AntColonySwarm: Simulação do Comportamento de uma Colônia de Formigas

1. AntColonySwarm: Simulação do Comportamento de uma Colônia de Formigas Abner das Dores Cláudio Antônio Peanho Fabrizio Ferreira Borelli Maitê Balhester Rafael Munhoz Vida Artificial na Computação Profª Karla Vittori

2. Sumário • Inteligência Coletiva • Insetos Sociais • As Formigas na Natureza • Busca por Alimento • Estigmergia • Experimento da Ponte Binária • Efeito da Diferença de Comprimentro entre Dois Caminhos • Auto-organização • Simulação

3. Inteligência Coletiva • É definida como a propriedade de um sistema onde o comportamento de vários agentes simples interagindo direta ou indiretamente ao agir em seu ambiente local acarreta na emergência de um comportamente global “inteligente”. (Engelbrecht, 2005) • Inspirada no comportamento de insetos sociais • É chamada de swarm intelligence (inteligência de enxames).

4. Inteligência Coletiva • Exemplos de comportamentos de insetos sociais • A divisão de tarefas em uma colônia de formigas • Construção de um ninho por cupins ou vespas • Busca de alimentos por formigas ou abelhas • Neste trabalho, é apresentada uma simulação do comportamento de uma colônia de formigas ao buscarem alimentos.

5. As Formigas na Natureza • Busca por Alimentos • Inicialmente, a busca por alimentos é realizada de forma caótica e randômica (Dorigo et al., 1996; Gambardella et al., 1997; Nemes e Roska, 1995) . • Assim que uma fonte de alimento é encontrada, a busca se torna mais organizada, com cada vez mais formigas seguindo o mesmo caminho. • Até que, finalmente, todas as formigas estejam seguindo o mesmo caminho, que é também o menor caminho entre o ninho e a fonte de alimento

6. As Formigas na Natureza • Busca por Alimentos • Comportamento emergente da influência exercida pelas formigas que encontraram uma fonte de alimento sobre aquelas que saem do ninho em busca de alimento. • Normalmente, a comunicação entre as formigas é realizada de forma indireta. • A busca por alimento utiliza apenas informação local e funciona de maneira distribuída.

7. As Formigas na Natureza • Busca por Alimentos • Quando uma formiga encontra uma fonte de alimento, ela retorna ao ninho depositando uma substância química chamada feronômio ao longo do caminho, formando uma trilha (Beckers et al., 1992). • A partir da concentração desta substância, uma formiga decide qual caminho seguir e, ao voltar ao ninho, reforça a trilha de feronômio existente neste caminho.

8. As Formigas na Natureza • Busca por Alimentos • Caminhos com maior concentração de ferônomio possuem maior probabilidade de serem escolhidos. • Este tipo de comunicação indireta entre as formigas, a partir da modificação de seu ambiente ao depositar feronômio, é chamado de estigmergia (stigmergy).

9. As Formigas na Natureza • Estigmergia • Termo definido pelo biólogo francês Pierre-Paul Grassé (1959). • Caracteriza o comportamento complexo emergente a partir das interações entre simples indivíduos entre si e com o ambiente, através da comunicação indireta destes indíviduos ao modificarem seu ambiente local.

10. As Formigas na Natureza • Experimento da Ponte Binária • Denenbourg et al. (1990) estudou a estigmergia utilizando feronômio a partir de formigas argentinas da espécie Iridomyrmex humilis, de forma a desenvolver um modelo formal que descrevesse o comportamento das formigas para encontrar o menor caminho entre ninho e fonte de alimento.

11. As Formigas na Natureza • Experimento da Ponte Binária • (a) (b) • Figura 1: • a)Experimento da ponte binária. (Denenbourg et al., 1990); • b) Resultados obtidos no experimento da ponto binária relacionando a porcentagem de formigas em cada uma das pontes ao longo do tempo. (Denenbourg et al., 1990)

12. As Formigas na Natureza • Experimento da Ponte Binária • A partir deste estudo, foi desenvolvido um modelo para descrever o processo de seleção do caminho, que assume que as formigas depositam a mesma quantidade de feronômio e que o mesmo não evapora.

13. As Formigas na Natureza • Experimento da Ponte Binária • Sejam A e B os ramos superior e inferior, respectivamente, e nA(t) e nB(t) e o número de formigas em A e B no instante t. • Empíricamente, Pasteels et al., (1989) encontraram que a probabilidade da próxima formiga escolher o ramo A no instante é dada por: onde: • c é a atratividade de um ramo sem feronômio e; • α é o grau de não-lineariedade da escolha.

