干货 | AnyLogic建模仿真介绍+武汉疫情案例实战
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2020-02-27 23:21
文案 向柯玮
审核修改 邓发珩
前言
多方法？系统仿真？都是些啥啊？
别急，今天就让小玮陪你一起走进一款多方法仿真软件AnyLogic，来了解了解多方法仿真是什么以及简单的使用AnyLogic这样的多方法仿真软件。
目录
前言
目录
系统评估方法
测量方法
解析方法
仿真方法
为什么要使用仿真建模
仿真建模方法
系统动力学
离散事件
智能体
AnyLogic的基本使用
什么是AnyLogic
下载安装
案例简介
系统评估方法
这是一个非常直观的概念，大家可以从字面上就可以知道系统评估的意思，没错就是对我们的系统的结果进行一定程度上的评估。
常用的评估方法只要有以下三种。
测量方法
利用测量工具。直接获得系统指标值。例:使用尺子测量长度。使用秒表获得100米跑时间。
解析方法
利用公式。简单计算获得系统指标值。例：计算圆周长公式 L = 2×π×r 单服务系统（到达泊松分布，服务指数分布）。平均等待时间W=λb²/(1-λb)。
仿真方法
利用计算机。对系统的结构、功能和行为 等进行动态性比较逼真的模拟仿 真获得系统相关指标值。例：利用AnyLogic仿真建模。
为什么要使用仿真建模
我们可以通过一个例子来说明我们为什么要使用仿真建模。
去银行办理业务，平均每小时10位客户，柜台只有1名柜员，平均服务时间为5分钟，我们需要求出平均的等待时间。
在这里我们可以使用数学公式
但是我们可以知道这只是假设每个人都是独立的前来，如果是几个人一块儿来呢？
如果柜员有多个呢？如果服务时间有不同的分布呢？这些问题综合起来，即便是一个很简单的系统，我们也很难获得一个解析解
而且，在现实生活往往会更加的复杂
- 只有一些特定的员工可以做一些交易
- 客户可能被引导给其他员工
- 出纳员可能共享资源
- 如打印机或复印机
- 不同的员工可能有不同的技术和能力
- 等等……
这些让我们几乎不可能从原来的方法中获得我们满意的结果。
这个时候，有可预见的复杂性和保证结果的分析方法就是：仿真建模
仿真建模方法
介绍使用仿真建模的原因，下面我们来讨论讨论建模的方法。
系统动力学
通常用于长期、战略性模型。假设被构建对象高度聚合：人、产 品、事件及其他离散物品在模型中 用数量代表。
比如说现在武汉疫情的变化趋势，我们就可以通过系统动力学来进行建模。
离散事件
我们周围的世界表现是“连续 的”，分析连续的过程是，合适的 做法是对连续的本质进行抽象，只 考虑那些系统过程中“重要的”时 刻和时间。
比如说供应链中的问题，我们就可以通过离散事件来进行建模。
智能体
以个体为中心的建模。确定智能体（人、建筑物、产品等），定义其行为（驱动力、状态、行为等），将其放到一个中心环境中，或可建立连接。则系统层（整体）行为就展现为 很多个体行为交互的结果。
比如说我们之前举的银行办理业务的模型，我们就可以通过智能体来进行建模。
AnyLogic的基本使用
前面介绍了一些关于仿真建模的基本知识，现在我们来介绍咱们的工具。
什么是AnyLogic
正所谓工欲善其事，必先利其器，有一款高效的建模工具，会对我们的工作产生巨大的便利，那么今天给大家介绍的就是一款建模神器AnyLogic。
这是一款100%基于java的软件，所以为了建立一个比较酷炫的模型，还是很有必要了解一定的java知识。
下载安装
首先我们前往AnyLogic官网[1],点击右上角的download进行下载。
在安装的过程中我们要注意不要点击install，而是点击下面的按钮，这样我们就可以选择软件语言，当然，我们也可以在这里直接点击install，在进入软件之后再调节语言，但是能简便一点是一点嘛。
