Nghiên cứu các thuật toán tiến hóa quần thể ứng dụng cho bài toán người đưa hàng

LỜI CẢM ƠN
Qua thời gian học tập và rèn luyện tại Đại học Công nghệ thông tin và
truyền thông - Đại học Thái Nguyên, đến nay chúng em đã kết thúc khoá học 5
năm và hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Ngoài sự cố gắng hết mình của bản thân
chúng em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ, ủng hộ của các thầy cô,
bạn bè và gia đình..
Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Đại học Công nghệ
thông tin và truyền thông đã quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi để chúng em học
tập và rèn luyện trong suốt thời gian theo học tại trường.
Em cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Khoa học máy tính đã
tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu cho chúng em trong
suốt quá trình học tập.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Cô giáo – Dương Thị Mại
Thương đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án.

Thái Nguyên, ngày 11 tháng 06 năm 2012
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Hiền

1


LỜI CAM ĐOAN
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời gian quy định và đáp ứng được
yêu cầu đề ra, bản thân em đã cố gắng nghiên cứu, học tập và làm việc trong thời
gian dài. Em đã tham khảo một số tài liệu được nêu trong phần “Tài liệu tham
khảo” và có được sự hướng dẫn tận tình của cô giáo Dương Thị Mai Thương.
Nội dung đồ án hoàn toàn không sao chép từ các đồ án khác, không vi phạm bản
quyền tác giả. Toàn bộ đồ án là do bản thân em nghiên cứu và xây dựng nên.
Em xin cam đoan những lời trên là đúng, nếu có thông tin sai lệch em xin hoàn
toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng.

Thái Nguyên, ngày 11 tháng 06 năm 2012
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Hiền

2


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU
Công nghệ thông tin(CNTT) là một trong những động lực quan trọng nhất
của sự phát triển,cùng với một số nghành công nghệ khác đang làm biến đổi sâu
sắc đời sống kinh tế , văn hóa, xã hội của thế giới hiện đại.
Hiện nay hầu hết các cơ quan chức năng nhà nước hoặc tư nhân đều có sự
góp mặt của tin học nhằm giải phóng sức mạnh vật chất trí tuệ và tinh thần của
toàn dân tộc thúc đẩy công cuộc đổi mới phát triển nhanh và hiện đại hóa các
ngành kinh tế là một công cụ lưu trữ và xử lý thông tin một cách hoàn hảo từ tốc
độ đến sự chính xác cao tăng cường sức cạnh tranh của các doanh nghiệp hỗ trợ
hiệu quả cho quá trình hội nhập kinh tế quốc dân nâng cao chất lượng cuộc sống
có khả năng đi tắt đón đầu thắng lợi sự nghiệp công nghiệp hóa,hiện đại hóa.
Bởi vậy tin học đang được sử dụng rộng rãi trong các trường học là những
sinh viên đã được trang bị các kiến thức tin học, nhờ sự giảng dạy của thầy cô và
học hỏi từ bạn bè. Đến nay có thể vận dụng những kiến thức đã có giải quyết
những công việc cụ thể một cách nhanh chóng cũng chính vì vậy mà ban giám
hiệu nhà trường đã tạo điều kiện cho chúng em làm đồ án tốt nghiệp với đề tài :
”Nghiên cứu các thuật toán tiến hoá quần thể, ứng dụng cho bài toán người
đưa hàng ”
Song vì thời gian thực hiện có hạn.Vì vậy có chỗ nào thiếu sót mong thầy cô giáo
đóng góp ý kiến cho em.Em xin chân thành cảm ơn cô Dương Thị Mai Thương

đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đề tài này.
3


Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, em đã nhận sự giúp đỡ tận tình của cô
Dương Thị Mai Thương- người đã trực tiếp hướng dẫn em làm đề tài và các thầy
cô trong khoa.Cùng sự cổ vũ lớn lao, khích lệ của gia đình và bạn bè. Đã hoàn
thành báo cáo của mình. Em xin chân thành cảm ơn và ghi nhận những tấm lòng
ấy.
Thái Nguyên, ngày 11 tháng 06 năm 2012
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Thị Hiền.

MỞ ĐẦU
Giới thiệu chung
Mục đích của bài toán tối ưu tổ hợp là tìm lời giải tốt nhất trong các lời
giải có thể và không gian tìm kiếm lời giải của bài toán là rời rạc .Nhiều bài toán
tối ưu tổ hợp có độ phức tạp tính toán cao và được phân lọai thuộc lớp NP khó.
Việc tìm ra lời giải tối ưu cho các bài toán này cho các hệ thống song song lớn
nhất cũng không thể hoàn thành được trong giới hạn thời gian cho phép vì vậy
các kỹ thuật heuristic cho việc giải các bài toán tổ hợp theo hướng xấp xỉ đã
được phát triển để tìm ra các lời giải gần tối ưu (hay xấp xỉ )trong giới hạn thời
gian cho phép. Bài toán người du lịch (TSP) là một bài toán cổ điển thuộc lớp NP
được nghiên cứu sâu trong lĩnh vực tối ưu tổ hợp.
Metaheuristic là một cách gọi chung cho các giải thuật heuristic trong việc
giải quyết các bài toán tổ hợp khó. Metaheuristic bao gồm những chiến lược khác
nhau trong việc khám phá không gian tìm kiếm bằng cách sử dụng những
phương thức khác nhau và phải đạt được sự cân bằng giữa tính đa dạng và
chuyên sâu của không gian tìm kiếm. Một cài đặt thành công của metaheuristic
trong một bài toán tổ hợp phải cân bằng giữa sự khai thác được kinh nghiệm thu

thập được trong quá trình tìm kiếm để xác định được những vùng với những lời
giải có chất lượng cao gần tối ưu. Những ví dụ của metaheuristic bao gồm giải
thuật luyện thép (SA) , giải thuật di truyền (GA) , giải thuật đàn kiến (ACO) ,…
Giải thuật đàn kiến là metaheuristic dùng chiến lược của kiến trong thế giới thực
để giải bài toán tối ưu. SA xuất phát từ phương thức xác suất và kỹ thuật luyện
bao gồm việc nung và điều khiển làm nguội các kim loại để đạt được trạng thái
năng lượng nhỏ nhất .Trong khi đó giải thuật di truyền dựa trên ý tưởng từ cơ chế

4


di truyền trong sinh học và tiến trình tiến hóa trong cộng đồng các cá thể của 1
loài.
Với độ phức tạp tính toán cao của các bài toán tối ưu tổ hợp cũng như đòi hỏi về
mặt thời gian , việc giải các bài toán này yêu cầu cần phải có những cài đặt song
song hóa hiệu quả của các giải thuật để giải quyết chúng. Song song hóa các giải
thuật metaheuristic phải đạt được 2 yêu cầu : đa dạng hóa để khám phá được
nhiều vùng trong không gian tìm kiếm và tăng tốc độ tìm kiếm . Nhiều mô hình
song song hoái đã được đề xuất cho nhiều metaheuristic. ACO và GA đều là các
cách tiếp cận dựa trên tập cá thể và vì vậy khá tự nhiên cho việc xử lý song
song . Tuy nhiên SA thì vốn đã mang tính tuần tự và rất chậm cho các bài toán
với không gian tìm kiếm lớn nhưng vẫn có một vài kỹ thuật song song hóa có thể
được áp dụng để tăng tốc độ tìm kiếm.
Đồ án nhằm mục đích nghiên cứu ,cài đặt thực tế các giải thuật song song hóa
metaheuristic nhằm mục đích so sánh hiệu quả của từng giải thuật và khả năng
song song hóa của các mô hình song song cho việc tìm kiếm lời giản gần tối ưu
của bài toán TSP.

