動(dòng)物集群運(yùn)動(dòng)行為模型系列之八(已修改)
2025-05-28 02:13 本頁面
【正文】 動(dòng)物集群運(yùn)動(dòng)行為模型動(dòng)物集群運(yùn)動(dòng)行為研究摘 要以集群現(xiàn)象為研究對(duì)象的群體系統(tǒng)是一個(gè)由大量自治個(gè)體組成的集合，在無集中式控制和全模型的情況下，一般通過個(gè)體的局部感知作用和相應(yīng)的反應(yīng)行為使得整體呈現(xiàn)出復(fù)雜的涌現(xiàn)行為。本文著重解決了動(dòng)物群的遷徙、逃避捕食者以及覓食等群體行為。針對(duì)問題一，研究群體遷徙行為，在考慮靠近規(guī)則、對(duì)齊規(guī)則、避免碰撞規(guī)則的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)個(gè)體自身運(yùn)動(dòng)受視野范圍內(nèi)其他個(gè)體共同作用的模型。在模型中主要考慮了個(gè)體的位置變化、瞬時(shí)速度大小和方向。通過每一時(shí)間間隔的變化，觀察最后的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。通過計(jì)算機(jī)仿真得到個(gè)體運(yùn)動(dòng)行為圖，經(jīng)過一段時(shí)間，各個(gè)個(gè)體運(yùn)動(dòng)趨向于同一方向，并向集群質(zhì)心靠攏。針對(duì)問題二，研究逃避捕食者的運(yùn)動(dòng)行為，通過分析個(gè)體與捕食者間的相對(duì)位置變化，來判斷每個(gè)個(gè)體的運(yùn)動(dòng)速度大小和方向，模擬出動(dòng)物群躲避捕食者的運(yùn)動(dòng)路線圖。針對(duì)問題三，研究覓食行為，在遷徙模型的基礎(chǔ)上，當(dāng)種群中出現(xiàn)一些帶有引導(dǎo)信息的個(gè)體時(shí)，研究對(duì)整個(gè)種群的影響，考慮帶信息的個(gè)體運(yùn)動(dòng)是不受其他個(gè)體影響的。 通過仿真，對(duì)誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究領(lǐng)導(dǎo)者占不同比例時(shí)，覓食行為的結(jié)果，當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)者比例至少為12%時(shí)，才能成功覓食。關(guān)鍵字：集群運(yùn)動(dòng) 遷徙模型 躲避模型 覓食模型 智能仿真17一、問題重述 問題背景自然界中存在著大量的群體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，在宏觀上，天體（恒星，行星，星云等）之間的聚集形成星系的運(yùn)動(dòng)，大氣層中的水汽聚集形成大氣運(yùn)動(dòng)，以及生物界中的鳥群、魚群、蟻群等的運(yùn)動(dòng)。在微觀上，細(xì)菌等微生物以及人類的黑色素細(xì)胞也會(huì)進(jìn)行群體運(yùn)動(dòng)，奇怪的是，盡管生物群體中的個(gè)體具有有限的感知能力和智力水平，整個(gè)群體卻能表現(xiàn)出復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)行為，例如保持群體成員間在運(yùn)動(dòng)速度和方向上的同步，朝同一目標(biāo)（食物、棲息地等）行進(jìn)，這些群體還可以形成特殊的空間結(jié)構(gòu)以應(yīng)對(duì)緊急情況（如躲避障礙物或逃避抵御捕食者）等。以集群現(xiàn)象為研究對(duì)象的群體系統(tǒng)是一個(gè)由大量自治個(gè)體組成的集合，在無集中式控制和全模型的情況下，一般通過個(gè)體的局部感知作用和相應(yīng)的反應(yīng)行為使得整體呈現(xiàn)出復(fù)雜的涌現(xiàn)行為。如何對(duì)這種集群行為進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并將其應(yīng)用與人工世界，是目前復(fù)雜性科學(xué)的前沿課題。研究群集系統(tǒng)具有實(shí)際意義，一方面，它是理解生物復(fù)雜性的一個(gè)途徑，另一方面，可以借鑒生物的智慧，把分布式策略用在自治多代理系統(tǒng)（如多機(jī)器人或自治飛行器系統(tǒng)）的控制、協(xié)調(diào)以及編隊(duì)控制中。這些系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是：個(gè)體自治、無全局通訊、無集中式控制。通過設(shè)計(jì)一定的控制規(guī)律，可以使系統(tǒng)整體呈現(xiàn)出所期望的涌現(xiàn)行為。群集的研究還有可能用來解釋群集智能的產(chǎn)生，每一個(gè)個(gè)體并不是非常智慧的主體，但它們之間通過協(xié)作卻可以展現(xiàn)出一定的智能行為，因此在工程上具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。 目標(biāo)任務(wù)觀察給出的圖片和視頻資料，或者在網(wǎng)上搜索相關(guān)資料觀察，思考動(dòng)物集群運(yùn)動(dòng)的機(jī)理，建立數(shù)學(xué)模型刻畫動(dòng)物集群運(yùn)動(dòng)、躲避威脅等行為，例如，可以考慮以下問題的分析建模：(1). 建立數(shù)學(xué)模型模擬動(dòng)物的集群運(yùn)動(dòng)。 (2). 建立數(shù)學(xué)模型刻畫魚群躲避黑鰭礁鯊魚的運(yùn)動(dòng)行為。(3). 假定動(dòng)物群中有一部分個(gè)體是信息豐富者 (如掌握食物源位置信息，掌握遷徙路線信息) ，請(qǐng)建模分析它們對(duì)于群運(yùn)動(dòng)行為的影響，解釋群運(yùn)動(dòng)方向決策如何達(dá)成。二、模型假設(shè)（1）、假設(shè)個(gè)體運(yùn)動(dòng)只受其視野范圍內(nèi)其它個(gè)體運(yùn)動(dòng)的影響。（2）、假設(shè)不考慮個(gè)體形狀的差別。（3）、假設(shè)不考慮個(gè)體轉(zhuǎn)彎需要的時(shí)間。（4）、假設(shè)領(lǐng)導(dǎo)者的運(yùn)動(dòng)是不受其它個(gè)體影響的。（5）、假設(shè)遷徙和覓食的過程中，忽略慮捕食者的存在。三、符號(hào)說明符號(hào)意義鄰居平均值當(dāng)前個(gè)體的位置當(dāng)前各個(gè)鄰居的位置當(dāng)前個(gè)體的方向各個(gè)鄰居的方向鄰居中小于碰撞距離的鄰居個(gè)數(shù)鄰居的平均方向個(gè)體在時(shí)刻的位置向量個(gè)體在時(shí)刻時(shí)的速度是采樣周期 對(duì)個(gè)體產(chǎn)生影響的個(gè)體集合每個(gè)個(gè)體的視野范圍半徑個(gè)體和個(gè)體之間的距離安全距離群體中個(gè)體總個(gè)數(shù)個(gè)體在時(shí)刻的速度方向魚群個(gè)體為確保安全而必須與鯊魚保持的安全距離。魚群個(gè)體與鯊魚的距離種群中第個(gè)帶信息者角度誤差角度方差距離誤差
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