DOI: https://doi.org/10.1016/j.ejor.2024.01.027
تاريخ النشر: 2024-01-19
المؤلف: Le Khanh Ngan Nguyen وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأنظمة المعقدة واتخاذ القرار
نظرة عامة
لقد أدت التعقيدات المتزايدة للأنظمة والتحديات التي يواجهها أصحاب المصلحة في القطاعين الخاص والعام إلى دفع نماذج الأنظمة لاعتماد أساليب متعددة المنهجيات، وخاصة من خلال دمج طرق مختلفة من بحوث العمليات (OR) وعلوم الإدارة (MS). تشمل هذه الاتجاهات استخدام المحاكاة الهجينة، التي تجمع بين منهجيات مثل ديناميات النظام (SD)، والمحاكاة القائمة على الأحداث المنفصلة، ونماذج قائمة على الوكلاء (ABM). على الرغم من انتشار تطبيقات المحاكاة الهجينة عبر مجالات متنوعة، لا يزال هناك نقص في الأبحاث التي تركز على الجوانب النظرية والعملية لدمج هذه الطرق، خاصةً الجمع بين SD وABM. تميل الأطر الحالية لمثل هذه التكاملات إلى أن تكون عامة للغاية، تفتقر إلى الوضوح المنهجي والإرشادات العملية اللازمة للنماذج لاتخاذ قرارات مستنيرة بشأن عناصر المحاكاة الهجينة.
تقدم هذه الورقة إطارًا عمليًا يهدف إلى تطوير نماذج محاكاة هجينة مفاهيمية، مستندة إلى مراجعة شاملة للأدبيات النظرية والتطبيقية الموجودة. يتم تطبيق الإطار على دراسة حالة تتناول السيطرة على انتشار COVID-19 في دور الرعاية، موضحةً فائدته في توجيه عملية بناء النموذج المفاهيمي. علاوة على ذلك، ساهمت التأملات حول تجربة دراسة الحالة في تحسين الإطار نفسه، مما يبرز كيف يمكن أن يوجه التصميم الهيكلي لنماذج المحاكاة الهجينة ويساعد في اتخاذ قرارات نمذجة ذات صلة خلال مرحلة التصور.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التحديات التي يواجهها الباحثون والممارسون عند استخدام أساليب نمذجة المحاكاة الفردية—وهي ديناميات النظام (SD)، والمحاكاة القائمة على الأحداث المنفصلة (DES)، ونماذج قائمة على الوكلاء (ABM)—لتمثيل تعقيد الأنظمة التفاعلية والمترابطة. تُقترح المحاكاة الهجينة، التي تدمج طرق محاكاة متعددة، كحل لهذه التحديات، مما يسمح بفهم أكثر شمولاً للأنظمة المعقدة من خلال التقاط وجهات نظر ومستويات تفصيلية متنوعة. تؤكد الورقة على نقاط القوة الفريدة لـ SD وABM: تركز منهجية SD من الأعلى إلى الأسفل على هياكل النظام وسلوكياتها بمرور الوقت، بينما تُعنى منهجية ABM من الأسفل إلى الأعلى بنمذجة تفاعلات الوكلاء الفرديين، مما يؤدي إلى نتائج على مستوى النظام الناشئة.
على الرغم من الاهتمام المتزايد بالمحاكاة الهجينة، تفتقر المنهجيات الحالية لدمج SD وABM إلى الإرشادات العملية، مما يؤدي غالبًا إلى تطبيقات عشوائية دون تبرير واضح. لمعالجة هذه الفجوة، تقترح الورقة إطارًا عمليًا لتطوير نماذج هجينة مفاهيمية من SD-ABM. يهدف هذا الإطار إلى مساعدة النماذج في اتخاذ قرارات مستنيرة بشأن دمج طرق المحاكاة، مما يعزز تطوير واستخدام النماذج الهجينة. ستستعرض الأقسام التالية من الورقة الإرشادات المنهجية الحالية، وتقدم الإطار المقترح، وتوضح تطبيقه من خلال دراسة حالة حول ديناميات انتقال COVID-19 في دور الرعاية. تختتم الورقة بمناقشة مساهماتها وقيودها وآثارها على الأبحاث المستقبلية.
