متاهیورستیک

مدتي پيش سر كلاس يكي از استادان برجسته مهندسي صنايع بودم كه بحث به حاشيه هاي علمي و البته مرتبط با درس كشيده شد.استاد در خصوص مسائل بهينه سازي و عاجز ماندن بشر در حل برخي مسائل پيچيده آن صحبت مي كرد و به اين نكته اشاره داشت كه كليد حل بسياري از اين مسائل پيچيده و گاها حل نشدني در طبيعت وجود دارد. از اين رو بشر ناگزير بوده تا با دقيق شدن در طبيعت اطراف خود و حتي نوع زندگي و رفتار موجودات زنده راه حل هايي را براي مسائل پيچيده خود پيدا كند كه شايد بيشتر به دلايل فلسفي شبيه باشد. موضوع در ابتدا كمي عجيب به نظر مي رسد، ولي واقعيت اينگونه است. نكته اينجاست كه در پيدا كردن جواب بهينه، گاهي اوقات به پيچيدگي ها و يا محدوديت هاي گوناگوني برمي خوريم كه يافتن راه حل بهينه به روابط اثبات شده و رياضي و يا تجربي قابل انجام نيست. در اين زمان شبيه سازي موثرترين راه براي كشف حل مسئله است. به اين دقت كنيد كه گاهي مسئله آنقدر بااهميت است كه عدم يافتن مسير بهينه مي تواند لطمه ها و ضررهاي هنگفت و جبران ناپذيري را به سیستم وارد كند. شبيه سازي علم و هنر ساختن نمايشي )مدلي( از يک پروسه يا سيستم است كه به منظور ارزيابي و آزمايش راهبردها انجام مي گيرد. به عبارت ديگر شبيه سازي روشي براي آگاهي از نتايج ايده هاي پيشنهادي قبل از اجراي آنها است. اينكه چه زمان بايد شبيه سازي را انجام داد نيز از اهميت زيادي برخوردار است. معمولا در شرايطي که تجزيه تحليل جبري ميسر نمي باشد )سيستم هاي غيرقطعي، سيستم هاي پويا، سيستم هاي پيچيده( و نيز در شرايطي که امکان آزمايش در دنياي واقعي وجود ندارد شبيه سازي صورت مي گيرد. به جز الگوريتم هاي احتمالي و الگوريتم هاي تركيبي كه هر كدام جوا بها نزديك به بهينه را براي ما مشخص مي كنند، مي توان الگوريتم هايي را پذيرفت كه هيچ تضميني در ارائه جواب ندارند اما بر اساس شواهد و سوابق نتايج آنها، به طور متوسط بهترين تقابل كيفيت و زمان حل براي مسئله مورد بررسي را به همراه داشته اند؛ به اين الگوريتم ها، الگوريتم هاي هيوريستيك گفته مي شود. هيوريستيك ها عبارتند از معيارها، رو شها يا اصولي براي تصميم گيري بين چندين خط مشي و انتخاب اثربخش ترين براي دستيابي به اهداف موردنظر. هيوريستيك ها نتيجه برقراري اعتدال بين دو نياز هستند؛ نياز به ساخت معيار هاي ساده و در همان زمان توانايي تمايز درست بين انتخا بهاي خوب و بد. به عنوان مثالي ديگر از استفاده هيوريستيك ها، يك استاد بزرگ شطرنج را در نظر بگيريد كه با انتخاب بين چندين حركت ممكن روبرو شده است. وي ممكن است تصميم بگيرد كه يك حركت خاص، اثربخش ترين حركت خواهد بود، زيرا موقعيتي فراهم مي آورد كه به نظر مي رسد بهتر از موقعيت هاي حاصل از حركت هاي ديگر باشد. به كارگيري معيار به نظر مي رسد خيلي ساده تر از تعيين دقيق حركت يا حركاتي خواهد بود كه حريف را مجبور به مات كند. اين واقعيت كه اساتيد بزرگ شطرنج همواره پيروز بازي نخواهند بود