From Social Simulation to Integrative System Design

As the recent financial crisis showed, today there is a strong need to gain "ecological perspective" of all relevant interactions in socio-economic-techno-environmental systems. For this, we suggested to set-up a network of Centers for integrative systems design, which shall be able to run all potentially relevant scenarios, identify causality chains, explore feedback and cascading effects for a number of model variants, and determine the reliability of their implications (given the validity of the underlying models). They will be able to detect possible negative side effect of policy decisions, before they occur. The Centers belonging to this network of Integrative Systems Design Centers would be focused on a particular field, but they would be part of an attempt to eventually cover all relevant areas of society and economy and integrate them within a "Living Earth Simulator". The results of all research activities of such Centers would be turned into informative input for political Decision Arenas. For example, Crisis Observatories (for financial instabilities, shortages of resources, environmental change, conflict, spreading of diseases, etc.) would be connected with such Decision Arenas for the purpose of visualization, in order to make complex interdependencies understandable to scientists, decision-makers, and the general public.Comment: 34 pages, Visioneer White Paper, see http://www.visioneer.ethz.c

Agent-Based Simulations of Blockchain protocols illustrated via Kadena's Chainweb

While many distributed consensus protocols provide robust liveness and consistency guarantees under the presence of malicious actors, quantitative estimates of how economic incentives affect security are few and far between. In this paper, we describe a system for simulating how adversarial agents, both economically rational and Byzantine, interact with a blockchain protocol. This system provides statistical estimates for the economic difficulty of an attack and how the presence of certain actors influences protocol-level statistics, such as the expected time to regain liveness. This simulation system is influenced by the design of algorithmic trading and reinforcement learning systems that use explicit modeling of an agent's reward mechanism to evaluate and optimize a fully autonomous agent. We implement and apply this simulation framework to Kadena's Chainweb, a parallelized Proof-of-Work system, that contains complexity in how miner incentive compliance affects security and censorship resistance. We provide the first formal description of Chainweb that is in the literature and use this formal description to motivate our simulation design. Our simulation results include a phase transition in block height growth rate as a function of shard connectivity and empirical evidence that censorship in Chainweb is too costly for rational miners to engage in. We conclude with an outlook on how simulation can guide and optimize protocol development in a variety of contexts, including Proof-of-Stake parameter optimization and peer-to-peer networking design.Comment: 10 pages, 7 figures, accepted to the IEEE S&B 2019 conferenc

Helping AI to Play Hearthstone: AAIA'17 Data Mining Challenge

This paper summarizes the AAIA'17 Data Mining Challenge: Helping AI to Play Hearthstone which was held between March 23, and May 15, 2017 at the Knowledge Pit platform. We briefly describe the scope and background of this competition in the context of a more general project related to the development of an AI engine for video games, called Grail. We also discuss the outcomes of this challenge and demonstrate how predictive models for the assessment of player's winning chances can be utilized in a construction of an intelligent agent for playing Hearthstone. Finally, we show a few selected machine learning approaches for modeling state and action values in Hearthstone. We provide evaluation for a few promising solutions that may be used to create more advanced types of agents, especially in conjunction with Monte Carlo Tree Search algorithms.Comment: Federated Conference on Computer Science and Information Systems, Prague (FedCSIS-2017) (Prague, Czech Republic

Use of a controlled experiment and computational models to measure the impact of sequential peer exposures on decision making

