سلام به همه بچههای علاقمند به کامپیوتر و برنامهنویسی و هوش مصنوعی. همانطور که میدونین روز به روز دنیای هوش مصنوعی داره وسیعتر میشه و به حوزه مختلف از علوم راه یافته است. ما تصمیم داریم هر هفته با یک مقاله در این حوزه، شمارو با رویداد های دنیای هوش مصنوعی آشنا کنیم و مهمتر اینکه ریاضیات این حوزه رو با ساده سازی به شما دانش آموزان عزیز کانونی توضیح بدیم. در نهایت بتونیم قدم به قدم به کد نویسی در محیط پایتون برای مسئله های جذاب هوش مصنوعی برسیم. پیشنهاد میکنم هر هفته مارو با یک مقاله در این حوزه دنبال کنید.
در این هفته میخواییم بریم سراغ یکی دیگه از الگوریتمهای جذاب هوش جمعی. در این مطلب، شما بچهها بیشتر و بیشتر با ماهیت پیچیده طبیعت و استفاده دانشمندا از اون جهت بهینه سازی هوش مصنوعی آشنا خواهید شد. الگوریتم این هفتهمون چکههای آب هوشمند (Intelligent Water Drops) است.
دانشمندا تازه فهمیدن که طبیعت چه منبع بزرگیه برای توسعه دادن الگوریتمها و سیستمهای مصنوعی. در حوزه هوش محاسباتی (Computational Intelligence)، محاسبات تکاملی و سیستمهای جمعیمحور(Swarm-based Systems)، میزان تقلید از طبیعت خیلی زیاده. در میان الگوریتمهای بهینهسازی جمعی جدیدترین نوع اون همین الگوریتم چکههای آب هوشمند است. ما از این به بعد برای راحتی بیشتر این الگوریتم رو با کوتهنوشتِ IWD نشون خواهیم داد. الگوریتمهای IWD بعضی از فرایندهایی رو که بین قطرههای آب رودخانه و خاک اون در جریانه تقلید میکنه. این الگوریتم اولین بار در سال 2007 برای حل مسئله فروشنده دورهگرد معرفی شد.
چکههای آب
جریان چکههای آب رو بیش از هر جا تو رودخونه میشه مشاهده کرد. مسیری رو که این قطرهها طی میکنند حجم اون قطرات مشخص میکنه. همچنین عوامل محیطی در تعیین مسیر نقش مهمی دارن. برای مثال سطوحی از رودخانه که خاک نسبتاً سختی دارن در مسیر قطرات آب مقاومت بیشتری نشون میدن. در واقع یک رودخانه طبیعی ترکیبی از رقابت این دوتاست، یعنی رقابت بین قطرات آب و محیطی که در مقابل قطرات مقاومت میکنه.
رودخانهها مسیرهای پر پیچ و خم دارن. تصور غالب بر اینه که قطرات آب فقط توسط گرانش زمین به سمت مرکز کره زمین سرازیر میشن. بر اساس این دیدگاه قطرات آب باید بدون هیچ مانعی کوتاهترین را رو برای رسیدن به مقصدشون طی کنن. اما در واقع، به دلیل وجود موانع مختلف در راه، مسیری رو که قطرات در واقعیت طی میکنن کاملاً متفاوت از اون چیزیه که در بالا توصیف شد. همچنین مقصد این قطرات مرکز زمین نیست بلکه برکه، رودخانه یا دریاچه است.
فرض کنید قطرات آب قراره از یک نقطه به نقطه دیگه از یک رودخانه جریان پیدا کنه. سه تغییر مهم در این فرایند به وجود میاد:
- شتاب(Velocity) قطره آب بالا میره.
- خاک موجود در قطره آب افزایش پیدا میکنه.
- ما بین دو نقطه فرضی، خاک موجود در کف رودخانه کاهش پیدا میکنه.( این خاک توسط قطرات آب حمل میشه
یعنی:
- قطراتی که سرعت بیشتری نسبت به بقیه دارن خاک بیشتری رو جمعآوری میکنن.
بنابراین خاکی که برداشت میشه با شتاب قطرات ارتباط داره.
پیشتر گفتیم که وقتی قطرات آب در کف رودخانه جاری میشن، سرعت میگرین. اما افزایش شتاب بستگی به میزان خاک موجود در اون بخش رودخانه داره:
- شتاب یک قطره آب در مسیری که خاک کمتری داره بیشتر افزایش پیدا میکنه.
از این رو مسیری که خاک کمتری داره اجازه میده تا قطره آب خاک بیشتری رو جمعآوری کنه و سرعتش بیشتر شه در حالی که مسیری به خاک بیشتر سرعت قطره رو پایین میاره و در نتیجه قدرت حمل خاک از طرف قطره کمتر میشه.
ویژگی دیگهای که قطره آب داره اینه که وقتی با چنتا مسیر روبرو میشه آسونترین راه رو انتخاب میکنه:
- یک قطره آب تمایل داره مسیری با خاک کمتر رو انتخاب کنه تا مسیری پر از خاک.
چکههای آب هوشمند
چکه آب هوشمند دو ویژگی مهم داره:
- خاکی که حمل میکنه، بهش همون خاک (Soil) میگیم.
- شتابی که داره، بهش شتاب (Velocity) میگیم.
برای هر IWD، این دو ویژگی میتونه با توجه به محیط (Environment) جدید تغییر بکنه. از دیدگاه مهندسی، محیط اینجا یعنی مسئلهای که باید حل بشه. یک IWD (چکه آب هوشمند) به دنبال بهترین راه برای حل مسئله است.
هر چکه آب هوشمند از یه منبع به سمت یک مقصد شروع به حرکت میکنه. تو یه محیط، راههای زیادی از مبدا تا مقصد وجود داره. مکان دقیق مقصد ممکنه ناشناخته باشه. اگه مکان دقیق مقصدِ موردنظرمون مشخص باشه فقط باید بهترین راه ممکن از مبدا تا مقصد رو پیدا کنیم. از طرف دیگه، بعضا مقصد هم مشخص نیست که تو این شرایط راه حل رو با پیدا کردن بهترین مقصد از جهت هزینه یا معیارهای دیگه به دست میاریم.
دوستان عزیز تا همینجا برای این هفته کافیه. هفته بعد میریم سراغ مراحل ریاضیاتی و تکنیکال این الگوریتم جذاب. منتظر باشید!
منابع
Optimization with the Nature-Inspired Intelligent Water Drops Algorithm, Hamed Shah-Hosseini
دوستان عزیزم؛ برای ارتباط با برترها و رزرو پشتیبان ویژه پیج کانون برترها را دنبال کنید.
همچنین میتوانید با شماره 0218451 داخلی 3123 تماس بگیرید.
