Príklady Decentralizovane myslení ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo Modelovaní založené na agentech Agent based modeling (ABM) Radek Pelánek □ s - = -€. -o<\(y O Úvod • Základy ABM • Srovnání s jinými přístupy • Studované vlastnosti systémů O Příklady • Přírodní systémy • Lidské systémy • Síření kultury • Další aplikace Q Decentralizované myšlení • Centralizované myšlení • Tipy pro decentralizované myšlení • Souvislosti • Fl bot Q Role modelování • Termites, turtles, and traffic jams. Mitchel Resnick. The MIT Press, 1997. • The Complexity of Cooperation. Robert Axelrod. Princeton University Press, 1997. deduktivní výpočetní „shora" „zdola" analytické makro modely teorie her systémové modely ABM Príklady Decentralizovane myslení ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo Základy ABM Východísk • buněčné automaty (decentralizace, lokální interakce) • umělá inteligence (učení, vývoj) • modely založeny na autonomních agentech, tj. modelujeme odspodu, agenti nedostávají žádné příkazy shora • důležitou součástí modelů je prostředí, ve kterém se agenti pohybují (a které se může též měnit) • interakce je pouze lokální • agenti jsou (relativně) jednodušší • agenti nejsou vázáni na pevné místo, pohybují se po prostředí • agenti nejsou homogenní, mohou se případně i vyvíjet • počítačová simulace je klíčová • přirozená implementace: objektové programování • existuje však i řada specializovaných nástrojů: • NetLogo (vlastní jednoduchý jazyk) • RePast (Java) • Swarm (Java) systémový přístup modelování založené na agentech pohled „shora" „zespodu" základní sumární veličiny jednotlivci a interakci bloky mezi nimi zpětné explicitně vyjádřeny modelovány nepřímo vazby centrum struktura systému pravidla pro chování zájmu agentů systémový přístup modelování založené na agentech přístup deduktivní: od struk- induktivní: od chování tury k chování jednotlivců k chování celku model v fixní agenti mohou být čase adaptivní čas většinou spojitý většinou diskrétní ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo Srovnání ABM s mikroekonomickými modely • analytické řešení =>- syntetický přístup • hledání ekvilibria =>- dynamické systémy • popis chování =>- jak generovat chování • založeno na proměnných =>- založeno na vztazích 39 vynoření se Emergence is the process of complex pattern formation from simpler rules. sebe-organizace Self-organization refers to a process in which the internal organization of a system increases automatically without being guided or managed by an outside source. decentralizované řízení robustost, neefektivita fázový přechod Príklady Decentralizovane myslení ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo Příklai • dravec-kořist • hlenka • mravenci • termiti • hejna • světlušky • segregace • dopravní zácpa _ooooooooooooooooooooo ooooooooooooooooooo Dravec-kořist Podobně jako při systémovém modelování: dravec se živí kořistí. Modelujeme jednotlivé tvory a jejich chování (základní verze: náhodný pohyb). = O0OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO Model osidlovaní ostrova potravní řetězec: 3 rostliny, 2 býložravci, 1 mäsožravec ostrov na počátku holý, organismy imigrují, množí se parametry modelu: rychlost imigrace, příznivost podmínek, velikost ostrova účel modelu: ilustrovat vztahy mezi parametry a výslednou diverzitou a stabilitou na ostrově Príklady Decentralizovane myslení oo«oooooooooooooooooooooooooooooooooooooo Hlenka (slime moľ • chová se buď jako mnoho samostatných jednobuněčných organismů (hodně potravy), nebo se shlukne a vytvoří jeden mnohobuněčný organismus (málo potravy) • jak se shlukuje? látka cAMP, hypotéza pacemaker cells Model shlukování buněk hlenky, buňky při pohybu vylučují feromon; při pohybu upřednostňují místa s vyšším výskytem feromon u. Zpětné vazby: • pozitivní: víc buněk, víc