关键字 |
| 群，位通信，模型，逆向方法，非逆向方法。 |
介绍 |
| 这个项目的概念叫做蜂群。Swarm指大量或大量的小动物或昆虫，尤指在运动时。群体智能(SI)是一门处理自然和人工系统的学科，这些系统由许多个体组成，这些个体利用分散控制和自组织进行协调。特别是，该学科侧重于个体之间和与环境的局部互动所导致的集体行为。系统通常由一组简单的代理组成，它们彼此之间以及与它们的环境进行本地交互。代理遵循非常简单的规则，尽管没有集中的控制结构来规定单个代理应该如何行为，但这些代理之间的局部交互会导致复杂的全局行为的出现。SI的自然例子包括蜂群、蚁群、鸟群、动物放牧、细菌生长和鱼群。 |
| 使用群体智能的比特通信是关于在特定区域内将数据从发送方传输到接收方。数据必须传送到该地区的每一个接收器。这个过程与广播密切相关，在某种程度上，通过位通信，在接收器之间传播数据。该项目的目标是使用Netlogo®软件向所有这些代理发送数据。由于群技术对比特通信行为很有帮助，因此得以实现。两种技术用于发射和接收过程。第一种是反向技术，数据可以在下一个周期中重新传输给发送方。在这里，程序随机选择一个最近的代理来传输数据。第二种技术是非反向的，即数据不能在前一个周期中重新传输到发送方。NetLogo®是一个基于StarLogo的简单代理仿真环境。 These Users program use turtles as the agents and patches as the environment. In NetLogo®, the environment has active properties and is ideal in that it supports stigmergy or group work. Agents can be easily modified to sense information of the local patch or patches within some neighbourhood. Unlike conventional programming languages, the programmer does not have control over agent execution and cannot assume uninterrupted execution of agent behaviour. A fairly sophisticated user interface is provided and new interface components can be introduced using a drag-and-drop mechanism. Interaction with model variables is easily achieved through form-based interfaces. The user codes, in NetLogo®Ã¢ÂÂs own language, are simple and type-free. |
文献综述 |
| A.蜜蜂的群体智能 |
| 群体智能是一种现代形式的人工智能(AI)，其重点是基于使用多个代理的系统设计。这在机器人和应用程序优化等应用程序中特别有用。采用群体智能的设计方法与传统的智能方法不同。 |
| ”他一定是一个无趣的人，能检查梳子的精致结构，如此漂亮地适应了它的末端，而没有热情的赞赏。”[查尔斯·达尔文，1872]。5000年前，埃及人储存蜜蜂。他们惊讶于蜜蜂梳子的美丽。蜜蜂如何正确地构建六边形细胞?有人提出六角形对蜂蜜的抗性最强。R.A.F de Réaumur回顾了建造六角形空间所需的材料和蜡。为了创建一个六边形的形状，每个角都需要将六个角展开120°。然而，对于蜜蜂来说，蜂群并不知道这一点;因为蜜蜂“在神的指引和命令下盲目地使用最高数学”[1]。蜜蜂需要指导的理论被使用，因为蜜蜂为蜂群建造六边形的细胞是很自然的。 |
| 达西·温特沃斯·汤普森，达尔文启发的成员和数学家，写了一本关于生长和形式的书[9]。汤普森在书中说，由蜜蜂建造的六角形细胞是自由空间中所有泡沫层形成的模式的一个简单例子。BeeÃⅱÂ ' Â ' s的蜡烛是软的。他们只是用物理技术把完美的六边形细胞变成各种形式。因此，这种模式是自发形成的，而不是通过自然选择或神的干涉。蜂群行为表明，每个蜂群模式的形成可以用物理力来解释，这就解释了我们环境中发现的细胞的排列。六边形的图案启发了许多人，不管他们是不是科学家，这并不奇怪。另外分析一些模式，揭示它们之间的相似之处。最近，人们发现蜜蜂蜂房的六边形结构并不是唯一的。通过化学反应，图案也可以被制成六角形。 |
| 蜂巢不仅是由完美的六边形细胞组成的迷宫。蜜蜂也为下一个种群在每个细胞里装满卵。卵会变成幼虫、蛹，最终成为蜂群中的新蜜蜂。此外，蜜蜂还可以用花粉和蜂蜜填满蜂房。模式可以分为三个部分;鸡蛋(新人)、花粉和蜂蜜，如图1(b)所示。卵和花粉必须靠得更近，因为卵需要食物才能存活，然后才能变成新的蜜蜂。在新的蜜蜂被生产出来后，它应该努力为殖民地寻找食物和蜂蜜。这个过程一直持续到蜜蜂产卵为止。 |
| 工蜂的美妙之处在于，它们工作在肉眼很难看到的宏观实体中。蜜蜂适合观察和研究，因为可以在小区或小房子里进行蜂群实验，如图1(a)所示。为了更深入地观察，可以用数字标记蜜蜂，以观察它们之间的运动和相互作用。标记所有蜜蜂的最好方法是在它们的头上标上数字。然而，坚持所有的人口，蜜蜂必须放在他们的环境中，生态系统的居民是不被打断的。此外，新蜜蜂可以通过观察蜜蜂来确定，而不需要在蜜蜂上粘贴任何数字。对蜜蜂行为的观察可以分为三个不同的部分，即食物、卵和蜂蜜。这三个部门在任何时候都以某种模式明确地分配给流程。 |