设置好安装路径之后就可以打开软件了。点击新建模型，设置好模型名称和模型路径，我们就相当于正式进入了AnyLogic模型的建设了。
把鼠标放在左侧图标处，我们就可以看到我们的工具箱。有很多东西，在接下来，我们通过一个简单的例子来让大家熟悉熟悉基本操作。
案例简介
本次我们的案例是武汉疫情的SIR简易模型，我们采用的方法是系统动力学。本次案例的效果如下：
在本例中，我们简单的把疫情的几个模块分为
- 易感染者
- 感染者
- 移出者（包括死亡者和治愈者）
参数有：
- 总人口=5000
- 接触人数=10
- 传染概率=0.1
- 疾病周期=10
在最初，我们认为
- 易感染者=总人口-1（初始只有一个感染者）
- 感染者=（初始为1）
- 移出者=（初始为0）
这个过程中，我们认为：
- 感染者的增加规律为（接触人数感染者/总人口传染概率*易感染者）
- 移出者的增加规律为（感染者/疾病周期）
（这些不是很严谨的设法，只是单纯做个案例讲解--）
下面我们开始。
把鼠标放在左侧，我们可以看到系统动力学的选项，点一下就可以看见系统动力学的工具栏。
首先用左键拖动一个存量出来，然后按住ctrl键并用左键拖动存量，我们可以发现，我们复制了一个存量出来，我们需要三个存量，所以我们需要再拖一次。
在这里我们需要解释一下存量的意思，顾名思义，其实就是储存变量的意思，其实就是编程意义上的变量，那么我们在之前说的参数其实就是常变量。
这些模型我们是可以随意变化大小的，我们做一些调整，然后给这些存量进行命名。
然后我们再拖动参数图像出来，按照我们之前的参数设置，一共应该有4个参数，拖出来，复制，命名。
这个时候我们不要急，我们现在需要给这些存量进行赋初始值，对参数赋默认值。用鼠标点击存量在右侧窗口我们可以看到赋值处。依次填入我们的初始值。
对于参数，我们需要点击前面的那个点，点击后面的文字是不起作用的，需要点击前面的点，记住奥。同样的填入初始值。
其实在这个面板，大家就可以更加清晰的理解到这个参数的意义了吧？因为看到了类型嘛。很容易就可以和程序联系起来。
但是，到目前为止，我们还不够，我们要让各个存量，参数之间建立联系，这个时候，我们就需要借助流量这个东西了。
双击从一个存量中间的点拉到另外一个存量中间的点，我们就可以看到生成了一个箭头。
我们是可以对箭头进行命名的，先点击箭头，然后就可以命名了。
在这里我们介绍一下流量的意思，就是类似于一个管道，把一个存量中的东西按照一定的规则转移到另外一个存量中去。
我们点击箭头，可以出现以下界面。
在flow位置就是我们的规则，在之前我们已经介绍了从易感染者到感染者的规则是（接触人数感染者/总人口传染概率*易感染者），填进去就可以了。
但是，这个时候我们会发现在flow的边框那里出现了一个红色的小x，这是因为我们还没有让流量和我们相应的参数建立起关系。
点击处于灰色位置的X，我们就可以让参数和流量建立起联系了，当我们把所有的联系建好了以后，我们会出现如图所示的画面。
在这个时候，我们差不多已经建立了一个简单的模型，我们点击运行就可以看到我们的程序了（要记住点击左下角的启动按钮），会出现下面的画面。
但是呢，我们可能觉得这个还不是很酷炫，我们还可以加一些数据分析的东西进去。
回到我们的主程序，选择工具栏中的分析。
选择时间折线图或者别的图，其实原理都是一样的，我们在这里介绍一下时间折线图的使用。
还是老样子，我们把时间折线图拖出来，就可以设置我们的参数名称以及值的大小。
我们发现，这里面只有两个值让我们填，那么有的时候如果我们有更多的怎么办呢？其实点击下方的“+”好就可以了。
再次运行程序就差不多完成了本次的建模，其实还有更多更复杂的操作，在这个位置，我们先不介绍了，以后有机会会再给大家介绍的。
最终的一些展示。
中国加油，武汉加油！
参考资料
[1]AnyLogic官网: https://www.anylogic.com/