طرق
في قسم الطرق، يحدد المؤلفون عملية اختيار طرق نمذجة المحاكاة المناسبة لمختلف وحدات المشكلة، مؤكدين على ضرورة أن يبرر النماذج اختياراتهم بناءً على مستوى التجريد المطلوب. قد تتضمن هذه العملية التكرارية تقسيم أو دمج الوحدات لتحسين نهج النمذجة. بالنسبة لوحدة الشبكة، التي تمثل وكلاء دور الرعاية المتصلين من خلال موظفي البنوك/الوكالات المشتركة، اختار المؤلفون نمذجة قائمة على الوكلاء (ABM). كانت هذه الاختيار مدفوعًا بالضرورة لالتقاط تباين دور الرعاية فيما يتعلق بمخاطر الدخول وديناميات الانتقال داخل المنشأة، والتي تعتبر حاسمة لفهم مخاطر التفشي.
تتضمن وحدة الشبكة متغيرات حالة مثل مستويات التوظيف وأحجام السكان المقيمين، وتبرز دور الموظفين المشتركين في تسهيل انتشار SARS-CoV-2 بين دور الرعاية. تسمح مرونة ABM بإجراء تعديلات سريعة في تكوين الشبكة والنمذجة الصريحة للتدخلات، مثل تجميع دور الرعاية في “فقاعات”. بالإضافة إلى ذلك، تدمج الوحدة وحدة ديناميات النظام (SD) داخل المنشأة لتمثيل ديناميات الانتقال داخل المنزل، والتي تتميز بمتغيرات حالة تشمل القابلين للإصابة (S)، والمكشوفين (E)، والمعديين (I)، والمتعافين (R)، والموظفين في العزل (Q). يتم توضيح الترابط بين هذه الوحدات من خلال تدفقات المعلومات، مما يبرز تعقيد نمذجة انتقال الفيروس بين المنشآت.
مناقشة
يقدم قسم المناقشة في الورقة مراجعة شاملة للأدبيات تهدف إلى تحديد الإرشادات العملية والمنهجية لدمج ديناميات النظام (SD) ونمذجة قائمة على الوكلاء (ABM). تسلط المراجعة الضوء على تطور أساليب المحاكاة الهجينة، بدءًا من التحقق البسيط من المخرجات بين الطرق إلى تكاملات أكثر تعقيدًا حيث تُعلم SD عمليات اتخاذ القرار الداخلية للوكلاء في ABM. تم تحديد ستة تصميمات عالية المستوى لنماذج SD-ABM الهجينة، بما في ذلك التصميمات المتوازية، والتسلسلية، والتفاعلية، والإثراء، والدمج، والتصميمات الديناميكية المتغيرة، كل منها له خصائص وتطبيقات مميزة. ومع ذلك، تكشف الأدبيات عن فجوات كبيرة في الوضوح المنهجي، حيث غالبًا ما تكون الإرشادات الحالية على مستوى عالٍ وتفتقر إلى تفسيرات مفصلة للتفاعلات والروابط بين النماذج.
يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى إطار منظم لتوجيه مرحلة النمذجة المفاهيمية لمحاكاة SD-ABM الهجينة. يحدد هذا الإطار مراحل وخطوات محددة للنماذج، بما في ذلك تعريف المشكلة، وتقييم ملاءمة دمج الطرق، وتصميم الوحدات، وإقامة الروابط. يهدف الإطار إلى تعزيز الإرشادات العملية من خلال تفصيل العناصر التي يجب وصفها في نموذج هجيني، مثل محتوى الوحدة، ومستويات التجريد، والواجهات. علاوة على ذلك، يتناول الطبيعة التكرارية لتطوير النموذج وأهمية استراتيجيات التحقق، بما في ذلك كل من التحقق من الصندوق الأسود والصندوق الأبيض، لضمان دقة وموثوقية النموذج. بشكل عام، تدعو الورقة إلى نهج أكثر منهجية لنمذجة المحاكاة الهجينة لتحسين الوضوح وتسهيل التواصل الأفضل بين النماذج وأصحاب المصلحة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ejor.2024.01.027
Publication Date: 2024-01-19
Author(s): Le Khanh Ngan Nguyen et al.
Primary Topic: Complex Systems and Decision Making
Overview
The increasing complexity of systems and challenges faced by stakeholders in both private and public sectors has prompted systems modellers to adopt multimethodology approaches, particularly through the integration of various Operations Research (OR) and Management Science (MS) methods. This trend includes the use of hybrid simulation, which combines methodologies such as system dynamics (SD), discrete-event simulation, and agent-based models (ABM). Despite the prevalence of hybrid simulation applications across diverse domains, there remains a scarcity of research focused on the theoretical and practical aspects of integrating these methods, especially the combination of SD and ABM. Current frameworks for such integrations tend to be overly general, lacking the methodological clarity and practical guidance necessary for modellers to make informed decisions regarding hybrid simulation elements.
