[论文解读] Information Transfer in Swarms with Leaders

Yu Sun, Louis F. Rossi+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2014

Evolutionary Game Theory and Cooperation参考文献 21被引用 10

一句话总结

本文通过传递熵分析信息传递动力学，研究了领导者-追随者群体中隐蔽领导者（即在外部无法与追随者区分的领导者）的交互模式，以识别其身份。研究发现，隐蔽领导者从群体接收的信息显著少于追随者，从而可通过局部交互的信息论分析实现其识别。

ABSTRACT

Swarm dynamics is the study of collections of agents that interact with one another without central control. In natural systems, insects, birds, fish and other large mammals function in larger units to increase the overall fitness of the individuals. Their behavior is coordinated through local interactions to enhance mate selection, predator detection, migratory route identification and so forth [Andersson and Wallander 2003; Buhl et al. 2006; Nagy et al. 2010; Partridge 1982; Sumpter et al. 2008]. In artificial systems, swarms of autonomous agents can augment human activities such as search and rescue, and environmental monitoring by covering large areas with multiple nodes [Alami et al. 2007; Caruso et al. 2008; Ogren et al. 2004; Paley et al. 2007; Sibley et al. 2002]. In this paper, we explore the interplay between swarm dynamics, covert leadership and theoretical information transfer. A leader is a member of the swarm that acts upon information in addition to what is provided by local interactions. Depending upon the leadership model, leaders can use their external information either all the time or in response to local conditions [Couzin et al. 2005; Sun et al. 2013]. A covert leader is a leader that is treated no differently than others in the swarm, so leaders and followers participate equally in whatever interaction model is used [Rossi et al. 2007]. In this study, we use theoretical information transfer as a means of analyzing swarm interactions to explore whether or not it is possible to distinguish between followers and leaders based on interactions within the swarm. We find that covert leaders can be distinguished from followers in a swarm because they receive less transfer entropy than followers.

研究动机与目标

• 分析包含无法从外部识别的领导者群体中的信息流动机制。
• 确定是否可基于理论信息传递度量将隐蔽领导者与追随者区分开。
• 探讨在无任何代理被明确标记为领导者的情况下，领导角色在去中心化系统中的作用。
• 通过信息论度量评估领导对集体行为的影响。

提出的方法

• 该研究通过局部规则建模一群体代理的交互，其中一部分代理被指定为隐蔽领导者，其使用外部信息但不改变其交互行为。
• 采用传递熵作为代理间信息流动的度量，量化群体中定向信息传递。
• 作者模拟了多种具有不同领导模型的群体配置，并计算代理间的成对传递熵值。
• 通过统计分析比较多个模拟运行中领导者与追随者接收的传递熵值。
• 该方法依赖信息论，特别是传递熵，以在不知晓代理角色的情况下推断其领导地位。
• 通过在不同交互规则和领导条件下进行模拟，验证了该框架的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可仅基于代理在群体中的信息传递模式识别出隐蔽领导者？
• RQ2 在去中心化群体中，领导者接收的信息量与追随者相比如何？
• RQ3 隐蔽领导者是否存在会以可检测方式改变整体信息流动结构？
• RQ4 领导在多大程度上影响群体中信息传递的分布？
• RQ5 传递熵能否作为区分匿名群体中领导角色的可靠度量？

主要发现

• 隐蔽领导者从其他代理接收的传递熵始终低于追随者，表明其接收的信息流更少。
• 在多个模拟场景中，领导者与追随者之间信息接收量的差异具有统计显著性。
• 无需事先知晓代理身份，即可可靠地从信息传递模式推断其领导角色。
• 领导者接收信息减少的原因在于其使用外部信息，从而降低了对本地交互的依赖。
• 研究结果表明，信息论分析可有效检测去中心化系统中无法从外部识别的领导者。
• 结果支持仅通过交互数据和传递熵即可在真实群体中识别领导者。