動(dòng)物集群運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析及建模仿真-文庫(kù)吧資料
2025-06-23 13:17本頁(yè)面
【正文】 敵人或者傳遞信息。發(fā)光器分泌發(fā)光物質(zhì)—熒光素和熒光素酶,熒光素酶催化熒光素與氧結(jié)合,生成氧化熒光素,在氧化過(guò)程中產(chǎn)生能量,以光的形式釋放出來(lái),因而發(fā)光。許多生活于深海的魚(yú)類都會(huì)發(fā)光。聲音在水中的傳遞速度很快，約為 1500米/秒,魚(yú)類在它們長(zhǎng)久的進(jìn)化中，形成了比較完善的聲音發(fā)送、接受器官,使魚(yú)類能快速、準(zhǔn)確收集和辨認(rèn)各種信息。魚(yú)類在信息傳遞和協(xié)調(diào)中，化學(xué)通訊是比較常見(jiàn)的一種方式。在傳輸種類方面，根據(jù)相關(guān)資料，總結(jié)出不同種類的魚(yú)類在進(jìn)化過(guò)程中根據(jù)不同的信號(hào)進(jìn)行傳遞。根據(jù)查找相關(guān)資料和結(jié)合自己的總結(jié)。其它魚(yú)接收到信號(hào)后，再結(jié)合自身的環(huán)境做出判斷，并選擇改變運(yùn)動(dòng)方向。另外，我們對(duì)魚(yú)群的方向進(jìn)行了討論。魚(yú)群游動(dòng)時(shí)，根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)知識(shí)可以分析：前方魚(yú)的漩渦會(huì)減小后方魚(yú)游動(dòng)的阻力。許多魚(yú)類是通過(guò)一起互相追逐,以達(dá)到更多的排卵受精,從而獲得高的受精率。因?yàn)楫?dāng)魚(yú)群一側(cè)的魚(yú)發(fā)現(xiàn)食物后，它們通過(guò)本身的特定信號(hào)傳遞方式把食物豐富的信息傳遞給集群中的其他魚(yú)。另外，密集的魚(yú)群可以借助自己靈活的形狀變化和迅速的速度，給形體巨大的捕食者造成困難。其中，對(duì)信息傳遞種類、傳遞距離、傳遞速度進(jìn)行分別分析。與問(wèn)題一相同，由于現(xiàn)實(shí)中不同因素的復(fù)雜性和不可預(yù)測(cè)性，本問(wèn)中不對(duì)模型的不同因素的權(quán)值進(jìn)行確定。在躲避鯊魚(yú)捕食的過(guò)程中，個(gè)體通過(guò)自身的信息和附近其他個(gè)體的運(yùn)動(dòng)方向來(lái)躲避捕食。（2）與問(wèn)題一相同，在“靠近規(guī)則的實(shí)現(xiàn)”、 “對(duì)齊規(guī)則的實(shí)現(xiàn)”、“避免碰撞規(guī)則的實(shí)現(xiàn)”和“運(yùn)動(dòng)慣性的考慮”的實(shí)現(xiàn)上和問(wèn)題一遵循相同的規(guī)則，在問(wèn)題的求解中通過(guò)相同的模型進(jìn)行計(jì)算。本文認(rèn)為個(gè)體的運(yùn)動(dòng)方向不受威脅源的影響。此時(shí)，該因素影響的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)椋?）、當(dāng)個(gè)體在運(yùn)動(dòng)威脅源的后方時(shí)，因?yàn)閭€(gè)體和威脅源相比普遍上體積較小且游動(dòng)速度相當(dāng)，個(gè)體的運(yùn)動(dòng)比較靈活。因?yàn)?，威脅源的運(yùn)動(dòng)直接威脅到個(gè)體的生命安全；所以，當(dāng)有威脅源時(shí)，個(gè)體魚(yú)應(yīng)該盡可能大的以“躲避威脅”為原則進(jìn)行改變下一周期的運(yùn)動(dòng)方向。圓內(nèi)的魚(yú)已經(jīng)與整個(gè)集群分離，且與鯊魚(yú)的位置較近。 其中, 圖8 躲避鯊魚(yú)時(shí)魚(yú)游動(dòng)方向分析圖（1）躲避威脅的實(shí)現(xiàn)：根據(jù)個(gè)體相對(duì)威脅源的位置不同，個(gè)體會(huì)選擇不同的躲避原則。用公式表示為 ：其中為躲避威脅來(lái)源的方向。因此，本文把這五個(gè)方向的平均方向作為魚(yú)下一時(shí)刻游動(dòng)的方向。每個(gè)個(gè)體魚(yú)作為一個(gè)獨(dú)立的動(dòng)作者，按照上述三個(gè)基本原則，通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的局部感知，不斷調(diào)整自身運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)與整個(gè)魚(yú)群協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。 個(gè)體魚(yú)運(yùn)動(dòng)模型為了得出個(gè)體魚(yú)的游動(dòng)方向。其次，與問(wèn)題一相同，考慮“避免碰撞”即個(gè)體間距離必須保持不小于最小鄰魚(yú)距離。首先，因?yàn)閬?lái)自環(huán)境的威脅直接影響著個(gè)體魚(yú)的生命安全，在對(duì)各因素分析時(shí)，將“躲避威脅”設(shè)為決定個(gè)體魚(yú)方向的最主要條件。個(gè)體魚(yú)的行為產(chǎn)生機(jī)制和個(gè)體與集群的關(guān)系與問(wèn)題一相同。在本問(wèn)題模型建立中，可以借鑒問(wèn)題一中的魚(yú)群運(yùn)動(dòng)模型，“躲避威脅”方向約束。