Эволюция в биологической среде как задача адаптации с двухуровневыми целями

Это заглавная страница коллективного проекта Эволюция в биологической среде как задача адаптации с двухуровневыми целями

К проекту может присоединиться каждый желающий, взяв на себя некоторые обязательства помочь целям проекта. Для этого поставьте ниже шаблон {{Участник проекта}} и приступайте к работе :).

Обсуждение проекта участниками идет на этой странице. Организационные вопросы и замечания, поправки тех, кто не участвует в проекте, вносите на страницу Обсуждение:Эволюция в биологической среде как задача адаптации с двухуровневыми целями'.

Использование этой информации в коммерческих целях лицами, не участвующими в коллективном проекте Эволюция в биологической среде как задача адаптации с двухуровневыми целями, запрещено. Но вы можете копировать и перерабатывать данную статью в научных и образовательных целях, с последующим предоставлением результата на тех же правах. Для подробной информации см. Авторское право.

Участник проекта Сергей Яковлев, 28.03.2009 - ...

История вопроса[]

До того момента как автор ознакомился с книгой Л. А. Растригин "Адаптация сложных систем", Рига, «Зинатне», 1981 интуитивные соображения по этому вопросу были сформулированны как представления о Формализации среды для задачи "Двухуровневое целеполагание" . Оказалось, что задача адаптации сформулированная Л. А. Растригином как нельзя лучше подходит для данной работы, и следовательно, данная работа является частным примером решения задачи адаптации при моделировании эволюции в биологической среде, но с некоторыми усложнениями относительно постановки целей.

Необходимые сведения для понимания материала[]

Не смотря на то, что ниже будут данны общие сведения необходимые для понимания работы, полноценное понимание можно получить только после прочтения следующих оригинальных произведений:

Суть задачи адаптации[]

Здесь будет представлена авторская переработка (конспект с авторскими акцентами на решаемую задачу) книги Растригина. Задача адаптации наисложнейшая задача, включаящая в себя целый ряд подзадач, которые мы постепенно здесь рассмотрим.

Базовые понятия[]

Adaptacija — Подзадачи адаптации при управлении объектом

Разъяснение понятия адаптации как приспособления к новым условиям, которое вполне удовлетворяет биологов и социологов, совершенно неудовлетворительно с точки зрения инженера.

Понятие адаптации можно разделить на два вида (в действительности оба вида адаптации встречаются одновременно и взаимодействуют друг с другом):

Пассивная адаптация - приспособление к фиксированной среде. Адаптирующаяся система функционирует так, чтобы выполнять свои функции в данной среде наилучшим образом, т. е. максимизирует свой критерий эффективности функционирования в данной среде. Пример пассивной адаптации можно наблюдать у растений.
Активная адаптация - поиск среды, адекватной данной системе. При этом подразумевается либо изменение среды с целью максимизации критерия эффективности, либо активный поиск такой среды, в которой достижим желаемый комфорт. Пример активной адаптации можно наблюдать у животных.

Основная цель изучения процессов адаптации должна состоять именно в отыскании причин и механизмов гибкости процессов адаптации в биологических и социальных системах с целью их перенесения в технические системы.

Адаптация эквивалентна поисковой оптимизации в обстановке помех, связанных с неопределенностью среды и объекта. Адаптация противопоставляется компенсации, для реализации которой необходимо иметь адекватную модель объекта.

Без адаптации совершенно невозможно эффективно управлять сложным объектом (простым — можно), т. е. цели управления без адаптации не достигались бы. Не будь адаптации, пришлось бы ограничить управление самыми простыми объектами, типа объектов автоматического регулирования.

Управление - это процесс организации такого целенаправленного воздействия на объект, в результате которого этот объект переводится в требуемое (целевое) состояние.

Объект управления - это часть окружающего нас мира, состояние которой нас интересует и на которую можно целенаправленно воздействовать — управлять. При этом состояние объекта изменяется под воздействием среды, в которой он находится.

Говоря об управлении как о целенаправленном процессе, нельзя обойти того, чьи цели реализуются в процессе управления. Для этого необходимо ввести понятие «субъекта», который является источником целей, реализуемых управлением. Эти цели возникают у субъекта под давлением потребностей, связанных с его жизнедеятельностью и взаимодействием со средой и объектом управления.

