2023群体智能技术概论

群体智能技术概论将对流行的群体智能算法进行介绍，包括蚁群优化算法、粒子群优化算法、蜂群优化算法、细胞自动机。蚁群优化算法现实世界中群体智能最公认的例子来自蚂蚁。为了寻找食物，蚂蚁将从它们的聚居地开始随机向各个方向移动。一旦蚂蚁找到食物，就会回到聚居地并在路径上留下一种名为信息素的化学物质，然后其他蚂蚁可以检测到信息素并遵循相同的路径。有趣的是，蚂蚁的路径访问频率取决于路径上信息素的浓度。由于信息素会随时间的推移自然蒸发，因此路径的长度也是一个因素。所以，在所有这些考虑因素下，较短的路径将是有利的，因为遵循该路径的蚂蚁不断添加信息素，这使其浓度足够强以防止蒸发。结果，就出现了从聚居地到食物源的最短路径[1-4]，如图8-1所示。图8-1（a）显示了蚁穴和食物之间的直线，蚂蚁有条不紊地来回拾取食物并将其放入蚁穴中。假设在路径中放置障碍物，如图8-1（b）所示。一般而言，大约一半的蚂蚁将采取上面的路径，另一半的蚂蚁采取下面的路径，如图8-1（c）所示。因为上面的路径较短且单位时间内穿过它的蚂蚁数量相同，所以会累积更多的信息素。信息素的这种增加将吸引每只蚂蚁，使得蚂蚁更有可能在下一次迭代中选择上面的路径。上面路径的信息素会变得越来越丰富，最终所有的蚂蚁都会走上面的路径，如图8-1（d）所示。蚁群优化（ACO）算法是受蚂蚁觅食中使用信息素策略启发的一个群体式优化算法。蚁群优化算法最初的目的是找到旅行商问题中的最短路径。在蚁群优化算法中，当人工蚂蚁穿越图8-2中连接节点的边时会释放虚拟信息素。图8-1蚂蚁在蚁穴和食物之间的路径选择过程在给定的时间内，人工蚂蚁能够多次往返沉积了较多信息素的路径。因此，在这个正反馈回路中，这条路径将吸引更多的人工蚂蚁。然而在自然界中，如果初始搜索时有较多的蚂蚁选择了较长的路径，即使它不是最短的，该路径也将吸引更多的蚂蚁。为了克服这个问题，在蚁群优化算法中，假设信息素挥发来减少长路径被选中的概率。图8-2中，基于信息素和可行性（距离的倒数），节点A处的人工蚂蚁顾及下一个访路径的方向，由于节点A已经被访问过了，因此不会加以考虑。图8-2连接节点在蚂蚁系统中，蚂蚁最初随机分布在图8-2中的节点上。每个蚂蚁都根据它所处位置的周除了有些蚂蚁还继续在稍长一些的路径上前行，可以确保蚂蚁最终会聚集在最短的路径上。现在来分析算法，蚂蚁的总数M一般等于节点的数目N有少量的虚拟信息素。表示蚂蚁k从节点i到节点j路径选择的概率，公式为式中，τij为路径上虚拟信息素的量；ηij为节点间的能见度，通过路径长度的倒数1/lij计算；常数a、b均为这两个重要因素的权重。如果a=0，则蚂蚁完全根据最短的距离选择路径；反之，如果b=0，蚂蚁仅根据信息素的量选择路径。式中分数的分母为信息素和所有边H的可见度值的累加和，边H为从蚂蚁当前位置可达的边，只要它们属于蚂蚁k过的节点集合Jk。有当所 蚂蚁都遍历完整幅图时，每个蚂蚁k沿着自己的路径返回并在已经访问过的路径上有遗留 的信息素。式中，为蚂蚁k所经过路径的总长度；Q为一个常数，它是通过简单的启发式方法估计最短路径。个蚂蚁折回自己的道路之后在每条路径上遗留的信息素量为在所有蚂蚁开始最短路径的再次搜索前，信息素的挥发公式为其中，0≤ρ＜1是信息素的挥发系数。这就是该算法在找到一条满意的最短路径前的一次迭代。蚁群系统在不能保证找到最短的路径之前，该过程需要重复进行几百次迭代。有些系统不能保证可以找到最短的路径，但相比于解决旅行商问题的最好算法而言，对于中等大小的图（大约30个节点），蚁群优化算法可以提供一个等价甚至更好的解决方案。该算法通过允许每次迭代中已经找到最短路径的蚂蚁在释放虚拟信息素的过程中重复几次它自己访问过的路径来进行改善。尽管蚁群优化算法不能保证在复杂的高维空间中找到最短路径，但它可以使用相对小的计算量找到令人满意的解决方案。