Analyse der Struktur und Funktionalität eines Virtual Overlay Multi-agent System bei einem Influenza-Modell

Abstract

Motivation: Die Modellbildung versucht mit Hilfe einer vereinfachten Darstellung der Realität - dem Modell - Problematiken oder Prozesse der Wirklichkeit innerhalb dieses Modells darzustellen bzw. zu lösen. Eben diese Vereinfachungen machen es allerdings notwendig, zu evaluieren, ob die richtigen Annahmen und Abstraktionen für den darzustellenden Prozess getroffen wurden. Die Validierung soll dabei helfen, zu entscheiden, ob das Modell die zugrundeliegende Problematik ausreichend gut löst. Agentenbasierte Modelle sind sehr flexibel und dank steigender Rechenleistung auch bei praktisch relevanten Problemen anwendbar, aber die Validierung solcher Modelle steht bis dato noch vor vielen Schwierigkeiten. Die komplexe Struktur von agentenbasierten Modellen und der starke Einfluss des Verhaltens einzelner Agenten auf das resultierende Verhalten des Modells macht die Anwendung klassischer Validierungsmethoden nur bedingt möglich. Spezielle Methoden für agentenbasierte Modelle wurden bereits entwickelt, aber bislang kaum eingesetzt und dokumentiert. Bei dem in dieser Arbeit beschriebenen VOMAS-Ansatz (Virtual Overlay Multi-agent System) handelt es sich um eine dieser neuen Validierungsmethoden. Methoden: Basierend auf Literaturrecherchen wurden die Hauptprobleme der Validierung von agentenbasierten Modellen isoliert und in Frage kommende Validierungsmethoden identifiziert und beschrieben. Für den speziellen Fall der Validierung mittels eines VOMAS wurden ebenfalls Methoden aufgelistet, deren Anwendung durch das VOMAS ermöglicht bzw. erleichtert werden. Im Hinblick darauf, welche Eigenschaften ein VOMAS haben und was es dem Anwender ermöglichen soll, wurden alle Komponenten detailliert analysiert und eine passende Gesamtstruktur entwickelt. Die Struktur wurde unter folgenden Annahmen an das Aussehen und Eigenheiten eines VOMAS entwickelt: Ein VOMAS ist hierarchisch angeordnet, mit einem Manageragent - dem VO-Manager - an der Spitze. Dieser delegiert den größten Teil der Informationssammlung an die ihm unterstellten VO-Agenten. Beim Zugriff des VOMAS auf die Simulation muss unterschieden werden, ob auf Simulationsagenten oder auf globale Variablen des Modells zugegriffen wird. Der für die Speicherung gesammelter Information zuständige VOMAS-Agent - der Logger-Agent - ist beinahe unabhängig vom Ablauf der Simulation oder den Tätigkeiten der anderen VOMAS-Agenten. Er sollte deshalb meist parallel zu den restlichen Abläufen arbeiten. Ist eine Speicherung der Informationen in Form eines anderen Mediums gewünscht, sollte er außerdem ohne viel Aufwand gegen andere Typen von Logger-Agenten ausgetauscht werden können. Weitere Komponenten des VOMAS sollten je nach Bedürfnissen ebenfalls austauschbar sein um eine effektive und flexible Datenaggregation zu ermöglichen. Eine existierende Influenza Simulation wurde mit dem beschriebenen theoretischen Ansatz ausgestattet und auf praktische Anwendbarkeit getestet. Ergebnisse: Die Bausteine eines VOMAS wurden detailliert untersucht und ein Vorschlag für ein plattform- und beinahe anwendungsunabhängiges VOMAS-Design entwickelt. Die Formulierung der anwendungsabhängigen Komponenten wurde in den allgemeinen Modellierungskreislauf eingebettet, um die parallele Entwicklung von VOMAS und Modell zu erleichtern. Das VOMAS-Design wurde für das Influenzamodell mit der objektorientierten Programmiersprache Java implementiert und ist in der Lage, eine Vielzahl neuer Daten zu sammeln, aus denen detaillierte Informationen zum Verhalten der Agenten und des Modells an sich gewonnen werden können. Mit Hilfe des VOMAS können unter anderem erstmals beide Seiten einer Infektion (aus Sicht der Person, die eine andere infiziert, und aus Sicht jener, die infiziert wird) protokolliert werden und diese Infektionen mit den Orten, an denen sie stattgefunden haben, in Verbindung gebracht werden. Die Ergebnisse unterstreichen, dass das Influenza-Modell weiter überarbeitet werden muss. So werden beispielsweise bei einer vernünftigen Parametrisierung des Modells 84% der Kleinkinder, 82% der Schüler und 74% der Arbeitstätigen über den Lauf einer Simulation infiziert. Conclusio: Im Zuge dieser Arbeit wurden die Aufgabenbereiche der einzelnen Komponenten eines VOMAS detailliert beschrieben und eine Struktur vorgestellt, welche die Erledigung dieser Aufgaben effizient ermöglicht. Das entwickelte Design war im Anwendungsbeispiel des Influenza-Modells gut einsetzbar und konnte eine Vielzahl aufschlussreicher Informationen zum Verhalten der Agenten sammeln. Zusätzlich ist das Design flexibel in den meisten objektorientierten Systemen implementierbar. Dies unterstreicht das Potential des VOMAS-Ansatzes.

