Model driven agent based simulation development

Abstract

The Agent-based Modeling and Simulation (ABMS) paradigm has been used to analyze, reproduce, and predict phenomena in many application areas, such as traffic and epidemiology. Building agent-based simulations is a challenging task that often demands technical expertise in ABMS and its simulation platforms. Researchers have already argued about the importance of tools and building blocks that increase the abstraction level and therefore reduce the effort in agent-based simulation development. Model-driven Development (MDD) is an approach for software development, in which high-level modeling artifacts drive the production of effort-consuming low-level artifacts, such as the source code. Previous studies on the use of MDD in mainstream software development have already shown that it significantly increases productivity. However, in the ABMS paradigm MDD has been exploited in a limited way. Most of the existing proposals consider modeling and code generation of limited simulation aspects, leaving much left to be implemented by developers. Nevertheless, there is a lack of empirical studies that demonstrate whether these MDD approaches are indeed effective. In this thesis, we exploit MDD in the context of ABMS. We propose MDD4ABMS, a model-driven approach for developing agent-based simulations MDD4ABMS is composed of the following elements, which are the main contributions of this thesis: (i) a metamodel for agent-based simulations that was built following a bottom-up approach to abstract aspects recurrently used in simulations and make them available for modeling; (ii) a domain-specific modeling language with building blocks to instantiate agent-based simulation models; and (iii) model-to-code transformations to generate source code for NetLogo, a widely used agent-based simulation platform. While abstractions provided by the metamodel allow developers to focus on which features to consider in simulations instead of how to implement and integrate them (a task that may introduce inconsistencies in simulations), building blocks provided by the modeling language promote expressive modeling. Empirical studies showed that MDD4ABMS reduces the development effort in comparison to NetLogo, and meets qualitative aspects related to the user experience, such as ease of comprehension and usability. These results give evidence of the benefits that MDD4ABMS provide to ABMS.

O paradigma de modelagem e simulação baseadas em agentes (do inglês, ABMS) tem sido usado para analisar, reproduzir e predizer fenômenos em diversas áreas, tais como tráfego e epidemiologia. A construção de simulações baseadas em agentes é uma tarefa desafiadora que frequentemente demanda conhecimento em ABMS e suas plataformas de simulação. Pesquisadores já destacaram a importância de ferramentas e blocos de construção que aumentem o nível de abstração e consequentemente reduzam o esforço de desenvolvimento de simulações baseadas em agentes. Desenvolvimento dirigido a modelos (do inglês, MDD) é uma abordagem para desenvolvimento de software em que artefatos de modelagem de alto nível conduzem a produção dos artefatos de mais baixo nível que demandam significativo esforço, como por exemplo a produção de código fonte. No desenvolvimento de software convencional, estudos mostram que o uso de MDD aumenta significativamente a produtividade. Entretanto, no paradigma ABMS, o uso de MDD tem sido explorado de forma limitada. Na maioria das propostas existentes, a modelagem e geração de código é limitada a alguns aspectos, logo, muito ainda precisa ser implementado pelos desenvolvedores. Além disto, há uma carência de estudos empíricos que demonstrem se tais propostas são de fato efetivas. Nesta tese exploramos MDD no contexto de ABMS Propomos MDD4ABMS, uma abordagem dirigida a modelos para desenvolvimento de simulações baseadas em agentes. MDD4ABMS é composto dos seguintes elementos, que são as principais constribuições desta tese: (i) um metamodelo para simulações baseadas em agentes, construído de forma bottom-up a fim de abstrair os aspectos recorrentemente usados em simulações e disponibilizá-los para uso em modelos; (ii) uma linguagem de modelagem, que oferece blocos de construção para instanciar modelos de simulações baseadas em agentes; e (iii) transformações modelo-para-código, que geram código fonte para NetLogo, uma plataforma de simulação largamente utilizada. Enquanto as abstrações providas pelo metamodelo permitem aos desenvolvedores focar em quais aspectos desejam considerar nas simulações em vez de como implementá-los e integrá-los (uma tarefa que pode introduzir inconsistências nas simulações), os blocos de construção providos pela linguagem promovem modelagem expressiva. Estudos empíricos mostraram que MDD4ABMS reduz o esforço de desenvolvimento em comparação ao NetLogo, e satisfaz aspectos qualitativos relacionados à experiência do usuário, tais como facilidade de compreensão e usabilidade. Tais resultados fornecem evidência dos benefícios que MDD4ABMS oferece para ABMS.