14. As Formigas na Natureza • Experimento da Ponte Binária • Quanto maior for o valor de α, maior é a probabilidade da próxima formiga seguir o caminho com maior concentração de feronômio. • Quanto maior for o valor de c, maior será a quantidade de feromônio necessária para realizar a escolha do ramo de forma não randômica.

15. As Formigas na Natureza • Efeito da Diferença de Comprimento entre Dois Caminhos • Goss et al. (1989, 1990) estenderam o experimento da ponte binária, onde um dos ramos era mais longo que o outro. • Inicialmente, os ramos eram escolhidos de forma aleatória, tendo o mesmo número de formigas em ambos os ramos. • Com o passar do tempo, cada vez mais formigas utilizam o caminho mais curto. • (a) (b)

16. As Formigas na Natureza • Efeito da Diferença de Comprimento entre Dois Caminhos (Dorigo et al., 1999; Dorigo et al., 2000). • A seleção pelo menor caminho resulta do fato de que as formigas que utilizam o menor caminho retornam ao ninho mais rápido do que aquelas que seguem o maior caminho. • Goss et al. (1989) descobriu, após este experimento, que a probabilidade de uma formiga escolher o menor caminho aumenta de acordo com a diferença do comprimento entre os dois caminhos. • Chamado de efeito da diferença de comprimento dos caminhos

17. As Formigas na Natureza • Auto-organização • É possível observar a emergência de um comportamento complexo de uma colônia de formigas através da interação e cooperação das formigas entre si e o ambiente. • Auto-organização: um processo onde um padrão (arranjo complicado e particular de objetos organizados no tempo e no espaço) complexo de um sistema, em nível global, emerge a partir da interação entre os componentes de baixo nível do sistema (Camazine et al., 2001). • Numa colônia de formigas, as estruturas emergentes do sistema são as trilhas de feronômio, que formam padrões organizados no tempo e no espaço.

18. Simulação

19. Referências Bibliográficas • BECKERS, R., DENEUBOURG, J.-L., GOSS, S. Trails and U-turns in the selection of the shortest path by the ant Lasius Niger. Journal of Theoretical Biology, 159:397-415,1992. • DENEUBORG, J.-L., ARON, A., GOSS, S., PASTEELS, J.-M.. The Self-Organization Exploration Pattern of the Argentine Ant. Journal of Insect Behavior. 3:159-168,1990. • CAMAZINE, S., DENEUBORG, J-L, FRANKS, N. R., SNEYD, J., THERAULAZ, G., BONABEAU, E., Self-organization in Biological Systems. Princeton University Press, 2001. • DORIGO M., MANIEZZO V,. COLORNI A.. The ant system: Optimization by a colony of cooperating agents. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics–Part B, 26(1):29–41, 1996. • DORIGO, M., DI CARO, G., GAMBARDELLA, L. M., Ant algorithms for discrete optimization. Artificial Life, vol. 5, pp. 97-116, 1999. • DORIGO, M., BONABEAU, E., THERAULAZ, G., Ant Algorithms and Stigmergy. Future Generation Computers Systems, 16(9):851-871, 2000.

20. Referências Bibliográficas • ENGELBRECHT, A. P., Fundamentals of Computational Swarm Intelligence, 1ª Ed., John Willey & Sons Ltda, 2005. • GAMBARDELLA, L.M., TAILLARD, E., DORIGO, M. Ant Colonies for the QAP. Techinical Report, IDSIA, 1997. • GOSS, S.; ARON, S.; DENEUBOURG, J. L.; PASTEELS, J. M. Self-organized shortcuts in the Argentine ant. Naturwissenschaften, 76:579–581, 1989. • GOSS S., BECKERS R., DENEUBOURG J.L., ARON S., PASTEELS J.M., How Trail Laying and Trail Following Can Solve Foraging Problems for Ant Colonies, in Hughes R.N. (ed.) NATO ASI Series, Vol. G 20, Behavioural Mechanisms of Food Selection, Springer Verlag, Berlin, 1990. • GRASSÉ, P.-P. La Reconstruction du nid et le coordinationsinterindividuelles. La théorie de la stigmergie: Essaid’interprétation du Comportement des Termites Constructeurs. InsectesSociaux, 6:41-60, 1959. • NEMES, L., ROSKA, T., A CNN Model of Oscilation and Chaos of Ant Colonies: A Case Study. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, 42(10): 741-745, 1995.