ألعاب خطيرة ضد الأعداء القتلة

الإرهابيون ومهربو المخدرات وحتى الفيروسات القاتلة هم أعداء لدودون. الاستخدام الحكيم لنظرية الألعاب قد يحسن التعامل معها

إسرائيل بنيامين

بالنسبة للإرهابيين، يعد مطار لوس أنجلوس الدولي بلا شك هدفًا جذابًا للهجوم. المطار، المعروف باسم LAX، هو سادس أكثر المطارات ازدحاما في العالم، وفي عام 2009 مر عبره حوالي ستين مليون (!) مسافر. بالنسبة للقائمين على أمن المكان وحماية حياة الموجودين في المطار، فإن الحاجة إلى وضع أفضل الدفاعات تمثل تحديًا يوميًا: فمن المستحيل حراسة كل نقطة في كل لحظة، سواء بسبب قيود الميزانية ولأن مثل هذه الحراسة من شأنها أن تخلق تأخيرات مستحيلة وتمنع المطار من العمل. ومن ناحية أخرى، فإن أي ممر غير محروس قد يستخدمه الإرهابيون للتسلل إلى المطار ويؤدي إلى كارثة.

كيف يمكنك اختيار قوالب الحفظ ونقاط الفحص بطريقة تضمن أقصى قدر من الأمان؟ بالنسبة لعلماء الرياضيات، هذا نوع من اللعبة: الخطوة الأولى هي لمدير الأمن، الذي يختار خطة الحماية. الخطوة الثانية هي للإرهابي الذي يقرر مسار هجومه، أو يقرر عدم الهجوم. قد يبدو استخدام نظرية اللعبة لخيارات الحياة أو الموت غريبا، ولكن له تاريخ طويل، بما في ذلك الاعتبارات التي وجهت تطوير وإنتاج الأسلحة النووية خلال الحرب الباردة.

في اسرع وقت ممكن. إبداعي | كارلوس توريس، شاترستوك

عندما يكون من الأفضل أن تقرر بشكل عشوائي

تتمتع "لعبة LAX" كما سنشير إليها لاحقا بخصائص تميزها مقارنة بغيرها من الألعاب المعروفة لدى علماء الرياضيات. ويتكرر كل يوم، حيث يعتبر "النجاح" الواحد للتنظيم الإرهابي انتصارا حتى لو جاء بعد خسائر كثيرة. بالإضافة إلى ذلك، يجب على مدير الأمن أن يفترض أن نمط الدفاع معروف للمهاجم، حيث يمكنه تعلم أساليب الأمان على مدى فترة طويلة من الزمن. هذه الحقيقة تستبعد الأنماط الثابتة: إذا كان الدفاع دائمًا في نفس النقاط، فسيكون من السهل على المهاجم اختيار طريق لا يمر عبر تلك النقاط.

ولذلك، عندما يكون من المستحيل اختبار جميع مسارات حركة السيارات في LAX وجميع مسارات المشي داخلها، تكون الأنماط المفضلة عشوائية. بهذه الطريقة يمكن للمهاجم معرفة احتمالات حراسة مسار معين، ولكن لا يمكنه التأكد مما إذا كان هذا المسار سينكشف بالفعل في يوم الهجوم.

من المهم أن نفهم أن معنى الاختيار العشوائي ليس رمية عملة معدنية، ولا يحرر مدير الأمن من الحاجة إلى التفكير والتخطيط. تحدد الأنماط العشوائية احتمالًا لكل قرار، مثل "احتمال 0.7 لدورية سيارة شرطة على قسم الطريق أ؛ 0.4 احتمالية التفتيش بواسطة الكلاب البوليسية في المنطقة (ب) من المحطة،…”. من المهم اختيار قوالب جيدة، ولكن ما هي الخطة الجيدة وكيف يمكنك العثور عليها؟

منذ عام 2007، تم تطوير برنامج ARMOR للإجابة على هذه الأسئلة وهو يعمل في مطار لوس أنجلوس الدولي. اسم ARMOR، والذي يعني "درع" باللغة الإنجليزية، هو اختصار لـ "Assistant for Randomized Monitoring Over Routes". تم تطوير البرنامج من قبل فريق من الباحثين من جامعة جنوب كاليفورنيا مع البروفيسور ساريت كراوس من جامعة بار إيلان.1