5

6


CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU TỔNG QUAN QUẦN THỂ, CÁC
THUẤT TOÁN TIẾN HOÁ QUẦN THỂ
1.1 Giới Thiệu Cơ Sở Sinh Học Của Lý Thuyết Quần Thể(Bầy Đàn)
Khi người Ai Cập lần đầu tiên bắt đầu để giữ cho ong mật 5.000 năm
trước, họ chắc chắn phải ngạc nhiên về vẻ đẹp của chiếc lược của các con ong.
Không chỉ là tổ ong đẹp, nhưng làm thế nào những con ong quyết định để xây
dựng các tế bào lục giác và không phải là tế bào hình thức khác? Ban đầu nó đã
được đề xuất rằng các tế bào lục giác giữ mật ong nhất, nhưng các nhà vật lý
Pháp RAF de R'eaumur nhận ra rằng nó không phải là tính các tế bào, nhưng số
tiền sáp, vật liệu, đó là cần thiết để phân chia một khu vực nhất định vào các tế
bào bằng nhau. Rõ ràng tại thời điểm đó nó đã được giả định rằng những con ong
"bằng cách mù quáng đã sử dụng đột phá toán học bằng cách hướng dẫn của
Thiên Chúa và lệnh "(Ball 1999). Mãi cho đến Darwin mới đưa ra quan điểm là
sự hướng dẫn thiêng liêng đã được gỡ bỏ và các tế bào lục giác được cho là kết
quả của chọn lọc tự nhiên. Theo quan điểm này, tổ tiên của những con ong 'thử
nghiệm' với các tế bào hình khác nhau, nhưng những con ong mà tình cờ 'quyết
định' để xây dựng các tế bào lục giác đã làm tốt hơn, và như là một kết quả, xây
dựng các tế bào lục giác lây lan. Nói cách Darwin, “Vì vậy, như tôi tin rằng, hầu
hết các chiến thắng của tất cả các bản năng được biết đến, đó là con ong, tổ ong
có thể được giải thích là do tự nhiên lựa chọn nhiều lần, liên tiếp, thay đổi chút ít
bản năng đơn giản, chọn lọc tự nhiên có độ chậm, nhiều hơn và nhiều hơn nữa để
đạt độ hoàn hảo, đã khiến những con ong làm việc bình đẳng tại một khoảng
cách nhất định từ mỗi một lớp kép”.
Trong thực tế, nhiều trường hợp hình thành mô hình tự phát có thể được
giải thích bởi các lực lượng vật lý, và các mảng gần như vô tận của các mẫu và
hình dạng được tìm thấy xung quanh chúng ta.Sau khi kiểm tra chặt chẽ hơn, sự

tương đồng tuyệt vời bộc lộ ra giữa các mô hình và hình dạng của các đối tượng
rất khác nhau, các đối tượng sinh học cũng như bẩm sinh.Như đã ám chỉ ở trên,
mô hình lục giác đặc trưng được tìm thấy trên tổ ong không phải là duy nhất,
cùng một khuôn mẫu có thể thu được bằng cách nung nóng một chất lỏng thống
7


nhất từ dưới lên.Hệ thống khuếch tán Autocatalytic phản ứng sẽ dẫn đến mô hình
Turing (nghĩ sọc trên con hổ) trong cả hai hóa chất và phương tiện sinh học
(Kondo và Asai 1995; bóng 1999), và khoáng chất hình thành mô hình đã được
nhầm lẫn cho thêm hóa thạch trên mặt đất (McKay et al1996)..
Tất cả các mô hình mô tả ở trên đã được giải thích bằng cách tiếp cận các
hệ thống từ dưới lên: và làm thế nào để các hạt tương tác với nhau với môi
trường trực tiếp của mình? Một người có thể không thực sự ngạc nhiên bởi thực
tế là phương pháp tương tự giúp người ta hiểu các phân tử. Trong phần sau đây
sẽ minh họa làm thế nào một cách tiếp cận từ dưới lên có thể giải thích một tính
năng đáng chú ý của ong mật: các mô hình điển hình của phấn hoa, mật ong và
cá bố mẹ được tìm thấy trên lược. Các của ong mật lược là không chỉ là 1 ngạc
nhiên vì gần như các tế bào lục giác của nó hoàn hảo, những con ong dường như
làm các tế bào với bố mẹ (trứng có phát triển thành ấu trùng và sau đó nhộng nổi
lên như là công nhân trẻ tuổi hoặc nam giới), phấn hoa (để nuôi bố mẹ) và mật
hoa (mà sẽ được chuyển đổi thành mật ong) trong một mô hình đặc trưng. Mô
hình này bao gồm ba khu vực khác nhau, đồng tâm: một khu vực trung tâm bố
mẹ, viền xung quanh phấn hoa, và một lớn khu vực ngoại vi của mật ong (Hình
1). Nếu chúng ta hình dung thuộc địa ong mật là một cấu trúc ba chiều, mô hình
này được phát âm trong các lược trung tâm, nơi giao nhau một phần lớn khối
lượng gần như hình cầu của bố mẹ. Làm thế nào để mô hình này? Các lưu trữ
gần phấn hoa để bố mẹ chắc chắn làm cho ý nghĩa vì nó làm giảm thời gian cần
thiết để có được những phấn hoa tới bố mẹ. Nhưng làm thế nào để những con
ong biết điều này? Họ sử dụng một bản thiết kế (hoặc mẫu) để sản xuất mô hình

đặc trưng này, ngụ ý rằng có vị trí đặc biệt quy định cho sự lắng đọng của mật
hoa, phấn hoa và bố mẹ? Hoặc là mô hình selforganized và nổi lên một cách tự
nhiên từ sự năng động tương tác giữa các con ong chúa, ong thợ của chúng và bố
mẹ? Scott Camazine thiết lập để xác định hai giả thuyết này là hầu hết tiêu dùng
tiết kiệm (Camazine 1991).
Vẻ đẹp của việc làm trên các thực thể vĩ mô như côn trùng là cá nhân bạn
có thể đánh dấu chúng. Sau đó có thể chứa chúng trong tổ quan sát, một ngôi nhà
8


vách kính cho những con ong.Điều này có thể biết sự tương tác của những con
ong cá nhân đánh dấu mà không cần lấy chúng ra khỏi môi trường tự nhiên của
chúng (xem hình 1)..

