Προσομοιώσεις με την NetLogo

 Η NetLogo ένα ένα ισχυρό περιβάλλον για μοντελοποίηση βασισμένη σε πράκτορες (agents), κατάλληλο τόσο για την έρευνα όσο και για την εκπαίδευση. 

Μπορείτε να κατεβάσετε την NetLogo από εδώ. και αφού την εγκαταστήσετε στον υπολογιστή σας, ως μια πρώτη γνωριμία προτείνω να διερευνήσετε το μοντέλο σχηματισμού ενός σμήνους πουλιών.

ΤΙ ΕΙΝΑΙ;

Αυτό το μοντέλο αποτελεί μια προσπάθεια μίμησης του σχηματισμού σμήνους πουλιών. (Η κίνηση που προκύπτει μοιάζει επίσης με τα κοπάδια ψαριών.) Τα σμήνη που εμφανίζονται σε αυτό το μοντέλο δεν δημιουργούνται ούτε καθοδηγούνται από κάποιο ιδιαίτερο πουλί-ηγέτη. Αντίθετα, κάθε πουλί ακολουθεί ακριβώς το ίδιο σύνολο κανόνων, από τους οποίους προκύπτει το σμήνος.

ΠΩΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙ

Τα πουλιά ακολουθούν τρεις κανόνες: «ευθυγράμμιση», «αποφυγή» και «συνοχή».

• Ευθυγράμμιση (alignment) σημαίνει ότι ένα πουλί τείνει να στρίβει ώστε να κινείται προς την ίδια κατεύθυνση με τα κοντινά του πουλιά.
  
  

• Αποφυγή (separation) σημαίνει ότι ένα πουλί θα στρίψει για να αποφύγει κάποιο άλλο που πλησιάζει υπερβολικά.
  
  

• Συνοχή (cohesion) σημαίνει ότι ένα πουλί θα κινηθεί προς τα άλλα κοντινά πουλιά (εκτός αν κάποιο βρίσκεται υπερβολικά κοντά).
  
  

Όταν δύο πουλιά είναι πολύ κοντά, ο κανόνας της «αποφυγής» υπερισχύει των άλλων δύο, οι οποίοι απενεργοποιούνται μέχρι να επιτευχθεί η ελάχιστη επιτρεπτή απόσταση.

Οι τρεις κανόνες επηρεάζουν μόνο τον προσανατολισμό του πουλιού. Κάθε πουλί κινείται πάντα με την ίδια σταθερή ταχύτητα.

ΠΩΣ ΝΑ ΤΟ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΕΤΕ

Πρώτα, καθορίστε τον αριθμό των πουλιών στη προσομοίωση και ρυθμίστε τον δρομέα POPULATION στην επιθυμητή τιμή. Πατήστε SETUP για να δημιουργήσετε τα πουλιά και έπειτα πατήστε GO για να αρχίσουν να πετούν.

Οι προεπιλεγμένες ρυθμίσεις των δρομέων παράγουν αρκετά καλή συμπεριφορά σμήνους. Ωστόσο, μπορείτε να πειραματιστείτε:

• Οι τρεις δρομείς TURN-ANGLE ελέγχουν τη μέγιστη γωνία στροφής ενός πουλιού λόγω κάθε κανόνα.
  
  

• VISION είναι η απόσταση που μπορεί να «δει» κάθε πουλί σε ακτίνα 360 μοιρών.
  
  

ΤΙ ΝΑ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΤΕ

Κεντρική παρατήρηση του μοντέλου είναι ότι τα σμήνη σχηματίζονται χωρίς ηγέτη.

Δεν χρησιμοποιούνται τυχαίοι αριθμοί σε αυτό το μοντέλο, εκτός από την αρχική τοποθέτηση των πουλιών. Η ρευστή, ζωντανή συμπεριφορά προκύπτει αποκλειστικά από ντετερμινιστικούς κανόνες.

Επίσης, παρατηρήστε ότι κάθε σμήνος είναι δυναμικό. Ένα σμήνος, ακόμη και αφού σχηματιστεί, δεν είναι εγγυημένο ότι θα διατηρήσει όλα τα μέλη του. Γιατί συμβαίνει αυτό;

Μετά από αρκετή ώρα, όλα τα πουλιά έχουν περίπου τον ίδιο προσανατολισμό. Γιατί;

Μερικές φορές ένα πουλί απομακρύνεται από το σμήνος του. Πώς συμβαίνει αυτό; Μπορεί να χρειαστεί να επιβραδύνετε την προσομοίωση ή να την εκτελέσετε βήμα-βήμα για να το παρατηρήσετε.

