Tìm hiểu về phương pháp mô hình hóa dựa trên tác nhân (ABM) và ứng dụng

Ý tưởng của đề tài xuất phát từ việc phương pháp mô hình hóa dựa trên tác nhân (ABM) có thể mô phỏng các hệ thống phức tạp bằng cách tập trung vào hành vi và tương tác của từng tác nhân trong hệ thống. Đề tài sẽ tập trung vào việc tìm hiểu về lý thuyết và nguyên tắc của phương pháp mô hình hóa dựa trên tác nhân ABM, bao gồm các khái niệm cơ bản và công cụ mô phỏng (thư viện Mesa trong Python) và minh họa cho mô hình ABM bằng cách áp dụng mô phỏng cho bài toán cháy rừng. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tìm hiểu về phương pháp mô hình hóa dựa trên tác nhân (ABM) và ứng dụng TÌM HIỂU VỀ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA DỰA TRÊN TÁC NHÂN (ABM) VÀ ỨNG DỤNG Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Mạnh Hùng Sinh viên thực hiện: Mai Ngọc Ánh Nguyễn Hoàng Đức Đoàn Văn Thắng Lớp: Toán ứng dụng K61 Tóm tắt: Ý tưởng của đề tài xuất phát từ việc phương pháp mô hình hóa dựa trêntác nhân (ABM) có thể mô phỏng các hệ thống phức tạp bằng cách tập trung vào hành vivà tương tác của từng tác nhân trong hệ thống. Đề tài sẽ tập trung vào việc tìm hiểu vềlý thuyết và nguyên tắc của phương pháp mô hình hóa dựa trên tác nhân ABM, bao gồmcác khái niệm cơ bản và công cụ mô phỏng (thư viện Mesa trong Python) và minh họacho mô hình ABM bằng cách áp dụng mô phỏng cho bài toán cháy rừng.I. Đặt vấn đề Trên thế giới hiện nay, mô hình kinh tế vĩ mô đã và đang được sử dụng rộngrãi là mô hình cân bằng động ngẫu nhiên tổng quát DSGE (Dynamic StochasticGeneral Equilibrium). Các mô hình DSGE là dạng mô hình dự báo thay thế cácmô hình dự báo truyền thống nhằm giải thích các hiện tượng tổng cầu trong nềnkinh tế. Điểm mạnh của các mô hình DSGE là thực hiện dự báo trên cơ sở các môhình có nguồn gốc lý thuyết từ kinh tế. Vì vậy mô hình DSGE có thể bao gồm rấtnhiều phương trình, do đó nó chưa phù hợp khi các đối tượng mô tả là rời rạc. Vào năm 2008, các tổ chức tài chính trong thị trường bất động sản tại Mỹbắt đầu đưa ra các khoản vay thế chấp mạo hiểm. Các khoản vay này nhằm giảicứu người mua bất động sản dưới hình thức vay thế chấp, nhắm vào những ngườimua nhà có thu nhập thấp, rủi ro cho vay rất cao cùng với sự bùng nổ bong bóngnhà đất tại Hoa Kỳ. Mô hình DSGE đã không phát hiện ra sự biến động này doloại trừ các khoản vay dưới chuẩn, dẫn tới cuộc khủng hoảng kinh tế toàn cầu “đắtđỏ” – một trong những nguyên nhân dẫn tới cuộc đại suy thoái toàn cầu năm 2009.Mô hình này hoạt động rất tốt trong nền kinh tế bình thường. Tuy nhiên, nhữngđiều kiện như vậy không phải lúc nào cũng tồn tại. Mô hình này hoạt động khôngtốt khi khủng hoảng kinh tế xảy ra. Để giải quyết được vấn đề này, một số nhà kinh tế đã đề xuất một loại môhình mới có thể mô phỏng thực tế tốt hơn, đó là mô hình hóa dựa trên tác nhân. Ởđề tài này, ta sẽ tìm hiểu về mô hình hóa dựa trên tác nhân là gì và nó được xâydựng, sử dụng như thế nào.II. Các nội dung chính1. Giới thiệu mô hình ABMa. Các khái niệm Ta có các khái niệm sau: • Agent – tác nhân được định nghĩa là một yếu tố cá nhân độc lập của một mô phỏng máy tính. Những yếu tố riêng lẻ này có thuộc tính, trạng thái và hành vi. 126 • Mô hình hóa dựa trên tác nhân (Agent Based Modeling - ABM) là một phương pháp mô hình hóa tính toán cho phép ta mô tả bất kỳ tác nhân nào sẽ hành xử như thế nào. Để dễ hiểu hơn, ta mô tả mô hình kiếm ăn của kiến bằng phương phápABM. Để kiếm ăn kiến sẽ bò loanh quanh để tìm kiếm xung quanh có thức ăn haykhông. Khi một trong số chúng tìm thấy thức ăn trong vùng lân cận xung quanhtổ, nó sẽ mang một mảnh nhỏ về tổ và để lại một mùi hương gọi là pheromone(chất tiết ra từ cơ thể như tín hiệu hóa học giữa các cá thể cùng loài) trên đườngtrở về tổ để đánh dấu đường đi và những con kiến khác sẽ đi theo con đường đượcđánh dấu này để đưa thức ăn về tổ. Những con kiến này tiếp tục tiết ra pheromoneđể đánh dấu. Kiến được coi là một tác nhân. Nó có các đặc tính như hình thức bên ngoàivà tốc độ di chuyển của nó. Nó có các hành vi đặc trưng như di chuyển, đánh hơi,nhặt thức ăn và tiết ra pheromone. Nó có các trạng thái như có mang thức ăn haykhông (trạng thái nhị phân) và liệu nó có thể cảm nhận được lượng pheromonetrong môi trường xung quanh nó hay không (một trạng thái đa giá trị). Ta có bộ quy tắc mà một con kiến có thể tuân theo. Chúng ta mô tả các quytắc từ các hoạt động của một con kiến riêng lẻ: • Nếu kiến không mang theo thức ăn, kiến kiểm tra xem có thức ăn ở chỗ nó không. Nếu có, nó nhặt lên. Nếu không có thức ăn ở đây, nó sẽ cố gắng cảm nhận một vệt pheromone gần đó, nếu nó tìm thấy, nó sẽ đi về hướng có pheromone mạnh nhất. • Nếu kiến đang mang thức ăn, nó quay về tổ và tiết ra pheromone. • Kiến sẽ rẽ ngẫu nhiên một đoạn nhỏ và tiến lên vài bước.b. Ý nghĩa của mô hình ABM Mô hình hóa dựa trên tác nhân ABM có nhiều ý nghĩa quan trọng trongnghiên cứu và ứng dụng thực tế. Sau đây là một số ý nghĩa của mô hình ABM: • Giúp giải quyết các vấn đề phức tạp: Mô hình ABM cho phép mô phỏng các hệ thống ph ...