Hình1.Do kích thước tương đối lớn, chúng ta có thể dễ dàng đánh dấu
những con ong cá nhân ở thuộc địa.Trong thuộc địa đặc biệt này đã đánh dấu
5.000 con ong bằng cách kết hợp biển số và màu sơn khác nhau.Điều này cho
phép chúng ta nghiên cứu hành vi của chúng ở một mức độ cá nhân.
Camazine đã làm điều đó. Ông theo dõi hành vi đẻ trứng của ong chúa,
kiếm ăn trở lại với phấn hoa hay mật hoa, và ong thợ, những cá thể mang thức ăn
cho cá bố mẹ. Việc đầu tiên mà ông quan sát được rằng ong chúa khá cẩu thả
trong hành vi đẻ trứng của mình, di chuyển về trong zig-zag như cách thức,
thường bị thiếu các tế bào có sản phẩm nào và retracing bước của mình.
Camazine hơn nữa nhận thấy rằng ong chúa có một sở thích rõ ràng để đặt một
khoảng cách nhất định từ ngoại biên của lược và không bao giờ nhiều hơn một
vài độ dài tế bào của các tế bào bố mẹ có chứa gần nhất. Mặc dù ong chúa phần
nào có một chút ưu tiên ít nhất là giữa của lược và vùng phụ cận của bố mẹ, con
ong trở về với phấn hoa hay mật hoa không có vẻ có một ưu đãi cho các tế bào
cụ thể ở tất cả. Mặc dù không có ưu tiên rõ ràng bác bỏ giả thuyết kế hoạch chi
tiết, nó không giải thích làm thế nào các mô hình đặc trưng cuối cùng phát sinh

Khi nó quay ra, ong có một sở thích rõ ràng khi chúng loại bỏ phấn hoa,
mật ong từ các tế bào. Cả mật ong và phấn hoa được ưu tiên từ các tế bào gần
nhất để bố mẹ. Bằng cách làm theo các mô hình của tế bào làm rỗng trong một
khoảng thời gian trong hoạt ðộng tìm kiếm thức ãn thấp (qua ðêm hoặc trong
mýa), Camazine quan sát thấy rằng tất cả các tế bào ðã được làm trống của phấn
hoa hay mật hoa của chúng được đặt trong hai tế bào từ một tế bào có chứa cá bố
9


mẹ. Không có tế bào được làm trống hơn nữa từ các tế bào bố mẹ. Nó rất dễ dàng
để xem lý do tại sao những con ong sẽ có một sở thích cho việc loại bỏ (thông
qua sử dụng) của phấn hoa được tìm thấy gần nhất để bố mẹ, vì nó là cá bố mẹ
mà tiêu thụ phấn hoa. Ngoài ra, ong thợ là những con ong trẻ hạn chế hoạt động
của chúng đến khu vực bố mẹ (Seeley 1982).
Việc loại bỏ ưu đãi của phấn hoa và mật hoa từ các tế bào gần nhất với các
tế bào có chứa cá bố mẹ và sở thích của ong chúa để đẻ trứng trong các tế bào
gần với hiện thực cá bố mẹ Camazine thực hiện điều này có thể giải thích mô h́nh
lược đặc tính của ong mật. Nhưng làm thế nào để chứng minh điều này? Đây là
nơi mà các phương pháp của vật lý. Bằng cách xây dựng một mô hình mô phỏng
dựa trên những quan sát hành vi của mình, Camazine đã có thể theo sát sáp nhập
của các mô hình. Ban đầu, cả hai phấn hoa và mật hoa được gửi ngẫu nhiên trong
suốt khung với ong chúa lang thang trên lược từ quan điểm của mình bắt đầu từ
ban đầu. Mặc dù lưu trữ ngẫu nhiên của các hạt phấn hoa và mật hoa, xu hướng
đẻ trứng trong vùng lân cận của các tế bào mà đã chứa cá bố mẹ của ong chúa
nhanh chóng kết quả trong một lĩnh vực mà bố mẹ chủ yếu được tìm thấy. Điều
này được tăng cường bởi sở thích của các con ong để loại bỏ mật ong và phấn
hoa từ các tế bào gần gũi với bố mẹ, làm tăng sự sẵn có cho ong chúa của các tế
bào để đẻ trứng. Điều này làm giảm số lượng của các tế bào có sẵn cho việc lưu
trữ của mật ong hoặc phấn hoa. Như vậy, khu vực bố mẹ liên tục tự do của mật
ong và phấn hoa và đầy kết quả trứng trong một cấu trúc bố mẹ nhỏ gọn. Nhưng

làm thế nào để phấn hoa và mật hoa bị chia cách (Hình 2)?

10


Hình 2.Các mô hình điển hình của mật ong (tế bào màu xám), phấn hoa
(tế bào màu trắng), và bố mẹ (các tế bào màu đen) như trên lược của ong mật.
Trong ảnh là góc trên bên trái của lược
Bởi vì ban đầu cả hai được gửi ngẫu nhiên, cả hai phấn hoa và mật hoa sẽ
có mặt ở ngoại vi của lược. Tuy nhiên, hầu hết các phấn hoa mà được thu thập
trên một cơ sở hàng ngày được tiêu thụ cùng ngày. Điều này có nghĩa là bình
thường dao động trong sẵn sàng phấn hoa, thường có một lỗ của phấn hoa, với
hiện tại phấn hoa ở ngoại vi được tiêu thụ ở mức gần tương tự như phấn hoa
được lưu trữ ở nơi khác. Đồng thời, các tế bào này có sản phẩm nào có thể được
lấp đầy với mật hoa, lượng mật hoa là cao hơn nhiều, và ngay sau đó là không
còn không gian để lưu trữ phấn hoa. Được phấn hoa được lưu trữ sau đó?
Thời gian phát triển từ trứng đến trưởng thành là 21 ngày, có nghĩa là ba
tuần một tế bào bố mẹ không có thể được sử dụng cho bất cứ điều gì khác. Tuy
nhiên, trong khu vực giao diện giữa bố mẹ và các cửa hàng mật ong ở ngoại vi,
loại bỏ ưu đãi của mật ong và phấn hoa liên tục cung cấp một khu vực trong đó
các tế bào được làm trống ở một tỷ lệ tương đối cao. Và nó là những tế bào mà
có sẵn cho phấn hoa. Các tế bào khác trở nên có sẵn bởi vì con ong xuất hiện từ
họ được tìm thấy ở giữa các tổ bố mẹ, nhưng sau đó sẽ được ưu tiên làm trống và
một lần nữa đầy trứng.
Nếu không có Camazine mô phỏng máy tính của mình sẽ không thể hiểu
đầy đủ về hành vi của những con ong cá nhân trong các mô hình tổ chức, cá bố
mẹ của mật ong và phấn hoa trên lược của những con ong. Và đây là một nguyên
tắc chung của hành vi động vật tập thể: không có các công cụ như mô phỏng
hoặc toán học, nó là không thể dịch hành vi cá nhân vào hành vi tập thể. Và nó là
chính xác với những công cụ ban đầu đến từ các ngành bên ngoài của sinh học,

và với quan điểm rằng sự tương tác giữa các cá nhân mang lại cái nhìn sâu vào
hành vi của tập thể. Trong thực tế, bằng cách minh họa mà ngay cả sinh học
henomena có thể thường xuyên hơn parsimoniously được hiểu bằng cách sử
dụng giải thích vật lý, và nhiều hệ thống, cả hai bẩm sinh và sinh hoạt, chia sẻ
các nguyên tắc vật lý như nhau. Và nó đã chính xác được những tương đồng và
11


