蚂蚁群觅食路径寻求最优化

作者:浮夸的晓编 分类:探索 发布于:2014-6-11
  蚂蚁能想出解决复杂问题的策略,这种能力已被广泛用于最优化技术中。生物学家发现,一只蚂蚁在觅食时走的路径是随机的,但蚂蚁们的集体觅食行为就超越了随机性,在某个点开始从混沌变得有序,其自组织效率之高令人吃惊,也成为数学研究的对象。

  据物理学家组织网近日报道,一个中德科研小组正在研究如何把蚂蚁觅食策略用在人类的各种网络中,帮助分析和优化互联网。相关论文发表在最近出版的美国《国家科学院学报》上。“蚂蚁都有家,它们要把食物带回家,需要一些类似于策略的方法。”论文第一作者、中国北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室信息安全中心的李向利(音译)说,“迄今为止人们极大地低估了这种因素,而它决定了蚂蚁的行为。”

  研究小组考虑了有关蚂蚁觅食的几乎所有情况,用这些因素构建方程和算法,然后输入计算机。他们假设蚁群的觅食活动分为三个阶段:最初,侦查蚁以一种看似随意的方式四处寻找,累了返回巢穴吃东西和休息。当其中一只蚂蚁发现了食物,它会带一小片回巢,并留下气味踪迹,其中含有一种叫做信息素的物质。其它蚂蚁沿着气味踪迹寻找,找到食物后也带一些回巢。但这种指示是很弱的,气味踪迹里的信息素很少,但蚂蚁数量很多,它们走不同的路去觅食、回巢,再次留下气味踪迹——最终会形成一条最优化的路径。

  信息素会挥发,所以气味越强的地方路径越短,就有越多的蚂蚁选这条最短的路,留下更多气味标记——这形成了一种有效率的自强化效应,让蚂蚁在群体觅食行动中浪费的时间和精力比单独觅食要少得多。

  研究人员还发现,对蚁群的成功觅食来说,单个蚂蚁的经验也功不可没。这是以往研究中忽略的地方。老年蚁对巢穴周围环境更加熟悉,而年轻蚁需要一个学习的过程,因此找到食物的效率较低。

  “虽然单个蚂蚁并不聪明,但它们的集体行为可称得上是极具智慧。”论文合著者、波茨坦气候影响研究所跨学科概念与方法研究负责人的尤根·柯斯说,“自组织原理来自鱼群,但‘归巢’行为让科学家更多地研究蚂蚁。蚂蚁集体形成了一种高效复杂网络,这是许多自然和社会系统中都存在的。”

  所以,通过研究蚂蚁开发出的数学方法不仅适用于多种其它动物,只要这种动物有集体的家而它们会回家,如信天翁;还有助于从新的视角来研究人类在网络服务演进、智能运输系统等类似领域的行为模式。