Planktos: An Agent-Based Modeling Framework for Small Organism Movement and Dispersal in a Fluid Environment with Immersed Structures
Planktos: An Agent-Based Modeling Framework for Small Organism Movement and Dispersal in a Fluid Environment with Immersed Structures
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Planktos：基于代理的建模框架，用于具有浸没结构的流体环境中的小生物运动和扩散
DOI：
10.1007/s11538-022-01027-1
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发表时间：
2022
影响因子：
3.5
通讯作者：
Miller, L. A.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Strickland, W. C.;Battista, N. A.;Hamlet, C. L.;Miller, L. A.
传统上，海洋和空中浮游生物的多尺度模型很难从整体上解决，因为在较大规模的流动中解决单个运动动力学的挑战。然而，这些问题至关重要，例如，海洋幼体浮游生物的扩散对珊瑚礁的健康至关重要，而空中浮游生物(微小节肢动物)可以用作有效的农业生防剂。在这里，我们介绍了开源的基于代理的建模软件Plankto开始在二维和三维流体环境中的Python语言。在这个建模框架中，代理人是密度足够低的相对微小的有机体，它们对周围流体运动的影响可以被认为是可以忽略不计的。这个图书馆可以用于科学探索和量化集体和紧急行为，包括与沉入水中的结构的互动。在本文中，我们详细介绍了该库的实现和功能，并提供了一些说明性的例子。功能包括遵守常微分方程式、随机微分方程式或编码运动算法的任意代理行为，所有这些都受计算流体力学、实验或分析模型所生成的随时间变化的流体速度场的影响，这些速度场在具有滑动或粘性碰撞的静态沉浸式网格结构的区域中。此外，数据可视化工具通过有限时间Lyapunov指数为图像或动画提供关于确定性代理行为的核密度估计和速度场分析。
Multiscale modeling of marine and aerial plankton has traditionally been difficult to address holistically due to the challenge of resolving individual locomotion dynamics while being carried with larger-scale flows. However, such problems are of paramount importance, e.g., dispersal of marine larval plankton is critical for the health of coral reefs, and aerial plankton (tiny arthropods) can be used as effective agricultural biocontrol agents. Here we introduce the open-source, agent-based modeling softwarePlanktostargeted at 2D and 3D fluid environments in Python. Agents in this modeling framework are relatively tiny organisms in sufficiently low densities that their effect on the surrounding fluid motion can be considered negligible. This library can be used for scientific exploration and quantification of collective and emergent behavior, including interaction with immersed structures. In this paper, we detail the implementation and functionality of the library along with some illustrative examples. Functionality includes arbitrary agent behavior obeying either ordinary differential equations, stochastic differential equations, or coded movement algorithms, all under the influence of time-dependent fluid velocity fields generated by computational fluid dynamics, experiments, or analytical models in domains with static immersed mesh structures with sliding or sticky collisions. In addition, data visualization tools provide images or animations with kernel density estimation and velocity field analysis with respect to deterministic agent behavior via the finite-time Lyapunov exponent.
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