áp dụng rộng các quy tắc toán học chi phối hành vi đa dạng đã dẫn đến các lĩnh
vực Swarm Intelligence (ví dụ như Dorigo et al 1996; Dorigo và Di Caro 1999).
Tuy nhiên, điều quan trọng là nhận ra rằng 'hạt' là phức tạp hơn so với các
phân tử và nguyên tử và các "quy tắc đơn giản của ngón tay cái của tổ chức tự
(Nicolis và Prigogine 1977) đã chỉ giới hạn quyền lực giải thích khi nói đến hệ
thống sinh học(Seeley 2002). Bên cạnh sự phức tạp của các cá nhân, thì không
thể bỏ qua chọn lọc tự nhiên diễn xuất.Nếu các nguyên tắc cơ bản chi phối hành
vi xây dựng kết quả mối thuộc địa, mức độ hành vi đó là từ chức năng, điều này
sẽ được nhanh chóng lựa chọn chống lại. Đó là sự thật rằng nếu cùng một mô
hình toán học hoặc thuật toán hành vi nắm bắt được hành vi của các hệ thống
khác nhau, sau đó chúng ta có thể nói về sự tương đồng giữa các hệ thống đi xa
hơn tương tự đơn giản (Sumpter 2005).
 Phân cấp quyết định làm
Sự tiến hóa của tính xã hội, hiện tượng cá nhân sống chung với nhau trong
một tổ như được tìm thấy trong rất nhiều con ong và ong bắp cày, và tất cả kiến
và mối, đã tạo ra nhu cầu chuyển giao thông tin giữa các thành viên trong nhóm.
Không còn có thể mỗi cá nhân chỉ đơn giản là cư xử như thể cô độc, nhưng hành
động của các thành viên trong nhóm khác nhau cần phải được chỉnh cẩn thận để
đạt được hành vi thích ứng ở các mức độ của cả nhóm. Thuộc địa côn trùng cần
phải thực hiện nhiều quyết định tập thể, ví dụ như thức ăn gia súc, làm tổ mới để
di chuyển đến, khi sinh sản, và làm thế nào để phân chia các nhiệm vụ cần thiết
trong số các công việc có sẵn buộc. Để minh họa cách thuộc địa côn trùng đạt

được điều này qua việc mô tả di chuyển theo nhóm .
Di chuyển theo nhóm
Trong nhiều loài động vật, cá nhân di chuyển trong các nhóm khi chúng
thực hiện di cư theo mùa, đi đến nguồn thức ăn và trở về nơi trú ẩn an toàn,
thường là trên một khoảng cách đáng kể (Boinski và Garber 2000 Krause và
Ruxton 2002; Couzin và Krause 2003). Sự chuyển động của các nhóm này
thường được phát sinh từ các tương tác địa phương giữa các cá nhân chứ không
phải từ một trung tâm chỉ huy phân cấp. Nhóm tự tổ chức phong trào không hạn
12


chế cho các nhóm tương đối đơn giản, sinh vật như bầy côn trùng hoặc trường
học của cá, nhưng thậm chí có thể bao gồm các loài 'thông minh' như chúng ta.
Có hai cách cực đoan, trong đó nhóm có thể 'quyết định' trên một hướng
của phong trào. Hoặc là tất cả các cá nhân trong nhóm đóng góp vào sự đồng
thuận, hoặc người nào khác, cá nhân tương đối ít (cho thuận tiện, chúng ta sẽ gọi
các nhà lãnh đạo) có thông tin về điểm đến du lịch của nhóm và hướng dẫn phần
lớn không hiểu rõ. Như vậy, ở một số loài, tất cả các cá nhân trong một nhóm
chia sẻ một xu hướng di truyền xác định đi theo một hướng nhất định (Berthold
và Querner 1981; Berthold et al 1992), tất cả đều được tham gia trong việc lựa
chọn một hướng đi cụ thể (Neill 1979; Gr ¨ unbaum 1998). Ngược lại, một vài cá
nhân thông tin trong một trường học của cá có thể xác định chuyển động tìm
kiếm thức ăn của nhóm và có thể chỉ đạo một nhóm hướng tới một mục tiêu
(Reebs 2000, Swaney et al. 2001). Tương tự như vậy, cá nhân rất ít (khoảng 5%)
trong một đàn ong mật có thể hướng dẫn nhóm đến một trang web tổ mới (Seeley
et al. 1979). Khi các nhà lãnh đạo hiện nay, câu hỏi đặt ra là làm thế nào các cá
nhân thông báo chuyển thông tin định hướng đến đa số không hiểu rõ. Tương tự
như vậy, trong sự vắng mặt của các nhà lãnh đạo như thế nào là sự đồng thuận về
hướng đi du lịch?
Gần đây, hai nghiên cứu lý thuyết đã giải quyết vấn đề chuyển giao thông

tin từ thông báo cho các thành viên nhóm không hiểu rõ. Stefan Janson, Martin
Middendorf và Madeleine Beekman (2005) mô hình hóa một tình huống trong đó
các cá nhân, thông tin làm cho sự hiện diện của họ được biết đến bằng cách di
chuyển ở tốc độ cao hơn so với các thành viên trong nhóm trung bình trong sự
chỉ đạo của du lịch. Hướng dẫn của nhóm được thực hiện bởi cá nhân không hiểu
rõ việc xếp thẳng hướng của phong trào với các nước láng giềng của họ. Bởi vì
các cá nhân thông tin ban đầu di chuyển nhanh hơn, họ có một ảnh hưởng lớn
hơn về phong trào hướng của các cá nhân không hiểu rõ, do đó chỉ đạo nhóm.
Một mô hình thứ hai bởi Iain Couzin và các cộng sự (2005) cho thấy sự
chuyển động của một nhóm có thể được hướng dẫn bởi một vài cá nhân thông tin
mà không có những cá nhân cung cấp các tín hiệu hướng dẫn rõ ràng và thậm chí
13


không có bất kỳ cá nhân trong nhóm”được biết” Ao cá nhân đều có thông tin về
đi du lịch chỉ đạo. Chỉ có các thành viên thông tin của nhóm có một hướng ưu
tiên, và nó là xu hướng của họ để đi theo hướng này để lái nhóm. Sự khác biệt
chính giữa hai mô hình nằm trong sự hiện diện hay vắng mặt của các tín hiệu
hoặc tín hiệu từ các cá nhân thông tin cho đa số không hiểu rõ. Janson et al, AOS
(2005) lãnh đạo. Rõ ràng làm cho sự hiện diện của họ được biết đến, trong khi
Couzin et al., AOS (2005) mô h́nh cho thấy rằng lănh đạo có thể phát sinh đơn
giản là một chức năng của thông tin khác nhau giữa các cá nhân thông tin và
không hiểu rõ, không có các cá nhân không hiểu rõ có thể nói với những người
thân mà có thêm thông tin. Có vẻ như có khả năng rằng cơ chế hướng dẫn chính
xác là phụ thuộc vào loài.
Khi nhóm cần để di chuyển nhanh chóng, ví dụ như 1 bầy ong mật mà
không thể chạy nguy cơ mất nữ hoàng của nó trong thời gian , sự hiện diện của
các nhà lãnh đạo mà rõ ràng báo hiệu sự hiện diện của họ có thể là cần thiết, như
nhóm khác phải mất một thời gian dài để bắt đầu di chuyển vào hướng ưu tiên.
Tuy nhiên, khi tốc độ của phong trào là ít quan trọng hơn sự gắn kết nhóm, ví dụ

bởi vì trong một nhóm làm giảm cơ hội của loài săn mồi, các nhà lãnh đạo không
cần phải báo hiệu sự hiện diện của họ.
Nếu không có nhà lãnh đạo, bước đầu tiên cần thiết trước khi một nhóm
có thể bắt đầu di chuyển gắn bó khăng khít là sự đồng thuận giữa các cá nhân ơ
một mức độ nào đó trong sự liên kết của họ. Làm thế nào là đạt được khi không
có nhà lãnh đạo?Hầu hết khả năng có một số lượng tối thiểu của các cá nhân cần
phải được liên kết trong cùng một hướng trước khi nhóm có thể bắt đầu di
chuyển theo một hướng cụ thể mà không vi phạm.Nếu số lượng cá nhân đều liên
kết bên dưới ngưỡng này, các nhóm không di chuyển gắn bó khăng khít.Ngay sau
khi này bị vượt quá ngưỡng, phong trào phối hợp đạt được.Một quá trình chuyển
đổi phi tuyến tính ở ngưỡng được biết đến trong lý thuyết vật lý và toán học như
là một giai đoạn chuyển tiếp khi phát hiện gần đây, lần đầu tiên, tương tự như
quá trình chuyển đổi trong các hệ thống sinh học (Beekman et al 2001). lý thuyết
vật lý đã phát triển một bộ các mô hình, gọi là mô hình hạt tự hành (SPP), mà cố
14


