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生物学启迪 群体智能+蚁群算法(ant colony optimization.ACO)

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很多人都认为,如果上帝是一个程序员,那么他的工作量将大的惊人。
单一一个细胞的运行结构,编程工作量就可能超过天文数字的概念,其中光一个脱氧脱糖核酸的组合,就够微软的技术组干一百多年。
然而,事实上,现在越来越多的科学家和程序员发现,也许我们的世界,并没有建立在如此复杂的理论基础上,而是基于一些十分简单的规则。
这里有一个典型的例子,就是蚁群算法。

名词解释:
蚁群算法(ant colony optimization, ACO),又称蚂蚁算法,是一种用来在图中寻找优化路径的机率型技术。它由Marco Dorigo于1992年在他的博士论文中引入,其灵感来源于蚂蚁在寻找食物过程中发现路径的行为。蚁群算法是一种模拟进化算法,初步的研究表明该算法具有许多优良的性质.针对PID控制器参数优化设计问题,将蚁群算法设计的结果与遗传算法设计的结果进行了比较,数值仿真结果表明,蚁群算法具有一种新的模拟进化优化方法的有效性和应用价值。

具体的实现过程不累述,只提一点,就是整个蚁群算法只有100多行代码,但是它完美的再现了蚂蚁寻找食物的运行方式,包括寻找最短路径,避免走回头路以及如何最大范围内的扩大搜索面。

在观看这段代码的时候,很多方面,能发现上帝当时在编程的思维痕迹,比如说信息素变量运用(《蚂蚁革命》中被称为费尔蒙的东西),蚁群算法算是一种对世界的反编译,复杂无比的蚁群搜索系统,被简单的解析成原始的小块。

这个程序现在被广泛用于电力系统,火车系统,路由系统以及搜索引擎的抓取程序。

由此,我们可以引申的思考一些问题,比如说世界的复杂本源背后的运行规律,是否和蚂蚁算法一样简单?

很多专家提出的“小世界”概念中就可以发现了端倪,原来我们所在的整个生物系统,其实是类似于蚁群算法这种简单程序叠加而产生的。

也就是说,复杂的行为,不是本质,而是现象,简单程序控制下的个体的简单行为,互相影响,从而演化成非常复杂的行为,甚至构成极端复杂的社会体系,甚至是思维。

我相信这就是爱迪生研究思维之后,所得出的结论的真相:我们的思维产生,是因为“无数小人在我们头脑里活动。”

这里引进另一个概念,叫做群体思维来阐述这个问题。这也是研究蚂蚁,蜜蜂等社会昆虫得出的经典结论之一。

概念的核心是:单一的蚂蚁,是不具有思维性的,它只对环境产生反应,而发生一些行为,单一的蚂蚁的生存能力非常弱小,然而,100万只蚂蚁互相作用形成的行为,就变得非常复杂,蚂蚁的繁殖,食物的搜集,它们甚至能通过细菌的发酵,控制窝里的温度,在泥土中修建复杂无比,极端准确的通道,控制整个蚁巢的建筑结构,不会因为巢穴的扩大而崩塌。

这些行为体现的智力,是大型哺乳动物无法达到的,就算是黑猩猩,你也无法教会他通过细菌发酵去调节泥土的温度,单一一只蚂蚁,同样也无法做到这一点,但是一窝蚂蚁,却完成的近乎完美。

这种单一个体智力底下,但是群体拥有极高智力的现象,被称呼为群体智能。同样的东西,包括蜜蜂,真菌复合体,白蚁等等。

群体智能是一个很多人不敢触及的话题,因为它可以非常容易的复制到很多学科中去。比如说我举一个最简单的例子。

人的脑细胞,单个脑细胞不具有任何的智力,他只运行一些接受神经电流然后转发的人物,但是120亿个人的脑细胞,互相运作,可以产生这个世界上最伟大的东西——“思维”。

也许有人认为这比蚂蚁要复杂多了,其实,你可以发现如果一窝蚂蚁有100万只,则一只蚂蚁必须和另外99万只蚂蚁建立链接,而人的脑细胞现在所开发的10%活跃细胞中,每个细胞也只有2万条对外的神经联系,就是说,从运行效率来说,蚂蚁远远高于人脑。

那你也许要问,如果是这样的话,为什么蚂蚁窝的群体智力低于人的智力呢?