This paper introduces a practical framework aimed at developing conceptual hybrid simulation models, drawing from a comprehensive review of existing theoretical and application literature. The framework is applied to a case study addressing the control of COVID-19 spread in care homes, illustrating its utility in guiding the conceptual model-building process. Furthermore, reflections on the case study experience contributed to the refinement of the framework itself, showcasing how it can inform the structural design of hybrid simulation models and assist in making relevant modelling decisions during the conceptualization phase.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the challenges faced by researchers and practitioners when using single simulation modeling approaches—namely system dynamics (SD), discrete-event simulation (DES), and agent-based models (ABM)—to represent the complexity of interactive and interconnected systems. Hybrid simulation, which integrates multiple simulation methods, is proposed as a solution to these challenges, allowing for a more comprehensive understanding of complex systems by capturing various perspectives and levels of detail. The paper emphasizes the unique strengths of SD and ABM: SD’s top-down approach focuses on system structures and their behaviors over time, while ABM’s bottom-up approach models the interactions of individual agents, leading to emergent system-level outcomes.
Despite the growing interest in hybrid simulation, existing methodologies for combining SD and ABM lack practical guidance, often resulting in ad-hoc applications without clear rationalization. To address this gap, the paper proposes a practical framework for developing conceptual hybrid SD-ABM models. This framework aims to assist modellers in making informed decisions about the integration of simulation methods, enhancing the development and utility of hybrid models. The subsequent sections of the paper will review existing methodological guidance, present the proposed framework, and illustrate its application through a case study on COVID-19 transmission dynamics in care homes. The paper concludes with a discussion of its contributions, limitations, and implications for future research.
Methods
In the methods section, the authors outline the process of selecting appropriate simulation modeling methods for different modules of a problem, emphasizing the need for modellers to justify their choices based on the level of abstraction required. This iterative process may involve splitting or merging modules to optimize the modeling approach. For the Network module, which represents care home agents connected through shared bank/agency staff, the authors opted for Agent-Based Modeling (ABM). This choice was driven by the necessity to capture the heterogeneity of care homes regarding ingress risk and intra-facility transmission dynamics, which are critical for understanding outbreak risks.
The Network module incorporates state variables such as staffing levels and resident population sizes, and it highlights the role of shared staff in facilitating the spread of SARS-CoV-2 between care homes. The flexibility of ABM allows for rapid adjustments in network composition and the explicit modeling of interventions, such as grouping care homes into ‘bubbles.’ Additionally, the module integrates a System Dynamics (SD) Intra-facility Module to represent within-home transmission dynamics, characterized by state variables including Susceptible (S), Exposed (E), Infectious (I), Recovered (R), and Staff in isolation (Q). The interconnectedness of these modules is illustrated through information flows, underscoring the complexity of modeling inter-facility virus transmission.
Discussion
The discussion section of the paper presents a comprehensive literature review aimed at identifying practical and methodological guidance for combining System Dynamics (SD) and Agent-Based Modeling (ABM). The review highlights the evolution of hybrid simulation approaches, moving from simple validation of outputs between methods to more complex integrations where SD informs the internal decision-making processes of agents in ABM. Six high-level designs for hybrid SD-ABM models are identified, including parallel, sequential, interaction, enrichment, integration, and dynamically switching designs, each with distinct characteristics and applications. However, the literature reveals significant gaps in methodological clarity, with existing guidance often being high-level and lacking detailed explanations of the interactions and linkages between models.
The authors emphasize the need for a structured framework to guide the conceptual modeling phase of hybrid SD-ABM simulations. This framework outlines specific stages and steps for modellers, including defining the problem, assessing the appropriateness of combining methods, designing modules, and establishing linkages. The framework aims to enhance practical guidance by detailing the elements that should be described in a hybrid model, such as module content, abstraction levels, and interfaces. Furthermore, it addresses the iterative nature of model development and the importance of validation strategies, including both black-box and white-box validation, to ensure the model’s accuracy and reliability. Overall, the paper calls for a more systematic approach to hybrid simulation modeling to improve clarity and facilitate better communication among modellers and stakeholders.