feromonu • negativní: větší shluky, méně volných buněk • ke shlukování dochází i bez přítomnosti pacemaker cells • fázový přechod (phase transition): do určitého množství buněk/rychlosti vypařování feromonu, nedochází k žádnému shlukování; jakmile je překročena mez, dochází k velkému shlukování • mravenci jsou jeden z nejúspěšnějších živočišných druhů (obývají např. téměř celou planetu, tvoří např. 15% biomasy tropických pralesů) • mravenci (a obecněji sociální hmyz) jsou oblíbeným předmětem pro studium decentralizovaných systémů (srovnej: mýtus královny) • mraveniště jako celek mají „inteligenci" (viz umístění hřbitova, skládky), „osobnost", ... tyto vlastnosti nemají žádný odraz v jednotlivých mravencích (srovnej s neurony a mozkem, viz GEB) Prostředí: mraveniště + zdroje jídla; mravenci se pohybují náhodně po prostoru, když najdou jídlo cestou zpět do mraveniště vypouští feromon; při pohybu upřednostňují místa, kde je vyšší koncentrace feromon u. Zpětné vazby: • pozitivní: víc feromonu, víc mravenců; • negativní: větší shluky, méně volných mravenců; víc jídla, víc mravenců, rychlejší čerpání jídla Príklady Decentralizovane myslení ooooooo«ooooooooooooooooooooooooooooooooo Termiti Prostředí: rozházené kusy dřívek; termiti chodí náhodně po prostoru; vždy když termit narazí na nějaké dřívko, tak: • pokud zrovna nic nenese, tak dřívko zvedne • pokud zrovna něco nese, tak dřívko položí a jde pryč Príklady Decentralizovane myslení oooooooo»oooooooooooooooooooooooooooooooo Hejno Představte si velké hejno ptáků. Zkuset vymyslet lokální pravidla pro ptáky, aby se celek choval jako „hejno". ^> ,9,, t' ^>" o» Í<1) Figure 16.6 Four boid rules: (a) avoid flying too close to others; (b) copy near neighbors; (c) move towards center of perceived neighbors; (d) attempt to maintain clear view. Complex Systems, and Adapta: right © 1998-2000 by □ S oooooooooo»oooooooooooooooooooooooooooooo Světlušky Světlušky přizpůsobují svoje blikání ostatním světluškám v okolí. Výsledkem je globální synchronizace. = Město (tvaru mřížky), dva druhy obyvatel (červení, zelení), obyvatelé vyžadují, aby alespoň část jejich sousedů byla stejná jako oni (určeno mírou tolerance), pokud toto není splněno, tak se přestěhují. Chování: i při poměrně velké toleranci (stačí 30% stejných) dochází k vytváření jed nod ruhových shluků (ghet) a tedy k výrazné segregaci obyvatel Model: auta jedou po silnici, snaží se udržovat si drobný odstup od toho před sebou, ale jinak co nejrychleji. Chování: při dostatečné hustotě aut se vytváří zácpa, která se pomalu „pohybuje" proti směru pohybu aut (i bez vnější příčiny). • Studie šíření kultury (postoje, chování, názory, ...) • lidé mají tendenci přebírat „kulturu" od ostatních, i přesto však nedochází k úplné homogenizaci, jak to? mnoho důvodů ... • cíl: studium interakce mezi jednotlivými složkami kultury • mřížka, na každém políčku agent • každý agent má n kulturních znaků (např. oblíbený styl hudby) a pro každou z nich je m možností, které může nebývat (dechovka, klasika, folk, techno, ...), tj. agent = n prvkový vektor čísel 1,..., m • dynamika: • náhodně vybrat dvojici sousedů • rozhodnout zda dojde k interakci (pravděpodobnost úměrná počtu stejných znaků) • pokud dojde k interakci, jeden z agentů zkopíruje hodnotu jednoho znaku od souseda Príklady Decentralizovane myslení 000000000000000*000000 0000000000000000000 ABLE 7-1 Typical Initial Set of Cultures 74741 87254 82330 17993 01948 09234 67730 89130 49447 46012 42628 86636 12781 85541 51585 84468 09581 89800 72031 19856 S6352 34490 48416 55455 6238 38032 34235 45602 s lír, 21593 77404 17043 S682 19232 80173 81447 7816 55285 66329 30462 22978 34210 27405 18122 08071 88600 39891 39238 22884 36729 82762 85403 39747 60094 97744 78295 84866 81454 58260 13341 87476 69411 97450 71819 42533 69896 38456 29464 53436 43986 