Modelos Baseados em Agentes: Sugarscape

Modelos Baseados em Agentes:

Sugarscape

Sumário

1. Introdução

Quase todas as pesquisas de cunho social necessitam de representações simplificadas do problema;

A lógica para desenvolver modelos usando o

computador não é muito diferente da lógica usada para os mais familiares modelos de estatística;

Simulações feitas através de computadores é

largamente adotada na engenharia e nas ciências biológicas, mas é comparativamente recente nas ciências sociais;

Recentemente com o aparecimento dos modelos baseados em agentes isso está sendo mudado.

Introdução

• Classe representa um conjunto de objetos com características afins.

•Uma classe define o comportamento dos objetos, através de métodos, e quais estados ele é capaz de manter, através de atributos.

Exemplo de classe: Os seres humanos. • Objeto é uma instância de uma classe.

•Um objeto é capaz de armazenar estados através de seus

atributos

Exemplo de objetos da classe Humanos: João, Maria.

• Atributos são características de um objeto:

• Rio: nome, bacia a qual pertence,espécies de peixes • O conjunto de valores dos atributos de um determinado objeto é chamado de estado.

• Métodos definem as habilidades dos objetos.

• Bidu é uma objeto da classe Cachorro, portanto tem habilidade para morder, implementada através do método Morder().

.

Orientação a Objetos

O melhor caminho para melhorar a qualidade dos códigos do programa é escolher uma linguagem orientada a objetos.

• Simplifica a tradução do problema em um conjunto de agentes e eventos.

• Agentes se tornam objetos

• Eventos se tornam passos ativados por loops no programa.

.

(Gilbert – Terna, 1999)

O que são Objetos?

• Objetos são um pedaço de código contendo dados e regras que os operam.

• Tudo pode ser transformado em objetos Computacionais. • Um objeto carro tem funções como andar, parar, entre outras. Tem propriedades como número de rodas

(inteiro), cilindradas do motor (Real), se tem ou não ar condicionado (verdadeiro ou falso)

Objetos

O que é ABM?

• “Um modelo baseado em agentes constitui de um

sistema de agentes e das relações entre eles” (Bonabeau,

2002);

• “ABM é um método mais do que uma tecnologia.

Consiste em descrever um sistema da perspectiva de suas unidades constituintes” (Bonabeau, 2002);

• “ABM é um novo paradigma e um dos mais excitantes

desenvolvimentos práticos na modelagem desde a invenção do Banco de dados relacional” (Macau - North, 2005).

O que é um Agente?

Várias definições, cada autor define de uma forma, as mais relevantes são:

• “O termo deveria ser interpretado como ator

ou quem está fazendo alguma coisa”

(Rahman,2007);

•“Coleção de entidades autônomas nas suas tomadas de decisões” (Bonabeau, 2002).

ABM´s Agentes

Características de um Agente:

• Deve ser identificável, um indivíduo discreto com um conjunto de características e regras governando seu comportamento;

• Deve estar situado em um ambiente interagindo com outros agentes;

• Um agente deve ser orientado por objetivos; • Ser autônomo;

• Ser flexível com a habilidade de aprender.

Macal e North (2005)

Autores

• Joshua M. Epstein

• Um pioneiro em modelagem computacional baseada em agente, Josh Epstein tem feito recentemente um trabalho inovador em epidemia e bioterrorismo. Usa a modelagem para estudos de comportamento de

violência e de tabagismo. •Robert Axtell

• Deixou

Brookings no outono de 2007 e,

atualmente, é um professor na George Mason

University, Krasnow Institute for Advanced Study.

• Distribuição espacial de um recurso(s) necessário(s) para a

sobrevivência dos agentes

• O espaço é um grid 2D.

• Para cada célula é permitido conter apenas apenas um

agente.

Vida e Morte no Sugarscape

No começo havia açúcar

• Para cada coordenada do grid existem duas variáveis Nível e

capacidade de açúcar.

• Ambiente consiste de regiões ricas ou não de recursos.

• O posicionamento inicial os agentes é randômico.

Podem ter sorte ou não na sua localização.

• Os agentes nascem dentro do Sugarscape com capacidade de perceber o ambiente (visão).

• Cada movimento custa um certa quantidade de energia. Quantidade que depende da taxa de metabolismo de cada agente.

• O agente morre se queimar toda sua açúcar.

Vida e Morte no Sugarscape

No começo havia açúcar

Vida e Morte no Sugarscape

Regra básica regente no modelo:

• Olhe em sua volta tão longe quanto sua visão permite nas quatro principais direções e identifique a célula desocupada que tem a maior quantidade de açúcar;

• Se o maior valor de açúcar aparecer em múltiplas

células então selecione o mais próximo;

• Mova até a célula

• Cada agente carrega o código genético do seu metabolismo e

do seu nível de visão. (População heterogênea)

• Metabolismo: Quantidade de açúcar queimado por passo

de tempo, ou interação, de 1 a 4. (randômico)

• Nível de visão: Valor da capacidade de visão do agente,

de 1 a 6. (Randômico)

Vida e Morte no Sugarscape

•Cada agente nasce com uma quantidade de açúcar em seu

depósito particular.

