Step6: 更加复杂的行为（Optional）

现在一个简单的捕食者仿真模型已经基本搭建完成，我们还可以优化一下，实现更加复杂的行为。

4.6.1 捕食者仿真模型

通过图像控制网格分布

现在的模型中，草地网格的初始分布时随机的，为了让其更加符合自然状态，我们通过图像的数值来控制网格中食物量的多少，使得草地的分布和图像一致。

原始图像（下载链接）如下，原始图像大小为50x50，和草地网格的大小一致

4.6.1 草地分布图像

global {
	...
	//读取图像文件
	file map_init <- image_file("../includes/data/raster_map.png");
	//初始化
	init {
		...
		//通过ask函数在初始化时修改vegetation_cell的属性
		ask vegetation_cell {
		//grid_x,grid_y是vegetation_cell的内置属性，返回其位置
		//将草地网格的颜色设置为相同位置上图像的颜色
    color <- rgb (map_init at {grid_x,grid_y}) ;
    //color as list 即将颜色的r、g、b转换为列表
    //将食物量设置为1-红色通道值/255
    food <- 1 - (((color as list) at 0) / 255) ;
    //食物增长量为食物量/100
    food_prod <- food / 100 ; 
    }
	}
	

TIPS: 图像文件读取后可以直接看成一个matrix多维数组进行操作，通过matix[i,j]可以读取图像在第i行第j列数据的值。这里通过matrix at {i,j} 返回第i行第j列的值。

如此，草地初始化为与图像一致的分布。

4.6.2 优化后的捕食者仿真模型

向附近的食物移动

之前在编写食草与食肉动物的移动时，我们移动的逻辑是向周围相距为2的网格随机移动，现在我们利用条件语句实现更加复杂的移动逻辑。

首先，在父族中添加choosecell函数，子族通过重写choose_cell实现不同的移动逻辑

species generic_species {
    ...
    reflex basic_move {
		//使用choose_cell函数来确定移动行为的目的地
    	my_cell <- choose_cell();
    	location <- my_cell.location; 
    } 
    //初始化hoose_cell函数返回值为空值
    vegetation_cell choose_cell {
    return nil;
    }
    ...
}

nil： nil表示控空值

在食草动物子族中，重写choose_cell

species prey parent: generic_species {
    ...  
    //重写choose_cell函数
    vegetation_cell choose_cell {
        //选择相距为2的网格中食物量最大的那个
        return (my_cell.neighbors2) with_max_of (each.food);
    }
    ...
}

each: each指代列表中的每个元素，因为food是vegetation_cell的属性，不是my_cell.neighbors2这个列表的属性，因此这里用each.food，列出my_cell.neighbors2中每个元素的food属性，并用with_max_of 返回最大值

在食肉动物子族中，重写choose_cell

species predator parent: generic_species {
    ...
    //重写choose_cell函数
    vegetation_cell choose_cell {
        // 选择第一个遇到的，相距为2且其中有食草动物的网格
        vegetation_cell my_cell_tmp <- shuffle(my_cell.neighbors2) first_with (!(empty (prey inside (each))));
    // 如果这个网格存在
    if my_cell_tmp != nil {
        //将这个网格作为目的地
        return my_cell_tmp;
    //否则
    } else {
        //随机选择一个周边相距为2的网格作为目的地
        return one_of (my_cell.neighbors2);
    } 
    }
    ...
}

