Описание программной реализации

Программа «Система классификации» демонстрирует работу системы вывода подобной системе, описанной в разделе 3.2.1. Интерфейс программы позволяет задавать правила для четырех классов. Для каждого класса может быть задано несколько правил. Объект описывается шестью атрибутами, каждый из которых может принимать значение от 1 до 5 или произвольное.

Основные данные программы представлены следующим образом:

• 1 структура rule, для хранения правила из набора правил для обучения. Членами структуры являются:
• 1) num типа byte — номер правила;
• 2) class_label типа byteкласс, к которму относится правило;
• 3) rule_cond_arr — массив элементов типа byte для хранения условия (атрибутов) правила.
• 2 rule_list типа ArrayList — список правил-учителей;
• 3 структура kandidat для хранения кандидата-классификатора, членами которой являются:
• 1) kand_cond_arr — массив элементов типа byte для хранения условий (атрибутов) классификатора;
• 2) class_vector — массив элементов типа byte, в котором хранится вектор классов, которым соответствует данный кандидат;
• 4 kandidat_list типа ArrayList — список кандидатов-классификаторов;
• 5 rating_arr — массив элементо типа double для хранения рейтингов кандидатов;
• 6 quality_of_conform — массив элементов типа double для хранения степени соответствия кандидатов;
• 7 cros_pos типа int — позиция скрещивания;
• 8 test_vector — массив элементов типа byte — вектор для классификации входного сообщения.

В начале работы с программой пользователь должен задать набор правил, которые будут выступать в роли учителей при обучении системы классификации, правило записывается в список rule_list. При этом введенная пользователем строка преобразуется в массив типа byte. Если символ строки представляет цифру от 1 до 5, то это атрибут правила, а цифра 7 используется для представления атрибута правила, который может иметь произвольное значение. Полученный массив записывается в поле rule_cond_arr структуры rule.

После задания правил нужно произвести инициализацию, используя метод Next класса Random, каждому кандидату присваивается рейтинг 0.1. Затем сгенерированный кандидат проверяется на соответствие какому-либо обучающему правилу. Порядок определения соответствия описан ниже. За каждое найденное соответствие рейтинг кандидата увеличивается на 0.025. Сгенерированная исходная популяция кандидатов выводится в поле вывода результатов работы программы.

Затем пользователь начинает ввод сообщений для обучения системы классификации. После ввода пользователем сообщения и нажатия на кнопку «Ввод» полученное сообщение преобразуется в массив message_arr типа byte.

Полученное сообщение классифицируется по таблице правил. При этом сравниваются соответствующие позиции поля rule_cond_arr очередного правила и массива message_arr. Если по всем позициям обнаружено соответствие, то в позицию массива test_vector, соответствующую классу, который представляет очередное правило, записывается единица. Иначе туда записывается ноль.

Затем все кандидаты проверяются на соответствие входному сообщению. При этом сравниваются соответствующие позиции поля kand_cond_arr очередного кандидата и массива message_arr. Если очередной кандидат соответствует входному сообщению, то вычисляется степень его соответствия.

Для кандидатов, для которых установлено соответствие входному сообщению, проверяется корректность их действия. При этом сравниваются соответствующие позиции поля class_vector кандидата и массива test_vector. Если действие правила-кандидата корректно, то его рейтинг увеличивается на величину равную разности между единицей и рейтингом кандидата, умноженной на 0.1. В противном случае рейтинг кандидата уменьшается на эту величину.

После вычисления рейтингов выбираются кандидаты на роль родителей для следующего поколения. Если рейтинги всех кандидатов оказались равными, то родители выбираются случайным образом. Затем путем скрещивания родителей получаются потомки. Для каждого потомка вычисляется рейтинг. Результат выполнения…

И, наконец, в отличие от обучения с учителем, эволюция не должна быть «направленной». Нельзя считать, что общество движется к некоторой заранее заданной точке «омега». При явном использовании меры качества на самом деле ставится задача сходимости процесса обучения. Однако, как отмечено в работах [5], [6], эволюцию нельзя рассматривать с точки зрения улучшения мира, а лишь с точки зрения его выживания. Единственной мерой прогресса является продолжение существования.