与其他算法相比，蚁群优化算法在寻找路径方面的一个主要优势是概率选择，人工蚂蚁除了发现最短的路径，还可以发现并保留多个较短路径，如图8-3（a）所示。如果一个边不能再被通过或该节点不可用，蚂蚁将快速使用并强化第二条最短路径，如图8-3（b）所示，其他算法则必须在新图上再次计算最短路径。因此，蚁群优化算法特别适用于可选择的解决方案必须立即可用的动态场景。图8-3 蚂蚁寻路与信息素释放蚁群优化算法解决此类问题的方法是采用信息素的概念。ACO元启发式分为以下3个阶段[2]，如图8-4所示。图8-4 算法1：ACO元启发式解决方案构造：使用m个人工蚂蚁，求解满足所有约束Ω的构造，其中指定决策变量。这也可以被视为构造图（V，E）上蚂蚁的随游走。由于个别问题变化很大，因此本地搜索是一个可选过程。的溶液值，因此，最好的解决方案是获得最高浓度的信息素。计算机科学中的许多NP难（NP：非确定性多项式）问题可以使用蚁群优化算法来解决，如分配问题和调度问题[2]。蚁群优化算法的性能在很大程度上取决于是否可以找到最优的局部搜索程序，这是与特定问题相关的。粒子群优化算法粒子群优化（PSO）算法是由Kennedy和Eberhart于1995年受到鸟群寻找食物的启发而研究提出的。想象一下，一群鸟中每只鸟的鸟鸣强度与它在当前位置发现的昆虫数量成正比，并且每只鸟都能感知周围鸟的位置，分辨出周围哪个鸟鸣最强。如果每只鸟都从3个方向选择轨迹，那找到昆虫最集中的那个点将会很容易，这3个方向分别是：在同一方向继续飞行、回到目前昆虫集中度最高的位置、向近邻鸟鸣最强的位置移动[1-4]。PSO算法中的群由粒子（鸟类）组成，它们共同在空间中移动并搜索全局最优解，如图8-5所示。每个粒子的属性包括它的位置和性能。例如，在单变量函数优化过程中，每个粒子的特征包括变量值和对应的函数值。图8-5 由5个粒子组成的群搜索定义在实数域的一维函数的全局最小值最初，粒子随机分布在搜索域上，并根据其局部信息移动。每个粒子与近邻的粒子通信，记录下迄今为止性能最好的位置，并且将这一位置告知周围的粒子。每个粒子通过将3个位移分量相加来更新其位置，3个位移分量：①与上一个时间段位移方向相同的位移分量；②移向迄今为止所经历最优性能位置的位移分量；③移向邻域最优解的位移分量。如图8-6所示，通过3个方向位移分量的总和给出一个粒子（黑色圆盘）需要更新的位置：当前方向、到目前为止自身的最优位置及方向（黑色轮廓的灰色圆盘）优邻域的方向（无轮廓的灰色圆盘）。每个方向可分别带有加权系数a、b、c，在图8-6中，其值全被置为1。此外，一些不确定性（虚线）可以添加到有最优本体和最优邻域的位置（图中未涉及不确定性更新机理）。图8-6 3个方向位移分量通常，用表示粒子i的新位置，计算公式为，其中，是粒子的新速率在这个简单的例子中，可以认为粒子不断移动的轨迹是一维实值函数。每个粒子的速率通过上面提到的3个方向的速率（见图8-6）进行计算，即式中，a、b、c均为常数，分别控制3个方向的重要性；为p粒子到目前为止的最性能位置和粒子当前位置的差值；为在t时具有最好性能的近邻粒子j的位置和粒子当前位置的差值。在地理邻域，一个粒子与少数粒子通信，并在其附近的函数区域进行优化，如图8-7（a）所示的虚线区域。在社交邻域，粒子贴上了标签，然后根据一些预定义的序列定义邻域，如图8-7（b）所示的圆。在搜索过程中，不论粒子处于哪种函数空间，一个粒子总会与其社交邻域进行通信，如图8-7（b）所示的虚线区域。当一个粒子在新位置记录了一个更好的全局最优解时，的值就会被更新。然而，为了允最优解的位置和粒子邻域最优解周围增加一个不确定性的区域（图8-7中的虚线区域）可以达到这一目的，公式为式中，rs和rt分别为范围在[0，s]和[0，t]的随机值。粒子的邻域可以按位置划定，在这种情况下，邻域由函数空间的粒子位置给定，如图8-7（a）所示。