It is widely believed that one's peers influence product adoption behaviors. This relationship has been linked to the number of signals a decision-maker receives in a social network. But it is unclear if these same principles hold when the pattern by which it receives these signals vary and when peer influence is directed towards choices which are not optimal. To investigate that, we manipulate social signal exposure in an online controlled experiment using a game with human participants. Each participant in the game makes a decision among choices with differing utilities. We observe the following: (1) even in the presence of monetary risks and previously acquired knowledge of the choices, decision-makers tend to deviate from the obvious optimal decision when their peers make similar decision which we call the influence decision, (2) when the quantity of social signals vary over time, the forwarding probability of the influence decision and therefore being responsive to social influence does not necessarily correlate proportionally to the absolute quantity of signals. To better understand how these rules of peer influence could be used in modeling applications of real world diffusion and in networked environments, we use our behavioral findings to simulate spreading dynamics in real world case studies. We specifically try to see how cumulative influence plays out in the presence of user uncertainty and measure its outcome on rumor diffusion, which we model as an example of sub-optimal choice diffusion. Together, our simulation results indicate that sequential peer effects from the influence decision overcomes individual uncertainty to guide faster rumor diffusion over time. However, when the rate of diffusion is slow in the beginning, user uncertainty can have a substantial role compared to peer influence in deciding the adoption trajectory of a piece of questionable information

Thermodynamic and geomechanical processes research in the development of gas hydrate deposits in the conditions of the Black Sea

