Over the years, population protocols with the goal of reaching consensus have been studied in great depth. However, many systems in the real-world do not result in all agents eventually reaching consensus, but rather in the opposite: they converge to a state of rich diversity. Consider for example task allocation in ants. If eventually all ants perform the same task, then the colony will perish (lack of food, no brood care, etc.). Then, it is vital for the survival of the colony to have a diverse set of tasks and enough ants working on each task. What complicates matters is that ants need to switch tasks periodically to adjust the needs of the colony; e.g., when too many foragers fell victim to other ant colonies. Moreover, all tasks are equally important and maybe they need to keep certain proportions in the distribution of the task. How can ants keep a healthy and balanced allocation of tasks? To answer this question, we propose a simple population protocol for $n$ agents on a complete graph and an arbitrary initial distribution of $k$ colours (tasks). We assume that each colour $i$ has an associated weight (importance) $w_i \geq 1$. By denoting $w$ as the sum of the weights of different colours, we show that the protocol converges in $O(w^2 n \log n)$ rounds to a configuration where the number of agents supporting each colour $i$ is concentrated on the fair share $w_in/w$ and will stay concentrated for a large number of rounds, w.h.p. Our protocol has many interesting properties: agents do not need to know other colours and weights in the system, and our protocol requires very little memory per agent. Furthermore, the protocol guarantees fairness meaning that over a long period each agent has each colour roughly a number of times proportional to the weight of the colour. Finally, our protocol also fulfils sustainability meaning that no colour ever vanishes.


翻译:多年来,人们已经深入地研究了人口协议,目的是达成共识。然而,现实世界中的许多系统并没有导致所有代理人最终达成共识,而是相反的:它们会聚集到一个丰富多样的状态。例如,在蚂蚁中分配任务。如果最终所有蚂蚁都执行同样的任务,那么蚁群就会消亡(缺乏食物,没有溴的护理,等等)。然后,对于殖民地的生存来说,拥有一套多样的任务和足够的蚂蚁在每项任务中工作。使问题复杂化的是,蚂蚁们需要定期转换任务来调整殖民地的需求;例如,当太多的蚂蚁们成为其他蚁蚁群的受害者时,它们就会聚集在一起。此外,所有任务都同样重要,也许它们需要一定比例地分配任务。蚂蚁们如何保持一个健康和平衡的任务分配?为了回答这个问题,我们提议一个简单的人口协议,在完整的图表上为$n的代理人设置一个简单的人口协议,然后任意地在最初分配美元(塔克斯)的颜色。我们假设每个颜色的值都有一定的值的重量,每个颜色的重量,每个颜色的重量的重量的重量,每个的重量都是我们的颜色的重量,每个的重量需要一个颜色的重量。

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