一旦被群居化，粒子将被贴上标签，并被定义成与位置无关的邻域。例如，一个经常使用的群居化的邻域由一圈粒子序列组成，如图8-7（b）所示。如果使用社交邻域，那么一个粒子在搜索过程中只会对同组粒子发送和接收信号。在群体中，粒子的位置可以同步或异步更新（类似于第3章中介绍的Hopfield神经网络中对神经元的更新）。图8-7 地理邻域和社交邻域群体的典型大小是[20，200]个粒子，它的邻域大约为群体大小的十分之一。对于实数域的低维函数，3个常量a、b、c的值和不确定性区域s和t可以被象征性地设在[0.1，1]。粒子群优化算法已经在发电厂监管、旅行商问题等几个领域被成功使用。实验表明，相比其他的优化技术，粒子群优化算法能更好地对实数变量的函数进行优化，如神经网络的权重。但是对于多维函数及在离散或欧几里得空间中定义的函数，必须找到方向和更新速度最适当的计算方法，才能使粒子朝该函数更好地收敛。这种选择是非常微妙的，因为它将函数空间的相邻点映射到粒子空间，从而影响优化函数发生的可能性。类似于进化算法，粒子群优化算法通过种群候选解并行地搜索问题空间。然而，进化算法是通过候选解之间的竞争进行搜索的，而粒子群优化算法是通过合作方式实现搜索的。在进化算法中，选择合适的遗传编码和交叉算子相当于在粒子群优化算法中选择合适的位置和速度更新。在这两种情况下，对于函数优化，选择可能是比较容易的，但对于较复杂和不连续的问题，不同的编码映射和算子会产生截然不同的结果。蜂群优化算法就像蚂蚁一样，蜜蜂也有类似的食物收集行为。蜂群优化算法不依赖于信息素，而依赖于蜜蜂的觅食行为。在第一阶段，一些蜜蜂被派出去寻找有前途的食物来源。在找到一个好的食物来源后，蜜蜂会回到聚居地并进行摇摆舞以传播有关来源的信息，如图8-8所示。食物来源信息包括3种：①距离；②方向；③食物来源的质量。食物来源的质量越好，吸引的蜜蜂就越多。因此，最好的食物来源就出现了。图8-8蜜蜂寻找食物来源示意从蜜蜂的觅食行为中提取的元启发式算法也可用于解决组合问题，特别是涉及全局最小或最大的问题。同样，BCO（蜂群优化）元启发式算法包含以下几个阶段，如图8-9所示。图8-9 算法2：BCO元启发式初始化：初始化所有蜜源，是优化问题的解决方案，并将通过算法进行调整，以最小化或最大化定义的目标函数f。雇佣蜂：雇佣蜂将用随机向量在食物源附近搜索，计算适合度以确定是否来更好的食物来源，适合度函数T的通常选择为地，通常，这是根据雇佣蜂提供的适合度值计算的，例如，利用上面定义的适应值，可以计算概率值 ，即随着更多的旁观者蜜蜂发现更丰富的资源，积极的反馈也会带来更丰富的资源。侦察蜂：通常是被算法遗弃的雇佣蜂，因为它们发现的食物来源质量很差，侦察蜂力。BCO算法在数值优化中具有有趣的应用，如它可用于找到全局最优解。此外，最近的研究表明，BCO算法也可以应用于车间调度、神经网络训练和图像处理等问题。细胞自动机细胞自动机最早由美籍数学家冯·诺依曼（VonNeumann）在1950年为模拟生物细胞的自我复制而提出，但并未受到学术界重视。直到1970年，任教于剑桥大学的英国数学家约翰何顿·康威（JohnHortonConway）设计了生命游戏，经马丁·葛登在《科学美国人》杂志上介绍，才吸引了科学家们的注意。此后，英国学者史蒂芬·沃尔夫勒姆（StephenWolfram）对初等元胞机256种规则所产生的模型进行了深入研究，并用熵来描述其演化行为，将细胞自动机分为平稳型、周期型、混沌型和复杂型。理论上认为，维持生命最简单的系统是生物细胞系统。虽然细胞已经是相当复杂的系统的状态和此前细胞所受的影响。因此，一个多细胞系统是由许多基本单元复制组成的系工生命、物理学和复杂系统的建模与仿真[1]。细胞系统的基本构成会获得专门适用于各种现象的模型。在提取的细胞组织中，细胞集合构成离散的细胞空连的邻近细胞的相互作用，而该状态开始于给定细胞空间的初始结构。