Motivation: Modeling and simulation use simplified representations of real world systems - so called models - to find solutions to real problems. The simplifications and model assumptions chosen to create a model need to be examined however, to make sure the right assumptions were chosen in regards to the problem the model tries to solve. The process of validation helps to decide whether a model is able to solve a given problem in a satisfying way. Agent-based models are becoming increasingly popular in the field of modeling and simulation. They are able to simulate very complex behavior and thanks to the ongoing increase of computing power, they can be applied to real world problems. In spite of their intuitiveness, they are very hard to validate. This is mostly due to their complex structure and emergent behavior. Therefore, new validation methods targeted at agent-based models were developed. A new approach for validating agent-based models uses a virtual overlay multi-agent system (VOMAS). However, so far very few cases about the usage of VOMAS in a model have been documented. Methods: Based on literature regarding agent-based modeling and validation, this thesis sets out to identify the main problems which occur when faced with the task of validating an agent-based model. Validation methods, which can still be used for agent-based models were listed, as well as those methods that the use of a VOMAS make either possible or at least easier to apply. Keeping in mind the initial concept of a VOMAS, each component of the multi-agent system was analyzed in detail and a basic structure was developed. Some of the basic ideas and abilities a VOMAS should have are (1) a hierarchal structure with a manager agent at the top delegating tasks to its subordinate agents; (2) when gathering information, one has to distinguish between accessing an individual simulation agent or a global attribute of the simulation itself; (3) the agent tasked with logging certain information should be able to work (a) independently from and (b) parallel to the other VOMAS agents as well as the simulation itself; (4) the way the information is saved for later use should also be up to the user; (5) other components should be made interchangeable to allow for a flexible and effective gathering of information on the model. To test the usage of the developed VOMAS design, it was implemented for an influenza framework. Results: The parts of a VOMAS were described in detail and a platform-independent design of a VOMAS was developed. The proposed design is, in most parts, also independent of the actual application. The remaining steps which need to be taken when developing a VOMAS for a specific model, were imbedded in the general modeling cycle. The VOMAS design was implemented for the influenza model using the object-oriented programming language Java. VOMAS was able to collect vast amounts of new data, out of which detailed information regarding the behavior of the agents and the model itself can be extracted. For the first time information about infectious contacts between persons could be gathered and the places where those contacts took place could be taken into consideration. The results proved the need for further validation of the model since a simulation run using a very plausible set of parameters showed that 84% of infants, 82% of pupils and 74% of workers were infected with the influenza virus. Conclusion: Within this thesis the components of a VOMAS were described in detail and a design for a VOMAS was developed. Applied to the influenza model, the design proved to be very flexible and effective and was able to gather useful information which can be used to validate the model. In addition, the developed design can be implemented in most object-oriented modeling environments. Therefore, the VOMAS approach shows great potential for future applications.