gắng để nắm bắt các hiệu ứng chuyển tiếp giai đoạn trong hành vi tập thể (Vicsek
et al 1995).
SPP mô hình nhằm mục đích để giải thích sự năng động nội tại của các
nhóm lớn của cá nhân. Sau đó sẽ hiển thị khuôn khổ lý thuyết này có thể được áp
dụng cho sự vận động chung của châu chấu. Nhưng trước tiên sẽ mô tả một số
kết quả thử nghiệm về phong trào nhóm trong bầy ong, châu chấu.
1.1.1. Ong mật di chuyển
Quyết định nơi để sống chỉ là một phần của vấn đề một đàn ong mật. Vấn
đề thứ hai phát sinh khi quyết định đó đã được thực hiện như thế nào số lượng
nhỏ các thông tin ong (khoảng 5%) chuyển tải thông tin định hướng cho đa số
các con ong không am hiểu trong một cách mà bầy di chuyển trong sự đồng
thuận? Trong phần trước đã mô tả hai khả năng lý thuyết: hoặc là lãnh đạo báo
hiệu sự hiện diện của chúng phần lớn không hiểu rõ, hoặc chúng không chỉ đơn

giản là di chuyển theo hướng ưa thích của chúng. Trong thực tế, mô hình của
Janson và các đồng nghiệp đã được lấy cảm hứng từ một đề nghị được thực hiện
vào đầu những năm 1950 bởi Martin Lindauer (1955). Lindauer quan sát thấy
trong bầy trong không khí mà một số con ong bay qua các đám mây đám ở tốc độ
cao và theo hướng du lịch chính xác, dường như "chỉ hướng đến các trang web tổ
mới. Ông đề nghị rằng những con ong bay nhanh, sau đó đặt tên 'streakers
(Beekman et al, 2006), là các cá nhân, thông tin hoặc các trinh sát. Một trong các
trang web lĩnh vực của mình là gần một bệnh viện tâm thần và tin đồn có một
ngày, anh được nhầm lẫn với một bệnh nhân bị bệnh tâm thần (Tom Seeley,
thông tin liên lạc cá nhân). May mắn thay, Lindauer chạy nhanh hơn so với các
vệ sĩ đã cố gắng để bắt kịp anh ta, trong đó cung cấp cho một một dấu hiệu của
cách nhanh chóng một bầy ong ruồi!
Một thay thế cho giả thuyết của Lindauer (mà chúng ta sẽ chỉ là giả thuyết
'tầm nhìn') là giả thuyết khứu giác của Avitabile et al. (1975). Họ đề xuất rằng
các trinh sát cung cấp hướng dẫn bằng cách giải phóng pheromone lắp ráp từ
Nasanov tuyến của họ (1 tuyến giữa của 2 tergites cuối cùng của bụng các của
ong) vào 1 bên của các đám mây bầy đàn, do đó tạo ra 1 Gradient mùi đó có thể
15


hướng dẫn các con ong khác trong bầy. Cho đến gần đây không phải là giả thuyết
tầm nhìn cũng không phải giả thuyết khứu giác đã được thử nghiệm thực nghiệm,
mặc dù các nhà điều tra đã xác nhận báo cáo Lindauer có streakers trong bầy bay
(Seeley et al 1979; Dyer 2000).
Madeleine Beekman, của Rob Fathke và các Tom Seeley (2006) đã quyết
định rằng đó là thời gian để làm sáng tỏ về vấn đề này. Trong nghiên cứu này, họ
đã làm hai điều. Họ đã nghiên cứu chi tiết các chuyến bay của bầy ong mật bình
thường (có chứa khoảng 15.000 con ong) và nhỏ hơn (4,000-5,000 ong) bầy trong
đó tuyến Nasanov của ong đã được niêm phong đóng cửa bằng cách áp dụng sơn
để mọi ong duy nhất trong bầy đàn. Điều này có nghĩa rằng bầy kín-ong không thể

phát ra pheromone Nasanov (họ đã có để áp dụng sơn cho tất cả các con ong trong
bầy bởi vì họ không có phương tiện biết con ong sẽ được các tuyển trạch viên).
Bằng cách sử dụng một trang web baitnest rằng họ đã làm cực kỳ hấp dẫn một bầy
ong, họ có thể là gần như chắc chắn rằng bầy của họ sẽ chọn trang web đó làm tổ.
Điều này cho phép họ thực hiện theo bầy đàn (như Lindauer đã thông qua Munich,
mặc dù họ sử dụng một trường mở), đo tốc độ của nó và thời gian nó đã bầy đàn
để giải quyết trong ngôi nhà mới của nó. Sử dụng thủ tục này và một số bầy ong
kín, cho phép họ để cho thấy rằng ngay cả khi mỗi con ong duy nhất trong bầy là
không thể sản xuất các pheromone Nasanov, bầy đàn vẫn có thể bay nhiều hơn
hoặc ít trực tiếp hướng tới các trang web tổ mới. Từ đó họ kết luận rằng các tuyển
trạch viên không sử dụng pheromone để hướng dẫn bầy.
Chứng minh các giả thuyết tầm nhìn là khó khăn hơn.Họ quyết định rằng
một bước đầu tiên sẽ là để cho thấy rằng có sự thay đổi về tốc độ bay và hướng
bay trong số những con ong cá nhân trong một đám bay bằng cách chụp ảnh của
một đám lớn trong suốt chuyến bay của mình để tổ mồi như những con ong cá
nhân xuất hiện như là nhỏ,vệt tối trên nền sáng. Các nhanh hơn tốc độ bay của
một con ong, còn vệt sản xuất bằng cách sử dụng kỹ thuật này (con ong bay
trong mặt phẳng của tầm nhìn). Mỗi bức ảnh được phân tích bằng cách chiếu lên
một bề mặt màu trắng để tạo ra một hình ảnh mở rộng. Sau đó, họ đo chiều dài
(mm) và góc (theo độ, tương đối so với chiều ngang) của mỗi vệt tối ở tập trung
16


trong hình ảnh mở rộng. Bởi vì một tham chiếu kích thước mặt trong mỗi bức
ảnh, và bởi vì mỗi bức ảnh ghi lại sự di chuyển của ong trong một khoảng thời
gian được biết đến (1/30 s), họ đã có thể tính toán cho mỗi bức ảnh là yếu tố
chuyển đổi giữa chiều dài vệt và tốc độ bay. Sử dụng thủ tục này, họ có thể định
lượng những gì họ thấy trong khi đang chạy với bầy: một phần của những con
ong bay nhanh hơn nhiều trong sự chỉ đạo của du lịch trong khi đa số các con
ong bay chậm hơn nhiều và với các đường bay cong. Hơn nữa, những con ong

