Введение

Компьютерный аналитический инструмент

Микросимуляция – это использование компьютерных аналитических инструментов для анализа деятельности, такой как движение транспортных потоков через перекресток, финансовых операций или распространение патогенов в популяции на уровне отдельных индивидуумов. Синонимы включают микроаналитическое моделирование и микроскопическое моделирование. Микросимуляцию, с ее акцентом на стохастические или основанные на правилах структуры, не следует путать с аналогичной, но взаимодополняющей техникой многоагентного моделирования, которая больше ориентирована на поведение отдельных агентов. Например, модель микросимуляции транспортного потока может быть использована для оценки эффективности увеличения длины полосы поворота на перекрестке и, таким образом, помочь принять решение о целесообразности фактического увеличения этой полосы.

Введение

Микросимуляцию отличают от других типов компьютерного моделирования тем, что она рассматривает взаимодействие отдельных единиц, таких как люди или транспортные средства. Каждая единица рассматривается как автономный объект, а взаимодействие между единицами может меняться в зависимости от стохастических (случайных) параметров. Эти параметры предназначены для отражения индивидуальных предпочтений и склонностей. Например, в модели транспортного потока одни водители осторожны и ждут значительного интервала перед поворотом, а другие – агрессивны и используют небольшие интервалы. Аналогично, в модели общественного здравоохранения люди могут различаться по устойчивости к вирусу, а также по личным привычкам, способствующим его распространению (например, по частоте и тщательности мытья рук). Международная ассоциация микросимуляции определяет микросимуляцию как метод моделирования, работающий на уровне отдельных единиц, таких как люди, домохозяйства, транспортные средства или предприятия. В модели каждая единица представлена записью, содержащей уникальный идентификатор и набор связанных атрибутов – например, список людей с известным возрастом, полом, семейным положением и статусом занятости; или список транспортных средств с известным местом отправления, назначения и эксплуатационными характеристиками. К этим единицам применяется набор правил (вероятности перехода), приводящий к имитируемым изменениям состояния и поведения. Эти правила могут быть детерминированными (вероятность = 1), например, изменения в налоговых обязательствах, вызванные изменениями в налоговом законодательстве, или стохастическими (вероятность <=1), например, вероятность смерти, заключения брака, рождения ребенка или переезда в течение определенного периода времени. В любом случае результатом является оценка последствий применения этих правил, возможно, за много временных шагов, включая как общие совокупные изменения, так и (что важно) то, как эти изменения распределяются в моделируемой популяции или местности.

Микросимуляция движения

Микросимуляция также используется в моделировании транспортных потоков и представлена такими программными пакетами, как TransModeler, PTV VISSIM, TSIS CORSIM, Cube Dynasim, LISA+, Quadstone Paramics, SiAS Paramics, Simtraffic, Aimsun и MATSim. Аналитические моделирующие программы, такие как LINSIG, TRANSYT, TRANSYT 7F или SIDRA INTERSECTION, представляют собой другой класс моделей, основанных на математических алгоритмах, описывающих комбинации элементов транспортной модели. Модели микросимуляции транспортных потоков имитируют поведение отдельных транспортных средств в пределах предопределенной дорожной сети и используются для прогнозирования вероятного влияния изменений в схемах движения, вызванных изменениями транспортного потока или физической среды. Микросимуляция наиболее эффективна при моделировании перегруженных дорожных сетей благодаря возможности имитировать условия образования очередей. Модели микросимуляции продолжают выдавать результаты при высокой степени загруженности, вплоть до полной транспортной блокировки. Эта возможность делает такие модели очень полезными для анализа транспортной ситуации в городских районах и центрах городов, включая развязки, кольцевые перекрестки, нерегулируемые и регулируемые перекрестки, коридоры с координированным светофорным регулированием и районные сети. Микросимуляция также учитывает даже незначительные изменения в физической среде, такие как сужение полос движения или изменение расположения линий остановки на перекрестках. В последние годы микросимуляционное моделирование привлекло внимание благодаря возможности визуализации прогнозируемого поведения транспортных потоков с помощью 3D-анимации, что позволяет лицам, не являющимся специалистами, таким как политики и широкая общественность, полностью оценить последствия предлагаемого проекта. Дальнейший прогресс в этой области достигается за счет объединения данных моделей микросимуляции с 3D-анимацией кинематографического качества и технологиями виртуальной реальности, разрабатываемыми такими компаниями, как FORUM8 в Японии.

Микросимуляция пешеходов или толпы

Микросимуляция, основанная на пешеходах или агентах, в последние годы приобрела все большую популярность и признание в отрасли; эти системы фокусируются на моделировании движения отдельных людей в пространстве с использованием аналитических показателей, таких как эффективность использования пространства, уровень обслуживания, плотность, заполняемость и степень дискомфорта. Многие современные программные пакеты для микросимуляции транспортных потоков объединяют компоненты, описывающие транспорт и пешеходов, для создания более целостных систем, в то время как многие инструменты моделирования толпы продолжают совершенствоваться для применения в крупномасштабном проектировании городских пространств.

Микросимуляция в медицинских науках

В медицинских науках микросимуляция генерирует индивидуальные жизненные истории. Метод используется, когда моделирование типа "сток и поток" (stock and flow) долей популяции (макросимуляция) недостаточно точно описывает интересующую систему. Этот тип моделирования не обязательно предполагает взаимодействие между индивидуумами (как описано выше) и в этом случае может генерировать индивидуумов независимо друг от друга, а также легко работать с непрерывным временем вместо дискретных временных интервалов. Несколько примеров моделей микросимуляции в области здравоохранения собраны в рамках программы CISNET Национального института рака США (http://cisnet.cancer.gov/). В Канаде модель здоровья населения (POHEM) является распространенной платформой для изучения множества хронических заболеваний, включая диабет, сердечно-сосудистые заболевания и артрит.

Пространственная микросимуляция

Экономические и медико-биологические подходы к микросимуляции позволяют оценить влияние изменений в экологических, экономических или политических условиях на определенную популяцию. Однако влияние многих изменений зависит от контекста, то есть одно и то же изменение (например, в диапазонах налогообложения доходов) может иметь положительный эффект в одних регионах и отрицательный – в других. Это понимание лежит в основе пространственных подходов к микросимуляции. Термин «пространственная микросимуляция» относится к набору методов, позволяющих аппроксимировать характеристики людей, проживающих в определенной местности, на основе набора известных для этой местности ограничивающих переменных. Как и эконометрическая микросимуляция, пространственная микросимуляция может быть как динамической, так и статической и включать в себя взаимодействующие или пассивные единицы. Гай Оркатт широко признан основоположником пространственной микросимуляции. Пространственная микросимуляция требует значительных вычислительных ресурсов и данных, а также определенного уровня навыков программирования для создания моделей. По этим причинам эта методика не получила широкого распространения. Однако ряд факторов привели к быстрому росту числа публикаций по пространственной микросимуляции в академической географии и смежных дисциплинах. К ним относятся:

Доступность и низкая стоимость мощных персональных компьютеров. Появление удобного и недорогого программного обеспечения, позволяющего создавать модели микросимуляции. Примеры включают R, Java и Python, каждый из которых можно отнести к свободному программному обеспечению с открытым исходным кодом. Совершенствование деятельности по сбору данных государственными органами, корпорациями и некоммерческими организациями. Улучшение доступности данных.

Языки и платформы программирования

Существуют языки программирования общего назначения, помимо программ, ориентированных на конкретные области (см. Симуляция трафика). К ним относятся JASmine, LIAM2, MODGEN и OpenM++.