نشان دهنده اين است كه هيوريستيك هاي آنها انتخاب اثربخش ترين حركت را تضمين نمي كنند. نهايتا وقتي از آنها خواسته مي شود كه هيوريستيك خود را تشريح نمايند آنها فقط توصيفي ناقص از قواعدي ارائه مي دهند و به نظر خود آنها، انجام آن قواعد از توصيف آنان ساده تر است. از اواسط دهه هفتاد ميلادي موج تاز هاي از رويكردها آغاز شد. اين رويكردها شامل الگوريتم هايي است كه صريحا يا به صورت ضمني تقابل بين ايجاد تنوع جستجو )وقتي علائمي وجود دارد كه جستجو به سمت مناطق بد فضاي جستجو مي رود(  و تشديد جستجو )با اين هدف كه بهترين جواب در منطقه مورد بررسي را پيدا كند(  را مديريت مي كنند. اين الگوريتم ها متاهيوريستيك ناميده مي شوند و شامل مواردي از جمله بازپخت شبيه سازي شده، جستجوي ممنوع، الگوريتم هاي ژنتيك، شبك ههاي عصبي مصنوعي، بهينه سازي مورچه اي يا الگوريتم هاي مورچه. در اين ميان الگوريتم هاي مورچه از جالب ترين الگوريتم هاي متاهيورستيك است. الگوريتم هاي مورچه براي اولين بار توسط “دوريگو” و همكارانش به عنوان يك راه حل چند عامله Multi Agent ) ) براي مسائل مشكل بهينه سازي تركيبي ارائه شد كه كاربردهایي در مسائلي از جمله مسيريابي وسائل نقليه، مرتب سازي ترتيبي، رنگ كردن گراف، مسير يابي در شبكه هاي ارتباطي و … دارد. اين الگوريتم از رفتار اجتماعي مورچه ها به خصوص در پيدا كردن كوتاه ترين مسير بين منبع غذايي و لانه )كه خود يك راه حل بهينه است( برگرفته مي شود. هنگامي كه مورچه ها به سوي منابع غذايي يا بر عكس از منابع غذايي به سوي آشيانه حركت مي كنند روي زمين ماده اي را ترشح مي كنند كه نام آن فرمون است و به اين وسيله يك دنباله از فرمون را شكل مي دهند. مورچه ها مي توانند فرمون را بچشند و وقتي كه راه خود را انتخاب مي كنند احتمالاً راهي را انتخاب می ک‌نند كه داراي تمركزفرمون زيادتري است. دنباله فرمون، مورچه ها را قادر مي سازد تا راه خود را به سوي منابع غذايي يا به سوي آشيانه پيدا كنند. همچنين اين دنباله فرمون مي تواند توسط مورچه هاي ديگر براي پيدا كردن موقعيت غذايي پيدا شده توسط هم آشيانه هاي آنها مورد استفاده قرار گيرد. به طور تجربي مشاهده شده است كه اين رفتار پيروي از دنباله فرمون مي تواند پيشرفته تر باشد و توسط يك كلوني از مورچه ها براي پيدا كردن كوتاه ترين مسير مورد استفاده قرار گيرد. به طوري كه وقتي كه تعداد زيادي مسير از آشيانه به منابع غذايي وجود دارد، يك كلوني از مورچ هها مي توانند از دنباله هاي فرمون در جهت پيدا كردن كوتاه ترين مسير از آشيانه به منابع غذايي و بر عكس با دنبال كردن دنباله هاي باقي مانده از يك مورچه خاص، استفاده كنند. کلونی مورچه ها نمونه ای از استفاده از علم متاهیورستیک در به دست آوردن جواب بهینه مسائل پیچیده است. در هر صورت سيستم های طبيعي و دقت در نوع كاركرد آنها نتايج خوبي را براي بشر به همراه داشته، تا آنجا در بسياري موارد عصاي دست او براي حل مسائل علمي و رياضي بوده و هست.