• açúcar comida e não queimada é armazenada no depósito.

• Não existe limite de açúcar para o depósito.

• Para cada célula a açúcar se recompõe após o seu consumo pelo agente.

• Quatro regras básicas para esta recomposição.

• a açúcar se regenera instantaneamente para a capacidade máxima.

•G∞

• Se regenera através de uma taxa por unidade de tempo. •Gx

• A sua recomposição depende do nível das células vizinhas. • A açúcar pode crescer com diferentes taxas em diferentes

regiões.

Vida e Morte no Sugarscape

• Se regenera através de uma taxa por unidade de tempo (Gx).

Vida e Morte no Sugarscape

Segunda rodada

• Tendência de permanência dos agentes com baixo metabolismo e alta capacidade de visão.

•Os agentes começaram com medias de visão e metabolismo de 3.5 e 2.5 após 500 interações a seleção incrementou a visão para 4.1 e reduziu a media do metabolismo para 1.8

Vida e Morte no Sugarscape

Seleção Natural

•Alteração nas regras dos agentes:

• MORTE

•Eles devem morrer de acordo com uma idade determinada randomicamente em um intervalo de [a,b]

• Substituição de agentes:

• A cada morte um novo agente nasce com suas características genéticas, metabólicas e de

posição geradas randomicamente.

Vida e Morte no Sugarscape

Saúde e sua distribuição

Vida e Morte no Sugarscape

Migração

A poluição degrada o ambiente no qual os agentes

vivem, reduzindo o bem estar dos mesmos.

Pode ser gerada a partir de:

1. Movimento dos agentes;

2. Colheita do açúcar;

3. Através do consumo do agente;

4. Crescimento da açúcar.

Vida e Morte no Sugarscape

Poluição

Poluentes

• Existem vários tipos de poluentes;

• Cada um com diferentes taxas de produção;

• Podem ser transportados para outras células com coeficientes diferentes;

• Podem ter um coeficiente de crescimento ou de decrescimento;

O que muda nos agentes com a poluição:

• Afeta diretamente os agentes deixando-os • Doentes;

• Degradando a visão;

• Aumentando o metabolismo.

• Ou simplesmente eles não gostam da poluição e tentam evitá-la.

Vida e Morte no Sugarscape

Poluição

Regra da formação da poluição P

:

• “Quando uma quantidade de açúcar é colhida do modelo, um montante de produção de poluente é gerado em quantidade αS”.

• “Quando uma quantidade de açúcar é consumida (metabolizada), a poluição de consumo é produzida de acordo com βm”.

pt _{= p}t-1 _{+ αS + βm}

Nova regra de movimento:

• Olhe o mais longe que sua visão permita nas

quatro principais direções e identifique a célula não ocupada com maior taxa de açúcar por poluição; • Selecione o mais perto dentre os selecionados; • Mova para esta célula;

• Colete toda a açúcar desta nova posição.

Vida e Morte no Sugarscape

Poluição

Transporte da poluição:

• É feito por difusão de células com alto níveis para células com baixo nível.

Regra da difusão:

• Para cada período de tempo α, computar o fluxo de poluição – a média do nível de poluição de cada

vizinho.

• Após o fluxo das células este torna-se o seu novo nível de poluição

Fig pag 49

Vida e Morte no Sugarscape

Poluição

• Reprodução;

• regras de reprodução; processos culturais e de combate;

• Comércio no Sugarscape;

• Regras de comércio; redes emergentes de comércio;

• Doenças;

• redes de transmissão de doenças; Respostas do sistema imunológico.

Algoritmos do Sugarscape

Classe Sugarscape

• Os ABM´s são funcionais?

• Modelos computacionais como o Sugarscape podem dar um direcionamento para estudos que antes nunca haviam sido pensados. • Podem-se gerar estudos mais sustentáveis através destes modelos. Tais como um melhor sistema de coleta e de tratamento de resíduo. Tudo isso pode ser visto e analisado a cada iteração

• Quando todas as variáveis estão ligadas (sexo, cultura, crédito, doenças, combate...), os resultados analíticos são muito difíceis de serem analisados. Necessita-se de mais desenvolvimento para um novo e formal método de análise.

• Casos onde existem exponencial no número de commodities são praticamente impossíveis de se resolver computacionalmente.

Conclusões

• Macal, C. M. e North, M. J. (2005). “Tutorial on Agent-Based Modelling and Simulation”, in Kuhl, M.E., Steiger, N.M, Armstrong, F.B and Joines, J. A. (eds.), Proceedings of the 2005 Winter Simulation Conference.

• Bonabeau, E. (2002). “Agent-Based Modelling: Methods and Techniques for Simulating Human Systems”, Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS).

• Epstein, J. M. and R. Axtell. 1996. “Growing artificial societies: social science from the bottom up”, Cambridge, MA: MIT Press.

•A. Rahman, S. Setayeshi, & M.S. Zafarghandi. “An Analysis to Wealth Distribution Based on Sugarscape Model in an Artificial Society”, International Journal of

Engineering, Vol. 20, Number 3, Tehran, Iran, 2007.

• Gilbert, N. and Terna, P. (1999).“How to build and use agent-based models in social

science.” Mind & Society, 1, forthcoming.