Software & Systems

Искусственные миры – это замкнутые виртуальные среды, в которых развиваются и совершенствуются программные агенты. В данной работе агенты представляют собой цифровые организмы, являющиеся результатом сборки (актуализации) отдельных программных единиц и элементов данных на основе цифровой ДНК, как это было определено в [1]. Цифровая ДНК имеет первичное значение при задании свойств цифрового организма, однозначно определяя их. Она представляется последовательностью целых неотрицательных чисел, которая кодирует конкретные программные реализации операций макроалгоритма поведения программного агента и значения основных параметров этого макроалгоритма.

Целью создания многих моделей теории искусственной жизни является изучение процессов самоорганизации и эволюции, происходящих в искусственном мире. При этом изменяются свойства программных агентов, населяющих мир. Для исследования происходящих изменений необходимо сохранять историю развития искусственного мира, в том числе код и состояние программных агентов.

Поскольку свойства программных агентов однозначно определяются цифровой ДНК, для представления процесса эволюции достаточно сохранить в БД цифровые ДНК агентов. При этом ДНК должны быть снабжены как уникальным идентификатором агента, так и временной меткой либо временным интервалом, в течение которого данная ДНК была актуальна.

Таким образом, принципиально важным становится вопрос о представлении категории времени в модели.

Темпоральные БД

Проблема представления времени в информатике имеет давнюю историю. Основу ее составляет неразрешенность проблемы познания природы времени в физике и в философии [2].

В теории БД существует отдельное направление, связанное с концептуализацией категории времени и отражением динамики изменения предметной области, а именно темпоральные БД (в отечественной литературе также именуемые как временные БД).

Одной из отличительных черт темпоральных БД является то, что данные, потерявшие актуальность, не удаляются из таблиц. Вместо этого происходит добавление в таблицы новых, актуальных данных. Это допустимо, так как записи в темпоральных БД снабжаются временными атрибутами, представляющими моменты или интервалы времени, в течение которых данные были актуальными, а все предположения об истинности или ложности высказываний делаются с учетом момента времени, к которому эти высказывания относятся. Таким образом, при работе с темпоральными БД необходимо задействовать временную логику [3].

Среди исследований в области темпоральных БД наиболее известны работы группы TimeCenter [4], посвященные представлению семантики категории времени в языке SQL. Моменты времени представляются традиционными для SQL средствами.

Работы [5, 6] абстрагированы от особенностей языков манипулирования данными, моменты времени представляются числами, которые при определенных условиях могут рассматриваться как номера событий. В [6] также вводится и исследуется понятие временной шкалы в качестве основополагающего для представляемой в [6] модели данных.

Временные шкалы представляются в таблицах БД как вспомогательные описательные структуры данных, связывающие номера событий с датой и временем, фиксирующие используемые единицы измерения времени и особенности интерпретации значений временных атрибутов.

Временные шкалы и их классификация

Временная шкала – это функция, позволяющая упорядочить информационные образы событий во времени. Под событием будем понимать акт формирования количественной либо качественной оценки параметров объектов реального или искусственного мира, то есть измерение. В результате измерения формируется информационный образ события, который может быть представлен в БД.

Пусть Ei – некоторое множество событий, связанных с оценкой значения параметра i. Будем считать, что все события нетождественны, то есть в Ei нет двух событий одинаковой природы, произошедших одновременно и в одном месте.

Информационный образ события формируется на основе следующих функций [6]: Mi: Ei®Xi, Ψi: Ei®Ti.

Здесь Xi – число, сопоставляемое событию в результате измерения (код, класс, количественная или качественная оценка события); Ti – упорядоченное множество моментов времени.

Если все события из Ei нетождественны, а отображение yi гомоморфно, то yi называется временной шкалой.

Непосредственно смена значений параметров во времени представляется с помощью временных функций [6]: ji: Ti®Xi.

Временные функции могут быть представлены в БД как бинарные отношения, из которых посредством классических операций реляционной алгебры и проблемно-ориентированных операций, предложенных в [6], могут быть получены временные отношения произвольной арности. При этом временные шкалы могут храниться совместно с временными функциями, представленными временными отношениями, как вспомогательные структуры-описатели данных.

В [6] была введена классификация временных шкал, представленная на рисунке. Дадим некоторые пояснения к нему.

В отличие от метрических шкал топологические временные шкалы фиксируют порядок следования событий, а не расстояние между ними.

Ограниченность или неограниченность шкал понимается в смысле ограничений, накладываемых на значения временных координат событий. Если шкала неограниченна, в отношение разрешается добавлять кортежи с любыми значениями временного атрибута. В случае ограниченных шкал в отношения не могут добавляться кортежи со значениями временных атрибутов меньше и/или больше заданных. Так задаются ограничения в отношении прошлого, будущего либо и прошлого, и будущего.

Признаки дискретности и непрерывности указывают на то, как будут представлены значения временных атрибутов отношений: как отдельные координаты точек на оси времени, как временные интервалы либо как сочетание точек и интервалов. Кроме того, для дискретного способа представления времени может быть введена дополнительная характеристика, которая предписывает, чтобы значения соседних временных координат находились на равном расстоянии друг от друга, то есть события происходили через равные промежутки времени.