Если состояние объекта удовлетворяет потребностям субъекта, взаимодействующего с этим объектом и эксплуатирующего его, то никакого управления не нужно. Если же состояние объекта почему-либо не удовлетворяет потребностей субъекта, то последний должен организовать такое воздействие на объект, которое перевело бы объект в новое состояние, удовлетворяющее субъекта. Это и есть управление.

Удобно (хотя это и не соответствует действительности) считать, что субъект всегда по поводу любого объекта формулирует свою цель (цели) Z*, реализация которой в объекте приведет, по мнению субъекта, к удовлетворению его потребностей. Эта цель представляет собой набор требований, предъявляемых субъектом к состоянию объекта.

Формулировка целей управления[]

Окружающая среда представляет собой бесконечный набор параметров $S_i$ (i=1,...). Введем понятие пространства ситуаций {S}, которое образуется указанными параметрами $S_i$ (i=1,...,e). Каждая точка этого пространства определяет какую-то конкретную ситуацию, сложившуюся вокруг субъекта. Через это ситуационное пространство {S} субъект и воспринимает окружающие его среду и различные объекты.

Естественный дрейф ситуации, вызванный изменением (эволюцией) среды, связанным, возможно, с действиями других субъектов, приводит к смещению точки S вдоль какой-то траектории.

Однако свои цели субъект формулирует не в терминах среды S: субъекту удобнее оперировать иными, свойственными ему понятиями (назовем их целевыми). Пусть эти целевые понятия описываются вектором $Z = (z_1,...,z_k)$ , где каждый целевой параметр $z_i$ однозначно определяется ситуацией S.

В частном случае может оказаться, что Z = Y (т.е. цели соответствуют состояниеям объекта), но это бывает редко. Например, при управлении температурным режимом объекта достаточно измерять температуру, т. е. z = y = t0, так как цель сформулирована в терминах измерений. Однако при создании оператору комфортных условий необходимо измерять температуру и влажность, в то время как цель формулируется в виде определенного ограничения на определенную их комбинацию.

Свою цель субъект формулирует в виде вектора-цели $Z^* = (z^*_1, ..., z^*_k)$ , где $z^*_i$ — i-e требование к состоянию среды S, выраженное с помощью функции $\psi_i(S)$ . Эти цели-требования могут иметь различный характер, но для формализации необходимо свести их к одной из следующих форм: «приравнять» (целевая переменная $z_i=\psi_i(S)$ должна быть равна заданной величине $a_i$ ), «ограничить» (целевую переменная должна быть меньше заданного порога $b_j$ ), «минимизировать» (целевая переменная должна быть минимальной). Если цели субъекта не могут быть сведены к этим формам, то нельзя говорить о создании формальной системы управления для достижения этих целей.

Область S*, удовлетворяющая этим требованиям, и является тем состоянием среды, которого добивается субъект. Удастся ли субъекту достичь такого состояния среды, зависит от его возможностей воздействовать на среду (т. е. от вида зависимости управляемыми параметрами) и от ресурсов R, выделяемых на управление (Эти ресурсы определяют энергетические, материальные, временные и другие возможности управления).

Теперь рассмотрим взаимодействие целевой зоны S* и траектории изменения среды S(t) под воздействием внешних факторов, т. е. дрейф ситуации. Если траектория дрейфа S(t) проходит через зону, никакого управления субъекту не нужно. Ему остается ждать, когда внешние обстоятельства приведут к тому, что S(t) принадлежит S*. Однако рассчитывать на подобное маловероятное совпадение неразумно, хотя в принципе оно возможно. Именно поэтому субъект предпочитает управлять ситуацией, т. е. целенаправленно воздействует на среду и изменяет ее так, чтобы достигались цели управления.

Таким образом, управление U необходимо субъекту для того, чтобы:

добиться поставленной цели управления Z*;
компенсировать дрейф ситуации, который, как правило, нарушает целевое условие.

Заметим, что под параметрами среды S здесь и в дальнейшем подразумеваются измеряемые параметры собственно среды X и параметры объекта Y, взаимодействующего со средой. Однако эта дифференциация возникает лишь после выделения объекта из среды. Процедура такого выделения представляет собой следующий этап управления сложным объектом.

Определение объекта управления[]

Цели и ресурсы управления позволяют выделить ту часть пространства, состояние которой необходимо контролировать и на которую следует воздействовать, для того чтобы выполнить заданные цели управления.

Иногда, когда границы объекта очевидны, такой проблемы не возникает. Это бывает в случаях, когда объект достаточно автономен. Однако в других случаях связи «объекта» со «средой» настолько сильны и разнообразны, что порой очень трудно понять, где кончается объект и начинается среда. Именно это обстоятельство и заставляет выделять процесс определения объекта в самостоятельный этап управления.

