Янв
8

Основы роевого интеллекта: от принципов к практике.

Институт системного анализа Марка Флейшера, Университет Мэриленда

Соавтор блога Аttiks1972 подготовил перевод статьи. Моя дочь Александра немного поработала над литературной редакцией.

Краткое описание — Роевой интеллект  (РИ) – относительно новая парадигма, применяемая в ряде  научных исследований  для того, чтобы улучшить управление и контроль над большим количеством взаимодействующих структур, в таких  сферах как коммуникация, компьютерные и сенсорные сети, спутниковые группировки и т.д.

Отсутствие четкого понимания, что составляет самоорганизованное поведение, ведет к узкоспециальным подходам, которые осложняют понимание РИ, оценку его истинного потенциала и возможность его более полного использования в своих интересах. Эта статья предлагает ряд общих принципов для научных исследований РИ. Верное определение самоорганизованного поведения  дает основание для более точного и логического подхода к научным исследованиям, в противоположность более распространенному специальному подходу в использовании понятий РИ.

Понятие оптимальности по Парето используется, чтобы охватить понятия эффективности и адаптируемости. Новое понятие, «Инвариантный масштаб к оптимальности по Парето» описан и влечет за собой отношения симметрии и масштабную инвариантность, где оптимальность по Парето сохранена для поиска изменений  в сложных системах. Это обеспечивает математический способ описания компромиссов эффективности между различными масштабами и далее, математически описывает понятие постепенного ухудшения деятельности, так часто обнаруживаемой в сложных системах.

Введение: Современные коммуникационные сети представляют собой чрезвычайно сложные системы. Новые технологии от сенсорных сетей, мобильных устройств удаленного веб-доступа, удаленных хирургических систем, до группировок орбитальных спутников все они требуют  большого объема коммуникации и взаимодействия их структурных элементов.  Все элементы должны гармонично взаимодействовать для того, чтобы быть эффективными. По мере увеличения количества взаимодействующих элементов, гарантировать эффективность их деятельности становиться  все более и более сложно. Действительно, в течение прошедших трех десятилетий этот рост в целом приблизительно удваивался каждые 18 месяцев.

Новая парадигма развития военного искусства также указывает на ускоренный рост числа взаимодействующих систем. С учетом этого роста, у экспертов растет понимание, что текущие подходы к управлению такими сетями недостаточны, чтобы справиться с ожидаемым уровнем сложности. И, соответственно, требуются новые подходы по  управлению и контролю за комплексными системами.

Согласно отчету Совета национальной безопасности США: « необходимы исследования  в области самонастраивающихся систем, которые смогли бы вносить изменения в свою работу в случае каких-либо неполадок или изменений и которые могли бы терять функциональность постепенно».

Один из многообещающих подходов основан на так называемом роевом интеллекте (РИ). Термин РИ введен для продвижения  идеи о  возможности управления сложными системами взаимодействующих структур даже тогда, когда  взаимодействие между такими структурами имеет минимальный характер. Это понятие  связано с формами распределенного контроля, которые являются более  продуктивным, масштабируемым и эффективным для более сложных систем. Основные особенности РИ  основаны на наблюдениях за общественными насекомыми. У колоний муравьев и пчел, например, есть интересная особенность: похоже, что их колонии обустраивают свои дела очень организованным образом. Это осуществляется преимущественно за счет наличия  поведения с целеполаганием, которое увеличивает вероятность их коллективного выживания. Удивительно, эти насекомые, похоже, используют очень простые правила взаимодействия.

Как получается, что “рои” существ с относительно низким интеллектуальным уровнем и коммуникационными возможностями могут заниматься тем, что часто называют “неочевидным поведением”, являющимся некоторым подобием “коллективного разума”? К сожалению, нет общего согласия, относительно того, что  представляет собой РИ или как он должен быть математически определен. Большое количество терминов используется для определения  РИ, например,   неочевидное поведение, самоорганизованное поведение, коллективный разум, и т.п. Они  использовались в различных контекстах,  были связаны с различными сферами применения, но эти термины  страдают от неопределенности  или неточности описания.

Нет никакого общего математического описания, которое связывало бы все эти понятия. Отсутствие точного определения и, следовательно, теоретических основ, создает множество  проблем и даже приводит к путанице. Отсутствие точного определения – не самая главная проблема — существующая путаница ведет также к упущенным возможностям. Все различные описания и  их применение, не дают возможности продуктивно использовать понятия РИ. Без ясного понимания того, что есть РИ и как и почему он возникает,  очень сложно предположить, как его можно использовать в своих интересах с учетом его истинного потенциала.

Средство для разрешения этой очевидной путаницы  лежит в новых перспективах, которые выделяют фундаментальные свойства РИ. Эта статья стремится  просто и ясно сформулировать некоторые полезные идеи, основанные на перспективах  развития таких понятий как эффективность и адаптивность,  вместе с более формальным определением самоорганизованного поведения. Эта статья формулирует три стратегических или основополагающих структуры, на основании которых можно построить успешную теорию РИ, и которые предоставляет рекомендации для того, как использовать РИ концепции. Эти структуры основаны на разработках успешных теорий, имеющих отношение к алгоритму модельной закалки (МА). Применение этих структур к РИ  поможет найти  все еще недостающие составляющие для развития лучшего понимания РИ. Это может привести к совершенно новым способам рассмотрения  и понимания этой парадигмы и, в конечном счете,  предоставить более практичные схемы ее внедрения.

