Реферат: Моделирование поведения животных с использованием нейронных сетей
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Факультетфизико-математический
Кафедра информатики и методики преподавания информатики
КУРСОВАЯ РАБОТА
Моделирование поведения животных с использованией нейронных сетей
Выполнил студент
3курса, 302-МАИ группы,
Николаев Дмитрий
отделение МОАИС
Научный руководитель
к.ф. – м.н.
доцент кафедры ИМПИ
Дженжер В.О.
Оренбург
2010
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Содержание
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black; letter-spacing: 1pt;">Введение
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black; letter-spacing: 1pt;">3
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Глава I
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">1.Модель пищевой цепочки
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">5
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">2. Нейронные сети
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">10
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">3. Искусственная жизнь
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">20
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Глава II
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">4. Моделирование поведения животных
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">24
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Заключение
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black; letter-spacing: 1pt;">31
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Список использованной литературы
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">32
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;" lang=«EN-US»>
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;" lang=«EN-US»>
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Введение
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Нейронная сеть в (теории искусственного интеллекта) — упрощённая модель биологической нейронной сети.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Нейронные сети возникли из исследований в области искусственного интеллекта, а именно, из попыток воспроизвести способность биологических нервных систем обучаться и исправлять ошибки, моделируя низкоуровневую структуру мозга. Основной областью исследований по искусственному интеллекту в 60-е — 80-е годы были экспертные системы. Такие системы основывались на высокоуровневом моделировании процесса мышления (в частности, на представлении, что процесс нашего мышления построен на манипуляциях с символами). Скоро стало ясно, что подобные системы, хотя и могут принести пользу в некоторых областях, не ухватывают некоторые ключевые аспекты человеческого интеллекта. Согласно одной из точек зрения, причина этого состоит в том, что они не в состоянии воспроизвести структуру мозга. Чтобы создать искусственных интеллект, необходимо построить систему с похожей архитектурой.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Cвою силу нейронные сети черпают, во-первых, из распараллеливания обработки информации и, во-вторых, из способности самообучаться, т.е. создавать обобщения. Под термином обобщение понимается способность получать обоснованный результат на основании данных, которые не встречались в процессе обучения. Эти свойства позволяют нейронным сетям решать сложные (масштабные) задачи, которые на сегодняшний день считаются трудноразрешимыми. Однако на практике при автономной работе нейронные сети не могут обеспечить готовые решения. Их необходимо интегрировать в сложные системы. В частности, комплексную задачу можно разбить на последовательность относительно простых, часть из которых может решаться нейронными сетями.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Некоторые преимущества и достоинства нейронных сетей перед традиционными вычислительными системами:
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">- решение задач при неизвестных закономерностях;
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">- устойчивость к шумам во входных данных;
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">- адаптирование к изменениям окружающей среды;
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">- потенциальное сверхвысокое быстродействие.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Зачастую нейронные сети используются для моделирования. К примеру, в такой науке, как искусственная жизнь.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Искусственная жизнь — это понятие, введенное Крисом Лангтоном для обозначения множества компьютерных механизмов, которые используются для моделирования естественных систем. Искусственная жизнь применяется для моделирования процессов в экономике, поведения животных и насекомых, а также взаимодействия различных объектов. В настоящий момент искусственная жизнь — это наука, занимающаяся изучением жизни, живых систем и их эволюции при помощи созданных человеком моделей.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Искусственная жизнь может быть описана как теория и практика моделирования биологических систем. Разработчики, которые ведут исследования в данной сфере, надеются, что путем моделирования биологических систем мы сможем лучше понять, почему и как они работают. С помощью моделей разработчики могут управлять созданной средой, проверять различные гипотезы и наблюдать, как системы и среда реагируют на изменения.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> В своей курсовой работе я буду рассматривать одно из направлений искусственной жизни — синтетическую науку о поведении. Её очень чётко описывает Брюс МакЛеннан:
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> «Синтетическая наука о поведении — это подход к изучению поведения животных, при котором простые синтетические организмы определенным образом действуют в синтетическом мире. Так как и мир, и организмы являются синтетическими, они могут быть сконструированы для особых целей, а именно для проверки определенных гипотез»
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Целью данной курсовой работы является создание модели искусственной жизни.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Для достижения этой цели я собираюсь создать простейшую модель пищевой цепочки, используя в качестве мозга агентов-животных нейронную сеть, построенную по принципу «победитель получает всё».