• shuffle: 以随机顺序打乱列表

• first_with ： 返回符合条件的第一个元素

• empty(list): 判断列表是否为空。 !(empty(list)) 判断列表是否不为空

• prey inside vegetation_cell： 里面有prey族的vegetation_cell

本节完整代码如下：

model prey_predator

global {
	// 定义食草动物的全局参数
	int nb_preys_init <- 200;
	float prey_max_energy <- 1.0;
	float prey_max_transfert <- 0.1;
	float prey_energy_consum <- 0.05;
	float prey_proba_reproduce <- 0.01;
	int prey_nb_max_offsprings <- 5;
	float prey_energy_reproduce <- 0.5;
	// 定义食肉动物的全局参数
	int nb_predators_init <- 20;
	float predator_max_energy <- 1.0;
	float predator_energy_transfert <- 0.5;
	float predator_energy_consum <- 0.02;
	float predator_proba_reproduce <- 0.01;
	int predator_nb_max_offsprings <- 3;
	float predator_energy_reproduce <- 0.5;
	//添加返回食草与食肉动物数量的全局参数
	int nb_preys -> {length (prey)};
	int nb_predators -> {length (predator)};
	//读取图像文件
	file map_init <- image_file("../includes/data/predator_prey_raster_map.png");
	//初始化
	init {
		//创建食草动物数量为nb_preys_init
		create prey number: nb_preys_init;
		//创建食肉动物数量为nb_predators_init
		create predator number: nb_predators_init;
		//通过ask函数在初始化时修改vegetation_cell的属性
		ask vegetation_cell {
		//grid_x,grid_y是vegetation_cell的内置属性，返回其位置
		//将草地网格的颜色设置为相同位置上图像的颜色
    		color <- rgb (map_init at {grid_x,grid_y}) ;
   		 	//color as list 即将颜色的r、g、b转换为列表
    		//将食物量设置为1-红色通道值/255
    		food <- 1 - (((color as list) at 0) / 255) ;
    		//食物增长量为食物量/100
    		food_prod <- food / 100 ;
		}
	}
	//定义一个save_result函数，每10个cycle 当食草动物和食肉动物数量都大于0时，
	//将食草动物最小、最大能量、食肉动物数量、食肉动物最小、最大能量保存至txt文件
	reflex save_result when: every(10#cycles) and (nb_preys > 0) and (nb_predators > 0){
    	save ("cycle: "+ cycle + "; nbPreys: " + nb_preys
      	+ "; minEnergyPreys: " + (prey min_of each.energy)
      	+ "; maxSizePreys: " + (prey max_of each.energy) 
      	+ "; nbPredators: " + nb_predators           
      	+ "; minEnergyPredators: " + (predator min_of each.energy)          
      	+ "; maxSizePredators: " + (predator max_of each.energy)) 
      	to: "results.txt" type: "text" ;
	}
}

//创建通用族
species generic_species {
	//定义属性
	//显示大小
	float size;
	//颜色
	rgb color;
	//所在的草地网格
	vegetation_cell my_cell <- one_of(vegetation_cell);
	//最大能量值
	float max_energy;
	//每次进食量
	float max_transfert;
	//每次能量消耗值
	float energy_consum;
	//初始化能量为（0-max_energy)之间的随机数，每次模拟消耗energy_consum的能量，能量的最大值为max_energy
	float energy <- rnd(max_energy) update: energy - energy_consum max: max_energy;
	//繁殖概率
	float proba_reproduce;
	//最大繁殖数
	int nb_max_offsprings;
	//繁殖能量
	float energy_reproduce;
	//添加my_icon属性，其数据类型为image_file
    image_file my_icon;
	//初始化位置为所在草地网格位置
	init {
		location <- my_cell.location;
	}
	
	//定义移动行为
	reflex basic_move {
		//使用choose_cell函数来确定移动行为的目的地
    	my_cell <- choose_cell();
    	location <- my_cell.location; 
    } 
    //初始化hoose_cell函数返回值为空值
    vegetation_cell choose_cell {
    return nil;
    }
	
	//定义进食行为,子族群进食行为不一样，通过重写energy_from_eat实现不一样的进食行为
	reflex eat {
		energy <- energy + energy_from_eat();
	}
	float energy_from_eat {
    return 0.0;
    }
	
	//定义死亡行为，当能量小于0时，死亡
	reflex die when: energy <= 0 {
		do die;
	}
	
	//当能量大于繁殖能量，并且繁殖概率为真时，进行繁殖行为
	reflex reproduce when:(energy >= energy_reproduce) and (flip(proba_reproduce)) {
		//繁殖数量为1-最大繁殖数之间的随机数
		int nb_offsprings <- rnd(1, nb_max_offsprings);
		//生成nb_offsprings个与自身相同族群的代理
		create species(self) number: nb_offsprings {
			//新代理网格为当前网格
			my_cell <- myself.my_cell;
			//新代理位置为当前位置
			location <- my_cell.location;
			//新代理能量为当前能量除以繁殖数
			energy <- myself.energy / nb_offsprings;
		}
		//自身能量变为当前能量除以繁殖数
		energy <- energy / nb_offsprings;
	}
	
	//显示方式base,显示为圆形,大小为size,颜色为color
    aspect base {
        draw circle(size) color: color ;
    }
    //显示方式icon,显示为my_icon,大小为2*size
    aspect icon {
        draw my_icon size: 2 * size ;
    }
    //显示方式info,显示为方形+能量值（精度到小数点后两位）
    aspect info {
        draw square(size) color: color ;
        draw string(energy with_precision 2) size: 3 color: #black ;
    }
}