Рассмотрим простую двухмерную решетку или игровую доску, показанную на рисунке 3.7. Заштрихованная область определяет группу соседей в игре «Жизнь».

На этом рисунке одна из клеток закрашена черным (занята), а восемь соседних — заштрихованы. Со временем внешний вид доски изменяется, при этом состояние каждой клетки в момент времени t+1 — это функция ее состояния и состояний ее ближайших соседей в момент времени t. Игра подчиняется трем простым правилам. Во-первых, если для некоторой клетки (занятой или свободной) ровно три ближайшие соседние клетки заняты, то она будет занята в следующий момент времени. Во-вторых, если для некоторой занятой клетки заняты также ровно две соседние клетки, то она тоже будет занята в следующий момент времени. И, наконец, во всех остальных ситуациях в следующий момент времени клетка остается свободной.

Рисунок 3.7 — Заштрихованная область определяет группу соседей в игре «Жизнь».

Одна из интерпретаций этих правил сводится к следующему. Для каждого поколения или момента времени жизнь каждой популяции (черный цвет клетки или состояние, равное 1) является результатом ее собственной жизни, а также жизни ее соседей в предыдущем поколении. А именно, слишком плотная населенность (более трех занятых соседних клеток) или разреженность соседних популяций (менее двух) в каждый момент времени приводят к невозможности жизни в следующем поколении. Например, рассмотрим состояние, показанное на рисунке 3.8.

Здесь ровно две клетки (обозначенные символом Х) имеют ровно по три занятые соседние клетки. Следующее поколение показано на рисунке 3.8,б. Здесь также существуют две клетки (обозначенные символом Y), у которых есть три занятых соседа. Несложно убедиться, что состояние жизни будет циклически переходить между рисунками 3.8,а и 3.8,б.

Рисунок 3.8- Множество соседей, создающих эффект переключения света В работе [7] описано большое разнообразие и богатство структур, получаемых в результате игры «Жизнь», в том числе планеры (glider) — шаблоны ячеек, которые перемещаются по игровой доске в повторяющихся циклах изменения формы.

Благодаря своей способности обеспечивать разнообразное коллективное поведение в процессе взаимодействия простых клеток клеточные автоматы стали мощным средством изучения математических принципов эмерджентности жизни на основе простых, неодушевленных компонентов. По определению искусственная жизнь — это жизнь, созданная ценой усилий человека, а не природы. Как видно из предыдущего примера, искусственная жизнь имеет ярко выраженную тенденцию к развитию, т. е. система жизни строится на основе взаимодействия ее атомов. Регулярности этой формы жизни объясняются правилами работы конечных автоматов.

Одним из средств понимания мира является моделирование и анализ общества на основе взаимодействия и движения. Примером такой модели является игра «Жизнь». Последовательность жизненных циклов, показанная на рисунке 3.9, иллюстрирует упомянутую ранее структуру «планер». Планер перемещается по жизненному пространству, циклически изменяя свою форму. За четыре такта он перемещается в новое положение со сдвигом на одну клетку вправо и вниз.

Рисунок 3.9- Перемещение «планера» по экрану Интересным аспектом игры «Жизнь» является исследование взаимодействия различных структур (членов общества). Сложно понять и спрогнозировать, что произойдет при взаимодействии планера с другими структурами. Например, на рисунке 3.10 показан пример совместного существования двух планеров.

Рисунок 3.10 — «Поглощение» «планера» другой сущностью Через четыре такта планер, передвигающийся вниз и влево, поглощается другой сущностью. Интересно отметить, что наши онтологические описания, в том числе такие термины, как «сущность», «планер», «переключение света», «поглощается», отражают наши антропоцентрические представления о формах жизни, в том числе и искусственной, и их взаимодействии. Человеку свойственно оперировать терминами и закономерностями, присущими социальным структурам.