Очерки адаптации и биологии и технике - Лабутин В.К.
Скачать (прямая ссылка):
для разработки теоретических принципов сложных, так называемых больших систем, надежное функционирование которых немыслимо на основе жестких, неизменяемых связей между составляющими их частями. Интересы ряда ученых уже прикованы к разработке теоретических моделей коллективного поведения элементов, отличающегося адаптивностью. Хотя формализуемые в таких моделях свойства еще очень примитивно отражают то многообразие явлений, которое определяет адаптивность популяций живых организмов, дальнейшая их разработка может оказаться чрезвычайно полезной для экономики, целого ряда отраслей техники и даже для социологии.
Классический подход к моделированию приспособления, проявляющегося на уровне популяции, заложил талантливый советский ученый М. JI. Цетлии, отличавшийся широкой эрудицией в вопросах приложения математических методов к сложнейшим проблемам биологических систем. В основе этого подхода лежит имитация живого организма автоматом. Такой автомат наделяется способностью в последовательные моменты времени принимать одно из заранее обусловленного набора внутренних состояний фь ф2, • • фт (т — полное число возможных состояний). Каждому из этих состояний однозначно соответствует направленное в окружающую среду определенное действие автомата из доступного для него ассортимента fi, /2, . •fh (k — полное число возможных действий автомата, k<m). Совершив какое-либо действие, автомат воспринимает реакцию S среды, в которой он находится. Любая- реакция среды относится автоматом как принадлежащая к одному из двух классов: благоприятных реакций («поощрение», или «выигрыш») и неблагоприятных («наказание», или «проигрыш»). Таким образом, реакция среды может принимать для автомата одно из двух значений, например S=0 в случае выигрыша н S=1 в случае проигрыша. Очередное внутреннее состояние, в которое переходит автомат, зависит от его предшествующего состояния и от реакции среды на то действие, которое было обусловлено предшествовавшим состоянием автомата.
Правила, определяющие выбор очередного внутреннего состояния, и действия, вытекающие из каждого состояния, называются структурой автомата. Закладывая в автомат ту или иную структуру, можно придать его поведению целесообразность— автоматический выбор автоматом таких внутренних состояний и действий, при которых частота выигрышей возрастает, а частота проигрышей уменьшается. Можно, например, ввести в структуру автомата следующее правило: если в ответ на действие /ь обусловленное его внутренним состоянием cpi, среда дает реакцию S = 0 (выигрыш), то автомат не изменяет своего состояния фь а если действие вызывает реакцию среды S=1 (проигрыш), то автомат переходит в новое состояние, ф,-. Это правило представлено схематически на рнс. 2. Очевидно, подобное правило может сохраняться на следующих шагах применительно к действию вытекающему из состояния ф,-, и т. д. При этом, не зная заранее, какие внутренние состояния выгодны в данной среде, а какие нет, автомат тем не менее будет быстро проходить плохие состояния и задерживаться в хороших.
Схема на рис. 2 напоминает схему эволюции за счет мута-
Г'
I
L.
s= -о S=1
Ъ fi
Рис. 2. Схема автомата.
ций (рис. 1). Но в отличие от нее здесь изменение внутреннего состояния автомата (аналог мутадин) происходит не вследствие совершенно случайного воздействия, а в результате «оценки» внешней средой предыдущего действия автомата и по правилам, зависящим от структуры самого автомата.
Теория таких автоматов уже привела к разработке ряда структур, гарантирующих целесообразное поведение одного и того же автомата в различных средах, по-разному оценивающих одни и те же действия автомата, и даже в средах, включающих в себя элемент случайности, когда одно и то же действие автомата не всегда вызывает одинаковую реакцию среды. Таким образом, есть все основания говорить о наличии приспособления этих автоматов к среде в отсутствие априорных сведений о свойствах этой среды.
При изучении коллективного поведения подобных автоматов можно считать, что каждый из них находится в среде, в которую включены все
остальные автоматы. Поэтому теоретически задача сводится к прежней — приспособительному поведению одного автомата, ио описание среды (ее реакций на каждое действие данного автомата) усложняется учетом всех остальных автоматов.
Наиболее просты модели, рассматривающие коллективы однородных автоматов, структуры которых одинаковы. Такова, например, игра в размещения, моделирующая выбор хищными животными районов охоты. Количество дичи, приходящееся на долю хищников, зависит от запаса дичи в выбранном им районе и от числа одновременно охотящихся в этом районе хищников.' Среда в одном из вариантов этой модели была задана семью районами с количеством дичи 0,9 условной единицы в первом районе и по 0,33 — в остальных шести. Общее число автоматов («хищников») — пять. Каждый автомат имеет 7 состояний, соответствующих пребыванию в каждом из семи районов охоты; доступный ассортимент действий — сохранение данного состояния или переход в любой из остальных шести районов. В качестве реакции среды автомат воспринимает количество приходящейся на его долю дичи, причем это количество определяется путем деления запаса дичи в данном районе иа число охотящихся в нем хищников. Реакция среды считается неблагоприятной для данного хищника, если получаемое им количество дичи уменьшается. Многократное моделирование этой игры на ЦВМ показало, что в 99% случаев автоматы (спустя некоторый период поиска лучших стратегий) распределяются по районам сле-