在更精确的和正式的层面上，一个抽象的细胞系统组成包括以下要素。细胞空间。系统中细胞的集合称为细胞空间。一般来说，它是一个规则的d一个有限的空间。图8-10所示为一些常用类型的细胞空间示例。在实际应用中，很少考虑三维以上的细胞空间，因为沿每个维度给定大小的晶格细胞的总数随着维数增加呈指数增长。时间变量。细胞系统的动态可以沿着离散的或连续的时间轴变化。状态和状态集。一个细胞的状态代表了该细胞当前明确的信息。这是细胞对过去所发生事情的记忆。因此，这也是细胞的过去影响细胞系统未来的唯一方式。状态集S是一个细胞状态的可接受值的集合。通常，指定一个特殊的静止状态s0，表示细胞处于休眠或数值n元组而不是单个变量来表示状态，即原则上，这个n使用n元组的好处：每个变量可以以更加有意义的方式来代表细胞状态的不同方面，对状态建模可以简化下面将描述的转换函数的定义。邻域。一个细胞的邻域是细胞集（包括细胞本身），它的状态可以直接影响细胞未义距离，然后指定一个细胞邻域是由该细胞一定半径r内的所有细胞组成的。图8-11说明间属性、时间属性或二者的共同属性。图8-10 常用类型的细胞空间示例在一维情况下，图8-11给出了如何使用半径r的概念定义邻域。最常用的二维邻域是冯·诺依曼型和摩尔型。状态迁移函数。及通常称为简单转换函数，规定了细胞状态如何在时间轴上展开。单转换函数的实现可以通过编程，用每个时间步长来评估函数。对于小的有限状态集和小邻域，简单转换函数可以通过对一个存储转换函数的所有条目的查找表来实现。图8-11 细胞空间邻域示例这个问题通过指定合适的边界条件来解决。最常见的一维空间边界条件示例如图8-12所示。图8-12 最常见的一维空间边界条件示例①周期型。对存在边界的细胞空间，最简单的解决方案是消除边界，通过变换细胞空间把具有边界的空间变换成没有边界的空间。通常，要把一个长方形的d维细胞空间转换成d维环形细胞空间，可通过矩形空间把两端粘合来实现，此策略称为周期型边界条件。②赋值型。对存在边界的细胞空间，另一种策略是给它们定义一个虚拟邻域。虚拟邻域细胞的状态赋值不依赖于实际的细胞系统状态。在大多数情况下，状态的赋值是固定的（定边界条件），但也可以用更复杂的过程生成。例如，它可以由随机过程（随机边界条件）生成，也可以来源于细胞系统中某种建模的量（如粒子或车辆）。③复制型。即将细胞系统中的细胞状态复制到虚拟邻域细胞。隔热边界条件复制边界细胞的状态。这个名称来源于模拟热扩散现象的系统，该系统用温度表示细胞状态，复制策略保证了边界的温度梯度为0，从而定义了边界的热交换也为0。镜像边界条件指将边界的紧邻细胞状态复制到虚拟细胞。周期边界条件可以理解为将相反边界细胞的状态复制到虚拟细胞。④反射型。反射边界条件（也称为封闭边界条件）对应于一个过程的定义，该过程反映了细胞系统所建模的某种现象（如粒子碰撞边界、波冲击边界）。反射过程的定义取决于细胞系统所模拟的细节。⑤吸收型。吸收边界条件（也称为开放边界条件）是一种特殊的边界条件类，允许用有限空间模拟无限细胞空间的行为。这种无限细胞空间在静态时具有有限数目的细胞，其迁移函数在静止时为零状态，即在边界处定义一个过程，该过程不会干扰细胞系统所建模的有限区域的活动。吸收过程的定义取决于转换函数的详细信息，而且可能相当复杂。另一种解决方法是定义动态边界，即持续增加细胞空间的大小，从而防止感兴趣的有限区域感知到边界效应。⑥起始条件。指定所有细胞的初始状态，以便根据简单转换函数更新细胞系统中细胞的状态，起始条件也称为分配细胞系统的初步条件或种子。⑦停止条件。停止条件规定了停止细胞空间的更新时机。典型停止条件是达到了预定的模拟时间，并且可观察到细胞系统处于循环状态。对于一些细胞系统，以上列出的边界条件实际上是不同情况的合并。