في اسرع وقت ممكن. إبداعي | فاسيل ياكوبشوك، شاترستوك

كيف يمكنك قياس النجاح؟

لاختيار النمط، يحتاج البرنامج إلى معلومات حول نقاط الحفظ المحتملة و"الربح" المتوقع للمهاجم إذا تمكن من اختراق هذه النقاط. دعونا نوضح ذلك في حالة بسيطة: لنفترض أن الميزانية تسمح بالحفاظ في لحظة معينة على طريقتين فقط من أصل ثلاث طرق للوصول، الطرق A وB وC. في هذه الحالة، هناك ثلاثة خيارات للمدافع للمباراة التي تجري في تلك اللحظة: A وB، A وC أو B وC. إذا كان لدى المهاجم أسباب وجيهة لتفضيل الاختراق من خلال A أو B، وكانت خيارات الهجوم التي يمكنه الوصول إليها من خلال النقطة C أكثر محدودية، فمن المغري أن يقرر الاحتفاظ بـ A وB فقط.

وهذا قرار سيء بالطبع، لأن المهاجم يمكن أن يعلم أن النقطة C ليست محمية أبدًا وقد يفضل الاختراق من خلال هذه النقطة: على الرغم من أن "الربح" منها أقل، إلا أن فرص نجاح العملية الإرهابية أعلى بكثير. في هذا الوضع. القرار الأفضل هو اتخاذ نمط عشوائي بين الخيارات الثلاثة: فرصة 70% للاحتفاظ بـ A وB، وفرصة 15% للاحتفاظ بـ A وC وفرصة مماثلة لـ B وC. ولذلك فإن كل قرار للمهاجم ينطوي على خطر حقيقي بالنسبة له.

ويترتب على ذلك أن هناك حاجة إلى نموذج للمهاجم يتضمن تقييم الربح الذي ينسبه لكل طريق هجوم. قد يتغير تقدير الربح من يوم لآخر بسبب تلقي معلومات أو أحداث في المطار، مثل زيارة شخصية مهمة. بالإضافة إلى ذلك، هناك عدة أنواع من المهاجمين الذين قد يجدون LAX هدفًا جذابًا، كل منهم لأسبابه الخاصة. ولذلك يحتاج البرنامج إلى نموذج لكل نوع من أنواع الهجوم، وتقييم احتمالية الهجوم لكل نوع. ومن الواضح أن المعلومات الموجودة بين يدي المدافع غير كاملة، وبالتالي ليس هناك يقين من دقة تقديرات الاحتمالية والأرباح المتضمنة في نموذج الصلاحية. الأدوات الرياضية لنظرية اللعبة تجعل من الممكن التعامل مع هذه المشكلة أيضًا.

عندما لا يكون معروفًا ما إذا كان الإرهابيون يعتزمون مهاجمة هدف معين، فمن الصعب تقييم ما إذا كان النظام الدفاعي قادرًا على ردعهم. ومع ذلك، يمكن قياس النجاح بطرق أخرى، بما في ذلك النجاح في كبح أنواع مختلفة من الجريمة. وبهذا المقياس، فإن رياضيات نظرية اللعبة تعمل بالفعل في العالم الحقيقي: في عام 2009، عندما منحت مدينة لوس أنجلوس شارات مطوري المشروع، أشار رئيس شرطة لوس أنجلوس إلى أن البرنامج ساهم في القبض على أصحاب الأسلحة غير القانونيين والمخدرات. المهربين في المطار.

هجوم لا معنى له

تفترض نظرية اللعبة عمومًا أن كل لاعب يتصرف بالطريقة الأفضل بالنسبة له، أي بالطريقة التي تحقق له أعلى فائدة. وكما اكتشف الاقتصاديون وعلماء النفس بالفعل، فإن هذا الافتراض غير دقيق. أولا، يجد معظم الناس صعوبة في حساب الفائدة المتوقعة من كل إجراء بدقة، حتى عندما تكون تحركات الخصم واحتمالاتها معروفة لهم وحتى عندما يكون لديهم فهم جيد لنظرية الاحتمالات.

