+ All Categories
Home > Documents > Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and)...

Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and)...

Date post: 16-Jul-2021
Category:
Upload: others
View: 1 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
54
Ar#ficial Intelligence Swarm Intelligence Prof Alexiei Dingli
Transcript
Page 1: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Ar#ficial  Intelligence  

Swarm  Intelligence    

Prof  Alexiei  Dingli  

Page 2: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Fast  changing  world  •  Environment  very  dynamic  and  cannot  be  framed  into  algorithms  

•  Social  insects  and  animals  are  –  Efficient  –  Flexible    –  Robust  

•  Solve  problems  like  –  Food  finding  –  Self  Organisa#on  –  Path  Op#misa#on  

Page 3: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Powerful  ...  

•  Swarms    – Build  colonies  – Work  in  a  coordinated  manner  without  having  anyone  in  control  

– Build  giant  structures  – Find  food  sources  quickly  and  efficiently  

– Flocks  coordinate  to  move  without  collisions  

– Schools  of  fish  fend  off  predators  

Page 4: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Bees  

Page 5: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Bees  •  Colony  coopera.on    

 •  Regulate  hive  temperature  

 •  Efficiency  via  Specializa.on:  division  of  

labor  in  the  colony    

•  Communica.on  :  Food  sources  are  exploited  according  to  quality  and  distance  from  the  hive  

Page 6: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Wasps  

Page 7: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Wasps  

•  Pulp  foragers,  water  foragers  &  builders  

•  Complex  nests  – Horizontal  columns  

– Protec.ve  covering  – Central  entrance  hole  

Page 8: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Termites  

Page 9: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Termites  

•  Cone-­‐shaped  outer  walls  and  ven.la.on  ducts  

•  Brood  chambers  in  central  hive  

•  Spiral  cooling  vents  •  Support  pillars  

Page 10: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of
Page 11: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Ants  

Page 12: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Ants  •  Organizing  highways  to  and  from  their  

foraging  sites  by  leaving  pheromone  trails  

•  Form  chains  from  their  own  bodies  to  create  a  bridge  to  pull  and  hold  leafs  together  with  silk  

•  Division  of  labor  between  major  and  minor  ants  

Page 13: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of
Page 14: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of
Page 15: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of
Page 16: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Problem  and  Solu#on  

•  Systems  are  becoming    –  Larger  and  error  prone  –  Complex  – Difficult  to  have  a  global  control  

•  Swarm  intelligence  –  Robust  –  Flexible  –  Rela#vely  simple  –  Self-­‐Organised  

Page 17: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Defini#on  

 Any  aMempt  to  design  algorithms  or  distributed  problem-­‐solving  devices  inspired  by  the  collec#ve  behaviour  of  social  insect  colonies  and  other  animal  socie#es  

Page 18: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Boids  

•  Created  in  1987  •  Simulates  a  flock  of  birds  •  Each  boid  is  –  Independent  – Navigates  on  its  own  percep#on  of  the  environment  

Page 19: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

4  rules  of  Boids  

•  Avoidance  

•  Alignment  or  Copy  

•  Centre  

•  View  

Page 20: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Avoidance  Rule  

•  Avoids  collisions  •  Acquire  the  unfilled  space  

Page 21: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Alignment  Rule  

•  Copy  movements  of  neighbours  by  steering  towards  the  average    

•  Match  velocity  

Page 22: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Center  Rule  

•  Steer  to  move  towards  the  average  posi#on  of  flockmates  

Page 23: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

View  Rule  

•  A  boid  should  move  away  from  any  boid  that  blocks  its  view  

Page 24: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of
Page 25: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Principles  of  Flocking  •  Homogeneity  –  Every  bird  has  the  same  behaviour  model  

•  Locality  – Mo#on  is  only  influenced  by  its  nearest  flock  mate  

•  Collision  avoidance  •  Velocity  matching  •  Flock  Cantering  –  Stay  close  to  nearby  flock  mates  

Page 26: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

An  In-­‐depth  Look  at  Real  Ant  Behaviour  

Page 27: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Interrupt  The  Flow  

Page 28: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

The  Path  Thickens!  

