Engineering Criminal Agents Software Technology for Evidence-based Social Simulation by Ulf Lotzmann Approved Dissertation thesis for the partial fulfilment of the requirements for a Doctor of Natural Sciences (Dr. rer. nat.) Fachbereich 4: Informatik Universität Koblenz-Landau Chair of PhD Board: Prof. Dr. Maria A. Wimmer Chair of PhD Commission: JProf. Dr. Kai Lawonn Examiner and Supervisor: Prof. Dr. Klaus G. Troitzsch Further Examiners: Prof. Dr. Maria A. Wimmer Date of the doctoral viva: 11th January 2019 To my parents. Acknowledgement Many friends and colleagues have contributed considerably — in the one or other way — to the accomplishment of my PhD thesis. I would like to express my sincere thanks to: My supervisors Klaus G. Troitzsch and Maria A. Wimmer Scott Moss, Sabrina Scherer, Ruth Meyer and the colleagues of the OCOPOMO project Martin Neumann and the colleagues of the GLODERS project My adviser Michael Möhring Danke! Abstract This PhD thesis with the title “Engineering Criminal Agents” demonstrates the interplay of three different research fields captured in the title: In the centre are Engineering and Simulation, both set in relation with the application field of Criminology — and the social science aspect of the latter. More precisely, this work intends to show how specific agent-based simulation models can be created using common methods from software engineering. Agent-based simulation has proven to be a valuable method for social sci- ence since decades, and the trend to increasingly complex simulation models is apparent, not at least due to advancing computational and simulation tech- niques. An important cause of complexity is the inclusion of ‘evidence’ as basis of simulation models. Evidence can be provided by various stakeholders, reflecting their different viewpoints on the topic to model. This poses a particular burden by interrelating the two relevant perspectives on the topic of simulation: on the one hand the user of the simulation model who provides the requirements and is interested in the simulation results, on the other hand the developer of the simulation model who has to program a verified and validated formal model. In order to methodically link these two perspectives, substantial efforts in research and development are needed, where this PhD thesis aims to make a contribution. The practical results — in terms of software — were achieved by using the multi-faceted approach mentioned above: using methods from software engineering, in order to become able to apply methods from computational social sciences, in order to gain insights into social systems, such as in the internal dynamics of criminal networks. The PhD thesis shows the research involved to create these practical results, and gives technical details and specifications of the developed software. The frame for research and development to achieve these results was pro- vided mainly by two research projects: OCOPOMO and GLODERS. Zusammenfassung Die Dissertation mit dem Titel “Engineering Criminal Agents” demonstriert das Zusammenspiel von drei verschiedenen Forschungsbereichen, die bereits im Titel genannt sind: Im Mittelpunkt stehen Engineering (d.h. ingenieurmäßi- ges Vorgehen bei der Erstellung von Systemen) und Simulation, während beide Bereiche im Kontext des Anwendungsfeldes Kriminologie (und auch den damit verbundenen sozialwissenschaftlichen Aspekten) angewandt werden. Konkre- ter gesagt, Ziel der Arbeit ist es, zu zeigen, wie spezifische Arten von agen- tenbasierten Simulationsmodellen unter Berücksichtigung und Anwendung von Methoden der Softwareentwicklung erstellt werden können. Agentenbasierte Simulation hat sich seit Jahrzehnten als nützliche Metho- de der Sozialwissenschaften bewährt, und ein Trend zu komplexen Simula- tionsmodellen ist wahrnehmbar, nicht zuletzt aufgrund der Fortschritte in Datenverarbeitungs- und Simulationstechniken. Eine bedeutende Ursache für Modellkomplexität ist die Einbeziehung von ‘Belegmaterialien’ als Grundlage von Simulationsmodellen. Solche Belegmaterialien können durch mehrere Sta- keholder bereitgestellt werden und dabei deren unterschiedliche Sichtweisen auf einen Modellierungsgegenstand widerspiegeln. Dabei ergeben sich spezifische Problemstellungen für das Zusammenspiel der beiden hier relevanten Perspektiven auf das Thema Simulation: auf der einen Seite der Benutzer des Simulationsmodells, der die Anforderungen liefert und an den Simulationsergebnissen interessiert ist; auf der anderen Seite der Modellentwickler, der ein verifiziertes und validiertes formales Modell program- mieren muss. Um diese beiden Perspektiven systematisch zusammenzubringen, ist substantieller Aufwand in Forschung und Entwicklung erforderlich, wo die vorliegende Dissertation einen Beitrag zu leisten beabsichtigt. Die