تسمى هذه الظاهرة "العقلانية المحدودة" (العقلانية المحدودة) وهي تؤدي إلى اختيار حركات ليست مثالية، بسبب محدودية القدرة على الحساب (وهذا ليس غباء: بالنسبة للعديد من المشاكل من هذا النوع، حتى أجهزة الكمبيوتر العملاقة ستحل محلها) لن تتمكن من العثور على الإجراء الأمثل في وقت معقول). ثانيًا، يواجه البشر صعوبة في تقدير الاحتمالات، وهم على وجه الخصوص عرضة لظاهرة "الإرساء"، أي أنهم يحافظون على تقديراتهم الاحتمالية الأولية حتى عندما تتراكم المعلومات التي تتعارض مع التقدير وتشير إلى احتمال مختلف.

وأخيرا، حتى المهاجم الأكثر عقلانية قد لا يعرف سوى معلومات جزئية عن أنماط تصرفات المدافع، حتى عندما يبني المدافع هذه الأنماط في ظل الافتراض الصارم بأن المهاجم يعرف الأنماط والبرمجيات التي تنشئها. على ما يبدو، فإن القيود المفروضة على عقلانية المهاجم ومعلوماته تعمل على تحسين فرص نجاح المدافع، ولكن اتضح أنه عندما يتجاهل المدافع هذه القيود، فإنه قد يختار استراتيجية خاطئة. في المثال الموضح لثلاثة طرق وصول، فإن الخصم الذي يتجاهل حقيقة أن الطريقين A وB محميين يكون أكثر عرضة من الطريق C لمهاجمة أحد الطريقين، لأنهما يحميان الأهداف ذات الأولوية الأعلى بالنسبة له. إذا تمكن المدافع من التأكد من أن هذه هي طريقة تفكير المهاجم، فإن الإستراتيجية الصحيحة ستكون الدفاع عن A وB فقط، وسيكون النجاح مضمونًا.

وفي دراسة أخرى في إطار ARMOR، تم فحص هذه التعقيدات من خلال خوارزميات أكثر تعقيدًا. لاختبار نجاح الخوارزمية في هذه الحالة، التي تشير إلى القيود المعرفية البشرية، كان من الضروري إجراء تجربة ضد "المهاجمين" البشريين. ولهذا الغرض، تم تجنيد المشاركين في تجربة تعتمد على لعبة كمبيوتر. في اللعبة، طُلب منهم سرقة الكنز من القراصنة عن طريق اختيار الباب الذي سيدخلون من خلاله، على أمل ألا يكون هناك قرصان يحرس هذا الباب في تلك اللحظة. تم منح المشاركين الفرصة لمشاهدة القراصنة ومعرفة الأبواب التي يحرسونها لعدة "جولات" قبل أن يُطلب منهم اختيار الباب الذي سيحاولون الدخول من خلاله في الجولة التالية. وهكذا، مكنت التجربة من فحص تأثير توافر المعلومات (كلما زاد عدد الجولات المرصودة، كلما كان تقدير الاحتمالية أكثر دقة) على استراتيجية المهاجم، وفحص مدى نجاح استراتيجيات الدفاع ضد مختلف المهاجمين. . في هذه التجارب، وجد أن الخوارزميات التي أخذت في الاعتبار أيضًا القيود المفروضة على المهاجم حققت نجاحًا أفضل ضد المشاركين من البشر.

في اسرع وقت ممكن. إبداعي | سيباستيان كوليتسكي، شاترستوك

لعبة الدماغ ضد الفيروس

فالأطباء الذين يختارون العلاج ضد فيروس نقص المناعة البشرية، الذي يسبب مرض الإيدز، يلعبون أيضًا لعبة ضد خصم قاتل. كما نعلم، يخضع هذا الفيروس لطفرات سريعة، لذلك حتى عندما يتم العثور على مجموعة ("كوكتيل") من الأدوية التي تمنع تطور المرض، فإن إحدى الطفرات في نهاية المطاف ستؤدي إلى خلق فيروس لا يمكن لأي من العوامل المضادة ضده الأدوية الموجودة في الكوكتيل فعالة. عندما يحدث هذا، يجب على الطبيب المعالج العثور على مجموعة أخرى.