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> 1. Модель пищевой цепочки
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> 1.1 Общие сведения
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Пищевая цепочка описывает иерархию живых организмов в экосистеме. Например, рассмотрим очень простую абстрактную пищевую цепочку, которая состоит из трех особей:
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">1)<span style=«font: 7pt „Times New Roman“;»>
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">Хищник<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">- мигрирующие агенты, поедающие травоядных.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">2)<span style=«font: 7pt „Times New Roman“;»>
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">Травоядное<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">- мигрирующие агенты, поедающие растения.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">3)<span style=«font: 7pt „Times New Roman“;»>
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">Растение<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">- представляют собой неподвижный источник еды для травоядных животных.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> В нижней части цепочки находятся растения. Они получают энергию из окружающей среды (дождя, почвы и солнца). Следующий уровень занимают травоядные животные, — для выживания они поедают растения. На верхней ступени находятся хищники. В этой модели хищники поедают травоядных животных, чтобы выжить. Мёртвые травоядные и хищники удаляться из модели.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Между особями существует четко выраженный баланс. Что произойдет, если вдруг в результате засухи или по другой причине исчезнут все растения? При этом нарушится баланс выживания травоядных животных в среде, что приведет к сокращению их популяции. Это отразится на всей цепочке и повлияет на популяцию хищников.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Данный баланс может моделироваться и изучаться в сфере искусственной жизни и науки о поведении.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Если какой-либо агент живет в среде определённое время и не получает еды, он сам погибает от голода. Когда агент поглощает достаточное количество пищи, он может размножаться. Таким образом, в среде создаётся новый агент определенного типа. Происходит эволюция, при которой мутирует мозг агента.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Следует отметить, что агенты изначально не знают, как нужно выживать в среде. Они не знают, что поедание пищи позволит им прожить дольше, что нужно избегать тех, кто их ест, что нужно охотиться, агенты должны познать всё это в процессе эволюции.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Чтобы смоделировать пищевую цепочку, необходимо определить некоторые параметры:
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">1)<span style=«font: 7pt „Times New Roman“;»>
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">Окружающую среду (физическое пространство, в котором взаимодействуют агенты)<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">2)<span style=«font: 7pt „Times New Roman“;»>
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">Самих агентов (а также их восприятие и поведение в среде)<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">3)<span style=«font: 7pt „Times New Roman“;»>
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">Группу правил, которые определяют, как и когда происходит действие.<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Травоядные животные являются мигрирующими агентами, которые определенным образом воспринимают окружающую среду и едят растения. Другими мигрирующими агентами в среде являются хищники, поедающие травоядных животных. Хищники могут есть только травоядных, а травоядные могут есть только растения. Если какой-либо агент живет в среде определённое время и не получает еды, он сам погибает от голода. Когда агент поглощает достаточное количество пищи, он может размножаться. Таким образом, в среде создается новый агент определенного типа. Происходит эволюция, при которой мутирует мозг агента (нейронная сеть).
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> 1.2 Окружающий мир
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Агенты живут в мире, построенным по принципу сетки, грани которой соединены, если агент перемещается за грань в определённом направлении, то проявляется на «противоположной» стороне.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Только растения занимают уникальные ячейки в среде, травоядные и хищники вполне могут занимать одну и ту же ячейку.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> 1.3 Анатомия агента
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Агент является генетической особью, он может быть одновременно только одного типа (травоядным или хищником), но метод изучения окружающей среды и образ действий для всех агентов-животных одинаковы. Агента можно рассматривать как систему с набором входов (его ощущение мира), реакций на окружающий мир (его мозгом) и действий.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Агент состоит из трёх различных частей: сенсоры, ощущения (определение того, какое действие необходимо выбрать) и действия. Хочу обратить внимание на то, что модель агента реагирует только на окружающую среду, агенты не могут планировать, обучение происходит по принципу, называемому эволюцией Ламарка.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Суть принципа: вместо процесса естественного отбора процессом эволюции управляет наследственность.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> При воспроизведении характеристики родителю будут передаваться потомку.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> 1.4 Сенсоры
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Агенты могут чувствовать, что происходит вокруг них в среде. Однако агент не видит всей среды, он реагирует только на группу ячеек вокруг него.
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;"> Локальная среда, которую может чувствовать агент, разделена на четыре отдельные области. Самая ближняя называется областью близости, и эта та область, в которой агент может действовать (съесть другого агента, например). Область впереди агента называется «фронтом» и занимает 5 ячеек, а области слева и справа называются именуются «лево» и «право».
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">Фронт
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">Фронт
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">Фронт
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">Фронт
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">Фронт
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">Слева
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">Близость
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">Близость
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">Близость
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">Справа
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<span style=«font-family: „Verdana“,»sans-serif"; color: black;">
<td style=«width: 68.85pt; padding: 2.75pt; border: medium medium 1pt 1pt