bay nhanh, các streakers, xuất hiện phổ biến nhất trong khu vực trên của bầy đàn.
Đối với con người, và có lẽ cũng cho ong, streakers nhiều hơn nữa dễ dàng nhìn
thấy trên bầu trời tươi sáng hơn là mặt đất tối hoặc thực vật, như vậy bằng cách
bay trên hầu hết các con ong trong bầy, các streakers này có thể được tạo điều
kiện thuận lợi cho việc chuyển giao thông tin chỉ đạo của họ để những con ong
khác. Công việc trong tương lai nên tập trung vào xác định nếu nó thực sự là
streakers các trinh sát, những người có thông tin về vị trí của các trang web tổ
mới.
1.1.2.Châu chấu.
Đến thời điểm này chúng ta đã xem xét ví dụ tự tổ chức và trí thông minh
bầy đàn cao cấu trúc các nhóm xã hội, trong đó có sự phân biệt giữa các cá nhân
sinh sản và công nhân nhiều hơn hoặc ít vô trùng và phân chia rõ rệt của lao
động giữa người lao động.Nhưng không phải tất cả các nhóm động vật gắn bó
khăng khít hành xử như vậy cấu trúc.Một số bao gồm các cá nhân cơ bản là tất cả
như nhau. Và, như chúng ta sẽ thấy trong phần tiếp theo, các lực lượng mà ràng
buộc và thúc đẩy các nhóm như vậy có thể được thực sự rất nham hiểm.
Trong phần lớn thời gian giống như bất kỳ con châu chấu vô hại khác
nhưng, đôi khi, catastrophically, chúng thay đổi và thay vì sống cuộc sống đơn
độc, sản xuất lớn, quy tụ di cư. Khi chưa thành niên chúng hình thành các ban
nhạc diễu hành. mở rộng cho km. Một khi trở nên trưởng thành có cánh,chúng có
thể di cư là hàng trăm km vuông trong khu vực và du lịch hàng trăm cây số mỗi
ngày. Hơn 1/5 bề mặt đất của trái đất là nguy cơ từ bệnh dịch này và sinh kế của
một trong mười người trên hành tinh có thể bị ảnh hưởng.
17


Tại trung tâm của sự hình thành bầy đàn và di cư là sự chuyển đổi từ hành
vi nhút nhát, khó hiểu của châu chấu giai đoạn solitarious, mà là tương đối ít vận
động và tránh nhau, hành vi hoạt động rất mạnh và xu hướng tổng hợp điển hình
của côn trùng giai đoạn sống thành bầy. Trong những năm gần đây tiến bộ đã

được thực hiện trong việc hiểu cơ chế sinh lý và thần kinh kiểm soát giai đoạn
thay đổi hành vi trong châu chấu. Châu chấu sa mạc gợi gregarization hành vi
kích thích kinh tế trọng điểm là kích thích các thụ thể cảm ứng nhạy cảm trên
chân sau (nhảy). Các thụ thể thông qua dự án xác định các con đường thần kinh
đến hệ thống thần kinh trung ương và gây ra phát hành một bộ thần kinh điều
biến, trong đó có serotonin bắt đầu quá trình chuyển đổi thông qua hành động
của nó trên các mạch thần kinh kiểm soát hành vi (Simpson et al 2001;. Rogers
và cộng sự năm 2003. 2004; Anstey et al, chưa xuất bản).
Đặc điểm giai đoạn, bao gồm cả hành vi, không chỉ thay đổi trong cuộc
sống của một cá nhân, họ cũng epigenetically tích lũy qua nhiều thế hệ (Simpson
et al 1999; Simpson và Miller 2007).Các nữ Solitarious sản xuất con non được
tập tính gregarized đến một mức độ phản ánh mức độ và recency của đông đúc
mẹ. Nếu lần đầu tiên tại thời điểm đẻ trứng của mình, người mẹ sẽ sản xuất đầy
đủ theo bầy hành vi con cái.
Ngược lại, nếu con cái sống thành bầy thấy mình một mình khi đẻ trứng,
nó sẽ sản xuất một phần tính hành động solitarized trẻ (đạo Hồi et al 1994a, b;.
Boua ¨ ichi et al 1995). Hiệu quả gregarizing được trung gian bởi một chất hóa
học mà người mẹ sản xuất trong tuyến phụ kiện sinh sản của mình và cho biết
thêm để bọt trứng trong đó cô đẻ trứng của mình trong đất (McCaffery et al
1998). Trong hiệu lực, châu chấu cái sử dụng kinh nghiệm của mình được đông
đảo dự đoán mật độ dân số trẻ của chúng sẽ trải nghiệm khi đang nổi lên từ trứng
và predispose để hành xử một cách thích hợp. Như một kết quả thay đổi giai
đoạn tích lũy qua nhiều thế hệ. nhóm hình thành
Giai đoạn thay đổi hành vi trong phạm vi cá nhân thiết lập một vòng phản
hồi tích cực, trong điều kiện môi trường thích hợp thúc đẩy sự chuyển đổi nhanh
chóng của dân số từ solitarious giai đoạn sống thành bầy. Nếu có thể, châu chấu
18


solitarious sẽ tránh nhau. Tuy nhiên, nếu môi trường buộc chúng đến với nhau,

tiếp xúc gần gũi giữa các cá nhân sẽ nhanh chóng tạo ra việc chuyển đổi từ tránh
để tập hợp hoạt động, mà sẽ lần lượt thúc đẩy gregarization hơn nữa và dẫn đến
hình thành các nhóm. Cho rằng giai đoạn sống thành bầy châu chấu di cư và di
chuyển cùng nhau, hoặc như các ban nhạc diễu hành của người chưa thành niên
hoặc các đám trưởng thành có cánh, có khả năng rằng các nhóm địa phương kết
hợp lại, cuối cùng giống hình thành những đàn lớn trong khu vực.
Ngược lại, khi các cá nhân tổng hợp trước đó tách ra, chúng sẽ bắt đầu
solitarize, do đó làm giảm xu hướng để tổng hợp và do đó, thúc đẩy solitarization
hơn nữa. Nếu môi trường sống có xu hướng để giữ cho châu chấu ngoài, sau đó
cuối cùng sẽ dẫn đến resolitarization của một dân số sống thành bầy. Thật thú vị,
việc chuyển đổi từ solitarious để sống thành bầy xảy ra nhanh hơn quá trình
chuyển đổi ngược lại (Roessingh và Simpson 1994), cho thấy một hiệu ứng trễ.
Các mối quan hệ giữa phân bổ nguồn lực, nguồn tài nguyên phong phú, và
quy mô dân số châu chấu đã được khám phá bằng cách sử dụng các mô phỏng
máy tính dựa trên cá nhân, tham số bằng cách sử dụng các dữ liệu thử nghiệm từ
châu chấu (Collett et al 1998). Mức độ gregarization trong một gia tăng dân số
mô phỏng với mật độ tăng dân số châu chấu và kết khối càng tăng của nguồn
thức ăn. Khu vực quan trọng mà tại đó quần thể solitarious gregarize chóng xuất
hiện trong mô hình trên kết hợp đặc biệt của sự phong phú tài nguyên, phân phối
nguồn lực và quy mô dân số. Dữ liệu thử nghiệm sau đó hỗ trợ các dự đoán từ
các mô hình mô phỏng (Despland et al 2000).
Các mô hình không gian của phân phối thực phẩm tương tác với chất
lượng dinh dưỡng của thực phẩm để xác định sự lây lan của giai đoạn thay đổi
trong dân số địa phương (Despland và Simpson 2000b). Tác dụng dinh dưỡng
được trung gian thông qua sự khác biệt trong phong trào châu chấu (Simpson và
Raubenheimer 2000). Côn trùng cung cấp các bản vá lỗi thực phẩm kém chất
lượng được đánh giá cao hoạt động và có khả năng liên lạc với nhau và gregarize
ngay cả khi bản vá lỗi thực phẩm không co cụm. Ngược lại, châu chấu với các
bản vá lỗi thực phẩm dinh dưỡng tối ưu không di chuyển ra xa sau khi ăn, dẫn
19