群体智慧理论里,最大的争议就是这一点,大部分人认为,群体的数量,和信息的传播速度,决定着群体的智慧程度。



IP属地:北京1楼2008-09-15 23:04回复
    是南派三叔写得。地球就是一个大


    IP属地:北京3楼2008-09-15 23:22
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      看了很有启发噢~~


      5楼2009-01-04 10:39
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        robustness
          鲁棒性就是系统的健壮性。它是在异常和危险情况下系统生存的关键。比如说,计算机软件在输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况下,能否不死机、不崩溃,就是该软件的鲁棒性。所谓“鲁棒性”,是指控制系统在一定(结构,大小)的参数摄动下,维持某些性能的特性。根据对性能的不同定义,可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。
          鲁棒性原是统计学中的一个专门术语,20世纪70年代初开始在控制理论的研究中流行起来,用以表征控制系统对特性或参数摄动的不敏感性。在实际问题中,系统特性或参数的摄动常常是不可避免的。产生摄动的原因主要有两个方面,一个是由于量测的不精确使特性或参数的实际值会偏离它的设计值(标称值),另一个是系统运行过程中受环境因素的影响而引起特性或参数的缓慢漂移。因此,鲁棒性已成为控制理论中的一个重要的研究课题,也是一切类型的控制系统的设计中所必须考虑的一个基本问题。对鲁棒性的研究主要限于线性定常控制系统,所涉及的领域包括稳定性、无静差性、适应控制等。鲁棒性问题与控制系统的相对稳定性(频率域内表征控制系统稳定性裕量的一种性能指标)和不变性原理(自动控制理论中研究扼制和消除扰动对控制系统影响的理论)有着密切的联系,内模原理(把外部作用信号的动力学模型植入控制器来构成高精度反馈控制系统的一种设计原理)的建立则对鲁棒性问题的研究起了重要的推动作用。当系统中存在模型摄动或随机干扰等不确定性因素时能保持其满意功能品质的控制理论和方法称为鲁棒控制。早期的鲁棒控制主要研究单劻路系统频率特性的某些特征,或基于小摄动分析上的灵敏度问题。现代鲁棒控制则着重研究控制系统中非微有界摄动下的分析与设计的理论和方法。
          控制系统的鲁棒性是指控制系统在某种类型的扰动作用下,包括自身模型的扰动下,系统某个性能指标保持不变的能力。对于实际工程系统,人们最关心的问题是一个控制系统当其模型参数发生大幅度变化或其结构发生变化时能否仍保持渐近稳定,这叫稳定鲁棒性。进而还要求在模型扰动下系统的品质指标仍然保持在某个许可范围内,这称为品质鲁棒性。鲁棒性理论目前正致力于研究多变量系统具有稳定鲁棒性和品质鲁棒性的各种条件。它的进一步发展和应用,将是控制系统最终能否成功应用于实践的关键。


        6楼2009-01-20 05:41
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          摄动
            一个天体绕另一个天体接二体问题的规律运动时,因受别的天体的吸引或其他因素的影响,在轨道上产生的偏差,这些作用与中心体的引力相比是很小的,因此称为摄动。天体在摄动作用下,其坐标、速度或轨道要素都产生变化,这种变化成分称为摄动项。例如,月球绕地球运动时受到太阳和其他行星吸引以及地球形状的影响,偏离按二体问题规律运动的轨道,而发生摄动.类似摄动的概念,在物理学中称为"微扰"。
            例如,海尔‧波普彗星的轨道在其回归时(1995年)曾接近木星,并受到其巨大重力场(引力)影响而变化,令轨道产生些微改变之馀,彗星绕太阳公转周期亦由4,200年缩减为2,380年。


          7楼2009-01-20 05:43
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