ΠΡΑΓΜΑΤΑ ΓΙΑ ΔΟΚΙΜΗ

Πειραματιστείτε με τους δρομείς για να δείτε αν μπορείτε να πετύχετε πιο σφιχτά ή πιο χαλαρά σμήνη, περισσότερα ή λιγότερα σμήνη, περισσότερες ή λιγότερες διασπάσεις και ενώσεις, διαφορετικές αναδιατάξεις των πουλιών κ.λπ.

Μπορείτε να απενεργοποιήσετε έναν κανόνα εντελώς θέτοντας τον αντίστοιχο δρομέα γωνίας στο μηδέν.

• Είναι ένας κανόνας μόνος του αρκετός για κάποια μορφή σχηματισμού σμήνους;
  
  

• Τι γίνεται με δύο κανόνες;
  
  

• Τι λείπει από τη συμπεριφορά όταν αφαιρείτε κάθε κανόνα;
  
  

Αν τρέξετε το μοντέλο για πολλή ώρα, θα παραχθεί ένα στατικό σμήνος; Ή τα πουλιά δεν θα σταματήσουν ποτέ να αλλάζουν διάταξη; Θυμηθείτε, δεν υπάρχουν τυχαίοι αριθμοί στο μοντέλο.

ΕΠΕΚΤΑΣΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ

• Τώρα τα πουλιά «βλέπουν» προς όλες τις κατευθύνσεις. Τι θα συμβεί αν μπορούν να δουν μόνο μπροστά τους;
  
  

• Μπορεί να δημιουργηθεί σμήνος σε σχήμα V, όπως των αποδημητικών χηνών;
  
  

• Τι συμβαίνει αν βάλετε τοίχους στα όρια του κόσμου;
  
  

• Μπορούν τα πουλιά να αποφύγουν εμπόδια στο κέντρο του κόσμου;
  
  

• Τι θα γίνει αν τα πουλιά έχουν διαφορετικές ταχύτητες;
  – Π.χ., τα απομονωμένα πουλιά να κινούνται ταχύτερα για να φτάσουν το σμήνος.
  – Ή τα πουλιά μέσα στο σμήνος να κινούνται ταχύτερα λόγω μειωμένης αντίστασης του αέρα.
  
  

• Υπάρχουν άλλοι τρόποι να κάνετε τα πουλιά να διαφέρουν; Π.χ. τυχαίες παραλλαγές ή διαφορετικά «είδη» πουλιών.
  
  

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ NETLOGO

Παρατηρήστε την ανάγκη χρήσης της εντολής subtract-headings και της ειδικής διαδικασίας για τον υπολογισμό μέσων όρων προσανατολισμών. Το απλό μέτρημα ή άθροισμα των γωνιών δεν δίνει σωστά αποτελέσματα λόγω της ασυνέχειας στη μετάβαση από 359° σε 0°.

ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ

• Moths
  
  

• Flocking Vee Formation
  
  

• Flocking - Alternative Visualizations
  
  

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ & ΑΝΑΦΟΡΕΣ

Το μοντέλο εμπνέεται από την προσομοίωση Boids του Craig Reynolds. Ο αλγόριθμος εδώ είναι παρόμοιος αλλά όχι ίδιος με τον αρχικό.

ΠΩΣ ΝΑ ΤΟ ΑΝΑΦΕΡΕΤΕ

Αν αναφέρετε αυτό το μοντέλο ή το NetLogo σε δημοσίευση:

Για το μοντέλο:
Wilensky, U. (1998). NetLogo Flocking model. Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern University, Evanston, IL.

Για το NetLogo:
Wilensky, U. (1999). NetLogo. Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern University, Evanston, IL.

ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΑ ΔΙΚΑΙΩΜΑΤΑ & ΑΔΕΙΑ ΧΡΗΣΗΣ

Το μοντέλο καλύπτεται από άδεια Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0.
Το NetLogo είναι ελεύθερο λογισμικό για μη εμπορική χρήση υπό την άδεια GPL.

Τα παραπάνω είναι μετάφραση του παρακάτω κειμένου.

WHAT IS IT?

This model is an attempt to mimic the flocking of birds. (The resulting motion also resembles schools of fish.) The flocks that appear in this model are not created or led in any way by special leader birds. Rather, each bird is following exactly the same set of rules, from which flocks emerge.

HOW IT WORKS

The birds follow three rules: “alignment”, “separation”, and “cohesion”.

“Alignment” means that a bird tends to turn so that it is moving in the same direction that nearby birds are moving.

“Separation” means that a bird will turn to avoid another bird which gets too close.

“Cohesion” means that a bird will move towards other nearby birds (unless another bird is too close).

When two birds are too close, the “separation” rule overrides the other two, which are deactivated until the minimum separation is achieved.

The three rules affect only the bird’s heading. Each bird always moves forward at the same constant speed.

