dewi-kadita: Una Biblioteca Python para Simulación Idealizada de Cardúmenes de Peces con Diagnósticos Basados en Entropía
dewi-kadita: A Python Library for Idealized Fish Schooling Simulation with Entropy-Based Diagnostics
February 8, 2026
Autores: Sandy H. S. Herho, Iwan P. Anwar, Faruq Khadami, Alfita P. Handayani, Karina A. Sujatmiko, Kamaluddin Kasim, Rusmawan Suwarman, Dasapta E. Irawan
cs.AI
Resumen
El movimiento colectivo en los cardúmenes de peces ejemplifica la autoorganización emergente en sistemas de materia activa, sin embargo, las herramientas computacionales para simular y analizar estas dinámicas permanecen fragmentadas entre los grupos de investigación. Presentamos dewi-kadita, una biblioteca de Python de código abierto que implementa el modelo tridimensional basado en zonas de Couzin con diagnósticos integrales de entropía adaptados para la investigación del comportamiento colectivo marino. La biblioteca introduce siete métricas de teoría de la información —entropía de cohesión del cardumen, entropía de polarización, entropía de estratificación por profundidad, entropía de momento angular, entropía del vecino más cercano, entropía de correlación de velocidades y entropía de la forma del cardumen— que caracterizan características organizativas distintas inaccesibles para los parámetros de orden clásicos. Estas métricas se combinan en un Índice de Cardumen Oceánico (ICO) que proporciona una medida escalar única del desorden colectivo. La validación en cuatro configuraciones canónicas (enjambre, toro, paralelo dinámico, altamente paralelo) confirma la reproducción correcta de los comportamientos de fase conocidos: el enjambre mantiene el desorden con polarización P < 0.1 e ICO aprox. 0.71, mientras que el estado altamente paralelo alcanza P = 0.998 con ICO = 0.24 y la entropía de correlación de velocidades se reduce a cero. El marco de entropía discrimina con éxito las configuraciones de toro y paralelo dinámico, que exhiben magnitudes comparables de parámetros de orden a través de diferentes mecanismos organizativos. La compilación justo a tiempo (JIT) de Numba acelera los cálculos de interacciones por pares entre 10 y 100 veces, permitiendo simulaciones de 150-250 agentes durante 1000-2000 pasos de tiempo en menos de cinco minutos en hardware de estación de trabajo estándar. La salida en formato NetCDF4 garantiza la interoperabilidad con las herramientas de análisis oceanográfico. La biblioteca satisface la necesidad de una infraestructura estandarizada y reproducible en el modelado del comportamiento colectivo, análoga a los códigos establecidos de dinámica molecular.
English
Collective motion in fish schools exemplifies emergent self-organization in active matter systems, yet computational tools for simulating and analyzing these dynamics remain fragmented across research groups. We present dewi-kadita, an open-source Python library implementing the three-dimensional Couzin zone-based model with comprehensive entropy diagnostics tailored for marine collective behavior research. The library introduces seven information-theoretic metrics -- school cohesion entropy, polarization entropy, depth stratification entropy, angular momentum entropy, nearest-neighbor entropy, velocity correlation entropy, and school shape entropy -- that characterize distinct organizational features inaccessible to classical order parameters. These metrics combine into an Oceanic Schooling Index (OSI) providing a single scalar measure of collective disorder. Validation across four canonical configurations (swarm, torus, dynamic parallel, highly parallel) confirms correct reproduction of known phase behaviors: the swarm maintains disorder with polarization P < 0.1 and OSI approx 0.71, while the highly parallel state achieves P = 0.998 with OSI = 0.24 and velocity correlation entropy vanishing to zero. The entropy framework successfully discriminates the torus and dynamic parallel configurations that exhibit comparable order parameter magnitudes through different organizational mechanisms. Numba just-in-time (JIT) compilation accelerates pairwise interaction calculations by 10--100times, enabling simulations of 150--250 agents over 1000--2000 time steps within five minutes on standard workstation hardware. NetCDF4 output ensures interoperability with oceanographic analysis tools. The library addresses the need for standardized, reproducible infrastructure in collective behavior modeling analogous to established molecular dynamics codes.