How does the size of a swarm affect its collective action? Despite being arguably a key parameter, no systematic and satisfactory guiding principles exist to select the number of units required for a given task and environment. Even when limited by practical considerations, system designers should endeavor to identify what a reasonable swarm size should be. Here, we show that this fundamental question is closely linked to that of selecting an appropriate swarm density. Our analysis of the influence of density on the collective performance of a target tracking task reveals different `phases' corresponding to markedly distinct group dynamics. We identify a `transition' phase, in which a complex emergent collective response arises. Interestingly, the collective dynamics within this transition phase exhibit a clear trade-off between exploratory actions and exploitative ones. We show that at any density, the exploration-exploitation balance can be adjusted to maximize the system's performance through various means, such as by changing the level of connectivity between agents. While the density is the primary factor to be considered, it should not be the sole one to be accounted for when sizing the system. Due to the inherent finite-size effects present in physical systems, we establish that the number of constituents primarily affects system-level properties such as exploitation in the transition phase. These results illustrate that instead of learning and optimizing a swarm's behavior for a specific set of task parameters, further work should instead concentrate on learning to be adaptive, thereby endowing the swarm with the highly desirable feature of being able to operate effectively over a wide range of circumstances.


翻译:尽管可以说是一个关键参数,但没有系统和令人满意的指导原则来选择特定任务和环境所需的单位数量。即使受到实际考虑的限制,系统设计者也应努力确定合理的群规模。在这里,我们表明,这一根本问题与选择适当的群群密度密切相关。我们对目标跟踪任务集体绩效密度影响的分析显示,与明显不同的群体动态相对应的“阶段”不同。我们确定一个“过渡”阶段,在这个阶段,出现复杂的集体反应。有趣的是,这一过渡阶段的集体动态显示探索行动和剥削行动之间有明确的权衡。我们表明,在任何密度的情况下,都可以调整勘探-开发平衡,以便通过改变各种手段,例如改变代理人之间的连接程度,最大限度地提高系统绩效。虽然密度是需要考虑的主要因素,但在系统规模化时,不应只考虑一个合理的“阶段”。由于物理系统中存在固有的有限规模影响,因此,我们确定这一过渡阶段的集体动态在探索行动与剥削行动之间有着明确的平衡。我们指出,在任何密度的情况下,探索-开发平衡可以调整系统的业绩,从而对特定任务阶段的精细度进行学习,从而对具体任务阶段的精细度进行。

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