26757 81677 71833 51912 33723 96775 78008 74576 13623 45578 99313 06789 07192 32095 24659 86714 27136 41924 05729 64585 32009 24042 87426 11318 03847 02932 50153 43987 43378 47330 Mote: The underlined site and the sire to its south share traits for two a cultural similarity of 40 percent. of the five cultural features, • postupně se vytvoří regiony • v rámci regionu identická kultura • sousedící regiony nemají žádný společný znak \ 3r # i;i;-:i;.;;;;;;jí to ,|,n " JP ■ ■■■i i~m □ S - = -S O^O ooooooooooo ooooo»oooooooooooooooooooooo Závislost na parametrech • zvýšení počtu možností pro kulturní znaky =>- počet regionů roste • zvýšení počtu kulturních znaků => počet regionů klesá (!) • zvětšení rozhlohy (počtu agentů) => do určité meze (12x12) počet regionů roste, pak začne klesat (!!) Príklady Decentralizovane myslení ooooooooooooooooooo«ooooooooooooooooooooo Poznámky • pozitivní zpětná vazba + náhoda => řád • triviální model, neintuitivní chování (závislost na velikosti) • občanské nepokoje • válečné konflikty (ve velkém), souboje (v malém) • „standing ovation problem" • trhy • ekosystémy • epidemie ooooooooooooooooooooo«ooooooooooooooooooo Dalsi príklady decentralizovaných systému • synchronizovaný pohyb • Manchester • Internet • Amazon: podobné knihy oooooooooooooooooooooo«oooooooooooooooooo Centralizované vs. decentralizované myšlení • lidé mají přirozenou tendenci myslet centralizované • pro porozumnění komplexním systémům je často potřeba naučit se uvažovat i decentralizované • hlavní role při utváření fungujících systémů je přikládána negativní zpětné vazbě s jejími regulujícími schopnostmi • snažíme se vysvětlovat problémy jednoduše („on za to může") • hledáme centralizované příčiny: vedení, semínka oooooooooooooooooooooooo«oooooooooooooooo Centralizované myšlení: příklady • hlenka a „pacemaker cells" • mraveniště a královna, hejno (stádo) a vedoucí pták (beran) • zácpy • náboženství a argument hodináře • (kapitalistická) ekonomika a vliv vlády (výzkum izraelské děti) OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO0OOOOOOOOOOOOOOO Decentralizovane myslení • pozitivní zpětná vazba není vždy negativní • náhoda může vytvářet řád • hejno není velký pták • zácpa není soubor aut • kopce jsou živé • pozitivní zpětná vazba je většinou vnímána jako destruktivní • pozitivní zpětná vazba hraje důležitou roli při vytváření a rozšiřování struktur • příklady: hlenka, mravenci, hejno • další: firmy (viz Polya process), vznik měst • náhodu běžně vnímáme jako destruktivní prvek • centralizovaná „semínka", která intuitivně hledáme, často vznikají díky náhodě • kombinace náhody + pozitivní zpětné vazby vede k řádu • náhoda může vést k překonání lokálního optima (viz hlenka) • další příklady: tleskání, ztracený mravenec • je důležité rozlišovat jednotlivé úrovně • na úrovni celku můžeme dostat úplně jiné chování než na úrovni jednotlivců (vynoření se, emergence) • příklad: kytka, buňky rostou rychleji když jsou ve tmě (mají „rády" tmu), tím pádem se kytka naklání ke světlu (má „ráda" světlo) ooooooooooooooooooooooooooooo»ooooooooooo Zácpa není soubor a. • většinou uvažujeme o celku jako že je souborem částí • vlna není soubor molekul vody, mraveniště není soubor mravenců, člověk není soubor buněk • zácpa se pohybuje opačným směrem než auta • prostředí je málokdy pasivní, většinou se přizpůsobuje chování agentů (a zpětně také ovlivňuje chování agentů) • prostředí není něco „co agenti mění" ale něco s čím „interagují" • příklad: zanechávání feromonu ooooooooooooooooooooooooooooooc«oooooo Decentralizace v současnem svete • decentralizace států (rozpad sovětského bloku) • decentralizace organizací (zplošťování organizační struktury) • decentralizace ve vědeckých teoriích • Internet ooooooooooooooooooooooooooooooco«ooooo Decentralizace v současnem svete Highly regulated Protectionist State ownership No foreign ownership ■1980 O 1992 ^>19 -Cc =£> Russia —0=!