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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-70440
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/7044/


Agenten in Raum und Zeit : diskrete Simulation mit Multiagentensystemen und expliziter Raumrepräsentation

Meyer, Ruth

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SWD-Schlagwörter: Simulation , Diskrete Simulation , Mehragentensystem , Raum
Freie Schlagwörter (Deutsch): Raummodell , Agentenbasierte Simulation , Simulationssoftware , Weltsicht
Freie Schlagwörter (Englisch): agent-based simulation , space model , discrete-event simulation , simulation worldview , simulation software
Basisklassifikation: 54.76
Institut: Informatik
DDC-Sachgruppe: Informatik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Page, Bernd (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 26.06.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 05.12.2014
Kurzfassung auf Deutsch: Die letzten zehn Jahre haben eine Fülle von sogenannten agentenbasierten Modellen hervorgebracht. Diese Modelle zeichnen sich dadurch aus, dass Entitäten im beobachteten System und deren Interaktionen direkt auf Modellentitäten („Agenten“) und entsprechende Interaktionen zwischen Agenten abgebildet werden, die Struktur des modellierten Systems also erhalten bleibt, während sein Verhalten über die Zeit untersucht wird. Die Anwendungsgebiete reichen von Soziologie und Ökonomie über Biologie und Ökologie bis zu Archäologie und dem militärischen Bereich.

Da der agentenbasierte Modellierungsstil in diesen Gebieten oft der kontinuierlichen Simulation gegenübergestellt wird, in welcher ein System von Differentialgleichungen schrittweise gelöst wird, ist es nicht verwunderlich, dass die überwiegende Mehrzahl agentenbasierter Modelle mit Zeitsteuerung implementiert werden, d.h. die Simulationszeit wird in äquidistanten Schritten fortgeschrieben. Dies ist außerdem erheblich einfacher zu realisieren als die flexiblere und effizientere Ereignissteuerung, was besonders im Falle fehlender Simulationswerkzeug-Unterstützung eine Rolle spielt. Anwendungen und Werkzeuge werden meist von Domänen-Experten und nicht Simulationsexperten entwickelt.

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wird gezeigt, wie die agentenbasierte Simulation im Kontext der ereignisdiskreten Simulation als eine neue Weltsicht definiert werden kann. Diese in Anlehnung an die Bezeichnungen der klassischen Weltsichten als „agentenorientiert“ bezeichnete Weltsicht kombiniert die Metapher der Multiagentensysteme mit einem ereignisgesteuerten Zeitfortschritt. Verwendung der Ereignissteuerung setzt voraus, dass (a) die Dauer von Aktivitäten der Agenten und Umgebung vor ihrem Ende bestimmt, (b) jeder Agent sofort auf Veränderungen in der Umgebung reagieren und (c) die Aktualisierung des Umgebungszustands trotz asynchronem Agenten-Update effizient gehalten werden kann.

Darauf aufbauend wurde ein Konzept entwickelt für ein Simulationswerkzeug, das diese agentenorientierte Weltsicht umsetzt. Besonderer Schwerpunkt des Werkzeugs ist es, die explizite Repräsentation einer räumlichen Umgebung sowie die Bewegung von Agenten im Raum zu unterstützen. Dies sind Bereiche, in denen bestehende Werkzeuge für agentenbasierte Modellierung Schwächen aufweisen, obwohl ein Großteil der Multiagentenmodelle den räumlichen Aspekt der Umgebung explizit berücksichtigen und mobile Agenten vorsehen.

Das Konzept wurde prototypisch realisiert im Simulationsframework FAMOS als eine Erweiterung des bewährten diskreten Simulators DESMO-J. FAMOS konnte durch Re-Implementation zweier aus der Literatur bekannten Modelle (Schellings Segregationsmodell, Sugarscape) getestet und darüber hinaus in einer praxisrelevanten Anwendung zur Simulation von Stadtkurierdiensten ausführlich evaluiert werden.
Kurzfassung auf Englisch: The last ten years have spawned a plethora of so-called agent-based models. This type of model is characterized by mapping entities and their interactions in the system under observation directly onto entities in the model ("agents") and interactions between agents, respectively. Thus the model preserves the structure of the modelled system while investigating its behaviour over time. The wide range of application domains includes sociology, economy, biology, ecology, archaeology and the military sector.

Since these domains often contrast the agent-based style of modelling with continuous simulation, in which a set of differential equations is solved numerically by stepwise integration, it is not surprising that the vast majority of agent-based models apply a time-driven approach, i.e. simulation time is advanced in equidistant steps. This time advance method is considerably easier to implement than the more flexible and efficient event- driven approach, which can make all the difference if a dedicated simulation toolkit is missing. Both applications and toolkits are usually developed by domain experts and not simulation experts.

The present dissertation thesis shows how agent-based simulation can be defined as a new world view within the context of discrete-event simulation. Named “agent-oriented” in accordance with the (German) terms for the classical world views, this world view combines the metaphor of multi-agent systems with an event-driven time advance. Applying the event-driven approach requires that (a) the durations for agent and environment actions are determined before they terminate so that the respective termination event can be scheduled in time, (b) each agent is able to instantly react to changes in its environment, and (c) the update of the state of the environment can be kept efficient despite updating agents asynchronously.

Based on these requirements the concept for a simulation toolkit was developed, which implements the agent-oriented world view. A major focus of this toolkit is to support an explicit representation of space within the environment and the movement of agents in that space. These are areas where existing toolkits for agent-based modelling show shortcomings, despite the fact that a majority of multi-agent models explicitly model space and allow for mobile agents.

A prototypical implementation of this concept is provided with the simulation framework FAMOS extending the tried and tested discrete-event simulator DESMO-J. FAMOS was first tested by re-implementing two well-known models (Schelling’s segregation model, Epstein and Axtell’s Sugarscape model) and then thoroughly evaluated in a practice-oriented simulation study of a city courier service.

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