Explorando o Potencial da Modelagem Baseada em Agentes

Eric Araújo

Quem sou eu?

Eric Araújo

  • Professor Associado da Calvin University (USA)
  • Coordenador BILbo (Behavioral Informatics Laboratory)
  • PhD pela Vrije Universiteit Amsterdam

Agenda

  1. O que é Modelagem Baseada em Agentes?
  2. Aplicações Práticas da Modelagem Baseada em Agentes.
  3. Orientação a Dados na Criação de Modelos
  4. Aplicações e Exemplos
  5. Interação

Solucionando Problemas

“Não podemos resolver problemas usando o mesmo tipo de pensamento que usamos quando os criamos.”

– Albert Einstein

1. O que é Modelagem Baseada em Agentes?

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Modelagem baseada em agentes (MBAs) são modelos onde múltiplas entidades percebem e respondem estocasticamente às condições do ambiente local, imitando o comportamento de sistemas complexos de larga escala.

1.1 Criando MBAs

Do que a simulação é feita?

Agentes, objetos ou entidades que agem autonomamente.

Como os agentes interagem?

Os agentes acessam e interagem com o ambiente local por meio de regras internas simples para tomada de decisões, movimentação e ação.

O que é analisado?

O comportamento agregado do sistema simulado é o resultado da intensa interação entre os comportamentos relativamente simples de seus agentes individuais.

1.2 Vantagens dos MBAs

  1. Visualização gráfica de comportamentos.
  1. Vantagens em custo e tempo em relação a experimentos do mundo real.
  1. Estudos onde não é possível testes no mundo real.

2. Aplicações práticas da modelagem baseada em agentes

2.1 Trabalhos: Segurança pública

Raquel Rosés, Cristina Kadar, Nick Malleson, A data-driven agent-based simulation to predict crime patterns in an urban environment, Computers, Environment and Urban Systems, Volume 89, 2021, ISSN 0198-9715.

2.1 Trabalhos: Forças Armadas

Yun, Woo-Seop, Moon, Il-Chul and Lee, Tae-Eog (2015). Agent-Based Simulation of Time to Decide: Military Commands and Time Delays. Journal of Artificial Societies and Social Simulation 18 (4) 10. doi: 10.18564/jasss.2871

2.1 Trabalhos: Formação e Sociedade

Sajjad, M., Singh, K., Paik, E., & Ahn, C. W. (2016). A data-driven approach for agent-based modeling: Simulating the dynamics of family formation. Journal of Artificial Societies and Social Simulation, 19(1), 9.

2.1 Trabalhos: Saúde

Hunter E, Mac Namee B, KelleheHunter E, Mac Namee B, Kelleher J (2018) An open-data-driven agent-based model to simulate infectious disease outbreaks. PLOS ONE 13(12): e0208775. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0208775

2.2 Modelos Simples vs Análises Complexas

Origem: Imagem criada com o uso de IA

Evacuação de estádios

Modelo para uma multidão vs Modelo para um Agente

2.2 Modelos Simples vs Análises Complexas (Boids Model)

2.2 Modelos Simples vs Análises Complexas (Agentes Adaptativos)

Origem: Imagem criada com o uso de IA

O caso das bicicletas na Holanda

Regra Única vs Agentes que Aprendem (Adaptam)

2.3 Análises Complexas

“Os três objetivos primários de experimentos computacionais são:

  1. predizer a resposta para entradas novas,
  2. otimizar a função de parâmetros de entradas, e
  3. calibrar o código do computador com dados reais.”

– Sacks et al. (1989)

MBAs cumprem os 3 objetivos?

3. Orientação a Dados na Criação de Modelos Baseados em Agentes

3.1 Modelos Empíricos vs Modelos Abstratos

A constante inquietação para a validação dos modelos.

