Групповое движение интеллектуальных летательных аппаратов в антaгонистической среде - Вячеслав Абросимов

В основу предлагаемого подхода положены принципы коллективного управления и следующие положения:

• каждый член коллектива самостоятельно формирует управление и определяет свои действия в текущей ситуации;

• выбор действий членами коллектива осуществляется только на основе информации о цели, стоящей перед коллективом, ситуации в среде в текущий момент времени, текущих состояниях и действиях других членов коллектива;

• в качестве оптимального действия члена коллектива понимается такое действие, которое вносит максимально возможный вклад в достижение общей цели;

• допускается принятие компромиссных решений.

Задача сводится к выбору и выполнению в текущий момент времени роботами группы таких групповых действий, которые обеспечивают экстремум (максимум, если оцениваются выгоды от действий роботов группы, или минимум, если оцениваются затраты) целевого функционала с учетом вектора противодействующих сил на промежутке дискретного времени t.

Предложен подход к решению дискретной задачи коллективного управления группой роботов, основанный на использовании итерационной процедуры, в рамках которой роботы последовательно выбирают свои очередные действия.

1.3.3. Некоторые аналоги в рамках природных алгоритмов

В последние годы в мире активно разрабатывается новое научное направление «Природные вычисления» (Natural Computing). Иногда под ними понимаются некоторые алгоритмические действия, которые можно наблюдать с реальными объектами в живой природе. Эти алгоритмы реализуют принципы природных механизмов принятия решений, которые обеспечивают эффективную адаптацию флоры и фауны к окружающей среде на протяжении нескольких миллионов лет. Безусловно, брать такие алгоритмы для решения конкретных научно-технических задач проблематично, тем более, что исследователи лишь схематично могут отразить в процессе предположений и моделирования истинные явления. Вместе с тем такие алгоритмы строятся по установленным в процессе специально организованных экспериментов природным закономерностям, в основу которых закладываются достаточно простые принципы, полезные для осмысления группового движения и объектов неживой природы. Ярким примером является широко распространенный метод «погони» для наведения зенитной ракеты на цель, в основу которого положен алгоритм «погони лисы за зайцем» (вектор скорости ракеты всегда направлен на цель [38]).

В работе [60] вводится предположение, что будущей организационной единицей в конфликтах станет «стая». При этом предполагается, что стая будет использовать централизованную стратегию, но децентрализованную тактику действий. При этом различные силы будут действовать одновременно против Противника со всех направлений.

1.3.3.1. Коллективное движение стай рыбных косяков

На протяжении длительного времени исследуется коллективное поведение стай рыбных косяков[4]. Стая – это группировка близких по возрасту и физиологическому состоянию особей одного вида, объединяющихся в группы на достаточно продолжительный отрезок времени. Считается, что главная биологическая задача стаи – самосохранение. Стая проявляет высокую настороженность и активно избегает раздражителей, к которым вне стаи особи относятся терпимо. К стае хищнику подобраться сложнее, чем к одиночной рыбе.

Отдельные движущиеся рыбы в стае трудноразличимы для хищника, так как он не может остановить взгляд на одной особи. Бросок хищника на стаю, как правило, не приносит результата, поскольку стая делится на две части и перед хищником оказывается пустота.

Стая рыб раньше замечает опасность. Стаю настораживает все и необычное: крупный объект в воде и на берегу, тень от крупного объекта на берегу, посторонние звуки, гидродинамические удары, электромагнитные поля, изменение плотности и химического состава воды. Стая рыб менее склонна к исследовательскому поведению, заменяя таковое активным избеганием всего нового. Доказано, что стая эффективнее в поиске корма, распознавании опасностей и нахождении миграционных путей.

В зависимости от экологической ситуации и биологической цели структура стаи и ее форма могут сильно видоизменяться (рис. 4). Как правило, у большинства видов рыб при быстром движении стая имеет клиновидную форму, при питании – округлую. Реакция на опасность сильно различается у разных видов рыб. Например, стая анчоуса в случае опасности превращается в плотный шар, а стая скумбрии опускается на глубину и там рассеивается.