| 图1(b)显示了蜂群的结构格局。六边形灰色表示蜂蜜;白色代表花粉，黑色代表卵。六边形细胞内卵较多，其中卵占54.49%，花粉占16.02%，蜂蜜占29.49%。这一比例表明，蜜蜂更专注于改善它们的社会和殖民地。同时，鸡蛋所占据的六边形细胞量约为蜂蜜的两倍。在蜂群中，每天收集的花粉将在同一天消耗掉。这意味着花粉的保存时间不会超过一天。这表明蜜蜂在持续的基础上工作，因为它们需要持续地寻找食物(花粉)。最后花粉的位置靠近巢。 This is because the broods will have to be stored for an extended period of time before the eggs will turn into adults (after three weeks). The duration of 21 days show that cells will be uninterrupted or filled pollen and honey, but in between the interface zone honey and brood, pollen is always replaced with the new ones daily as aforesaid. So for the brood cell, the cell will be emptied after 21 days, and will be replaced by a new brood. |
| B.觅食招募机制中的传播行为 |
| 征募是一个集体术语，指的是任何导致特定地点个体数量增加的行为，并使昆虫群体能够在食物来源分散或太大而无法被单个个体利用的环境中有效地觅食[2,3,5]。蜜蜂之间的交流行为使觅食，即储存食物的过程，得以组织。这种招募过程是群居昆虫所必需的。此外，昆虫群落可以在半径10公里的范围内觅食。这表明，当昆虫找到食物时，它们可以上升到62.84平方公里的范围内[7]。这些昆虫之所以能存活下来，是因为与昆虫的体型相比，这个区域的面积很大。这种觅食过程每天都在重复，直到它们迁移到另一个地方或地点。在蜜蜂的例子中，招聘者会执行一个程式化的“danceâÂ′Â′”，这将食物来源的方向和距离信息进行编码。多达七个舞蹈追随者[6]，潜在的新兵，能够提取和解密这些信息。 |
| 招聘机制可以分为直接机制和间接机制两类。直接机制是通过形象地说，口口相传来传递信息。直接机制的最佳例子可以在beesÃⅱÂ′Â′菌落中观察到。一些被称为“跳舞beesâ ' ”的蜜蜂有自己的舞蹈语言，为它们的殖民地提供方向信息。然后新兵们会把食物放在特定的细胞位置。这些跳舞的蜜蜂是由几个蜜蜂种群组成的。通过化学追踪进行大规模招募是间接招募的一个例子，招募者和被招募者彼此没有身体接触。雷竞技网页版它们之间的通信是通过用轨迹调节环境来实现的。招募者在觅食回来的路上留下一种信息素，而新招募者则跟随踪迹。这种机制模式类似于广播的过程，即发送方发送信息而不指定任何确切的接收方。 Radio and television signals broadcasting are the best example to describe the process of broadcasting data. |
| 在蚁群的例子中，寻找食物的蚂蚁会把信息素放在它们的路径上，这样，后面的蚂蚁就会按照路线走。实验表明，经过一段时间后，牧草在较短的路径[7]上趋于一致。最短路径的结果是正反馈过程。这种追踪行为使蚂蚁能够选择它们将采取的最优质的食物来源。蚂蚁会根据食物的质量把信息素放在它们的踪迹上。信息素的数量与食物质量成正比关系。如果蚂蚁在它们的饲料中发现了两种食物来源，它会根据哪一种食物更好来区分这两种路径。因此，这一过程是持续的，直到食物吃完或它们有足够的食物来养活它们的殖民地。 |
| 信息素追踪机制的成功很可能是由于蚂蚁对信息素轨迹的非线性反应，至少在一定程度上是这样，例如，蚂蚁在离开一条轨迹之前跟随它的距离是信息素[4]浓度的饱和函数。此外，蚂蚁会跟随足迹的概率值不等于零。概率取决于追踪的强度。从数学角度看，响应的非线性是蚁群觅食过程中模型方程的复杂性。但从生物学角度看，蚂蚁与食物之间的微分方程对应更具有灵活性。此外，蚂蚁在选择食物来源时使用了许多可能的解决方案。当食物容量有限时，蚂蚁会发出负信息素，表示食物即将耗尽。负面信息素会通知其他蚂蚁不要再跟着这条线索走了。所以蚂蚁可以继续寻找其他食物来源，或者回到它们的殖民地继续其他的工作。然而，这种机制过程有一个缺点。 If the ants are relying on the pheromone, it will have low probability to follow new pheromone that guide to better food source, which was found by other ants. This is because the trail is diverse from the previous trail. Furthermore, other ants may be difficult to compete with existing trail. If, due to initial conditions, a mediocre food source is discovered first, ants that have found a better quality food source after the first trail has established will not be able to build up a trail strong enough to recruit nest mates to the newly discovered bonanza [8]. Therefore, the ants are stuck on sub-optimal solution. |