Origem: Imagem criada com o uso de IA

3.2 Caracterizando os Dados usados em MBA

3.3 Uma proposta de modelagem orientada a dados

VISÃO CONTEXTUAL (Kavak, Hamdi, et al., 2018)

3.3 Uma proposta de modelagem orientada a dados

VISÃO DE ALTO NÍVEL (Kavak, Hamdi, et al., 2018)

3.3 Uma proposta de modelagem orientada a dados

VISÃO INDIVIDUAL DA CRIAÇÃO DO AGENTE (Kavak, Hamdi, et al., 2018)

4. Aplicações de orientação a dados na criação de modelos baseados em agentes

4.1 Padrões de roubos de rua na cidade de lavras

Dados

  • Registros de ocorrências da PMMG
  • Censo demográfico da cidade de Lavras

4.1 Padrões de roubos de rua na cidade de Lavras (MG)

4.1 Padrões de roubos de rua na cidade de Lavras (MG)

Cohen e Felson (1979): Crime concentrates in space and time and in between the targets.

4.1 Padrões de roubos de rua na cidade de Lavras (MG)

Araújo E, Gerritsen C. Creating a temporal pattern for street robberies using ABM and data from a small city in South East Brazil. InAgent-Based Modelling for Criminological Theory Testing and Development 2020 Nov 29 (pp. 146-166). Routledge.

4.1 Padrões de roubos de rua na cidade de Lavras (MG)

4.2 COVID-19 em contextos de desigualdade social

Dados

  • Censo demográfico do Rio de Janeiro
  • Dados do desenvolvimento da doença
  • Dados socioeconomicos da região estudada (Copacabana, Ipanema e Complexo do Pavão-Pavãozinho)
  • Dados do Ministério da Saúde sobre infraestrutura hospitalar

4.2 COVID-19 em contextos de desigualdade social

  • Carga viral do indivíduo infectado
  • Número de contatos físicos
  • Possíveis graus de severidade da doença de acordo com as características do infectado
  • Ações de distanciamento social, isolamento social, quarentena, lockdown
  • Demografia do espaço a ser modelado

4.2 COVID-19 em contextos de desigualdade social

Klôh VP, Silva GD, Ferro M, Araújo E, de Melo CB, de Andrade Lima JR, Martins ER. The virus and socioeconomic inequality: An agent-based model to simulate and assess the impact of interventions to reduce the spread of COVID-19 in Rio de Janeiro, Brazil. Brazilian Journal of Health Review. 2020 Apr 26;3(2):3647-73.

4.2 COVID-19 em contextos de desigualdade social

4.2 COVID-19 em contextos de desigualdade social

4.3 Espalhamento de comportamento em redes sociais

  • Modelo teórico sobre adesão aos protocolos de saúde em um cenário de pandemia
  • Consideração do papel das agências públicas de saúde na adesão
  • Análise de diferentes tipos de topologia para a rede de conexões

Aumento em 700% na opinião geral das pessoas em relação à adesão aos protocolos de saúde caso 10% da rede se torne completamente convencida de que os protocolos são importantes e fazem diferença.

80% de aumento na adesão se o governo lançar campanhas para incentivar as pessoas a aderirem às medidas de cuidado com a saúde e contenção do vírus.

Conclusões

  • MBAs são de grande relevância, e agora se potencializam com o uso de dados.
  • Vários problemas que não podem ser estudados por questões éticas ou limitações encontram espaço neste área de estudo.
  • Modelar o mundo requer princípios éticos e responsabilidade na demonstração dos resultados.

C. S. Lewis

“Eu não recebi nenhuma garantia de que qualquer coisa que possamos fazer erradicará o sofrimento. Acredito que os melhores resultados são alcançados por pessoas que trabalham silenciosamente em objetivos limitados, como a abolição do comércio de escravos, a reforma prisional, leis trabalhistas ou o combate à tuberculose, e não por aqueles que acreditam ser capazes de alcançar justiça, saúde ou paz universais. Penso que a arte de viver consiste em enfrentar cada mal imediato da melhor maneira possível.” (O Peso de Glória)

Obrigado!

📩 eric.araujo@calvin.edu

🌐 ericaraujo.com