đến hạn chế tương tác vật lý giữa các cá nhân, ngay cả khi bản vá lỗi thực phẩm
được đánh giá cao clumped.
Rõ ràng là quy mô nhỏ các tính năng của môi trường sống như chất lượng
tài nguyên, sự phong phú và phân phối có thể thúc đẩy hoặc cản trở việc thay đổi
giai đoạn trong vòng dân địa phương.Các mô hình tương tự dường như áp dụng ở
quy mô trung gian của một số lượng nhỏ km (Babah và Sword, 2004), nhưng quy
mô không gian cao hơn mối quan hệ giữa phân bố thảm thực vật và sa mạc châu
chấu dịch thay đổi quá trình sinh thái khác nhau đi vào chơi.Ở quy mô các nhà
máy cá nhân, một môi trường sống bị phân mảnh với nhiều phân tán các bản vá
lỗi khuyến khích solitarization, trong khi ở quy mô cảnh quan mô hình đảo
ngược lại: phân mảnh môi trường sống mang đến cho châu chấu di cư với nhau
và khuyến khích dịch (Despland et al 2004).
Hiểu biết về mô hình của phong trào tập thể trên địa phương với quy mô
cảnh quan đòi hỏi phải trả lời hai câu hỏi: những gì gây ra các ban nhạc diễu
hành rầy (giai đoạn vị thành niên) và người lớn bay vẫn là nhóm gắn kết, và
những gì làm cho chúng di chuyển đồng bộ và chung giữa các bản vá lỗi ở quy
mô khác nhau?tập thể Phong trào
Các aggregations Locust sẽ xây dựng thành dịch lớn nếu dân số tại địa
phương gregarized vẫn còn lại với nhau và di chuyển chung vào các khu vực lân
cận của môi trường sống, nơi họ có thể tuyển dụng châu chấu tiếp tục ban nhạc
đang phát triển. Trừ khi phong trào gắn kết như vậy xảy ra, các aggregations địa
phương sẽ giải tán và các cá nhân sẽ quay trở lại giai đoạn solitarious. Trong thời
hạn ban nhạc diễu hành của châu chấu vị thành niên, cá nhân có xu hướng để
đồng bộ hóa và sắp xếp các hướng dẫn của họ đi du lịch với những người hàng
xóm gần (Despland và Simpson năm 2006). Nó đã được thể hiện trong phòng thí
nghiệm diễu hành bắt đầu với mật độ châu chấu cao (Ellis, 1951), nhưng những
thí nghiệm này không đo lường như thế nào và tại sao gia tăng sự liên kết với
mật độ điểm là một tập hợp châu chấu đột nhiên bắt đầu diễu hành tập thể.

20


Hình3.Một hình ảnh từ các lĩnh vực hành quân Mexico mũ và phần mềm
theo dõi sử dụng trong Buhl et al. (2006) nghiên cứu của diễu hành tập thể châu
chấu sống thành .
Vấn đề này gần đây đã được nghiên cứu bởi Jerome Buhl và cộng sự
(2006) bởi các mô hình châu chấu như các hạt tự hành (SPP), mỗi hạt điều chỉnh
tốc độ của nó và / hoặc hướng phản ứng với các nước láng giềng gần.Các mô
hình phát triển bởi Vicsek et al.(1995) đã được sử dụng bởi vì số lượng nhỏ các
giả định và sức mạnh của các tính năng phổ quát, dự đoán.Một dự đoán trung
tâm của mô hình có khi mật độ của động vật trong nhóm tăng lên, một quá trình
chuyển đổi nhanh chóng xảy ra từ chuyển động rối loạn của các cá nhân trong
nhóm chuyển động tập thể rất phù hợp.Kể từ khi SPP mô hình cơ sở cho rất
nhiều dự đoán lý thuyết về làm thế nào nhóm hình thành mô hình phức tạp, tránh
kẻ thù, thức ăn gia súc, và ra quyết định, xác nhận như một sự chuyển tiếp cho
động vật thực sự có ý nghĩa cơ bản cho sự hiểu biết tất cả các khía cạnh của
chuyển động tập thể.Nó cũng đặc biệt quan trọng trong trường hợp của châu chấu
vì nó có thể giải thích sự xuất hiện bất ngờ của bầy điện thoại di động. Buhl et al.
Thí nghiệm liên quan đến nghiên cứu diễu hành trong phòng thí nghiệm trong
một đấu trường hình vòng, giống như một chiếc mũ Mexico trong hình dạng, với
một mái vòm trung tâm để hạn chế lưu lượng quang học trong điều ngược lại
hướng chuyển động cá nhân.Đối với dữ liệu phân tích, Iain Couzin phát triển một
hệ thống theo dõi tự động kỹ thuật số, cho phép phân tích đồng thời các thuộc
tính cấp độ nhóm và cấp cá nhân, mà là kỹ thuật cực kỳ khó khăn nhưng cần thiết
để phát hiện ra sự liên kết giữa các cấp của tổ chức (Hình 3).
21

Vị thành niên châu chấu dễ dàng hình thành cao phối hợp các ban nhạc
diễu hành trong điều kiện phòng thí nghiệm khi được đặt trong trường mũ
Mexico. Cá nhân chọn chung hoặc theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều
kim đồng hồ du lịch (sự lựa chọn trong số đó là ngẫu nhiên) và duy trì điều này
trong thời gian dài.
Các thí nghiệm đã được tiến hành, trong đó số lượng châu chấu tại đấu trường
dao động từ 5 đến 120 loài côn trùng (mật độ từ 13 đến 295 m2). Chuyển động
'châu chấu đã được ghi lại trong tám giờ và các dữ liệu kết quả đã được xử lý
bằng cách sử dụng phần mềm theo dõi để tính toán vị trí và hướng của mỗi châu
chấu.
Phối hợp hành quân hành vi phụ thuộc mạnh mẽ về mật độ châu chấu
( Figs 4). Ở mật độ thấp (2-7 châu chấu tại đấu trường, tương đương 5 đến 17
châu chấu mỗi m2), có một tỷ lệ thấp của sự liên kết giữa các cá nhân. Trong các
thử nghiệm liên kết đã xảy ra đã làm như vậy không thường xuyên và sau một
thời gian dài ban đầu của chuyển động rối loạn. Mật độ trung cấp (10 đến 25
châu chấu, 25 đến 62 mỗi m2) đã được đặc trưng bởi thời gian dài diễu hành tập
thể đảo ngược nhanh chóng, tự phát trong hướng quay. Với mật độ cao hơn 74
USD mỗi m2 (30 hoặc nhiều hơn châu chấu tại đấu trường) thay đổi theo hướng
tự phát đã không xảy ra, với các châu chấu một cách nhanh chóng thông qua và
duy trì một phổ biến quay hướng.
Do đó Buhl et al. Thí nghiệm xác nhận các dự đoán lý thuyết từ các mô
hình SPP của một quá trình chuyển đổi nhanh chóng từ rối loạn chuyển động ra
lệnh (Figs 5.) và xác định mật độ quan trọng cho sự khởi đầu của hành quân phối
hợp trong châu chấu vị thành niên. Trong lĩnh vực nhỏ, tăng mật độ trong quá
khứ này ngưỡng này sẽ được dự đoán sẽ dẫn đến một sự chuyển đổi đột ngột
chuyển động tập thể cao không thể đoán trước, thực hiện các biện pháp kiểm soát
khó khăn để thực hiện. Các thí nghiệm cũng đã chứng minh một sự bất ổn định
năng động trong chuyển động với mật độ điển hình của châu chấu trong lĩnh vực
này, theo đó các nhóm có thể chuyển hướng mà không có nhiễu loạn bên ngoài,
có khả năng tạo điều kiện thuận lợi cho chuyển giao nhanh chóng của thông tin