方法 |
| 为了设计一个简单的蜂群通信模型，有必要充分了解关于蜂群和无线网络的基本集体行为、生物学和社会学。蜂群中每个代理的行为彼此不同，因为它们有独特的生存模式。蜂群中的交流过程有一种协议，必须在蜂群中遵循。之后，将发展群体中的通信和数据传输过程，以确定它们的行为。可以使用静态代理和均匀化来设计群模型。设计这个模型是为了能够以图形或数值的方式确定蜂群的行为。然后，可以使用统计方法对模型进行评估和分析，以平均数据，解释和验证数据。 |
| 位通信是将数据发送到一个区域内的其他代理的过程。基本上本文采用了两种方法来做通信过程;倒转和非倒转进路。在位通信技术中，拥有数据的代理可以将数据发送给它附近的其他代理。最初选择的随机代理将数据发送给竞技场中的其他代理。在第一个周期中，数据将直接发送到邻居。发送的数据将取决于在通信过程中使用了多少位。另一方面，该方法可以在前一个周期中重传数据或发送回发送方。然而，非反向方法是颠倒的，在下一个循环中没有数据将被转发回发送方。另一种不同的方法是在数据传输到其他数据时检查蜂群行为。 In this paper, single bit up to three bit communications are studied. |
| 群中基于线索的模型是智能体之间直接通信的过程。agent根据信号环境采取行动。耻辱感是基于线索的行为的一个例子。污名感是发生在间接主体之间的沟通协调机制。这是因为污名感是自组织和自由的。它产生了一种复杂性，看起来像一个聪明的结构，因为没有计划，指挥和控制代理之间的通信。此外，简单代理支持stigmergyâÂ′Â′的信息缺失，并且能够感知其他代理。 |
| 本文回顾算法的软件为NetLogo®软件4.1.1版本。NetLogo®是一款使用Java作为开发工具的开源软件。它是一个多智能体建模环境，可以编程并用于在任何环境中设计模型。 |
结果与讨论 |
| 在本文中，得到了1位、2位和3位通信的结果，如下所示。对该模型进行了50次重复模拟，以得到该地区900种药剂的平均值、蜱数或周期数和误差幅度。使用900个代理的值是因为当程序模拟400个代理时，对于一个比特通信模型得到的结果非常快。为了获得更高的精度结果，使用的agent数量增加到900个。这样就可以清楚地分析结果。在模拟开始时，从图2(a)所示的区域内随机选择一个代理。初始化代理的数量只有一个。这是因为程序需要选择从哪里开始。 |
| 而对于基于线索的模型，在初始化过程中，白色代理被设置在场地的中心。这是无线电或电视广播的一个例子，其中只有一个发射机，其他的都是接收机。在该模型中，899个代理作为接收者。图2(b)显示了在tick = 732时运行的一个模拟的快照。作为图2(a)的延续，数据从初始代理传输到它的邻居。首先，智能体将确定它的八个邻居。对于1位通信，它会从itâÂ′Â′的邻居中随机选择一个代理来传输数据。对于2位和3位通信，传输变得更快，因为拥有数据的代理将使用n位数据重新传输给它的邻居。为了确保所有900个代理都接收到数据，可以使用反向和非反向方法。由于接收者的选择和数据传输方法的随机性，每次复制的数据分布模式都是不同的。 The goal is to send the data to all agents. To indicate that agents have received the data, the recipient agents will change their colour to white. |
| 基于线索的过程是一个间接的沟通过程。如图2(c)所示，采用矩形进行分析。当周围的邻居发现其中一个邻居与其他邻居不同时，它们会通过将自己的颜色改为白色来启动其他agent的行为。agent简单地对环境刺激做出反应，而不使用agent之间的任何直接通信。因此，在整个过程中不传输任何数据 |
| 图3(a)比较了反向和非反向方法传输数据所花费的时间与一个比特通信中代理的数量。图中显示了900 agentsâÂ′Â′两种方法的结果是不同的。如图3(a)所示，与反向方法相比，非反向方法大约快1/3倍(非反向方法在18000 ticks完成该过程，而反向方法在28000 ticks完成该过程)。 |
| 图3(b)显示了使用反向和非反向方法进行两比特通信所需时间与代理数量的组合图。结果表明，反向与非反向的曲线没有明显差异。对于二进制通信，非反向方法略快于反向方法。 |
| 图4(a)显示了反向和非反向方法的三位通信结果组合图。结果表明，所得结果基本一致。差别很小，一点也不明显。同时，图4(b)绘制了基于线索的沟通。从图4(b)可以看出，所有的agent在14个tick内收到了数据。 |