وللتوصل إلى تركيبة فعالة، من الممكن استخدام فك الشفرة الجينية للفيروس المجمعة من دم المريض. وتقوم المنظمات الدولية بجمع معلومات عن الطفرات الموجودة في الفيروس، وعن الحماية التي قد توفرها كل طفرة للفيروس ضد أدوية مختلفة. تظهر هذه المعلومات في "جداول الطفرات". هناك أيضًا "أنظمة خبيرة" - أنظمة ذكاء اصطناعي توفر الحاجة إلى مراجعة الجداول يدويًا بحثًا عن تركيبة دوائية مناسبة للطفرة الجديدة. وينتج البرنامج توصيات لدمج الأدوية، عندما يأخذ في الاعتبار أيضًا القواعد المعقدة والتفاعلات بين الطفرات المختلفة (على سبيل المثال، عندما لا تشكل طفرتان، في موقعين مختلفين في الجينوم الفيروسي، في حد ذاتها حماية ضد دواء ما، ولكن وظهور الطفرتين معًا يجعل نفس الدواء غير فعال).

إحدى المشاكل المتعلقة بطريقة جدول الطفرات هي الحاجة إلى تقييم بشري يقوم به الأطباء، حيث لا يستطيع كل منهم الوصول إلى المعلومات إلا عن جزء صغير من جميع المرضى. في مقالة "مطاردة فيروس الإيدز"، التي نشرت في مارس 2010 من قبل مجموعة من الباحثين من معهد ماكس بلانك في ألمانيا، تم وصف طرق من مجال علم الأحياء الحسابي لمعرفة العلاقة بين النمط الجيني (تسلسل النيوكليوتيدات التي تشكل الشفرة الوراثية للفيروس) والنمط الظاهري (سلوك الفيروس، المعبر عنه في هذا السياق) في مقاومته للأدوية).

التعلم المحوسب يختصر عملية التعلم ويبنيها على فحص شامل لقواعد البيانات الكبيرة. حتى أنها تمكنت من تحديد موقع الطفرات التي أدت إلى مقاومة الأدوية في المعلومات المجمعة التي لم يتم تحديدها من قبل.

طريق الهروب

التركيبة الدوائية الناجحة هي تلك التي تنجح في تثبيط سلالة الفيروس الموجودة حاليًا في جسم المريض؛ لكن هذا المطلب ليس كافيا: فالفيروس سيخضع للعديد من الطفرات. معظم الطفرات ستقلل من قدرة الفيروس على الأذى أو مقاومته للأدوية، ولكن سيكون هناك أيضًا طفرات ستمنحه مقاومة أعلى. وكما تتنبأ مبادئ الانتقاء الطبيعي، فإن الأوبئة التي ظهرت فيها هذه الطفرات سوف تتكاثر حتى تصبح السلالة الرئيسية للفيروس لدى ذلك المريض، وستكون هناك حاجة إلى مزيج جديد من الأدوية للتعامل مع تلك السلالة الجديدة.

لأسباب لا يزال أساسها البيولوجي غير مفهوم جيدًا، ليست كل سلاسل الطفرات محتملة بنفس القدر. من الممكن تحديد "مسارات الهروب" - سلسلة من الطفرات التي تظهر باحتمال كبير، وفي النهاية يطور الفيروس مقاومة للعلاج. ويصف الباحثون أساليب التعلم الاحتمالية التي تسمح لهم باستغلال طرق الهروب من قواعد البيانات حيث يتم جمع فك الشفرة الجينية للفيروسات كما ظهرت في عشرات الآلاف من المرضى، مع المعلومات السريرية عن نجاح الأدوية المختلفة في هذه مرضى. سيكون التعلم أسهل بكثير إذا توفرت البيانات الطولية، أي الشفرة الجينية للفيروسات التي تم جمعها في أوقات مختلفة من نفس المريض، لكن مثل هذه المعلومات نادرة. ولذلك، احتاج الباحثون إلى أساليب رياضية متقدمة لاستنتاج سلسلة الطفرات "المفضلة" من البيانات "المقطعية" - تفاصيل الشفرة الوراثية للفيروسات التي تم جمعها من مرضى مختلفين.

