多智能体建模在交通中的应用2|NetLogo仿真
多主体/智能体建模（Agent-based Model） 相对于传统的交通模型的主要优势是其作为一种 非集计模型 ，可以灵活地模拟个体的行为，个体间的交互，个体与环境的交互等。
上次Lab以 MATSim 为对象，简单介绍了多主体建模的概念，MATSim的特点，以及如何配置、安装、实例仿真，但由于MATSim的开发语言是Java，入手难度相对较大，本篇文章重点介绍另外一种多主体仿真软件—— NetLogo ，其具有更简单的仿真语言，更广泛的应用场景。本文将为NetLogo仿真软件做一个入门指南，内容主要分为四部分：
- NetLogo能做什么，有哪些优势？
- NetLogo软件界面
- “Traffic 2 Lanes”案例
- “Traffic 2 Lanes”案例不足与改进
1 NetLogo特性
1.1 关于NetLogo
NetLogo是可编程建模环境，用于仿真自然现象和社会现象。软件作者是西北大学的 Uri Wilensky 教授。与其他仿真软件相比，NetLogo的优势主要体现在以下方面：
- 适合 复杂交通系统 的建模。NetLogo可以给仿真者提供成百上千的仿真主体，从而既能从微观层面探索个体出行行为，也能从宏观层面研究由个体交互衍生复杂出行模式。
- 软件 免费开源 ，且 语法 极其 简单实用 ，但仍能胜任很多仿真任务。NetLogo入门成本极低，即使没有编程经验，也能很快上手该软件。
- NetLogo软件由大量的 教程 和拓展 资料 。软件的模型库不仅包括交通领域相关的模型，也包括生物、医疗、物理、化学、数学、计算机科学、经济、生活心理等等各个方面的内容。
软件安装地址 https:// ccl.northwestern.edu/ne tlogo/6.1.1/
1.2 关于主体
NetLogo中的主体被分为四部分。
- Patches ：静止的，在界面中以网格形式排列，一个格子就是一个patch，交通科研中对应道路、建筑物、交叉口等交通设施；
- Turtles ：可移动，即在patches上移动，在交通研究中通常对应出行者或者车辆；
- Links ：连接两个turtles；
- The observer： 即操作者，一方面观察系统演化，另一方面执行前三个主体不能执行的任务。
NetLogo语句的执行是以 主体 为对象的，且每个主体都能执行命令。
如ask turtle 28 [show [color] of turtle 30] 等价于 show [color] of turtle 30，两者都是显示turtle 30的颜色，但是前者的执行主体是turtle，后者的执行主体是the observer。
2 NetLogo软件界面
NetLogo主体界面主要包括：
- 菜单栏 ：包括文件块、工具块、放缩块、Tab块、帮助块；
- 工具栏 ：包括快速进行窗口选择，添加/删除button、slider、chooser等元件，控制仿真速度等等；
- 仿真窗口 ：主要包括仿真显示界面（Interface）、信息界面（Info）、以及代码界面（Code）；
- 命令中心 ：调试代码，输出相关结果。
2.1 显示界面
显示界面如下图所示，其中黑色窗口即仿真的“世界”，空白区域可以通过命令按钮自行添加button、slider、chooser等元件，不同组件的含义如表所示。
| 组件名称 | 描述 |
| button | 执行对应命令（函数），选择once时，点击按钮一次，函数执行一次，选择forever时，点一次按钮，则重复执行，直到再次点击。 |
| slider | 全局变量，用户可以通过拖动滑块改变全局变量的值。 |
| switch | 全局布尔变量。 |
| chooser | 全局变量，用户可通过下拉选项，选择不同的值，变量可以是字符串、数字、布尔值、列表。 |
| input | 全局变量，字符穿、数字、颜色。与slider相比，该组件可以实现更加精细化的数字输入，用户也可以更改自己想输入的数据类型，关于颜色可以参考菜单栏中的Tools——Color Swatches。 |
| monitor | 显示变量值，可以是程序中存在的单一变量，也可以是通过命令得到的新变量 |
| Plot | 绘图。 |
| output | 文本滚动区域，可用于创建模型中的活动日志。一个模型一般只有一个输出区域。 |
| note | 信息文本。用户在此可以备注信息。 |
2.2 信息界面
Info界面主要为用户提供查看、编辑模型的主要信息，编辑语言为 Markdown， 简单易写。
2.3 代码界面
代码界面也较为简单，Find = Ctrl + F提供搜索功能，Check检查程序语法，Procedures下拉框可快速定位函数块，Indent automatically为自动缩进选项。
3 案例——Traffic 2 lanes
3.1 模型简介
本文以Sample Models——Social Science——Economics—— Traffic 2 Lanes 模型为例，简单讲解代码规则。本篇模型可视为 双车道车辆运行模型 ，包括 单车道运行规则 和 换道规则 ，该模型可以在一定程度上反映拥堵的产生、扩散和消散。
先看下仿真运行
模型的基本原理：
- 车辆单车道的运行规则主要包括 加速 和 减速 两个步骤；
- 车辆的换道规则可视为 心理——决策模型 ，每个turtle都被赋予耐心值，每次减速都会使得耐心值-1，直到耐心值耗尽（小于等于0）时，此时司机选择换道。
从仿真中我们可以观察到：
- 交通堵塞可以从一粒小小的“种子”开始。汽车的起始位置是随机的。如果一些车挤在一起，它们就会慢慢移动，导致后面的车也放慢速度，就形成了交通堵塞，而且堵塞传播方向和运行方向相反。
- 当模型中的汽车数量很高时，司机很快就会失去耐心，开始在车道上进进出出。这种现象被称为“ 蜿蜒 ”，在拥堵的公路上很常见。如果车辆数量足够多，几乎每一辆车最后都试图换道，交通就会慢得像爬行一样，使情况变得更糟，车辆会暂时卡在车道之间，因为他们无法换道。你觉得这像真实的生活吗?
- 观察平均速度监视器，它会计算出汽车的平均速度。速度随时间会发生什么变化?汽车的速度和有无交通堵塞有什么关系?
- 观察每条车道车辆数以及司机耐心值随时间的演化，整体呈现什么趋势？而个体（红色被观测车）又呈现什么趋势呢？
由于篇幅有限，关于该模型,以及改进模型将在下期推送介绍，敬请期待噢，关于多主体仿真以及NetLogo，小伙伴们如果有不同的见解，也欢迎留言告诉我们 ~
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