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Abstract
Coupled human and natural systems (CHANS) are characterized by many complex features, including feedback loops, nonlinearity and thresholds, surprises, legacy effects and time lags, and resilience. Agent-based models (ABMs) are powerful for handling such complexity in CHANS models, facilitating in-depth understanding of CHANS dynamics. ABMs have been employed mostly on a site-specific basis, however. Little of this work provides a common infrastructure with which CHANS researchers (especially nonmodeling experts) can comprehend, compare, and envision CHANS processes and dynamics. We advance the science of CHANS by developing a CHANS-oriented protocol based on the overview, design concepts, and details (ODD) framework to help CHANS modelers and other researchers build, document, and compare CHANS-oriented ABMs. Using this approach, we show how complex demographic decisions, environmental processes, and human–environment interaction in CHANS can be represented and simulated in a relatively straightforward, standard way with ABMs by focusing on a comparison of two world-renowned CHANS: the Wolong Nature Reserve in China and the Chitwan National Park in Nepal. The four key lessons we learn from this cross-site comparison in relation to CHANS models include how to represent agents and the landscape, the need for standardized modules for CHANS ABMs, the impacts of scheduling on model outcomes, and precautions in interpreting “surprises” in CHANS model outcomes. We conclude with a CHANS protocol in the hope of advancing the science of CHANS.
人类—自然耦合系统 (CHANS), 以诸多复杂的特色为特徵, 包括回馈循环、非线性和阈值、意外、遗留效应和时滞, 以及恢復力。代理人基模型 (ABMs) 能够强而有力地处理 CHANS 模型中的复杂性, 并促进对 CHANS 动态的深度理解。但 ABMs 大多仅运用于特定的场所, 并鲜少提供 CHANS 研究者 (特别是从事非模式化的专家) 理解、比较和展望 CHANS 过程及动态所需的共同基础。我们根据概要、设计概念及细节 (ODD) 的架构, 发展以 CHANS 为导向的协定来推进 CHANS 科学, 以协助 CHANS 模式化的从事者及其他研究者建立、记录和比较以 CHANS 为导向的 ABMs。我们运用此一方法, 藉由聚焦两个众所週知的 CHANS 之比较——意即中国的卧龙自然保护区以及尼泊尔的奇旺国家公园, 显示 CHANS 中复杂的人口统计决策、环境过程与人类—自然互动, 如何可与AMBs透过相对直接且标准化的方法被再现与模拟。我们从与 CHANS 模型相关的跨地点比较中习得以下四点, 包含如何再现代理人和地景、 CHANS ABMs 的标准化模型的必要性、调度对模型结果产生的影响, 以及诠释 CHANS 模型结果中的意外的预防。我们于结论中提出 CHANS 协定, 期望以此推进 CHANS 科学。
Los sistemas humanos y naturales acoplados (CHANS, por el acrónimo inglés) se caracterizan por muchos rasgos complejos, incluyendo giros de feedback, no linealidad y umbrales, sorpresas, efectos legados y retrasos de tiempo, y resiliencia. Los modelos basados en agente (ABMs) se muestran como potentes en el manejo de tales complejidades en los modelos CHANS, lo cual facilita un entendimiento a profundidad de la dinámica CHANS. Sin embargo, los ABMs han sido empleados principalmente con base en la especificidad de sitio. Muy poco de este trabajo proporciona una infraestructura común con la cual los investigadores de CHANS (especialmente los expertos que no utilizan modelos) pueden comprender, comparar y visualizar los procesos y dinámica de los CHANS. Nuestra contribución al avance de la ciencia de los CHANS es el desarrollo de un protocolo orientado a los CHANS basado en el resumen, conceptos de diseño y detalles (ODD) de estructura para ayudar a los modeladores de CHANS y otros investigadores a construir, documentar y comparar los ABMs de orientación CHANS. Utilizando este enfoque, demostramos cómo pueden representarse y simularse en CHANS complejas decisiones demográficas, procesos ambientales e interacción humano-ambiental, dentro de una visión estándar relativamente directa con los ABMs, centrando la atención en una comparación de dos renombrados CHANS en el mundo: la Reserva Natural Wolong de China y el Parque NACIONAL Chitwan en Nepal. En las cuatro lecciones clave que aprendimos de esta comparación de un sitio a otro en relación con los modelos de los CHANS se incluye cómo representar agentes y el paisaje, la necesidad de módulos estandarizados para los ABMs de los CHANS, los impactos de programar resultados de los modelos y las precauciones para interpretar “sorpresas” en los resultados de los modelos CHANS. Concluimos con un protocolo CHANS con la esperanza de ayudar así a avanzar la ciencia de los CHANS.