ОБЗОРЫ
Продолжение. Начало см. PC Week/RE, N 3/ 2005, с. 26
Конференции: интересно все
Наиболее популярные международные конференции по вопросам ИЖ - это International Conference on Artificial Life, проходящая раз в два года (очередная, юбилейная ALife X пройдет в 2006 г.; см. alife.org), и организуемая с такой же частотой ее европейская сестра - European Conference on Artificial Life (состоится в сентябре нынешнего года).
Тематика этих конференций уже много лет остается весьма пестрой. Специалисты обсуждают все, что прямо или косвенно имеет отношение к эволюционному развитию и может быть реализовано искусственно: эволюция и самовосстановление аппаратных систем, оптимизация группового поведения роботов, самовоспроизведение в дискретных и непрерывных системах, тенденции развития естественных языков и социумов и т. п. Постоянно обсуждаются и всевозможные прикладные исследовательские проекты - создание средств многомерного анализа информации с помощью самообучающихся агентов, моделирование поведения рыб, функционирования магазинов и развития паники в зданиях (для оптимизации схем эвакуации) или, например, применение технологий выявления характерных признаков деятельности планетарной биосферы для поиска иных цивилизаций и обнаружения искусственно сгенерированных сигналов из космоса.
Однако профессиональный глубокий научный анализ эволюции живых систем подразумевает прежде всего выработку способов формального описания соответствующих задач, семантики и правил взаимодействия элементов ИЖ, определения минимальных требований для успешного развития биологической системы, универсальных и стандартизованных средств и методов моделирования. Сфера ИЖ постепенно приближается к новому этапу развития, стремясь к согласованному принятию единых правил и стандартов и тем самым оптимизируя и упорядочивая собственную деятельность*1.
_____
*1 ИЖ применительно к самой исследовательской области ИЖ.
*2 О том, к чему могут привести достижения технологий ИЖ в безответственном обществе, замечательно поведал московский фантаст Леонид Каганов (lleo.aha.ru) в грустном рассказе "Хомка", получившем несколько премий на конкурсах фантастики.
Так, Еврокомиссия, финансирующая европейскую сеть социально-информационных проектов IST Programme (www.cordis.lu/ist/), открывает весной новое направление - моделирование феноменов слияния в комплексных системах (www.cordis.lu/ist/fet/co.htm). Оно охватит вопросы моделирования жизни (деятельность клеток на молекулярном уровне) и социальных систем (где взаимодействие автономных агентов стало модным осуществлять через обмен символическими сообщениями на естественных языках), а также способы применения этих моделей в задачах проектирования и управления. Ученым придется выработать методы создания и проверки качества моделей для прикладных научно-технических и социальных проектов, определить средства измерения их эффективности, а также подготовить соответствующие стандарты. Так как модель сложной системы обычно представляет собой иерархию подсистем, каждая из которых в свою очередь может реализовываться достаточно масштабной моделью, а все они взаимодействуют друг с другом на компьютере, рекомендовано построить универсальную математическую модель аппаратной и операционной исполнительной среды, чтобы учитывать ее ограничения и вносимые погрешности.
Предпринимаются усилия по формализации процессов слияния разрозненных направлений ИЖ (благо сегодня уже не представляют редкость, например, нейронные сети, контролирующие эволюцию автономных агентов), на стыке которых возникают подчас самые удивительные феномены*1. Технологии создания виртуальной реальности, цифровые игрушки нового поколения, способные развиваться и "жить" (общеизвестна популярность японских тамагочи), - отдельная сфера ИЖ, заслуживающая особого рассмотрения. Не остаются без внимания на конференциях социальные и этические аспекты ИЖ*2.
_____
*1 На одной из конференций прозвучало красивое высказывание: "Жизнь - это рекурсивное, фрактальное самовоспроизведение", связывающее ИЖ с математикой, кибернетикой, философией и искусством.
Продолжается оптимизация уже хорошо известных технологий ИЖ (в частности, классического пакета Tierra), уточнение и развитие отдельных методологий, поиск подходящих прикладных сфер применения наработанных исследований, решение возникающих в практических проектах проблем. Так, хорошо известны сложности взаимодействия исполнителя и слабо знакомого с ИТ заказчика и трудность в объяснении компьютеру терминологии прикладной области, ее перевода на язык машины. Эта проблема выявилась при попытках задействовать алгоритмы автоматической сборки многоуровневых иерархических структур в проектах автоматизированного строительства современных зданий, когда потребовалось объяснить компьютеру тысячи строительных норм и правил. К решению подобных задач планируется привлечь создателей моделей развития естественных языков, которые на коллективах виртуальных существ изучают, каким образом децентрализованно, в случайных попытках обмена знаниями зарождаются методы полноценного общения между особями, как формируется семантика и грамматика естественных языков, как вырабатывается понимание смысла посланий.