Рис. 4. Организационные типы стаи рыб (рисунок взят из статьи [22]) (1 – ходовая стая; 2 – стая кругового обзора; 3 и 3а – оборонительные стаи; 4 – стая планктонофагов на питании; 5 и 5а – стаи хищных рыб при питании)

Стаи рыб разных видов могут образовывать скопления. При этом взаимоотношения между стаями не хаотичны. Между стаями осуществляется как бы обмен информацией по нескольким каналам, что подтверждает организованный характер реагирования скоплений на внезапное появление опасности.

Результаты наблюдений показали, что периодические контакты имеют определенный биологический смысл. Если по какой-либо причине стая или косяк рыб не встречает на пути своей миграции другие стаи, то стая начинает избегать это место, прокладывая другие маршруты движения в районы, где возможен контакт с другими стаями. Новый маршрут движения будет закреплен, если контакты с другими стаями на новом маршруте постоянны и приходятся на определенное время.

Поведение стаи как единого целого пока плохо поддается пониманию исследователями. Считается, что поведением рыб управляют безусловные и условные рефлексы. Так, скопление рыб, занимающее площадь в несколько гектаров (например, черноморская хамса), движется как один организм. Движения головных стай синхронизированы с движениями стай, замыкающих скопление. Движение многотысячного скопления рыб напоминает движение амебы. Наблюдения за движением птиц в стае или рыб в косяках показывают, что между отдельными особями возникают так называемые пондеромоторные силы взаимодействия, которые особенно хорошо проявляются при движении в воде крупных рыб.

В стаях между отдельными членами складываются взаимоотношения двух типов: равноправные (стая не структурирована) и ранжированные (стая с вожаком). В основе поддержания целостности стаи лежит реакция следования, т. е. врожденная реакция отдельной особи следовать за другими.

Как структурированная, так и неструктурированная стая имеет две зоны: внутреннюю и внешнюю. На факторы внешней среды реагирует предположительно внутренняя («ядерная») часть стаи. Рыбы, находящиеся на периферии стаи, подражают ядру, т. е. следуют за ним. Эксперименты с моделями показали, что стая как единое целое начинает движение в том случае, если перемещение инициировали не менее 30 % особей ядра. Движению стаи предшествует своеобразное возмущение ядра. И лишь когда моторная активность ядра достигнет «критической массы», стая начинает движение. Чаще всего движение стаи носит лавинообразный характер.

Косяк рыб, передвигаясь как единое целое, часто имеет вид непрерывной извивающейся ленты. В нем каждая рыба занимает строго определенное положение, что определяется также законами гидродинамики. Мелкие рыбы внутри движущегося косяка могут располагаться как угодно, лишь бы не мешать друг другу. Но границы косяка резко обозначены. Наблюдения показывают, что стаи и косяки чаше всего принимают форму капли. Если форма стаи почему-либо меняется, то возникают так называемые «гидродинамические» силы, лействующие в таком направлении, что форма станет такой, при которой внешние воздействия станут минимальными. Даже если от такой стаи отобьется отдельная рыба или птица, то упомянутые силы втянут беглянку в «каплю», подобно тому, как движущееся в жидкости или газе тело больших размеров притягивает к себе более мелкие тела.

Каждый большой косяк представляет собой совокупность маленьких стаек, состоящих из 4–5 рыб. Интересно, что стайки занимают положение, соответствующее узлам тетраэдрической решетки. Это обеспечивает наиболее плотную «упаковку» рыб движущейся стаи.

Среди преимуществ стайного поведения как средства защиты от хищников наиболее существенными считаются следующие.

• Эффект «разбавления» угрозы со стороны хищника – для каждого члена стаи вероятность стать жертвой нападающего хищника уменьшается пропорционально численности стаи.

• Избегание хищника. Экспериментально установлено, что успех нападения хищника снижается с увеличением числа рыб в стае. Рыба, отделившаяся от стаи, становится гораздо более легкой добычей хищника. Избеганию хищника способствуют следующие поведенческие реакции: уплотнение стаи, поддержание минимального безопасного расстояния до хищника, ф-маневр (fountain effect), «трафальгарский эффект», который состоит в уменьшении времени реакции на появление хищника у особи в стае по сравнению с одиночной особью.