例如，细胞系统中用于模拟粒子的运动、反射或吸收的粒子边界条件可以通过固定相应的边界条件简单实现，分别对应于超出边界的虚拟细胞中粒子的存在和不存在。细胞自动机包含所有上述要素的最简单和最受欢迎的细胞系统就是细胞自动机（CA）。一个CA包括一个离散时间变量、一个有限邻域、一个有限状态集和同步更新细胞空间中的所有细胞。整数序列S={0，…，k−1}通常用作CA状态集，其中s0=0代表静止状态。CA的状态迁移函数φ（也称为迁移规则或CA规则）是确定性函数，它表明了第i个细胞在第t+1时间步的状态。也就是说，si（t+1）是其细胞邻域Ni中的细胞在第t时间步的状态函数，即si（t+1）φ（sj（t）：j∈Ni）。CA这个名称来源于自动机的数学概念，这是一个离散时间系统，具有有限输入集I、有限状态集S、有限输出集O和状态迁移函数φ，该函数根据当前状态和输入确定下一个时间步的状态。输出函数η给出了当前输出，它是当前状态的函数。CA中的每个细胞都是一个自动机，它将自身的状态作为输出信息发布，并将领域细胞的输出作为自身的输入。原则上，CA规则可以表示为一个过渡表，该表详细规定了一个细胞在其所有可能邻域细胞组合状态下的下一个状态，如图8-13所示。如果状态集包含k个元素且邻域由n个细胞组成，那么邻域可能的排列为kn。因此，用迁移表表示CA规则会随着k和n的增加变得不切实际。CA规则的数量增长也会更加迅速，即使是较小的k和n的值，也能成为天文数字。因为对每个邻域的排列有k种方式指定下一个状态，对具有k个可能的状态和邻域大小为n的CA有个不同的CA规则。对于具有两个可能的状态和大小为3的邻域的CA（二进制CA），有个不同的CA规则；但对于具有3个可能的状态及一个邻域大小为3的CA（三进制CA），则有种不同的CA规则。图8-13 具有摩尔型邻域的二维CA的迁移表在图8-13中，灰度级表示细胞状态，每个细胞具有k种可能的状态，每个细胞的邻域大小为9，该表包含k9个邻域状态。特殊规则一般来说，既然CA规则数量是如此巨大的，那么挑选一些遵守额外约束的规则是非常有用的，这些约束能够简单指定或确保CA拥有一些特殊的属性。下面是一些最常见的特殊CA规则。极权型。假设用数字表示状态，如果CA极权型规则。极权型规则可以写为假设具有k个状态（值为0到k-1）且邻域大小为n，则只能有n（k−1）+1可能有个极权型规则。例如，邻域大小为3的二进制CA的256个规则只有16个是极权型规则，邻域大小为3的三进制CA的超过个规则中，只有2187个是极权型规则。外极权型。如果CA规则只取决于状态更新细胞的值（“中心”细胞）胞状态的变量之和（“外邻域”），那么该CA规则称为外极权型规则。外极权型规则可以写为对称型。如果CA规则不受邻域细胞状态排列的影响，是对称的，那么该CA规则称称排列的，因此外极权型规则也属对称型规则。零态静止型。如果CA规则把静止邻居映射到静止状态，那么该CA规则称为零态静止型规则。时空图观察CA活动最吸引人的方式是在计算机屏幕上看其动画，但当唯一可用的介质是纸张时，对具有较小状态集的一维和二维的CA活动，可以用时空图显示。图8-14（a）一个一维CA的时空图。每个时间步长的细胞空间用正方形构成的水平线表示，垂直方向用来显示细胞空间状态在时间上的演化。状态集的每种状态用不同的灰度（或颜色）表示。图8-14（b）所示为一维时空图直接生成二维时空图的例子（为了清晰，细胞空间的白色细胞没有显示）。因为这种表示法隐藏了二维CA的大部分活动，所以有一种替代表示形式，如图8-15所示。CA在时间轴上的演化通过图示可加以说明，垂直方向的矩形区域的堆叠代表细胞空间在不同时间步的状态。图8-14和图8-15代表具有摩尔型邻域的二进制CA，实施所谓的外部奇偶校验规则。黑色细胞对应状态s=1，白色细胞对应状态s=0。如果在其外部邻域中1的数量是奇数，那么CA规则指出下一个细胞状态为1；否则为0。