Purpose. Research of thermodynamic and geomechanical processes occurring in a gas hydrate body under the influence of an activating agent (sea water from surface layers) in the conditions of the Black Sea by mathematical modeling using finite element method. Methods. The modeling of thermodynamic and geomechanical processes is performed with the use of ANSYS v17.0 software and in accordance with the climatic, hydrogeological and physic-mechanical properties of the numerical model elements in the Black Sea gas hydrate deposit under consideration, which are similar to natural ones. The thermodynamic processes were studied in the section “Steady-State Thermal”, and the geomechanical (stress-strain state) in “Static Structural”. Findings. The spatial model is developed, which allows to simulate thermodynamic and geomechanical processes in a gas hydrate body under the influence of a thermal agent. As a result of modeling, it was determined that under these conditions the temperature in the gas hydrate body varies with the distance from the production well similarly in both directions according to the polynomial dependence. What is more, at a distance from the well of 18.7 m the temperature is stable and equals +22°С, and in the range of 18.7 – 24.9 m – decreases by 3.1 times and reaches a value of +7°С. It was found out that deformations in a gas hydrate body under the influence of an activating agent, which is fed under pressure above the initial, are directed from the lateral boundaries to the center of the gas hydrate body in the direction of productive dissociation zones. This, in its turn, results in the displacement of the gas hydrate volume to the reaction proceeding center, improving the quality of the decomposition process and allows mining of 87 – 91% gas hydrate volume, which is presented in the model. Originality. For the first time, for the conditions of the Black Sea gas hydrate deposits, an analytical assessment of the dissociation zone distribution from the production well under the influence of the thermal agent and the changes of the stress-strain state of the gas hydrated body during its decomposition, has been carried out. This allows to improve the technology of the gas hydrate deposits development in the conditions under consideration. Practical implications. The technological scheme for the development of a gas hydrate body based on the combined approach to the effects of activators (temperature and pressure) is proposed, which eliminates the need to warm the boundary sections of the deposit and increases the amount of the supplied activating agent and its temperatures, which in its turn leads to a decrease in the resource and energy consumption.Мета. Дослідження термодинамічних і геомеханічних процесів, що протікають у газогідратному тілі при впливі активуючого агента (морської води з поверхневих шарів) в умовах Чорного моря шляхом математичного моделювання методом кінцевих елементів. Методика. Моделювання термодинамічних і геомеханічних процесів виконано за допомогою програмного забезпечення ANSYS v17.0 з відповідністю кліматичних, гідрогеологічних та фізико-механічних властивостей елементів чисельної моделі у розглянутому газогідратному родовищі Чорного моря, які є аналогічними натурним. Термодинамічні процеси досліджувалися у розділі програми “Steady-State Thermal”, а геомеханічні (напружено-деформований стан) – в “Static Structural”. Результати. Розроблена просторова модель, що дозволяє моделювати термодинамічні та геомеханічні процеси у газогідратному тілі при впливі теплового агента. В результаті моделювання встановлено, що у розглянутих умовах температура в газогідратному тілі змінюється з відстанню від видобувної свердловини аналогічно в обидві сторони за поліноміальною залежністю, причому на відстані від свердловини 18.7 м температура стабільна і становить +22°С, а в інтервалі 18.7 – 24.9 м – знижується у 3.1 рази і досягає значення +7°С. Виявлено, що деформації у газогідратному тілі при впливі активуючого агента, який подається під тиском, що перевищує початковий, спрямовані від бокових меж у центр газогідратного тіла у напрямі продуктивних зон дисоціації, що, в свою чергу, призводить до зміщення об’єму газогідрату в центр протікання реакції, покращуючи якість процесу розкладання і дозволяючи відпрацювати 87 – 91% об’єму газогідрата, представленого в моделі. Наукова новизна. Вперше для умов газогідратних родовищ Чорного моря проведена аналітична оцінка характеру поширення зони дисоціації від видобувної свердловини при впливі теплового агента та змін напружено-деформованого стану газогідратного тіла при його розкладанні, що дозволяє удосконалити технологію розробки газогідратних покладів у розглянутих умовах. Практична значимість. Запропоновано технологічну схему розробки газогідратного тіла на основі комбінованого підходу до впливу активаторами (температурою та тиском), що усуває необхідність прогріву граничних ділянок покладу і збільшення кількості активуючого агента, що подається, та його температури, що, в свою чергу, веде до зниження ресурсо- й енерговитрат.Цель. Исследование термодинамических и геомеханических процессов, протекающих в газогидратном теле при воздействии активирующего агента (морской воды с поверхностных слоев) в условиях Черного моря посредством математического моделирования методом конечных элементов. Методика. Моделирование термодинамических и геомеханических процессов выполнено при помощи программного обеспечения ANSYS v17.0 с соответствием климатических, гидрогеологических и физико-механических свойств элементов численной модели в рассматриваемом газогидратном месторождении Черного моря, которые являются аналогичными натурным. Термодинамические процессы исследовались в разделе программы “Steady-State Thermal”, а геомеханические (напряженно-деформированное состояние) – в “Static Structural”. Результаты. Разработана пространственная модель, позволяющая моделировать термодинамические и геомеханические процессы в газогидратном теле при воздействии теплового агента. В результате моделирования установлено, что в рассматриваемых условиях температура в газогидратном теле изменяется с расстоянием от добывающей скважины аналогично в обе стороны по полиномиальной зависимости, причем на расстоянии от скважины 18.7 м температура стабильна и составляет +22°С, а в интервале 18.7 – 24.9 м – снижается в 3.1 раза и достигает значения +7°С. Выявлено, что деформации в газогидратном теле при воздействии активирующего агента, подаваемого под давлением, превышающее начальное, направлены от боковых границ в центр газогидратного тела в направлении продуктивных зон диссоциации, что, в свою очередь, приводит к смещению объема газогидрата в центр протекания реакции, улучшая качество процесса разложения и позволяя отработать 87 – 91% объема газогидрата, представленного в модели. Научная новизна. Впервые для условий газогидратных месторождений Черного моря проведена аналитическая оценка характера распространения зоны диссоциации от добывающей скважины при воздействии теплового агента и изменений напряженно-деформированного состояния газогидратного тела при его разложении, что позволяет усовершенствовать технологию разработки газогидратных залежей в рассматриваемых условиях. Практическая значимость. Предложена технологическая схема разработки газогидратного тела на основании комбинированного подхода к воздействию активаторами (температурой и давлением), устраняющая необходимость прогрева граничных участков залежи и увеличения подаваемого количества активирующего агента и его температуры, что, в свою очередь, ведет к снижению ресурсо- и энергозатрат.The results of the current researches were obtained within the framework of the research works of GP-473 Development of scientific principles of phase transformations of technogenic and natural gas hydrates and creation of the newest technologies of their extraction” (State Registration No.0115U002294) and GP-487 “Scientific substantiation and development of energy saving and low waste technologies of hydrocarbon and mineral raw materials extraction” (State Registration No.0116U008041)