Базисной основой для РИ является формулирование некоторых первичных принципов, основанных на соответствующих законах природы, с учетом их последствий. Для РИ эти первичные принципы основаны на законах развития и естественного отбора. Как читатель увидит в дальнейшем,  осознанное применение РИ требует более точного и математически приемлемого определения для самоорганизованного поведения — в рамках развития состояний системы  c учетом  оптимальной границы по Парето. Второй компонент этой триады – формулирование соответствующей динамической структуры, способа  охарактеризовать системную динамику, который является следствием или ограничивается первичными принципами. Динамическая структура, предложенная здесь, основана на новом понятии в контексте РИ — масштабно-инвариантной оптимальности по Парето (МИОП). МИОП – концепция с большими возможностями, которая охватывает понятия симметрии и масштабной инвариантности и может решить проблемы, как роевые сообщества общаются, изменяют свое поведение и приспосабливаются к изменению условий окружающей среды — один из признаков РИ. Эта динамическая структура также обеспечивает ряд правил, которые  налагают ограничения на динамику системы, чтобы соответствовать положениям соответствующих  законов природы, как это ясно сформулировано в первичных принципах.

Наконец, третий компонент этой триады – формулировка концептуальной структуры проблемы. Это даст удобную возможность суммировать идеи, что позволит осуществить их. Это также предоставляет конкретный способ выявления проблем, которые в дальнейшем могут быть специфицированы и уточнены, а также позволяют сконцентрировать научно-исследовательские усилия. Эта статья описывает общий подход по принципу  испытательного стенда, и использует понятие роевой модели с конечным количеством состояний.

Совместно триада структур представляет собой  единую схему  рассмотрения  проблем исследования и возможного применения  РИ концепции. Она показывает, как роевые сообщества  должны общаться  и менять свое поведение в ответ на информацию, получаемую от других сообществ, и ту  среду, в которой возникает неочевидное самоорганизованное поведение, известное как “роевой интеллект”. Эта совокупность подходов приводит к более точному математическому определению РИ, описывает способы для  более полного использования  в своих интересах этой парадигмы и позволяет конструктивно работать с присущими ей ограничениями.

Предпосылки: Парадигма роевого интеллекта (РИ)

Наблюдения за общественными насекомыми, такими как муравьи и колонии муравьев предлагают большее понимание как их поведения, так и РИ в целом. У муравьев и колоний муравьев есть несколько способов решения различных, но связанных проблем. В основе коллективного взаимодействия насекомых лежат химические вещества, известные как феромоны. Эти феромоны формируют основание для разумной и, видимо, простой коммуникации, хранения  и поиска информации. С началом ослабления действия феромонов и до их распада в течение долгого времени, происходит обеспечение очень простого механизма обработки информации, который может принимать формы позитивных и негативных откликов и механизма стимулирующего обучения.

В качестве примера рассмотрим, как муравьи фактически решают проблему кратчайшего пути. Их мотивация для решения этой проблемы исходит из их потребности найти источник еды. Эффективность требует, чтобы они искали такие источники, которые находятся наиболее близко к их колониям. Муравьи (много муравьев) сначала отправляются на  поиск источника пищи, беспорядочно выбирая (очевидно беспорядочно) несколько различных путей. По пути они оставляют следы феромона. Как только муравьи обнаруживают источник пищи, они находят путь назад к своей колонии (и при этом сообщают об этом другим муравьям в колонии), следуя за их  ароматом назад, к их исходной точке. Так как много муравьев отправляется из своей колонии в поисках пищи, муравьи, которые возвращаются первыми,  являются, по-видимому, теми, кто нашел самый близкий к колонии источник пищи или, по крайней мере, теми, кто нашел пищу, которая является  наиболее доступной.

Таким образом, колония муравьев может определить самый короткий или “лучший” путь к источнику пищи. Разумность и простота этой схемы становится очевидной, если этот процесс рассмотреть с точки зрения муравьев — они просто следуют по пути  с самым сильным ароматом (по крайней мере, так кажется). У кратчайшего пути будет самый сильный аромат, так как   между тем, как муравьи отправились на поиски еды и тем,  когда они возвратились в колонию, прошло меньше времени и, следовательно,   меньше времени для того, чтобы  феромон испарился.  Это вынуждает большее количество муравьев двигаться по этому пути,  усиливая  след феромона и таким образом укрепляя  кратчайший путь к источнику пищи, и тем самым демонстрируя обучающее поведение.

Но этот простой метод укрепления или позитивного отклика демонстрирует важные особенности эффективного поведения группы. Если, например, кратчайший путь будет так или иначе затруднен, то другим кратчайшим путем по прошествии времени будет тот, которому соответствует наиболее сильный феромон. Далее, все происходит как и в базисном варианте. Муравья двигаются по маршруту с наиболее сильным запахом.

