009 ,所得税公平效应的研究为例湘潭大学硕士论文 。 的意义,9,，, REPAST , 孙永强王振雷 等基 于 的 岛 屿 空 降 作 战 仿 真 模 型火 Repast ，现在的应用主要集中在城市交通系统仿真经济 , ( 2009 ) 05 —0025 —03 ,力与指挥控制 ,6 ,1 0,，，Repast 如赵凛张星臣通过 平 领域以及军事领域方面,10,，, Repast ,顾洪超黄 仙基 于 的 演 化 博 弈理 论仿真研究与应用 Repast ，台对城市交通系统进行了模拟仿真简述了如何使用 , ( 2010 ) 12 ,001 4 ,0 4 ,华电技术 ; 平台对城市交通系统进行仿真模拟湘潭大学张砚劼以个人 Repast 平台探讨了经济系统仿真的探 所得税公平效应通过