dewi-kadita: Een Python-bibliotheek voor geïdealiseerde simulatie van visscholen met op entropie gebaseerde diagnostiek

dewi-kadita: A Python Library for Idealized Fish Schooling Simulation with Entropy-Based Diagnostics

February 8, 2026

Auteurs: Sandy H. S. Herho, Iwan P. Anwar, Faruq Khadami, Alfita P. Handayani, Karina A. Sujatmiko, Kamaluddin Kasim, Rusmawan Suwarman, Dasapta E. Irawan

cs.AI

Samenvatting

Collectieve beweging in visscholen illustreert opkomende zelforganisatie in actieve materiesystemen, maar computationele hulpmiddelen voor het simuleren en analyseren van deze dynamiek blijven versnipperd over onderzoeksgroepen. Wij presenteren dewi-kadita, een open-source Python-bibliotheek die het driedimensionale Couzin zone-gebaseerde model implementeert met uitgebreide entropiediagnostiek toegesneden op onderzoek naar collectief gedrag in mariene systemen. De bibliotheek introduceert zeven informatie-theoretische metrieken – entropie van schoolcohesie, polarisatie-entropie, entropie van dieptestratificatie, entropie van hoekmoment, entropie van naaste buren, entropie van snelheidscorrelatie en entropie van schoolvorm – die distinctieve organisatorische kenmerken karakteriseren die ontoegankelijk zijn voor klassieke ordeparameters. Deze metrieken combineren tot een Oceanic Schooling Index (OSI) die een enkele scalaire maat voor collectieve wanorde biedt. Validatie over vier canonieke configuraties (zwerm, torus, dynamisch parallel, hoogparallel) bevestigt de correcte reproductie van bekende fasegedrag: de zwerm handhaaft wanorde met polarisatie P < 0,1 en OSI ≈ 0,71, terwijl de hoogparallelle toestand P = 0,998 bereikt met OSI = 0,24 en entropie van snelheidscorrelatie die naar nul verdwijnt. Het entropieraamwerk onderscheidt succesvol de torus- en dynamisch parallelle configuraties, die vergelijkbare ordeparametergrootten vertonen via verschillende organisatiemechanismen. Numba just-in-time (JIT)-compilatie versnelt paarsgewijze interactieberekeningen met 10–100 keer, waardoor simulaties van 150–250 agenten over 1000–2000 tijdstappen binnen vijf minuten mogelijk zijn op standaard werkstationhardware. NetCDF4-uitvoer zorgt voor interoperabiliteit met oceanografische analysetools. De bibliotheek voorziet in de behoefte aan gestandaardiseerde, reproduceerbare infrastructuur in collectief gedragsmodellering, analoog aan gevestigde moleculairdynamica-codes.

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.