> Japan > Jndia > S. Korea Low regulation Low tariff Privatization Foreign ownership > China US >NZ —CK> Germany -----CO Brazil —CO Chile -Oi> Argentina The advance of deregulation and liberalization, iggo-98. Source-. Vincent Cable, Globalization and Global Governance (The Royal or International Affairs, 1999\ p. 20. aJ Institute oooooooooooooooooooooooooooooocoo«oooo Centralizace v současném světe Centralizace vlivem globalizace: • nadnárodní společnosti • unifikace kulturní • unifikace hospodářská, ekonomická centralizace oooooooooooooooooooooooooooooooooo»ooo Centralizace v současném světě Transnational corporations versus countries: a comparison Country GDP ($ rail) Corporation Sales ($ mil) 1. Denmark 174,363.0 General Motors 176,558.0 2- Poland 154,146.0 Wal-Mart 166,809.0 3. South Africa 131,127.0 Exxon Mobil 163,881.0 4 Israel 99,068.0 Royal Dutch/ Shell 105,366.0 5. Ireland 84,861.0 IBM 87,548.0 6. Malaysia 74,634.0 Siemens 75,337.0 7. Chile 71,092.0 Hitachi 71,858.5 8. Pakistan 59,880.0 Sony 60,052.7 9 New Zealand 53,622.0 Honda Motor 54,773.5 10 Hungary 48,355.0 Credit Suisse 49,362.0 Screes: Sales: Fortune, 31 July 2000; GDP; World Bank, World Development Report 2000. □ S oooooooooooooooooooooooooooooocoooo«oo Robustnost, efektivit centralizované decentralizované stroje přírodní systémy autokracie demokracie plánované hospodářství volný trh = Príklady Decentralizovane myslení oooooooooooooooooooooooooooooooooooo»oooo Fázový přechod Aktuální např. při vymírání živočišných druhů: • na úrovni druhů (např. holub) • na úrovni ekosystémů oooooooooooooooooooooooooooooocoooooo« Decentralizace jako reseni problému • mysli globálně, jednej lokálně • Jan Keller: Nedomyšlená společnost, E. F. Schumacher: Malé je milé, Gandhi • výzvy k regionální, lokální ekonomice, ... • programátorská soutěž na Fl, 2. ročník (podzim 2006 + jaro 2007) • návrh decentralizovaného systému spolupracujících autonomních agentů » reálné příklady: • autonomní navigace systémů pro objevování vesmíru (jedna z technologií testovaných u Deep Space 1, ve fázi návrhu jsou týmy autonomních robotů) • internetoví agenti pro vyhledávání informací a roboti pro záchrane akce při katastrofách • týmy robotů hrající fotbal • jedná se v podstatě o „abstraktní model" uvedených reálných případů • roboti se pohybují na mřížce (volná pole, zdi), omezená viditelnost • cíl: nanosit co nejvíce pokladů na svoji základnu • akce robotů: a zvednout, položit poklad • přesun na vedlejší pole • zaslání zprávy všem robotům (10 bytů) [ ukázka ] a 3 - = -E -00*0 • pravidla velice jednoduchá, návrh dobrých strategií však poměrně komplikovaný • decentralizace, paralelismus =>- neintuitivnost, zdánlivě dobré nápady nefungují (a občas i naopak) • náhoda může být elegantním řešením • nejde rozhodně o předpovídání chování systémů • nejde ani tak moc o přesné vysvětlení principů, na kterých systémy fungují • jde zejména o styl uvažování o systémech vývoj nových koncepčních i výpočetních nástrojů podporujících decentralizované uvažování o systémech Príklady Decentralizovane myslení ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo Příklad: Agent-! .mputational econom. Cíle ACE výzkumu (Leigh Tesfatsion): • empirické porozumnění: proč se určité (makro) vzory chování vyvinuly? • normativní porozumnění: jak navrhovat nové (mikro) normy, pravidla, aby vedly k úspěšným (makro) chováním? • kvalitativní vhled: přesnější porozumnění všech možných chování systémů, co určuje, které z nich nastanou... (Robert Axe I rod) • ABM lze použít v mnoha různých oblastech • ABM usnadňuje mezioborovou spolupráci • ABM nabízí užitečný mezioborový nástroj ve chvíli, kdy matematické zpracování není možné • ABM pomáhá nacházet společné prvky v různých oborech