in dieser Arbeit erzielten praktischen Ergebnisse — in Form von Soft- ware — wurden durch eine bereichsübergreifende Herangehensweise erreicht: Durch die Verwendung von Methoden der Softwareentwicklung konnten Me- thoden der computergestützten Sozialwissenschaften benutzt werden, um am Ende Einblicke in soziale Systeme — wie die internen Dynamiken von krimi- nellen Netzwerken — zu ermöglichen. Die vorliegende Dissertation zeigt die Forschungstätigkeiten, die für die Er- zielung der Ergebnisse herangezogen wurden, sowie liefert Details und Spezi- fikationen zur erstellten Software. Rahmen für diese Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten waren in erster Linie zwei Forschungsprojekte: OCOPOMO und GLODERS. Contents 1 Motivation and Problem Scope1 1.1 Introduction.............................1 1.2 Problem scope and research questions...............2 1.3 Research approach and structure of the PhD thesis.......5 2 Foundations: Terminology and State-of-the-art7 2.1 Introduction.............................7 2.2 Software Engineering........................7 2.2.1 Software processes and process models..........8 2.2.2 Requirement Analysis................... 11 2.2.3 Conceptual Modelling................... 13 2.2.4 Participation........................ 16 2.2.5 Traceability......................... 16 2.2.6 Implementation support.................. 18 2.2.7 Software testing....................... 20 2.3 Simulation.............................. 20 2.3.1 Social simulation...................... 24 2.3.2 Multi-agent models in social sciences........... 28 2.3.3 Evidence-based simulation models............. 32 2.3.4 Simulation and Software Engineering........... 34 2.4 Application in Criminology and Social Sciences......... 35 I Modelling process 39 3 Concept and tools for evidence-based policy modelling 41 3.1 Introduction............................. 41 3.2 The OCOPOMO project...................... 42 3.3 The OCOPOMO process...................... 44 3.3.1 Domain-knowledge collection................ 48 3.3.2 Conceptual modelling.................... 51 3.3.3 Model Transformation................... 60 3.3.4 Simulation modelling.................... 63 3.3.5 Simulation result generation and analysis......... 69 3.4 Tracing back simulation results.................. 72 i 3.5 Conclusions from the OCOPOMO project............ 74 4 Linking the modelling process with data analysis 77 4.1 Introduction............................. 77 4.2 The GLODERS project....................... 78 4.3 Adapting the OCOPOMO process for data analysis: The GLODERS process................................ 79 4.4 Building up the GLODERS process................ 81 4.4.1 Qualitative analysis and conceptual modelling...... 84 4.4.2 Simulation modelling and testing............. 87 4.4.3 Simulation experimentation................ 91 4.5 Conclusions from the GLODERS project............. 92 II Application 95 5 Use case: An application in criminology 97 5.1 Introduction............................. 97 5.2 Motivation.............................. 98 5.3 The Story: Collapse of a criminal network............ 101 5.4 Conceptualising the case...................... 103 5.4.1 The Prologue........................ 104 5.4.2 Starting Point: Crystallising kernel of mistrust...... 106 5.4.3 Escalation of internal conflict............... 108 5.4.4 A corrupt chaos....................... 112 5.4.5 Run on the bank...................... 113 5.4.6 Evaluating the state of trust................ 115 5.5 Steps towards model formalisation................. 116 5.5.1 Model structure....................... 117 5.5.2 Parameters in the Conceptual Model........... 128 5.5.3 Agent architecture and decision processes......... 137 5.5.4 Normative process..................... 146 5.6 Wrapping up the conceptual modelling: Requirements for the simulation model.......................... 149 6 Simulating internal dynamics of a criminal network 153 6.1 Introduction............................. 153 6.2 Simulation approach and environment............... 153 6.3 Simulation model overview..................... 154 6.4 Initial normative event....................... 158 6.5 Reaction of criminal network members on normative event... 159 6.6 Reasoning and reacting on aggressive action........... 164 6.6.1 Norm Demanded: Obey.................. 168 6.6.2 No Norm Demanded.................... 169 6.6.3 Counteraggression..................... 170 6.6.4 Betrayal........................... 171 6.7 Panic................................. 175 6.7.1 Fear for Life......................... 176 6.7.2 Fear for Money....................... 177 6.8 Intimidation of criminal network members............ 179 6.9 Police Investigation......................... 180 6.10 Conclusions on the simulation model description......... 182 7