Но основное внимание на конференциях уделяется, конечно, вопросам эволюционного развития, самоорганизации, моделирования групповой активности. Растет интерес к моделированию функций связи в системах коллективного поведения, что открывает новые возможности оптимизации глобальных телекоммуникационных комплексов. Тема самоконструирования стимулирует появление нетрадиционных концепций программирования, когда исходный код автоматически модифицируется и подстраивается под требования проекта, которые могут со временем изменяться, а самообучающаяся система при этом автоматически накапливает и обобщает проектный опыт.
На конференциях "отпочковываются" тематические группы, обсуждающие эффективные способы эксплуатации датчиков автономных устройств, ведь чем миниатюрнее электронные компоненты, тем большее их число можно устанавливать на роботах. Бортовая аппаратура - единственный способ познания мира автономными устройствами, поэтому им необходимо учиться результативно и целенаправленно использовать возможности датчиков, формирующих все большие объемы "сырых" данных, ведь быстро разобраться в них совсем не просто. Повышенное внимание в таких группах уделяется молекулярным датчикам, способным определять вещество, из которого состоят окружающие предметы, и тем самым более точно понимать структуру внешнего мира.
Правда, датчики - вещь хотя и полезная, но не самая необходимая. Исследователи университета Сассекса (г. Брайтон, Великобритания), экспериментируя с искусственной эволюцией нейронных сетей, ставили роботов в исходно усложненные ситуации, оборудуя их только инфракрасными датчиками, и тем не менее аппараты научились рациональному групповому поведению и организованному передвижению*1. Схожих результатов добились и специалисты Швейцарского института системной инженерии. Они снабдили крохотных роботов, каждый из которых умещается на 10 см
, дешевыми микропроцессорами, минимальным объемом ОЗУ и слабым источником энергии, научив их подходам ИЖ, и те уверенно выбираются из запутанных лабиринтов. Поэтому аппаратные ресурсы - важная, но отнюдь не самая главная составляющая успешного поведения.
_____
*1 А в ходе опытов этой же группы ученых с эволюционным "выращиванием" аппаратных схем программно-аппаратная среда вместо заданного ей в качестве цели осциллятора неожиданно самостоятельно построила радиоприемник, который не генерировал собственный сигнал, а принимал его с соседнего ПК и затем транслировал во внешний мир!
Отдельная крупная область ИЖ - так называемая искусственная (синтетическая, эволюционная) химия, возникшая, по всей видимости, в ответ на потребности нанотехнологов. Она занимается вопросами молекулярной сборки самоорганизующихся, самособирающихся, самовоспроизводящихся и самовосстанавливающихся устройств, построением биологических ДНК-машин, исследованием биохимии клеток, стыковкой наноустройств с цифровой аппаратурой и т. д. Кстати, среди разработчиков ИЖ не прекращаются споры о возможности построения интеллектуальных объектов, которые смогут конструировать системы более сложные, чем они сами (не по готовому алгоритму, а самостоятельно, как выдающиеся инженеры делают изобретения и открытия).
К этой же области синтетической химии относится теория аморфных вычислений (использование сетей химических реакторов как вычислителей, где аналоговый результат формируется в ходе взаимодействия химических процессов) и другие приложения нетрадиционной логики и нелинейных цифровых автоматов. Интересно, что химики-эволюционисты активно интересуются приемами построения механических вычислителей - устройств, создававшихся десятки и сотни лет назад. После того как на смену таким машинкам пришла цифровая техника, они оказались полностью забыты, однако неожиданное на первый взгляд второе рождение простейшим счетным устройствам дали нанотехнологии. Появилась возможность использовать молекулы как элементы счетных устройств, а взаимодействие между ними можно с определенной долей условности считать механическим или аналоговым. Поэтому конструирование из молекул аппаратов наподобие арифмометров может оказаться крайне продуктивным решением при создании молекулярных компьютеров.
Инструментальные средства создания и исследования систем ИЖ
В Сети можно найти самое разное ПО, интересное и полезное исследователям ИЖ. Правда, почти все такие программы, отличаясь хорошими функциональными возможностями, предлагают бедные и невыразительные средства визуализации процесса моделирования и отображения результатов, отличаются запутанным пользовательским интерфейсом и сложностью настроек. Кроме того, вследствие определенного консерватизма научных кругов, опасающихся проводить серьезные эксперименты на малоизученных приложениях, в десятках проектов уже много лет эксплуатируются старые программы с интерфейсом командной строки и выдачей результатов в виде текстового файла. А современные 3D-системы, представляющие процесс эволюции на экране в виде трехмерных сцен приличного качества, пока очень слабо задействованы в реальных исследованиях.
