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Tesis Doctoral
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2016.tde-19022016-095632
Documento
Autor
Nombre completo
Karla Vittori
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
São Carlos, 2005
Director
Tribunal
Araújo, Aluízio Fausto Ribeiro (Presidente)
Carvalho, André Carlos Ponce de Leon Ferreira de
Delbem, Alexandre Cláudio Botazzo
Lopes, Heitor Silvério
Silva, Leandro Nunes de Castro
Título en portugués
Estudo experimental, modelagem e implementação do comportamento de colônias de formigas em um ambiente dinâmico
Palabras clave en portugués
Busca de alimento
Comportamento de formigas
Redes de telecomunicações
Roteamento
Sistemas adaptativos
Resumen en portugués
O comportamento de insetos sociais, em especial de formigas, tem sido muito estudado nos últimos tempos, devido à capacidade destes insetos realizarem tarefas complexas a partir de interações entre indivíduos simples. Ao se moverem sobre um ambiente na busca de alimento, as formigas depositam no solo uma substância química, denominada feromônio, que atrai as formigas que se encontram no ninho e as guia em direção ao alimento encontrado. O processo de construção e seguimento destas trilhas permite que as formigas descubram os menores caminhos e as melhores fontes de alimento no ambiente. Com o objetivo de estudar as características das formigas que contribuem para a sua adaptação a diferentes condições do meio, diversos experimentos vêm sendo realizados com estes insetos. Dentro deste contexto, esta tese apresenta experimentos inéditos realizados com formigas em laboratório, sobre uma rede artificial de túneis, onde diversos caminhos interconectados conduzem a uma fonte de alimento. As decisões das formigas foram analisadas nos níveis individual e coletivo, sob mudanças no meio, compreendendo o bloqueio/desbloqueio de ramos. A medição de diversas características individuais das formigas permitiu desenvolver dois modelos matemáticos sobre o seu comportamento, que foram aplicados à situação em que não se alterou a condição do ambiente com relação ao acesso aos ramos (estática), como também a mudanças no meio (dinâmica). A análise realizada do comportamento coletivo foi utilizada na comparação dos resultados obtidos pelas simulações dos modelos. De forma geral, o segundo modelo proposto foi mais eficiente que o primeiro na situação estática, porém ele ainda necessita de ajustes nas demais situações. O bom desempenho do segundo modelo proposto levou a aplicação de sua principal característica, a função de escolha que considera a concentração de feromônio sobre os ramos do meio e a capacidade de orientação das formigas, a um problema de otimização combinatorial, o roteamento em redes de telecomunicações. O algoritmo de roteamento proposto foi avaliado sob variações no nível de tráfego e topologia da rede, e seu desempenho foi comparado ao de dois algoritmos usados por concessionárias de telecomunicações, considerando diversas medidas de desempenho. O algoritmo desenvolvido obteve resultados encorajadores, sugerindo a aplicabilidade da estrutura do modelo proposto a outros problemas complexos de otimização.
Título en inglés
Experimental study, modeling and implementation of ant colony behavior in a dynamic environment
Palabras clave en inglés
Adaptive systems
Ants' behavior
Foraging behavior
Routing
Telecommunications networks
Resumen en inglés
The behavior of social insects, particularly of ants, has been intensively studied in the last years, due to their capacity to perform complex tasks through interactions among simple individuals. When moving in the environment searching for food, ants deposit on the ground a chemical substance, called pheromone, to attract ants in the nest and guide them towards the source of food that was found. The process of laying/following the pheromone trails allows ants to find the shortest paths and best sources of food of the environment. With the aim to study the characteristics of the ants that contribute to their adaptation to different environment conditions, several experiments with ants have been performed and reported in this research. In this context, this thesis presents novel experiments with ants in the laboratory, in an artificial network of tunnels, where several interconnected paths lead the insects from the nest to the food source. Ants' decision were analyzed according to the individual and collective levels, under changes in the environment, comprising the blockage/release of branches. The measure of several individual characteristics of ants allowed the development of two mathematical models of their behavior, which were applied to the non-changing (static) environment access to all branches and to changing (dynamic) access. The analysis of the collective behavior of ants in the experiments was used to compare the results derived from the simulations of the models. In general, the second proposed model was more accurate than the first one in simulating ants behavior for the static situation, however, it needs some improvements for the other situations. The satisfactory behavior of the second model led to apply its main feature, the choice taking into consideration the pheromone concentration over the branches and the ants ability to orient themselves, to solve an optimization problem, the routing in telecommunications networks. The proposed routing algorithm was evaluated under variations on the traffic level and topology of the network, and its performance was compared with two routing algorithms used by telecommunications companies, considering several performance measures. The developed algorithm produced encouraging results, suggesting the possibility to apply the framework of the proposed model to other optimization problems.
 
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Fecha de Publicación
2016-02-19
 
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