Механизмы косвенной координации: Стигмергия и самоорганизация.

Введение

Механизм косвенной координации в социальной сети

Стигмергия (англ. Stigmergy) — это механизм косвенной координации между агентами или действиями посредством окружающей среды. Суть принципа заключается в том, что след, оставленный в среде отдельным действием, стимулирует выполнение последующего действия тем же или другим агентом. Агенты, реагирующие на следы в окружающей среде, получают положительный эффект, способствующий закреплению этих моделей поведения в популяции с течением времени. Стигмергия является формой самоорганизации. Она позволяет создавать сложные, кажущиеся разумными структуры, без необходимости планирования, контроля или даже прямого взаимодействия между агентами. Таким образом, она поддерживает эффективное сотрудничество между чрезвычайно простыми агентами, которым может не хватать памяти или индивидуального осознания друг друга.

История

Термин "стигмергия" был введен французским биологом Пьером Полем Грассе в 1959 году для описания поведения термитов. Он определил его как: "Стимулирование рабочих результатами их деятельности". Термин происходит от греческих слов στίγμα (stigma) – "знак, метка" и ἔργον (ergon) – "работа, действие", и отражает идею о том, что действия агента оставляют знаки в окружающей среде, которые он и другие агенты воспринимают, и которые определяют и стимулируют их дальнейшие действия. Позднее было проведено различие между стигмергическим явлением, специфичным для координации дальнейшей работы, и более общим, не связанным с работой, побуждением, для которого Э. О. Уилсон ввел термин "сематектонная коммуникация", образованный от греческих слов σῆμα (sema) – "знак, сигнал" и τέκτων (tecton) – "мастер, строитель": "Необходимо более общее и менее громоздкое выражение для обозначения вызывания любой формы поведения или физиологических изменений свидетельствами работы, выполненной другими животными, включая частный случай координации дальнейшей работы". В настоящее время стигмергия является одним из ключевых понятий в области роевого интеллекта.

Стигмергическое поведение у негуманных организмов

Стигмергия впервые была обнаружена у социальных насекомых. Например, муравьи обмениваются информацией, откладывая феромоны (следы) на своем пути обратно в гнездо после обнаружения пищи. Таким образом, они коллективно формируют сложную сеть троп, эффективно соединяющую гнездо с различными источниками пищи. Когда муравьи покидают гнездо в поисках пищи, феромон стимулирует их следовать по тропе к источнику пищи. Эта сеть троп функционирует как общая внешняя память для муравьиной колонии. В информатике этот общий метод находит применение в различных техниках, известных как оптимизация муравьиных колоний, которые ищут решения сложных задач, откладывая "виртуальные феромоны" вдоль перспективных путей. В области искусственных нейронных сетей стигмергия может использоваться как вычислительная память. Федерико Галатоло показал, что стигмергическая память может достигать тех же результатов, что и более сложные и устоявшиеся архитектуры нейронных сетей, такие как LSTM. Другие эусоциальные организмы, такие как термиты, используют феромоны для строительства сложных гнезд, следуя простому децентрализованному набору правил. Каждое насекомое захватывает из окружающей среды "ком грязевой массы" или подобный материал, насыщает его феромонами и оставляет на земле, изначально в случайном месте. Однако термиты привлекаются феромонами сородичей и поэтому с большей вероятностью оставляют свои комки грязи поверх комков, оставленных другими. Чем больше становится куча грязи, тем она привлекательнее, и, следовательно, тем больше грязи будет к ней добавлено (положительная обратная связь). Со временем это приводит к образованию столбов, арок, туннелей и камер. Стигмергия наблюдается у бактерий, различные виды которых дифференцируются в различные типы клеток и участвуют в групповом поведении, регулируемом сложными временными и пространственными системами управления. Яркие примеры многоклеточного поведения можно найти у миксобактерий. Миксобактерии перемещаются роями, содержащими множество клеток, связанных межклеточными молекулярными сигналами. Большинство миксобактерий – хищники: агрегация выгодна отдельным особям, поскольку позволяет накапливать внеклеточные ферменты, используемые для переваривания микроорганизмов-жертв. При недостатке питательных веществ миксобактериальные клетки агрегируют в плодовые тела, внутри которых рой клеток трансформируется в покоящиеся миксоспоры с толстыми клеточными стенками. Считается, что процесс плодоношения приносит пользу миксобактериям, обеспечивая возобновление роста клеток группой (роем), а не изолированными клетками. Схожие жизненные циклы развились у клеточных слизевиков. Наиболее известные миксобактерии, Myxococcus xanthus и Stigmatella aurantiaca, изучаются в различных лабораториях как прокариотические модели развития.