| 图3(a)显示了非反向和反向方法的1位通信结果。从结果来看，完成这个任务需要26000个循环，而反向循环方法只需要16000个。如前所述，数据不能通过非回送方式转发回发送方。反向进程将在1/8的1/7的基础上增加被选中接收数据的概率。从图中可以看出，与逆向方法相比，非逆向技术完成任务所需的时间更短。非逆向进路完成周期33次;比反向方法更短的周期。这表明非反向方法有利于为所有代理人传播数据。图中还表明，用2位完成的通信技术比用1位完成的快。该图还显示了3位通信的图，其中完成这项任务需要24个周期。 The fact is, when using higher bits; the task will be completed faster. From the data, the results are gathered to converge into a linear graph. After obtaining a linear graph for higher-communication, the model can be calculated using a linear equation. This mimic the cue-based approach completed a task in just 14 cycles, as shown in Figure 4(b). In addition, the probability of an agent to change itself depending on the environment is 1. |
| 群代理中的位通信根据所使用的比特数有不同的结果。从1位通信获得的收入来看，将数据传播到竞技场中的所有代理需要26,000个周期。从每种技术的50个行走模拟中绘制的图表显示，1位通信过程就像在球场上传球。然而，2位通信似乎完成得更快。这是因为发送数据的过程是平方的。每个代理可以向两个不同的代理发送数据。它表明，完成这项任务将需要多达40个循环。由于发送数据的因子是3的次方，因此3位通信技术比其他方法更快。这意味着数据可以在一个周期内被发送到三个不同的代理。当进程增加到4位通信进程时，确实有一点性能的提高。 This shows the performance of the 3-bit communication is better than the communication 1-bit and 2-bit. However, the complexity of the design of higher bit is more because it requires the ability to send data to a number of agents in a single cycle. In terms of cost, this is proportional to the complexity of the design.Communications based on cue is a process of indirect mechanisms. When an agent sees other agents doing a task, the agent will do the same thing. For example, when one ant colony leaves a pheromone for other ants, the other ants will follow. The concept of this approach is just to follow others compared to the previous communication approach that gives direction to others to do something. |
结论 |
| 使用更高通信位的性能在速度方面更好，但与仅使用1位相比更复杂和成本更高。实现基于信号的间接通信将提高性能，因为蜂群可以做与源相同的事情。 |
数字一览 |
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参考文献 |
- 鲍尔，P.，“自制的挂毯。自然界的模式形成。”牛津大学出版社，英国牛津，页287,1999。
- Beckers, R.， Deneubourg, J. L.， Gross, S.和Pasteels, J. M.，“通过食物招募的集体决策。”《昆虫学报》，37(3):366 - 366。
- 张晓明，“蜜蜂的长距离觅食行为”，《生态学报》，14(4):489 -496,2000。
- 德纽堡，J. -L。，Aron, S., Foss, S., Pasteels, J. M. and Duerinck, G., “Random Behaviour, amplification processes and number ofparticipants: how they contribute to the foraging properties of ants,” Physica D, 22:176-186, 1986.
- 德特雷恩，C.，德纽堡，J. -L .。，”Complexity of environment and parsimony of decision rules in insect societies,”生物学通报,202:268 - 274, 2002。
- Tautz, J.和Rohrseitz, K.，“是什么吸引蜜蜂到摇摆舞舞者?”中国生物医学工程学报(自然科学版)，30(3):349 - 349。
- 布卢姆，克里斯蒂安，丹尼尔·默克尔主编。“群体智能:介绍与应用”，施普林格，2008。
- 桑普特，D. J. T.和M. Beekman，“从非线性到最优:蚂蚁的信息素踪迹觅食”，动物行为，66:273-280,2003。
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