HOW TO USE IT

First, determine the number of birds you want in the simulation and set the POPULATION slider to that value. Press SETUP to create the birds, and press GO to have them start flying around.

The default settings for the sliders will produce reasonably good flocking behavior. However, you can play with them to get variations:

Three TURN-ANGLE sliders control the maximum angle a bird can turn as a result of each rule.

VISION is the distance that each bird can see 360 degrees around it.

THINGS TO NOTICE

Central to the model is the observation that flocks form without a leader.

There are no random numbers used in this model, except to position the birds initially. The fluid, lifelike behavior of the birds is produced entirely by deterministic rules.

Also, notice that each flock is dynamic. A flock, once together, is not guaranteed to keep all of its members. Why do you think this is?

After running the model for a while, all of the birds have approximately the same heading. Why?

Sometimes a bird breaks away from its flock. How does this happen? You may need to slow down the model or run it step by step in order to observe this phenomenon.

THINGS TO TRY

Play with the sliders to see if you can get tighter flocks, looser flocks, fewer flocks, more flocks, more or less splitting and joining of flocks, more or less rearranging of birds within flocks, etc.

You can turn off a rule entirely by setting that rule’s angle slider to zero. Is one rule by itself enough to produce at least some flocking? What about two rules? What’s missing from the resulting behavior when you leave out each rule?

Will running the model for a long time produce a static flock? Or will the birds never settle down to an unchanging formation? Remember, there are no random numbers used in this model.

EXTENDING THE MODEL

Currently the birds can “see” all around them. What happens if birds can only see in front of them? The in-cone primitive can be used for this.

Is there some way to get V-shaped flocks, like migrating geese?

What happens if you put walls around the edges of the world that the birds can’t fly into?

Can you get the birds to fly around obstacles in the middle of the world?

What would happen if you gave the birds different velocities? For example, you could make birds that are not near other birds fly faster to catch up to the flock. Or, you could simulate the diminished air resistance that birds experience when flying together by making them fly faster when in a group.

Are there other interesting ways you can make the birds different from each other? There could be random variation in the population, or you could have distinct “species” of bird.

NETLOGO FEATURES

Notice the need for the subtract-headings primitive and special procedure for averaging groups of headings. Just subtracting the numbers, or averaging the numbers, doesn’t give you the results you’d expect, because of the discontinuity where headings wrap back to 0 once they reach 360.

RELATED MODELS

• Moths

• Flocking Vee Formation

• Flocking - Alternative Visualizations

CREDITS AND REFERENCES

This model is inspired by the Boids simulation invented by Craig Reynolds. The algorithm we use here is roughly similar to the original Boids algorithm, but it is not the same. The exact details of the algorithm tend not to matter very much – as long as you have alignment, separation, and cohesion, you will usually get flocking behavior resembling that produced by Reynolds’ original model. Information on Boids is available at https://web.archive.org/web/20210818090425/http://www.red3d.com/cwr/boids/.

HOW TO CITE

If you mention this model or the NetLogo software in a publication, we ask that you include the citations below.

For the model itself:

• Wilensky, U. (1998). NetLogo Flocking model. http://ccl.northwestern.edu/netlogo/models/Flocking. Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern University, Evanston, IL.

Please cite the NetLogo software as:

• Wilensky, U. (1999). NetLogo. http://ccl.northwestern.edu/netlogo/. Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern University, Evanston, IL.

COPYRIGHT AND LICENSE

Copyright 1998 Uri Wilensky.

This model is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 License. To view a copy of this license, visit https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ or send a letter to Creative Commons, 559 Nathan Abbott Way, Stanford, California 94305, USA.

NetLogo itself is free software for non-commercial use under the terms of the GNU General Public License (see full license information here).

To inquire about commercial licenses for either NetLogo or specific models from the models library, please contact netlogo-commercial-admin@ccl.northwestern.edu.

This model was created as part of the project: CONNECTED MATHEMATICS: MAKING SENSE OF COMPLEX PHENOMENA THROUGH BUILDING OBJECT-BASED PARALLEL MODELS (OBPML). The project gratefully acknowledges the support of the National Science Foundation (Applications of Advanced Technologies Program) – grant numbers RED #9552950 and REC #9632612.

This model was converted to NetLogo as part of the projects: PARTICIPATORY SIMULATIONS: NETWORK-BASED DESIGN FOR SYSTEMS LEARNING IN CLASSROOMS and/or INTEGRATED SIMULATION AND MODELING ENVIRONMENT. The project gratefully acknowledges the support of the National Science Foundation (REPP & ROLE programs) – grant numbers REC #9814682 and REC-0126227. Converted from StarLogoT to NetLogo, 2002.