وبمجرد معرفة "مسارات الهروب" تلك، واحتمالية "اختيار" الفيروس في كل سلسلة من هذه الطفرات، فمن الممكن فحص العلاجات المقترحة ليس فقط وفقًا لفعاليتها ضد السلالة الحالية من الفيروس ولكن ضد السلالة التالية. "تحركات" الفيروس. تظهر الكلمتان "اختيار" و"تحركات" بين علامتي تنصيص لأنه من الواضح أن الفيروس لا يفكر أو يخطط، لكن الطفرات العشوائية التي تمت تصفيتها من خلال عملية الانتقاء الطبيعي تلعب دورًا مشابهًا. وفي هذه "اللعبة" أيضاً، كما في "لعبة LAX"، يختار الطبيب الخطوة الأولى بطريقة تقلل قدر الإمكان من النجاح المتوقع لكل خطوة يختارها المهاجم.

وبمساعدة هذه المعلومات، من الممكن اختبار مجموعات الأدوية المقترحة وتقييم مدى فعالية كل منها ضد السلالة الحالية وضد السلالات التي من المحتمل أن تصل إليها هذه السلالة من خلال الطفرات الشائعة. ويذكر مؤلفو المقال أن استخدام "تحسين العلاج" بهذه الطريقة قد يقلل من عدد العلاجات غير الفعالة من 24% إلى أقل من 15%، وأن العيادات التي تعالج ثلثي مرضى الإيدز في ألمانيا تستخدم اليوم البرنامج الذي تم تطويره كجزء من هذا المشروع.

تستخدم دراسات أخرى أيضًا نظرية اللعبة لضبط أنظمة العلاج لمرضى الإيدز. ومن أحدثها مقال نشره باحثون من جامعة تينيسي قبل بضعة أشهر، حيث يتم فيه تمثيل مسار المرض بلعبة بين الفيروس و"تحالف" مكون من جهاز المناعة والدواء علاج. أظهرت هذه الدراسة أن هناك حالة توازن (أي حالة لا يتمتع فيها أي من الطرفين بميزة في تغيير استراتيجيته) حيث تستمر الخلايا التائية في الجهاز المناعي في البقاء.

اللعب بجدية

المساهمة الرئيسية لنظرية اللعبة، على الرغم من اسمها، تقع في مجالات لا يُنظر إليها على أنها لعبة، بما في ذلك الاقتصاد والحرب والمفاوضات والاستخدام الفعال للترددات (انظر: "لعبة التدخل: كيفية اختيار ترددات الاتصال"، " غاليليو" 139) وأكثر. حتى عندما لا يشارك "اللاعب" المنافس التفضيلات أو القيم التي توجه اللاعب المدافع، وليس بالضرورة عقلانيًا حتى بمعاييره الخاصة، ولا يرغب في قبول أي قواعد للعبة، فلا تزال هناك أدوات في اللعبة النظرية والذكاء الاصطناعي والرياضيات التي تسمح باختيار أفضل التحركات لحمايتنا من مثل هذه الجهات القاتلة. وقد أثبتت هذه الأدوات فعاليتها بالفعل في الاختبارات العملية، وهي تتفرع إلى استخدامات أخرى: على سبيل المثال، قامت المجموعة التي طورت ARMOR أيضًا بتطوير برنامج لوضع العملاء بملابس مدنية تحمي الرحلات الجوية الدولية من الاختطاف، وقد تم استخدام هذا البرنامج في الاختبار العملي منذ أكتوبر 2009.

1. البروفيسور شاريت كراوس حائز على جائزة AMT - الفن والعلوم والثقافة - في مجال العلوم الدقيقة لعام 2010، مع البروفيسور ديفيد هاريل من معهد وايزمان للعلوم.

يعمل Israel Binyamini في ClickSoftware لتطوير أساليب التحسين المتقدمة.