Формальная постановка задачи

Некоторое количество жуков живут в тороидальном двумерном дискретном пространстве, содержащем nxn ячеек. В каждой ячейке пространства в каж­дый момент времени может быть не более чем по одному жуку. Время в мо­дели дискретно, т. е. модель синхронна. На каждом временном шаге проис­ходят следующие события: жуки двигаются, выделяют некоторое количество тепла, это тепло распространяется в среде, а также тепло "испаряется".

Каждая ячейка среды имеет некоторое количество тепла. Тепло в ячейке синхронно изменяется: оно "испаряется" и распространяется из данной ячейки в соседние 8 ячеек. Правило изменения температуры н со временем в ячейках следующее:

H(t+1) = е * (H(t) *  k*(AvgH(t) - H(t))),

где е — интенсивность "испарения" тепла, ее(0..1), к — интенсивность рас­пространения тепла, k принадл.(0..1) и AvgH — среднее значение H в 8 соседних ячейках.

Каждый жук изначально создается со своими "идеальной" температурой и выделяемым теплом, выбранными случайно из некоторых интервалов. На каждом шаге по времени жук выделяет некоторое количество тепла в ту ячейку, которую он занимает, находит среди своих 8 соседних ячеек ту, температура которой наиболее близка к его "идеальной" температуре, и пе­ремещается в эту ячейку. Имеется фиксированная вероятность для жука двигаться в произвольном направлении вместо направления, выбранного "рационально".

У каждого жука есть коэффициент "неудовлетворенности" U его текущей ситуацией, показывающий, насколько температура в ячейке, которую он занимает, далека от его "идеальной" температуры:

U = abs(Н - I) / mах(Н),

где н — температура в ячейке, которую занимает жук, I — его идеальная температура и mах(H) — максимально возможная температура в ячейках. Очевидно, что задача каждого жука — уменьшить этот коэффициент.

Модель

Простая агентная модель, демонстрирующая динамику мира "тепловых жу­ков", содержит два класса активных объектов: агента-жука (вид) и корневой объект-среду Main, в которой живет множество агентов-жуков. Корневой объект имеет анимацию, в которой динамика этого мира представлена на­глядно (рис. 20.4). Одного из агентов можно выделить, щелкнув на нем мы­шью. Выделенный агент показывается в белом круге. Все характеристики выделенного агента отражаются на вставке.

Модель жука

Эта модель очень проста: она имеет в качестве переменных идеальную тем­пературу U, выходное тепло н, которое в единицу времени выделяет жук во внешнюю среду, пару координат клетки внешней среды х и у, в которой в каждый момент времени будет находиться жук, и его коэффициент "не­удовлетворенности" U текущей ситуацией. Значения первых двух перемен­ных устанавливаются как реализация случайной величины, равномерно рас­пределенной в соответствующих интервалах. Координаты х и у, а также коэффициент U будут изменяться со временем жизни жука. Каждый раз, когда из среды вызывается функция update, агент выполняет поиск той клетки в среде, куда нужно ему двинуться, если его уровень неудовлетво­ренности больше, чем его толерантность.

Модель среды

Среда Model содержит numberofBugs жуков, несколько переменных, в кото­рых хранятся интегральные характеристики всего коллектива жуков, и цик­лический таймер. В этой простой модели поведение системы на каждом ша­ге регулируется централизованно: функция update, определенная в поле Дополнительный код класса окна Код активного объекта Model будет вызы­ваться каждую единицу времени при срабатывании циклического таймера. Эта функция вычисляет на каждом шаге сначала новую температуру для ка­ждой клетки по приведенной ранее формуле, а затем перебирает всех жуков

и обращается к функции update каждого жука, чтобы тот определил, куда он будет на этом шаге двигаться.

Заключение

Описанные в этой главе модели представляют одну из весьма перспектив­ных областей исследования — так называемые модели "Искусственной жиз­ни". Основной мотивацией исследований в этой области является желание понять формальные принципы организации земной биологической жизни. Искусственная жизнь пытается смоделировать биологическое поведение в различных средах при различных условиях и целевых установках. Это жизнь, созданная человеком, а не природой. Исследования искусственной жизни направлены не только на теоретические исследования свойств жиз­ни, но и на практические приложения, такие как мобильные роботы, дина­мика социальных систем и другие применения.

Построение анимационных моделей искусственной жизни играет основную роль в этих исследованиях. Фактически, "организмы" в искусственной жиз­ни — это придуманные людьми объекты, живущие в мире компьютерных программ. AnyLogic предоставляет широкие возможности разработки моде­лей искусственной жизни на основе агентного подхода.

Глава 21 Медицина

В работе [CS99] обсуждаются возможности применения моделирования в здра­воохранении, в частности, анализируется использование имитационного моделирования для организации работы госпиталей. Автор утверждает, что эта технология является идеальным инструментом для решения широкого круга проблем в данной области. Уже в 60-х годах прошлого века имитаци­онное моделирование было использовано для оптимизации расписания приема пациентов. В последние годы моделирование все чаше используется для анализа коэффициента использования ресурсов, выявления узких мест и улучшения качества функционирования больших организационных систем медицинского профиля, таких, например, как госпитали.

Приведенная в этой главе модель функционирования отделения скорой помощи (Emergency Department) явилась одним из результатов исследования, призван­ного повысить эффективность работы реального госпиталя в г. Чикаго, США. Отделение скорой помощи данного госпиталя принимает более 40 000 паци­ентов в год.