Stigmergy was first observed in social insects. For example, ants exchange information by laying down pheromones (the trace) on their way back to the nest when they have found food. In that way, they collectively develop a complex network of trails, connecting the nest in an efficient way to various food sources. When ants come out of the nest searching for food, they are stimulated by the pheromone to follow the trail towards the food source. The network of trails functions as a shared external memory for the ant colony. In computer science, this general method has been applied in a variety of techniques called ant colony optimization, which search for solutions to complex problems by depositing "virtual pheromones" along paths that appear promising. In the field of artificial neural networks, stigmergy can be used as a computational memory. Federico Galatolo showed that a stigmergic memory can achieve the same performances of more complex and well established neural networks architectures like LSTM. Other eusocial creatures, such as termites, use pheromones to build their complex nests by following a simple decentralized rule set. Each insect scoops up a 'mudball' or similar material from its environment, infuses the ball with pheromones, and deposits it on the ground, initially in a random spot. However, termites are attracted to their nestmates' pheromones and are therefore more likely to drop their own mudballs on top of their neighbors'. The larger the heap of mud becomes, the more attractive it is, and therefore the more mud will be added to it (positive feedback). Over time this leads to the construction of pillars, arches, tunnels and chambers. Stigmergy has been observed in bacteria, various species of which differentiate into distinct cell types and which participate in group behaviors that are guided by sophisticated temporal and spatial control systems. Spectacular examples of multicellular behavior can be found among the myxobacteria. Myxobacteria travel in swarms containing many cells kept together by intercellular molecular signals. Most myxobacteria are predatory: individuals benefit from aggregation as it allows accumulation of extracellular enzymes which are used to digest prey microorganisms. When nutrients are scarce, myxobacterial cells aggregate into fruiting bodies, within which the swarming cells transform themselves into dormant myxospores with thick cell walls. The fruiting process is thought to benefit myxobacteria by ensuring that cell growth is resumed with a group (swarm) of myxobacteria, rather than isolated cells. Similar life cycles have developed among the cellular slime molds. The best known of the myxobacteria, Myxococcus xanthus and Stigmatella aurantiaca, are studied in various laboratories as prokaryotic models of development.

Анализ человеческого поведения

Стигмергия, изучаемая у эусоциальных организмов и в физических системах, была предложена в качестве модели для анализа некоторых роботизированных систем, многоагентных систем, коммуникаций в компьютерных сетях и онлайн-сообществ. В Интернете существует множество коллективных проектов, где пользователи взаимодействуют, лишь изменяя локальные части общей виртуальной среды. Википедия – пример такого проекта. Массивная структура информации, доступная в вики-системе или проекте с открытым исходным кодом, таком как ядро FreeBSD,

Кроме того, концепция стигмергии также используется для описания интеграции совместной работы, например, при проектировании зданий. Проектирование крупного современного здания предполагает обширную и разнообразную сеть участников (например, архитекторов, строительных инженеров, инженеров-конструкторов, инженеров по инженерным системам). Их распределенная деятельность может быть частично интегрирована посредством стигмергических практик.

Анализ социальных движений людей

Рост программного обеспечения с открытым исходным кодом в XXI веке изменил бизнес-модели ряда поставщиков проприетарного программного обеспечения, а проекты открытого контента, такие как Википедия, поставили под угрозу бизнес-модели компаний, таких как Britannica. Исследователи изучали совместные проекты с открытым исходным кодом, полагая, что они дают понимание возникновения крупномасштабного взаимного производства и развития даровой экономики.

Стигмергическое общество

Хизер Марш, связанная с движением "Оккупируй", Wikileaks и Anonymous, предложила новую социальную систему, в которой конкуренция как движущая сила будет заменена более ориентированным на сотрудничество обществом. В этом предлагаемом обществе не будет использоваться представительная демократия, а новые формы управления, основанные на идеях и действиях, а также совместные методы, включая стигмергию. "При стигмергии первоначальная идея выдвигается свободно, и проект развивается благодаря самой идее, а не благодаря личности или группе людей. Никому не требуется разрешение (что характерно для конкурентной среды) или консенсус (что характерно для кооперативной среды), чтобы предложить идею или начать проект."