//创建食草动物族，其父族为generic_species 
species prey parent: generic_species {
    //初始化显示大小
    float size <- 1.0;
    //初始化颜色
    rgb color <- #blue; 
    //初始化最大能量值
    float max_energy <- prey_max_energy ;
    //初始化每次最大进食量
    float max_transfert <- prey_max_transfert ;
    //初始化每次能量消耗值
    float energy_consum <- prey_energy_consum ;
    //初始化繁殖概率
    float proba_reproduce <- prey_proba_reproduce ;
    //初始化最大繁殖数
    int nb_max_offsprings <- prey_nb_max_offsprings ;
    //初始化繁殖能量
    float energy_reproduce <- prey_energy_reproduce ;
    //定义my_icon 为羊的图标
    image_file my_icon <- image_file("../includes/data/predator_prey_sheep.png") ;
    //重写choose_cell函数
    vegetation_cell choose_cell {
        //选择相距为2的网格中食物量最大的那个
        return (my_cell.neighbors2) with_max_of (each.food);
    }
    //重写energy_from_eat函数
    float energy_from_eat {
    //初始化能量转移量
    float energy_transfert <- 0.0;
    //当所在网格的食物量大于0时
    if(my_cell.food > 0) {
        //能量转移量为每次最大进食量与网格内食物量的最小值
        energy_transfert <- min([max_transfert, my_cell.food]);
        //更新网格内食物量
        my_cell.food <- my_cell.food - energy_transfert;
    } 
    //返回能量转移量         
    return energy_transfert;
    }
}

//创建食肉动物族，其父族为generic_species 
species predator parent: generic_species {
    //初始化显示大小
    float size <- 1.0;
    //初始化颜色
    rgb color <- #red; 
    //初始化最大能量值
    float max_energy <- predator_max_energy ;
    //初始化每次进食量
    float energy_transfert <- predator_energy_transfert ;
    //初始化每次能量消耗值
    float energy_consum <- predator_energy_consum ;
    //初始化繁殖概率
    float proba_reproduce <- predator_proba_reproduce ;
    //初始化最大繁殖数
    int nb_max_offsprings <- predator_nb_max_offsprings ;
    //初始化繁殖能量
    float energy_reproduce <- predator_energy_reproduce ;
    //定义my_icon 为狼的图标
    image_file my_icon <- image_file("../includes/data/predator_prey_wolf.png");
    //重写choose_cell函数
    vegetation_cell choose_cell {
        // 选择第一个遇到的，相距为2且其中有食草动物的网格
        vegetation_cell my_cell_tmp <- shuffle(my_cell.neighbors2) first_with (!(empty (prey inside (each))));
    	// 如果这个网格存在
    	if my_cell_tmp != nil {
        	//将这个网格作为目的地
        	return my_cell_tmp;
    	//否则
    	} else {
        	//随机选择一个周边相距为2的网格作为目的地
        return one_of (my_cell.neighbors2);
    	} 
    }
    //重写energy_from_eat函数
    float energy_from_eat {
    //列出所在网格内的食草动物
    list<prey> reachable_preys <- prey inside (my_cell); 
    //如果食草动物列表不为空   
    if(! empty(reachable_preys)) {
        //随机吃掉一个食草动物，那个食草动物死去
        ask one_of (reachable_preys) {
        do die;
        }
        //返回食肉动物每次进食量
        return energy_transfert;
    }
    //如果食草动物列表为空，返回0
    return 0.0;
    }
}

//创建一个50x50的四边形网格（注：neighbors控制网格的形状，如6边形、8边形等）
grid vegetation_cell width: 50 height: 50 neighbors: 4 {
	//定义网格属性
	//food代表每个网格的食物量
	//max_food每个网格最大食物量
	float max_food <- 1.0;
	//每次模拟网格中食物量随机增加的数值（0-0.01）
	float food_prod <- rnd(0.01);
	//每个网格初始食物量为（0-1）的随机数，每次模拟更新加food_prod，最大值为max_food
	float food <- rnd(1.0) max: max_food update: food + food_prod;
	//将周边距离自己为2的其他vegetation_cell存到neighbors2列表中
	list<vegetation_cell> neighbors2  <- (self neighbors_at 2);
	//根据食物量的大小，网格的颜色也会发生变化
	rgb color <- rgb(int(255 * (1 - food)), 255, int(255 * (1 - food))) update: rgb(int(255 * (1 - food)), 255, int(255 * (1 - food)));
}

