Da insiemi di agenti a sistemi swarm adattativi

Di Balugani Lorenzo, Calzolari Chiara e Pigozzi Stefano

Descrizione

Il progetto complessivo consiste in una serie di realizzazioni di un modello multiagente e di esperimenti su di esso; ogni nuova versione del modello è più raffinata della precedente. La versione iniziale non è un sistema collettivo; la versione finale realizza un sistema collettivo i cui elementi sono capaci di evolvere e di adattarsi all’ambiente.

Ambiente

L’ambiente è un toroide composto da 150x150 patch.

Dopo il setup dell'ambiente, una percentuale configurabile di patch conterrà cibo (gialle), mentre le restanti saranno vuote (nere).

Termiti

Dopo il setup, nell'ambiente saranno presenti un numero configurabile di termiti.

Le termiti normalmente sono bianche, ma diventano arancioni quando trasportano cibo.

Esse (una alla volta, in ordine casuale) effettueranno ad ogni tick le seguenti azioni:

1. Ricerca: la termite vaga per l'ambiente fino a quando non incontra un pezzo di cibo, che raccoglie, per poi allontanarsi dalla sua posizione attuale.
   1. Vaga: la termite ruota di un angolo configurabile di gradi, poi avanza di un passo.
   2. Raccoglie: la termite rimuove il cibo dalla patch in cui si trova e inizia a trasportarlo, cambiando colore.
   3. Allontana: la termite si gira in una direzione casuale, ed effettua un numero configurabile di passi in avanti detto rg_inerzia.
2. Deposito: la termite vaga per l'ambiente fino a quando non trova un posto dove depositare il cibo, lo deposita e poi si allontana dalla sua posizione attuale.
   1. Vaga: la termite ruota di un angolo configurabile di gradi, poi avanza di un passo.
   2. Deposita: la termite inserisce il cibo nella patch in cui si trova, e smette di trasportarlo, tornando al suo colore originale.
   3. Allontana: la termite si gira in una direzione casuale, ed effettua un numero configurabile di passi in avanti detto rg_libera.

Dinamica del sistema

Le termiti spostano ad ogni tick un pezzo di cibo da una patch a un'altra, che si trova ad una certa distanza dalla prima, effettuando una unità di lavoro.

Così facendo, le termiti raccolgono il cibo in magazzini progressivamente sempre più compatti e vicini tra loro, che lentamente si uniscono fino a formare un unico magazzino comprendente tutto il cibo dell'ambiente.

Feedback del sistema

Nel sistema sono presenti due tipi di feedback:

• Positivo: Più grande è un magazzino, più probabilità una termite avrà di capitarci sopra ed appoggiare lì il proprio cibo, portandolo a ingrandirsi nel tempo.
• Negativo: Meno grande è un magazzino, meno probabilità una termite avrà di capitarci sopra ed appoggiare lì il proprio cibo, portandolo a ridursi nel tempo.

Esperimenti

Tutti gli esperimenti sottostanti sono stati eseguiti con i parametri di default qui elencati:

• densita_materiale: 20
• numero_termiti: 100
• rg_inerzia: 20
• rg_libera: 20
• angolo_virata: 100

Esperimento 1: Variazioni al valore di rg_inerzia

Si sono misurati i magazzini formatosi dopo 1000 tick al variare del parametro rg_inerzia.

Dai dati sperimentali emerge che il parametro non influenza particolarmente il numero di magazzini; eventuali variazioni sono da ricondursi alla casualità dello stato iniziale di questo modello.

Tentativi di interpolazione non hanno fornito nessun risultato con i dati raccolti: il best fit è stato con la curva logaritmica, avente un misero R^2 = 0.263.