Следовательно,  распад на уровне феромона приводит к избыточности, надежности и адаптивности, т.е., к тому, что некоторые описывают как неочевидное поведение. Понять сущность РИ пытаются при помощи большого  количества алгоритмов оптимизации.  Действительно, много сложных проблем оптимизации были бы решены с помощью, так называемых алгоритмов муравья. Эти алгоритмы обычно используют некоторый аналог феромона или некоторый простой  сигнальный механизм.

Муравьиная сеть, например, использует закрепляющее обучение для увеличения вероятности использования определенных маршрутов в алгоритмах маршрутов. Значение вероятности используется в качестве аналога феромона. Другой пример, который использует подобный механизм корректировки – это управление беспилотными воздушными транспортными средствами. Все эти разнообразные подходы  пытаются использовать в своих интересах, то, как функционируют  общественные насекомые.

Тайна самоорганизации

Несмотря на то, что  в ходе наблюдений за общественными насекомыми было получено много информации, не существует единого определения того, что представляет собой РИ. Действительно, термин РИ обсуждается так часто и в таком большом разнообразии контекстов, что это ведет к путанице, приводящей ко многим различным интерпретациям и  различным применениям во многих областях. Хотя  такое применение и отражают некоторое понимание РИ, оно часто влечет за собой другие парадигмы, как говорилось выше, такие  как укрепляющее обучение и синергию -  то есть сложные косвенные взаимодействия, основанные на простых сигнальных системах. Где находится конец одной парадигмы и начало другой?

Несмотря на многие различия в описании, предлагаемые многими исследователями, главные особенности РИ представляют собой формы ограниченных или минимальных коммуникаций и/или взаимодействий, большого количества взаимодействующих объектов с ограниченной досягаемостью и некоторым высокоэффективным, или самоорганизованным поведением на стадии становления. Некоторые исследователи полагают, что главная особенность РИ основана на проявлении самоорганизации, которая является результатом взаимодействия трех основных компонентов: 1) формы позитивных и негативных откликов, 2) усиливающейся неустойчивости – основы внутренней организации 3), многократного взаимодействия большого количества объектов.

Но даже такая характеристика дает мало понимания, что собой представляет РИ,  предлагая лишь  описательные термины. Например, она не может полностью объяснить, почему или как феромоны развились, чтобы стать тем, чем они являются или почему у них должны быть свойства испарения, которые они имеют. Равно как,  почему у них есть свои  химические особенности, или как муравьи могут  различать различные типы феромонов (по-видимому, чтобы выявлять муравьев из других колоний). Феромоны -  это сложные химические сигнальные системы. При этом большая часть исследований, которые имеет  с ними дело или моделирует их эффекты, используют это понятие  очень ограниченными способами, например, как скаляр в алгоритмах муравьев, в противоположность более сложной схеме, представленной векторами.

Хотя, как мы увидим, даже простые скаляры могут обладать достаточной информацией, связанной с мерой эффективности,  феромоны, вероятно, обладают более сложными свойствами, чем их простая интенсивность. Действительно, Винер в его инновационной книге «Кибернетика» подчеркивает важность  коммуникации между рассматриваемыми объектами: Каким образом улей действует в унисон, и в меняющейся среде? Очевидно, тайна находится в общении  его участников… Это общение может значительно варьироваться по сложности и содержанию…, ценность простого стимула, такого как аромат, для передачи информации зависит не только от информации, переданной самим стимулом, но и от всей нервной конституции отправителя и получателя такого стимула.

Однако, как бы ни определяли РИ, одна из его центральных характеристик -  самоорганизация. Но это также не приближает нас  к предмету спора о том, что представляет собой РИ, потому что нет никакого ясного понимания того, что такое  самоорганизация или поведение на стадии становления! Эти термины используются уже в течение некоторого времени, и их определения были и вероятно продолжат обсуждаться в будущем.

Ряд ученых определяет понятие самоорганизации обычно как “высокоорганизованное поведение даже в отсутствие заранее разработанного плана”. (Но что значит «организованное?»). Они объясняют самоорганизацию такими явлениями, как, например, наличие резонанса. Ранее, Пригожин и др.  описал самоорганизацию в терминах химических реакций и контексте термодинамики. Его понятие довольно информативно и подчеркивает элемент флуктуации в далеких от равновесия состояниях системы. Нелинейные системные изменения, или флуктуации, как он их называет, вследствие   случайных событий или из-за хаотической динамики, усиливается посредством  механизма позитивных откликов. Это приводит к возникновению структур, которые появляются спонтанно. Интересно, что Пригожин дает пример РИ, основанный на групповом поведении термитов при строительстве гнезд. Еще ранее Винер использовал термин при описании мозговых волн людей.

    Category МНЕНИЕ ГУРУ     Tags

Прокомментировать

 
ОБО МНЕ

Последние записи

Сообщество Практиков Конкурентной разведки (СПКР)

Архивы