//实验名称为prey_predator，输出方式为图形界面
experiment prey_predator type: gui {
	//定义食草动物可在图形界面调整的参数
	parameter "Initial number of preys: " var: nb_preys_init min: 1 max: 1000 category: "Prey";
	parameter "Prey max energy: " var: prey_max_energy category: "Prey";
	parameter "Prey max transfert: " var: prey_max_transfert category: "Prey";
	parameter "Prey energy consumption: " var: prey_energy_consum category: "Prey";
	parameter 'Prey probability reproduce: ' var: prey_proba_reproduce category: 'Prey';
	parameter 'Prey nb max offsprings: ' var: prey_nb_max_offsprings category: 'Prey';
	parameter 'Prey energy reproduce: ' var: prey_energy_reproduce category: 'Prey';
	//定义食肉动物可在图形界面调整的参数
	parameter "Initial number of predators: " var: nb_predators_init min: 0 max: 200 category: "Predator";
	parameter "Predator max energy: " var: predator_max_energy category: "Predator";
	parameter "Predator energy transfert: " var: predator_energy_transfert category: "Predator";
	parameter "Predator energy consumption: " var: predator_energy_consum category: "Predator";
	parameter 'Predator probability reproduce: ' var: predator_proba_reproduce category: 'Predator';
	parameter 'Predator nb max offsprings: ' var: predator_nb_max_offsprings category: 'Predator';
	parameter 'Predator energy reproduce: ' var: predator_energy_reproduce category: 'Predator';
	//定义输出
	output {
		//主窗口
		display main_display {
			grid vegetation_cell lines: #black;
			//将prey族的显示方式更改为icon
			species prey aspect: icon;
			//将predator族的显示方式更改为icon
			species predator aspect:icon;
		}
		//新增一个信息展示窗口
		display info_display {
    		grid vegetation_cell lines: #black ;
    		//将prey族的显示方式更改为info
        species prey aspect: info;
        //将predator族的显示方式更改为info
        species predator aspect: info;
    	}
    	//创建一个新窗口显示图表，每五个循环刷新一次
        display Population_information refresh: every(5#cycles) {
            //创建名为‘Species evolution’的图表，类型为折线图，图表大小为宽1高0.5，图表左上角位置为0,0
            chart "Species evolution" type: series size: {1,0.5} position: {0, 0} {
                //填充数据，数据名为number_of_preys，数据值为nb_preys，显示为蓝色
                data "number_of_preys" value: nb_preys color: #blue;
                //填充数据，数据名为number_of_predator，数据值为nb_predators，显示为红色
                data "number_of_predator" value: nb_predators color: #red;
            }
            //创建名为‘Prey Energy Distribution’的图表，类型为直方图，背景为浅灰色，图表大小为长0.5宽0.5，图表左上角位置为0,0.5
			chart "Prey Energy Distribution" type: histogram background: #lightgray size: {0.5,0.5} position: {0, 0.5} {
    			//数据区间0-0.025 的值是食草动物中能量值小于等于0.25的数量,颜色为红色
    			data "0-0.25" value: prey count (each.energy <= 0.25) color:#red;
    			//数据区间0.25-0.5 的值是食草动物中能量值大于0.25且小于等于0.5的数量，颜色为蓝色
    			data "0.25-0.5" value: prey count ((each.energy > 0.25) and (each.energy <= 0.5)) color:#blue;
    			//数据区间0.5-0.75 的值是食草动物中能量值大于0.5且小于等于0.75的数量,颜色为绿色
    			data "0.5-0.75" value: prey count ((each.energy > 0.5) and (each.energy <= 0.75)) color:#green;
    			//数据区间0.75-1 的值是食草动物中能量值大于0.75且小于等于1的数量，颜色为黄色
    			data "0.75-1" value: prey count (each.energy > 0.75) color:#yellow;
    		}
       		//创建名为‘Predator Energy Distribution’的图表，类型为饼图，背景为浅灰色，图表大小为长0.5宽0.5，图表左上角位置为0,0.5
			chart "Predator Energy Distribution" type: pie background: #lightgray size: {0.5,0.5} position: {0.5, 0.5} {
    			//数据区间0-0.025 的值是食肉动物中能量值小于等于0.25的数量,颜色为红色
    			data "0-0.25" value: predator count (each.energy <= 0.25) color:#red;
    			//数据区间0.25-0.5 的值是食肉动物中能量值大于0.25且小于等于0.5的数量，颜色为蓝色
    			data "0.25-0.5" value: predator count ((each.energy > 0.25) and (each.energy <= 0.5)) color:#blue;
    			//数据区间0.5-0.75 的值是食肉动物中能量值大于0.5且小于等于0.75的数量,颜色为绿色
    			data "0.5-0.75" value: predator count ((each.energy > 0.5) and (each.energy <= 0.75)) color:#green;
    			//数据区间0.75-1 的值是食肉动物中能量值大于0.75且小于等于1的数量，颜色为黄色
    			data "0.75-1" value: predator count (each.energy > 0.75) color:#yellow;
    		}
    		
        }
    	//添加数据监管器
    	monitor "Number of preys" value: nb_preys;
    	monitor "Number of predators" value: nb_predators;
    	}
}