Dati sperimentali

rg_inerzia	Run 1	Run 2	Run 3	Run 4	Run 5	Run 6	Run 7	Run 8	Run 9	Run 10	Media
5	4	6	6	6	7	6	6	6	4	5	5.6
25	4	5	4	5	4	5	5	4	4	4	4.4
45	6	4	2	5	4	7	6	7	4	6	5.1
55	4	5	4	5	3	5	4	4	4	6	4.4
65	5	5	5	7	6	6	5	5	5	6	5.5
85	4	4	4	4	6	5	5	3	4	3	4.2

Grafico

Esperimento 2: Variazioni al valore di rg_libera

Si sono misurati i magazzini formatosi dopo 1000 tick al variare del parametro rg_libera.

Dai dati sperimentali emerge che il valore del parametro rg_libera è inversamente proporzionale al numero di magazzini creatosi dopo 1000 tick.

Probabilmente l'andamento è esponenziale: con il parametro impostato a 5 i magazzini sono ancora talmente tanti da risultare incalcolabili, ma aumentarla anche solo a 10 e li rende un numero definito.
Interpolando con una curva esponenziale, si è ottenuto un R^2 = 0.989.

Dati sperimentali

rg_libera	Run 1	Run 2	Run 3	Run 4	Run 5	Run 6	Run 7	Run 8	Run 9	Run 10	Media
5	N/D	N/D	N/D	N/D	N/D	N/D	N/D	N/D	N/D	N/D	N/D
10	7	9	9	7	9	7	8	9	8	8	8.1
15	7	6	7	7	6	7	6	8	7	7	6.8
20	5	5	6	5	5	7	6	6	4	5	5.4
25	4	5	4	4	5	4	4	4	4	5	4.3
30	4	3	3	3	3	2	3	4	4	3	3.2
35	3	2	2	2	2	2	3	3	2	3	2.4
40	1	2	1	2	1	2	2	3	2	1	1.7

Grafico

Esperimento 3: Variazioni al numero di termiti nel sistema

Si è misurato il tempo necessario perchè quantità le termiti formassero 6 raggruppamenti di cibo al variare delle quantità di termiti.

Si è ipotizzato che formare 6 raggruppamenti richieda un numero di unità di lavoro costante (dipendente dalla disposizione iniziale del cibo).

Effettuando gli esperimenti, si è verificata questa ipotesi: si è notata una dipendenza inversa tra il numero di tick richiesti e il numero di termiti presenti nel modello secondo la formula termiti * tick_richiesti = costante

Si è riusciti a determinare il valore della costante (con un margine di errore): esso è ~79875 unità di lavoro.

Dati sperimentali

Termiti	Run 1	Run 2	Run 3	Run 4	Run 5	Run 6	Run 7	Run 8	Run 9	Run 10	Media tick	Media unità di lavoro
10	7000	6000	6000	7500	6000	8000	9000	10000	6000	7000	7250	72500
100	700	800	800	700	900	800	900	600	700	700	760	76000
250	320	440	360	400	320	440	360	360	240	320	356	89000
500	180	160	120	120	180	200	160	240	160	120	164	82000
Media												79875

Grafico

Esperimento 4: Variazioni al valore angolo_virata

Si sono misurati i magazzini formatosi dopo 1000 tick al variare del parametro angolo_virata.

Dai dati sperimentali si nota che la variazione del numero dei magazzini è pressochè nulla; si può quindi dire che la variazione dell'angolo di virata non influenza il numero magazzini creati dalle termiti.

Dati sperimentali

Angolo_virata	Valore medio magazzini	Run 1	Run 2	Run 3	Run 4	Run 5
45	5	6	5	6	5	5.4
90	5	6	6	7	6	6.0
135	6	7	5	6	8	6.4
180	7	7	6	6	6	6.4
225	5	5	6	7	7	6.0
270	6	6	6	7	7	6.4
315	5	6	6	7	5	5.8
360	6	7	6	6	6	6.2

Grafico

Branches

Sono disponibili vari branch con variazioni a questo progetto:

• 1-group-counter: Aggiunge conteggio automatico dei magazzini
• 1-efficiency-tiredness: Aggiunge parametri di efficienza e stanchezza alle termiti
• 1-ticks: Fa muovere le formiche di una sola unità per ogni tick