图8-14 CA时空图图8-15 CA的另一种时空图细胞系统建模下面将介绍如何实际构建细胞真实世界的模型并使用模型研究其属性。可以根据下列步骤来定义和运行一个细胞模型。指定细胞空间。指定时间变量。指定邻域。分配状态集。指定迁移规则。指定边界条件。指定初始条件。指定停止条件。一直更新细胞状态，直到满足停止条件。为了说明上面列出的建模步骤的应用，下面将介绍如何定义一个简单的交通CA模型。要模拟有限的单向延伸及单车道路［见图8-16（a）］，可通过将一段道路离散化成有限长度的单元格来实现，由此产生的细胞空间是一个一维有限的细胞网格，如图8-16（b）所示。在CA中，时间变量是离散的，车辆被模拟为在离散时间间隔中移动。因此，现实交通流量仅可通过平均越过若干时间步或越过若干细胞来衡量。假设每个细胞的状态仅受其相邻细胞影响，即CA邻域由3个细胞组成，如图8-16（c）所示。假定每个单元格包含一辆汽车或为空，这意味着状态集只包含两个状态，如图8-16（d）所示。当然，这个假设与在一段离散化的道路上每个单元格赋予的长度有关，这段道路必须足够大，可以包含一个车辆，但也不能太大，最多一个汽车放在其上。迁移规则模拟车辆从左至右的移动，并且指定当目标单元格为空时，车辆可以而且必须前进。这种规则可以用迁移表来表示，如图8-16（e）所示。指定周期型边界条件，使车辆从右边离开细胞空间后从左边再进入，如图8-16（f）所示。要运行这个模拟过程，现在必须分配初始条件。使用一个随机的汽车分布密度ρ作为初始条件，该密度从0（空路）到1（每个单元格被一辆车占用）变动。注意，迁移规则确保车辆既不能创造也不能消灭，即车辆数目守恒，因此指派的密度在整个CA演化过程中保持不变。运行CA可以看到，初始转变后，车流量达到一个稳定状态，该状态循环重现。图8-17所示为不同汽车分布密度下的CA时空图。黑色细胞对应单元格被汽车占用，白色细胞对应空单元格。注意这两个图在质量上的差别。对于低密度ρ=0.3，一旦初始瞬态结束，时空图中只保留了对角线上的白色细胞，在模型中对应于在相同交通方向沿着这条路前的空延伸。对于高密度ρ=0.7，在瞬态结束后，只保留了对角线上的黑色细胞，表示沿着这条路的方向流通堵塞。图8-16 细胞自动机流通模型元素图8-17 不同汽车分布密度下的CA时空图图8-17（a）所示的时空图说明30%的道路被车辆占据；图8-17（b）所示的时空图说明70%的道路被车辆占据。康威生命游戏康威生命游戏（Conway&apos；sGameofLife），又称康威生命棋，是英国数学家约翰·何顿·康威在1970年发明的细胞自动机。即每个细胞具有两个状态。一个细胞在下一个时刻的生死取决于相邻8个方格中活着的或而没有什么变化。在实际中，这个数目一般选为2或3到一种动态的平衡。如果这样，游戏的规则就是：当一个方格周围有2或3会“诞生”活细胞。在这个游戏中，还可以设定一些更加复杂的规则，如当前方格的状况不仅由父一代决定，而且还考虑祖父一代的情况。玩家还可以作为这个世界的“上帝”，随意设定某个方格细胞的死活以观察对世界的影响。在游戏进行中，杂乱无序的细胞会逐渐演化出各种精致、有形的结构，这些结构往往有很好的对称性，而且每一代都在变换形状。一些形状已经锁定，不会逐代变化。有时，一些已经成形的结构会因为一些无序细胞的“入侵”而被破坏。但是形状和秩序经常能从杂乱中产生出来。康威生命游戏的意义在于：验证了某些科学家的宇宙观，即最简单的逻辑规则能产生复杂有趣的活动。康威生命游戏在方格网上进行，有点像围棋。有填充的网格代表有生命，或者理解成一个细胞，或者按中国传统，可把填充和无填充理解成“有”和“无”。游戏规则只有以下4条。当周围仅有一个或没有活细胞时，原来的活细胞进入死亡状态。（少）当周围有两个或3个活细胞时，网格保持原样。当周围有4个及以上活细胞时，原来的活细胞也进入死亡状态