Одна из наиболее популярных у специалистов по ИЖ систем - это Tierra (www.his.atr.jp/~ray/tierra/ ; доступны исходные тексты на Си), последняя версия которой 6.02 вышла в марте 2004 г. Она была разработана Томасом Рэем из Оклахомского университета и представляет собой виртуальный компьютер, исполняющий программы, написанные на условном ассемблере. Код программы считается ее своеобразным генотипом. Программы в ходе функционирования взаимодействуют друг с другом, размножаются и эволюционируют - части кода программы могут изменяться случайно (мутировать), а некоторые его элементы могут быть заменены на другие, взятые у "коллег". Таким несложным образом удается смоделировать и затем изучить самые разные особенности процесса эволюции. Возможно, что успеху Tierra послужило наличие встроенных функций статистического анализа, позволяющих подробно исследовать результаты моделирования.
Было создано несколько клонов и аналогов Tierra, отличавшихся весьма выразительными средствами представления процесса эволюции (например, Helix, necrobones.com/alife/helix.htm), однако и по сей день Tierra остается самым проверенным решением для желающих экспериментировать с взаимодействием самовоспроизводящихся программ. Заложенные в нее идеи были существенно развиты и дополнены в системе Avida (dllab.caltech.edu/avida/), которая применяется в задачах эволюционной динамики и теоретической биологии и отличается более удобным графическим интерфейсом.
Немало сильных сторон Tierra воплощено в мощной Java-системе Archis: An Extendable Platform for Artificial Life Simulation (www.generalnegentropics.com/archis/), свободно доступной в исходных текстах, которая также моделирует взаимодействие компьютерных программ. Она выполнена в открытой и гибкой серверной архитектуре, масштабируемой на 64-разрядные кластеры, и позволяет наращивать функциональность через подключаемые модули. Ее автор, Адам Иерейменко, ухитрялся, например, отлаживать и совершенствовать Archis эволюционным путем, с помощью ее собственных предварительных версий, и добился интересных следствий. Так, некоторые ошибки в Archis приводили к появлению в моделях неконтролируемых и неисчерпаемых источников энергии и пищи, и оказалось, что при наличии таких источников практически любая экосистема очень быстро превращается в однородную массу виртуальных существ с одинаковыми характеристиками, равномерно заполняющих все доступное пространство (здесь прослеживается сходство с нанотехнологической концепцией "серой слизи"*1). Другими словами, в обществе реального изобилия развитие вообще становится невозможным.
_____
*1 Или моделью мира, созданной агентом Смитом в "Матрице".
Еще одна широко известная система ИЖ называется SWARM (wiki.swarm. org). Она была создана в центре изучения комплексных систем Мичиганского университета, последняя версия 2.1.1 обновлялась в 2000 г. SWARM позволяет моделировать поведение сложных систем, состоящих из множества автономных агентов с разнообразными характеристиками. В качестве сценарного языка, задающего схему реагирования агентов, применяется Лисп.
Типичные примеры, входящие в поставку SWARM, объясняют, как быстро создать мир, в котором функционируют существа, потребляющие и выделяющие тепло, и как они оптимизируют свое поведение, собираясь в группы и делясь теплом друг с другом (Heatbug); или как построить пространство заряженных мячиками триггеров, срабатывание любого из которых вызывает цепную реакцию (Mousetrap).
На базе SWARM были реализованы десятки прикладных исследовательских работ из самых разных областей. Известны проекты моделирования экосистем Gecko, роста бактерий и их популяций BacSim и Metabolizing Agents, поведения насекомых на базе нейронных сетей Bugverse и т. д. На ежегодных SWARM-фестивалях заслушиваются доклады по экономике, политике, географии, военным приложениям и экологии. Интересно, что с помощью SWARM неоднократно показывалась схожесть биологических и социальных систем, которые развиваются по одинаковым законам и характеризуются близким адаптивным поведением. А на фестивале SwarmFets 2004 демонстрировалась модель террористической деятельности, которую можно понять и изучить не на уровне поведения отдельной личности, а на уровне группы преступников как целого, в виде комплексного социального феномена.
Сети интеллектуальных агентов наподобие SWARM, как показывает практика, дают неплохой результат в ситуациях, когда детальная информация по нужному вопросу отсутствует, а поведение отдельной структуры на первый взгляд хаотично. Классические системы анализа по типу "что, если" в таких случаях не срабатывают, а вот эволюционные модели приносят заметную пользу.
(Окончание следует)
