Schwarmverhalten in der Informatik

Nutzen von Schwarmverhalten in Alogrithmen zur Lösung von Problemen in der Informatik

Die Funktionsweise eines Schwarmes

Beispiel: Fischschwarm

 

Verschiede Schwarmtiere weisen unterschiedliches Schwarmverhalten auf, dem unterschiedliche Regeln zu Grunde liegen. Trotzdem basieren sie alle auf dem gleichen, beziehungsweise fast dem gleichen Grundprinzip. Um dieses zu erläutern werde ich mich auf den Fischschwarm beschränken, denn dieser ist hierfür das beste Beispiel.

Bei der Betrachtung von Fischschwärmen fällt folgendes Phänomen auf:

  1. Die Schwärme reagieren geschlossen, jedoch ohne Führung und ohne komplexe Kommunikation. Das heißt, sie können sich nicht verständigen, um sich über mögliche Handlungen auszutauschen, wie es Menschen tun würden, die in einer Gruppe agieren. Zudem fehlt jegliche Form von Anweisung.
  2. Die Reaktionen der Fische sind intelligenter als das Denkvermögen der einzelnen Fische es ermöglichen würde.

Hier spricht man von kollektiver Intelligenz.
Der erste Punkt ist extrem vorteilhaft für die Tiere, denn Fische müssen, als Beutetiere, schnell reagieren können und dürfen sich dabei aber auch nicht verlieren.  Dies wäre nicht möglich, wenn eines der Tiere den Anderen Anweisungen gibt oder sie sich auf komplexe Weise verständigen würden. Zudem ist der Schwarm von keinem Mitglied des Schwarmes abhängig.
Daraus lässt sich folgendes schließen: Die Fische haben Verhaltensregeln, die sehr simpel sind und gleichzeitig durch das Zusammenwirken verschiedener Individuen zu einem ausgeklügelten Gesamtverhalten führen. Eigentlich sind dies Instinkte, die man sich jedoch als Regel vorstellen kann.
Schon vor längerer Zeit ahnte man, wie diese Regeln aussehen könnten, doch sicher war man sich erst als 1986 Craig Reynolds  es schaffte, einen Schwarm an einem Computer zu simulieren. Er nutzte hierbei schon vorhandene 3D-Siumulationsprogramme,die für Animationen genutzt wurden. Ihm gelang, es einen Schwarm zu erzeugen, der sich fast exakt wie das natürliche Vorbild verhielt, indem seine simulierten Schwarmindividuen folgende drei Regeln befolgten:

  1. Kohäsion: Bewege dich zum Mittelpunkt deiner Nachbarn.
  2. Separation: Bewege dich weg von denen die dir zu nahe kommen
  3. Alignment: Bewege dich in ungefähr dieselbe Richtung wie deine Nachbarn

Abgesehen von diesen Regeln sollen sich die Tiere zudem die ganze Zeit bewegen. Allein mit diesen Regeln, welchen die simulierten Schwarmtiere zur gesamten Zeit folgen, gelang es, einen Schwarm nahezu perfekt nachzubilden. Dafür, dass sich die Tiere auch genauso verhalten, wie die Fische im Video, ist nur noch eine weitere Regel nötig, für den Fall dass sich ein Angreifer dem Schwarm nähert: Halte immer Abstand zu gefährlichen Tieren.

Wie viel Abstand die Fische halte, ist von der Fischart abhängig. Meistens beträgt dieser Abstand etwa das fünffache, der eigenen Körperlänge.

 

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