22


định hướng. Buhl et al. Dữ liệu và mô hình cũng cho rằng dự đoán chuyển động
của mật độ rất cao là dễ dàng hơn hơn so với dự đoán của mật độ trung gian.
Tất nhiên, nó không thể được giả định rằng tất cả các hành vi tập thể nhìn thấy
trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm dịch trực tiếp quan sát trong lĩnh
vực này.

Hình 4.Giống nhau giữa các mô hình hạt tự hành của Vicsek et al.(1995) và dữ
liệu thử nghiệm mật độ châu chấu ở đấu trường thao tác: (A) 7, (B) 20 (C) 60 cá
nhân trong lĩnh vực (từ Buhl et al 2006.).Xem văn bản để giải trình.

Hình 5.Mối quan hệ giữa số lượng trung bình của châu chấu di chuyển và thời
gian có nghĩa là tổng số chi tiêu trong trạng thái liên kết (A và C) và số lượng
trung bình của những thay đổi trong trạng thái liên kết (B và D) được hiển thị
trên thang điểm bán đăng nhập.Lỗi thanh, độ lệch chuẩn. 'Ra lệnh cho giai đoạn
đề cập đến thời gian mà các loài côn trùng trưng bày sự liên kết cao (> 0,3), và
do đó đã được di chuyển chung một hướng (hoặc theo chiều kim đồng hồ hoặc
chống chiều kim đồng hồ). Từ (Buhl et al 2006).
23


Tuy nhiên, sự giàu có của toán học và mô phỏng dựa trên sự hiểu biết của
SPP mô hình cung cấp công cụ để thực hiện mở rộng quy mô như vậy. Kết hợp
với sự hiểu biết chi tiết về vai trò của môi trường trong giai đoạn thay đổi hành
vi, như đã nói ở trên, các SPP mô hình có thể hình thành cơ sở của dự đoán để cải
thiện việc kiểm soát dịch châu chấu.
1.2.Các thuật toán Metaheuristic
Bài toán tối ưu tổ hợp là một dạng của bài toán tối ưu, nó có dạng tổng quát

như sau:
Cho hàm f(X) xác định trên một tập hữu hạn các phần tử D. Hàm f(X) được
gọi là hàm mục tiêu.Mỗi phần tử X thuộc D có dạng X = (x1, x2,…xn) được gọi
là một phương án.Cần tìm một phương án X thuộc D sao cho hàm f(X) đạt min
(max). Phương án X như vậy gọi là tối ưu.Ta có thể tìm thấy phương án tối ưu
bằng “vét cạn” nghĩa là xét tất cả các phương án trong tập D (hữu hạn) để tìm
phương án tốt nhất. Mặc dù tập D là hữu hạn nhưng để tìm phương án tối ưu cho
một bài toán kích thước n bằng vét cạn ta có thể cần một thời gian hàm mũ.
Ví dụ với “Bài toán đường đi của người giao hàng”
1.2.1. Tìm hiểu một số thuật toán kinh điển
• Nội dung kĩ thuật tham lam (tham ăn):
Tham ăn hiểu một cách dân gian là: trong một mâm có nhiều món ăn, món
nào ngon nhất ta sẽ ăn trước và ăn cho hết món đó thì chuyển sang ăn món ngon
thứ hai, lại ăn hết món ngon thứ hai và chuyển sang món ngon thứ 3..
Kĩ thuật tham lam thường được vận dụng để giải bài toán tối ưu tổ hợp bẳng
cách xây dựng một phương án X. Phương án X này được xây dựng bằng cách lựa
chọn từng thành phần Xi của X cho đến khi hoàn chỉnh (đủ n thành phần). Với
mỗi Xi, ta sẽ chọn Xi tối ưu. Với cách này thì có thể ở bước cuối cùng ta sẽ phải
chấp nhận giá trị cuối cùng còn lại.
• Giải thuật nhánh cận
Phương pháp (hay giải thuật) nhánh cận là một trong những phương pháp
giải các bài toán liệt kê cấu hình có điều kiện tối ưu.
Hai hướng tiếp cận tìm lời giải tối ưu cho bài toán:
24


+ Tìm từng lời giải, khi hoàn tất một lời giải thì so sánh của nó với chi phí tốt
nhất hiện có. Nếu tốt hơn thì cập nhật chi phí tốt nhất mới.
+ Với mỗi lời giải, khi xây dựng các thành phần nghiệm luôn kiểm tra điều
kiện nếu đi tiếp theo hướng này thì có khả năng nhận được lời giải tốt hơn lời

giải hiện có không? Nếu không thì thôi không đi theo hướng này nữa. => Nguyên
lí nhánh cận (Branch and Bound)
Ý tưởng:
- Nhánh cận (Branch and Bound): Thuật toán tìm lời giải cho các bài toán tối
ưu dạng liệt kê cấu hình dựa trên nguyên lí đánh giá nhánh cận.
Bản chất:
+ Sử dụng phương pháp quay lui nhưng tại mỗi bước đưa thêm thao tác đánh
giá giá trị phương án hiện có.
+ Nếu đó là phương án tối ưu hoặc có hy vọng trở thành phương án tối ưu
(tức là tốt hơn phương án hiện có) thì cập nhật lại phương án tối ưu hoặc đi tiếp
theo hướng đó.
+ Trong trường hợp ngược lại thì bỏ qua hướng đang xét.
• Đánh giá :Nói chung các thuật toán kinh điển o trên ta chỉ đạt được
một

phương án tốt chứ chưa hẳn là tối ưu

1.2.2.Các thuật toán Metaheuristic
Bài toán tối ưu tổ hợp là dạng bài toán có độ phức tạp tính toán cao thuộc
lớp NP khó. Sự ra đời của giải thuật Meta-Heuristic đã giải quyết các bài toán với
hiệu quả cao cho kết quả lời giải gần tối ưu như họ giải thuật kiến (Ant
Algorithm), giải thuật luyện thép SA (Simulated Annealing), giải thuật di truyền
GA (Genetic Algorithm).
Metaheuristic là một cách gọi chung cho các giải thuật heuristic trong việc
giải quyết các bài toán tổ hợp khó. Metaheuristic bao gồm những chiến lược khác
nhau trong việc khám phá không gian tìm kiếm bằng cách sử dụng những
phương thức khác nhau và phải đạt được sự cân bằng giữa tính đa dạng và
chuyên sâu của không gian tìm kiếm. Một cài đặt thành công của metaheuristic
trong một bài toán tổ hợp phải cân bằng giữa sự khai thác được kinh nghiệm thu
25