Признак зафиксированности начала отсчета позволяет различать временные шкалы, представляющие два типа временных рядов, известных во временной логике как A- и B-ряды [3]. В случае A-рядов начало отсчета шкалы связывается с текущим моментом времени. Использование A-ря­дов предполагает такие высказывания, как «вчера», «сейчас», «через две недели» и т.п. Начало отсчета для B-рядов связывается с фиксированным моментом времени в прошлом, настоящем или будущем. B-ряды используются в хронологических системах отсчета: «от сотворения мира», «от основания Рима», «от начала новой эры» и т.д.

Виды временных шкал и свойства времени в моделях искусственных миров

Очевидно, что каждый из рассмотренных типов временных шкал представляет не только способ идентификации и упорядочения событий, но и концепцию понимания времени в модели предметной области. Каждая из таких концепций может быть использована при построении модели искусственного мира, определяя важнейшие свойства модели и оказывая влияние на результаты моделирования.

Если накладываются ограничения на множество значений временных координат в отношении прошлого, это означает, что развитие искусственного мира рассматривается только в направлении от прошлого к будущему. Предыстория не исследуется, то есть в историю моделирования запрещено добавлять данные о предшествующих началу моделирования событиях.

В случае ограничений в отношении будущего эволюция системы рассматривается только до определенного момента в будущем. Но если ограничений в отношении прошлого нет, то неограниченно глубоко в прошлое может рассматриваться возможная предыстория эксперимента.

В случае задания в модели шкалы с плавающим началом отсчета оно всегда будет связываться с текущим моментом, поэтому должна будет происходить постоянная перенумерация временных координат, представленных в отношениях БД, хранящих результаты моделирования. Напротив, шкала с фиксированным началом отсчета предполагает связывание начала отсчета с фиксированным моментом времени в настоящем, прошлом или будущем на весь период моделирования.

В большинстве моделей информатики время рассматривается как линейное однонаправленное («стрела времени»). Приведенная на рисунке классификация временных шкал соответствует именно этой парадигме.

Однако в физике и философии известны и другие концепции, в том числе циклического и ветвящегося времени. Они также могут быть отражены в моделях искусственных миров.

Цикличность времени означает, что в модели периодически повторяются значимые фазы и прошлое есть отражение будущего. В этом случае момент времени может быть идентифицирован парой чисел: номером цикла и координатой момента времени в цикле. Временная шкала для модели циклического времени может быть получена на основе временной шкалы с линейным представлением времени, ограниченной в отношении будущего.

Применительно к моделям искусственных миров теории искусственной жизни понимание времени как циклического может означать, например, что периодически в модели происходит либо возврат к начальному состоянию, либо «глобальная катастрофа», уменьшающая численность популяций.

Аналогично может быть представлено и ветвящееся время. Наличие ветвлений во времени означает, что с некоторого момента имеются по крайней мере две альтернативные линии развития событий. Это соответствует представлению о множестве, или ансамбле, параллельно существующих миров, рассматриваемом и в современной физике. В этом случае момент времени представляется номером ветви и координатой момента в пределах ветви. Однако в отличие от циклического времени ветвящееся время не ограничивается в отношении будущего.

Проблема концептуализации категории времени для отражения ее в БД остается актуальной, так как категория времени имеет множество различных аспектов. Отражение либо игнорирование этих аспектов в модели искусственного мира оказывает влияние на свойства модели и результаты моделирования.

Литература

1.    Кольчугина Е.А. Модель эволюционирующего программного обеспечения // Изв. вузов. Поволжский регион. Пенза: Изд-во ПГУ. 2006. № 6 (27). С. 78–86 (Технические науки).

2.    Рейхенбах Г. Философия пространства и времени; [пер. с англ.]. М.: Прогресс, 1985. 344 с.

3.    Караваев Э.Ф. Основания временной логики. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1983. 176 с.

4.    TimeCenter Publications. URL: Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки. (дата обращения: 02.01.2012).

5.    Гуляев А.И. Временные ряды в динамических базах данных. М.: Радио и связь, 1989. 128 с.

6.    Кольчугина Е.А. Системы управления временными базами данных для решения задач обработки информации в автоматизированных системах управления распределенными объектами: дисс. … к.т.н. Пенза, 1998. 156 с.


References

1.  Kolchugina E.A.,  Izvestiya vuzov. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki  [News of higher educational institutions. Technique], no. 6 (27), 2006, Penza, Penza Gos. Univ., 2006, pp. 78–86.

2.  Reichenbach H.,  The Philosophy of Space and Time,  Do-ver Publications, 1957, 295 p.

3.  Karavaev E.F.,  Osnovaniya vremennoy logiki  [Temporal logic foundations], Leningrad, Leningr. Univ., 1983, 176 p.

4.  TimeCenter Publications, Available at:  http://timecenter. cs.aau.dk/pub.htm (accessed 02 Jan. 2012).

5.  Gulyaev A.I.,  Vremennye ryady v dinamicheskikh bazakh dannykh  [Time series of dynamic databases], Moscow, Radio i svyaz 1989, 128 p.

6.  Kolchugina E.A. Sistemy upravleniya vremennymi bazami dannykh dlya resheniya zadach obrabotki informatsii v avtomatizirovannykh sistemakh upravleniya raspredelennymi obyektami: Dissertatsiya na soisk. uch. stepeni k.t.n.  [Temporary data base management systems for solving data processing prob-lems in distributed objects automated control systems:  Ph.D. The-sis], Penza. B.I., 1998, 156 p.