Задача заключается в том, чтобы для заданного множества целей {Z*} и ресурсов R определить такой вариант объекта, который по критерию достижимости этих целей окажется лучше всех.

Если бы мы располагали формальным описанием среды, то процесс выделения объекта из этой среды в принципе не представлял бы трудностей. Действительно, «высекая» различные «куски» среды и называя их объектом, мы всегда могли бы проверить на модели, достигаются ли цели управления в данном объекте или нет. Если нет, то можно было бы оценить численно, какова степень неуправляемости этого варианта объекта. Повторив эту процедуру для других вариантов высечения, мы остановились бы на том, который позволяет получить максимальную (желательно 100%-ную) управляемость.

Однако формального описания среды нет и этот путь закрыт. Тем не менее направление поиска довольно очевидно. Всегда, когда нет (или пока нет) формального аппарата решения проблемы, за решением (хотя и очень приближенным) обращаются к экспертам. На стадии определения объекта это единственно возможный подход. Для этого следует экспертно синтезировать несколько вариантов объекта, а затем также с помощью экспертов оценить их по критерию и выбрать наилучший.

Струтурный синтез модели[]

Модель F состоит из структуры и параметров: F = ‹St, C›, где St - структура модели F, $C = (C_1, ..., C_k)$ — ее параметры. Таким образом, целью третьего этапа является определение структуры St объекта управления. Например, категории линейности, статичности, детерминированности, дискретности являются структурными категориями. Так, линейная статичная непрерывная детерминированная структура однозначно определяет следующий вид для F: Невозможно разобрать выражение (синтаксическая ошибка): {\displaystyle у = c_1x_1+...+c_nx_n} , причем на стадии структурного, синтеза конкретные значения параметров $c_i, . . . , c_n$ пока неважны. Важен лишь вид зависимости F от этих параметров и входов объекта.

Параметрический синтез модели[]

Для определения параметров модели, очевидно, необходимо иметь информацию о поведении входов и выходов объекта. В зависимости от того, как получена эта информация, различают два подхода — идентификацию и планирование экспериментов с объектом.

Идентификация параметров модели[]

Планирование эксперимента[]

Синтез управления[]

Реализация управления[]

Адаптация системы управления[]

Параметрическая адаптация[]

Параметрическая адаптация связана с коррекцией, подстройкой параметров модели. Необходимость в такого рода адаптации возникает ввиду дрейфа характеристик управляемого объекта. Адаптация позволяет подстраивать модель на каждом шаге управления, причем исходной информацией для нее является рассогласование откликов объекта и модели, устранение которого и реализует процесс адаптации.

Адаптивное управление, в процессе которого не только достигаются цели, но и уточняется модель, называют дуальным. Здесь путем специальной организации управления сразу достигаются две цели — управления и адаптации модели.

Структурная адаптация[]

Далеко не всегда адаптация модели путем коррекции ее параметров позволяет получить адекватную модель объекта. Неадекватность возникает при несовпадении структур модели и объекта. Если в процессе эволюции объекта его структура изменяется, то такая ситуация складывается постоянно.

Адаптация объекта[]

Если структурная адаптация модели не позволяет повысить эффективность функционирования (например, какие-то цели управления не реализуются в объекте), то следует адаптировать объект управления. Эта адаптация связана с изменением объекта, т. е. пересмотром границы, разделяющей объект и среду.

Адаптация целей управления[]

Наконец, если и эта мера неэффективна, следует обратиться к адаптации целей управления. В этом случае определяется новое множество целей {Z*}', достижение которых обеспечивается созданной системой управления. Ввиду того что объект эволюционирует (вместе со средой), изменяется и множество достигаемых им целей. В результате этого процесса фактически адаптируется субъект, который изменяет свои потребности так, чтобы они удовлетворялись путем реализации нового множества целей, достигаемых системой управления в данный период времени. Поэтому адаптацию целей следует считать адаптацией потребностей субъекта, пользующегося услугами созданной системы управления и поставленного перед необходимостью такой адаптации.

См. также[]

Адаптации с двухуровневыми целями - описание модели на основе среды ТеррариумДНК

atimopheyev.narod.ru/AfterPIONEER/inPIONEERsFootsteps.ALL.HTM#ProgramLang_for_LG-system Лингвистическая геометрия Бориса Штильмана