Page 29: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

The  New  Shortest  Path  

Page 30: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Adap.ng  to  Environment  Changes  

Page 31: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Adap.ng  to  Environment  Changes  

Page 32: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Problems  Regarding  Swarm  Intelligent  Systems  

   •  Swarm  Intelligent  Systems  are  hard  to  ‘program’  since  the  problems  are  usually  difficult  to  define  –  Solu.ons  are  emergent  in  the  systems  

–  Solu.ons  result  from  behaviors  and  interac.ons  among  and  between  individual  agents  

Page 33: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Possible  Solu.ons  to  Create  Swarm  Intelligence  Systems  •  Create  a  catalog  of  the  collec.ve  behaviors    

•  Model  how  social  insects  collec.vely  perform  tasks  –  Use  this  model  as  a  basis  upon  which  ar.ficial  varia.ons  can  be  developed  

– Model  parameters  can  be  tuned  within  a  biologically  relevant  range  or  by  adding  non-­‐biological  factors  to  the  model  

Page 34: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Four  Ingredients  of    Self  Organiza.on  

•  Posi.ve  Feedback    •  Nega.ve  Feedback  •  Amplifica.on  of  Fluctua.ons  -­‐  randomness  

•  Reliance  on  mul.ple  interac.ons  

Page 35: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Proper.es  of    Self-­‐Organiza.on  

•  Crea.on  of  structures  

–  Nest,  foraging  trails,  or  social  organiza.on    

•  Changes  resul.ng  from  the  existence  of  mul.ple  paths  of  development    

–  Non-­‐coordinated  &  coordinated  phases    

•  Possible  coexistence  of  mul.ple  stable  states  

–  Two  equal  food  sources  

Page 36: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Types  of  Interac.ons    For  Social  Insects  

•  Direct  Interac.ons  – Food/liquid  exchange,  visual  contact,  chemical  contact  (pheromones)    

•  Indirect  Interac.ons  (S.gmergy)  –  Individual  behavior  modifies  the  environment,  which  in  turn  modifies  the  behavior  of  other  individuals  

Page 37: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

S.gmergy  Example  

•  Pillar  construc.on  in  termites  

Page 38: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

S.gmergy      in    

 Ac.on  

Page 39: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Ants  ≡  Agents  

•  S.gmergy  can  be  opera.onal  – Coordina.on  by  indirect  interac.on  is  more  appealing  than  direct  communica.on    

– S.gmergy  reduces  (or  eliminates)  communica.ons  between  agents  

Page 40: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

From  Ants  to  Algorithms  

•  Swarm  intelligence  informa.on  allows  us  to  address  modeling  via:  – Problem  solving  – Algorithms  – Real  world  applica.ons  

Page 41: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Modeling  

•  Observe  Phenomenon  

•  Create  a    biologically  mo.vated  model  

•  Explore  model  without  constraints  

Page 42: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

A  Good  Model  has...  

•  Parsimony  (simplicity)      

•  Coherence    

•  Refutability    

•  Parameter  values  correspond  to  values  of  their  natural  counterparts  

Page 43: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Travelling  Salesperson  Problem  

Ini#alize    Loop  /*  at  this  level  each  loop  is  called  an  itera.on  */    Each  ant  is  posi#oned  on  a  star#ng  node      Loop  /*  at  this  level  each  loop  is  called  a  step  */      Each  ant  applies  a  state  transi#on  rule  to  incrementally        build  a  solu#on  and  a  local  pheromone  upda#ng  rule    Un.l  all  ants  have  built  a  complete  solu#on  

A  global  pheromone  upda#ng  rule  is  applied  Un.l  End_condi#on    M. Dorigo, L. M. Gambardella : Zp://iridia.ulb.ac.be/pub/mdorigo/journals/IJ.16-­‐

TEC97.US.pdf  Ant Colony System: A Cooperative Learning Approach to the Traveling Salesman

Problem

Page 44: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Traveling  Sales  Ants  

Page 45: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Robots  

•  Collec.ve  task  comple.on  •  No  need  for  overly  complex  algorithms  

•  Adaptable  to  changing  environment  

Page 46: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Communica.on  Networks  

•  Rou.ng  packets  to  des.na.on  in  shortest  .me    

•  Similar  to  Shortest  Route    

•  Sta.s.cs  kept  from  prior  rou.ng  (learning  from  experience)  

Page 47: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

•  Shortest  Route  

•  Conges.on  

•  Adaptability  

•  Flexibility  

Page 48: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

An.fying  Website  Searching  

•  Digital-­‐Informa.on  Pheromones  (DIPs)    

•  Ant  World  Server    

•  Transform  the  web  into  a  gigANTic  neural  net  

Page 49: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Closing  Arguments  

•  S.ll  very  theore.cal    

•  No  clear  boundaries    

•  Details  about  inner  workings  of  insect  swarms    

•  The  future…???  

Page 50: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

 Dumb  parts,  properly  connected  into  a  swarm,  yield  smart  results.    

       Kevin  Kelly  

Page 51: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

The  Future?  

Cleaning  Ship  Hu

lls  

Pest  Eradi

ca#on  

Job  Scheduling  

Page 52: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Nanobots?  

Page 53: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Ques#ons  ?  

Page 54: Ar#ficial) Intelligence)Fastchanging)world ) • Environmentvery)dynamic)and) cannotbe)framed)into)algorithms) • Social)insects)and)animals)are) – Efficient – Flexible)) Principles)of

Exercise  

•  Implement  flocking  …  


Recommended