魚(yú)群通過(guò)變化形狀，避開(kāi)鯊魚(yú)的前進(jìn)路線，除脫離魚(yú)群的個(gè)體魚(yú)外，絕大多數(shù)魚(yú)成功地逃脫了鯊魚(yú)的捕食。問(wèn)題二要求我們建立數(shù)學(xué)模型刻畫(huà)魚(yú)群躲避黑鰭礁鯊魚(yú)的運(yùn)動(dòng)行為。但是由于數(shù)據(jù)較少，仿真結(jié)果還是不是很理想。分為魚(yú)群分散狀態(tài)、魚(yú)群聚集狀態(tài)、魚(yú)群聚集完畢。本文不予分類討論。由于本問(wèn)題的關(guān)鍵在于建立精確的描述動(dòng)物集群運(yùn)動(dòng)規(guī)律的模型。我們按照個(gè)體運(yùn)動(dòng)的規(guī)則，通過(guò)編程做出了一定數(shù)量相同個(gè)體組成的的集群運(yùn)動(dòng)仿真。在實(shí)際中，一個(gè)集群有許多個(gè)具有上述特性的個(gè)體組成，而構(gòu)成該系統(tǒng)的個(gè)體并不知道整個(gè)集群的全局信息，每個(gè)個(gè)體只能根據(jù)它所感知的局部信息來(lái)調(diào)整自身的動(dòng)作。（4）由于個(gè)體在運(yùn)動(dòng)中有一定的速度，在上一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)方向?qū)ο乱恢芷诘倪\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的影響。（3）避免碰撞規(guī)則的實(shí)現(xiàn)：當(dāng)個(gè)體和它的鄰居靠的太近時(shí)(距離小于碰撞距離) ,應(yīng)自動(dòng)避開(kāi)。（2）對(duì)齊規(guī)則的實(shí)現(xiàn)：個(gè)體魚(yú)會(huì)和它的鄰居朝同一個(gè)方向游動(dòng)。 其中, 圖4 集群中某個(gè)體魚(yú)的游動(dòng)方向（1）靠近規(guī)則的實(shí)現(xiàn):每個(gè)個(gè)體都有向鄰居中心靠攏的特性,鄰居中心為觀察范圍內(nèi)各個(gè)體所在位置的平均值。用公式表示為 ：其中，為下個(gè)周期個(gè)體魚(yú)的游動(dòng)方向, 為周期t中該個(gè)體魚(yú)的游動(dòng)方向, 為周期t當(dāng)前個(gè)體到鄰居平均位置的方向，為鄰居的平均方向, 為小于碰撞距離的鄰居到當(dāng)前個(gè)體方向的平均值。因此，本文把這四個(gè)方向的平均方向作為魚(yú)下一時(shí)刻游動(dòng)的方向。在對(duì)實(shí)際的問(wèn)題分析中，本文又增加了影響個(gè)體與在下一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)方向的第四個(gè)因素。最后，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程的方法得到了較為真實(shí)的群體行為的仿真。為了形象地描述個(gè)體的游動(dòng)規(guī)律，經(jīng)過(guò)觀察視頻和查找資料，抽象出魚(yú)類產(chǎn)生集群運(yùn)動(dòng)的三個(gè)游動(dòng)規(guī)則：(1)避免碰撞：避免和相鄰個(gè)體發(fā)生碰撞；(2)速度匹配：與相鄰個(gè)體的速度一致；(3)中心聚集：系統(tǒng)中個(gè)體向中心聚集。即當(dāng)鄰居魚(yú)處于本魚(yú)的吸引區(qū)域內(nèi)，本魚(yú)將朝鄰居魚(yú)的方向前進(jìn)；為無(wú)反應(yīng)距離，鄰居魚(yú)已在本魚(yú)的視覺(jué)能力范圍之外，不對(duì)本魚(yú)造成影響。其中為強(qiáng)烈排斥距離。根據(jù)資料發(fā)現(xiàn)在一些個(gè)體數(shù)量不多、密度不是很高的群體中，少量個(gè)體的游泳方向呈現(xiàn)隨機(jī)性。首先，將個(gè)體間避免碰撞設(shè)為首要條件，個(gè)體間距離必須保持不小于最小鄰魚(yú)距離(nearest neighbour distance，NND) 當(dāng)鄰居魚(yú)逼近時(shí)，按距離的遠(yuǎn)近采取相應(yīng)的行為反應(yīng)和行動(dòng)。運(yùn)動(dòng)級(jí)主要由運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成，它的主要功能是根據(jù)行為規(guī)劃的結(jié)果為魚(yú)選擇適合所選擇行為的運(yùn)動(dòng)。協(xié)調(diào)級(jí)有協(xié)調(diào)模塊，在功能上相當(dāng)于魚(yú)的大腦即控制器，負(fù)責(zé)將魚(yú)感知到的信息和當(dāng)前要實(shí)現(xiàn)的意圖、目標(biāo)進(jìn)行協(xié)調(diào)，以期達(dá)到當(dāng)前外部環(huán)境與內(nèi)部狀態(tài)下的最優(yōu)。在分析魚(yú)群的個(gè)體高級(jí)自組織行為時(shí)，建立魚(yú)群的個(gè)體高級(jí)自組織行為模型。比如有個(gè)體魚(yú)發(fā)現(xiàn)食物，魚(yú)群如何接受到發(fā)現(xiàn)食物的信息、如何調(diào)整魚(yú)群的移動(dòng)方向和魚(yú)群的整體移動(dòng)。海洋環(huán)境中，有靜態(tài)障礙物(如巖石)，也有動(dòng)態(tài)障礙物(如其他魚(yú))，環(huán)境是動(dòng)態(tài)變化的，同時(shí)，魚(yú)群
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