動(dòng)物集群運(yùn)動(dòng)行為模型-12-展示頁
2024-08-20 03:35本頁面
【正文】 方面 ,如微粒群算法、 蟻群算法、 群體機(jī)器人等。個(gè)體行為是構(gòu)成群體行為的基礎(chǔ),個(gè)體之間的組織結(jié)構(gòu)、個(gè)體行為之間的關(guān)系和群體行為的涌現(xiàn)機(jī)制是研究群體行為的關(guān)鍵要素。這些動(dòng)物群在運(yùn)動(dòng)過程中具有很明顯的特征：群中的個(gè)體聚集性很強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)方向、速度具有一致性。由此可得魚群覓食的集群運(yùn)動(dòng)情況。對于信息豐富者，受到召集作用的權(quán)重。對于非信息豐富者來說，它能受到其感知范圍內(nèi)信息豐富者的召集信息，并趨向這些信息豐富者的實(shí)際游動(dòng)方向的平均方向，追隨它們共同覓食。由此可對捕食者和個(gè)體魚的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行迭代更新。當(dāng)捕食者靠近個(gè)體魚，出現(xiàn)在個(gè)體魚的感知范圍內(nèi)時(shí)，小魚將產(chǎn)生避險(xiǎn)意識，避險(xiǎn)方向?yàn)椴妒痴叩絺€(gè)體魚的方向，同時(shí)向其感知范圍內(nèi)的個(gè)體魚發(fā)送告警信號，接受到告警信號的個(gè)體魚將產(chǎn)生離散意識，離散方向?yàn)槠涓兄降谋茈U(xiǎn)個(gè)體魚游動(dòng)方向的平均方向。對于問題二，本文考慮在二維平面中引入捕食者，并假設(shè)捕食者將游向其感知范圍（R0）內(nèi)距離其最近的個(gè)體魚，同時(shí)受其自身游動(dòng)慣性的影響，則其游動(dòng)方向。本文假設(shè)個(gè)體魚在二維平面內(nèi)游動(dòng)時(shí)能夠感知到一定范圍（R）內(nèi)的同族的位置和游動(dòng)方向，并遵循四個(gè)規(guī)則：慣性規(guī)則、靠近規(guī)則、對齊規(guī)則、規(guī)避規(guī)則，個(gè)體魚的運(yùn)動(dòng)方向由這四個(gè)規(guī)則對魚的影響大小決定。魚群運(yùn)動(dòng)行為模型摘要本文研究了魚群運(yùn)動(dòng)時(shí)受環(huán)境及鄰近同族的影響而改變速度方向的機(jī)制，并以此為基礎(chǔ)分析了魚群在躲避捕食者和覓食時(shí)的信息傳遞和轉(zhuǎn)移路線。對于問題一，本文考慮平衡狀態(tài)時(shí)，即沒有捕食者威脅也無覓食和遷移的需求時(shí)，個(gè)體魚的游動(dòng)規(guī)律。由此可對每一條魚的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行迭代更新。由此可對捕食者的游動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行迭代更新。則此時(shí)小魚的游動(dòng)方向。對于問題三，本文僅考慮掌握食物源位置信息的信息豐富者，它們在遵循問題一中提出的游動(dòng)規(guī)則條件下，將主動(dòng)靠近食物源，并且把它向食物源游去的信息告知鄰居，召集其它個(gè)體魚共同覓食。此時(shí)個(gè)體魚的游動(dòng)方向：。對于非信息豐富者，游向食物源的權(quán)重。關(guān)鍵詞：個(gè)體運(yùn)動(dòng) 集群運(yùn)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)規(guī)則 一、 問題重述 在動(dòng)物界，大量集結(jié)成群進(jìn)行移動(dòng)或者覓食的例子并不少見，這種現(xiàn)象在食草動(dòng)物、鳥、魚和昆蟲中都存在。在生態(tài)系統(tǒng)中,動(dòng)物個(gè)體的行為相對簡單,集群后卻能表現(xiàn)出復(fù)雜的群體行為。通過數(shù)學(xué)模型來模擬動(dòng)物群的集群運(yùn)動(dòng)行為以及探索動(dòng)物群中的信息傳遞機(jī)制一直是仿生學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容。 目標(biāo)任務(wù) 題目要求查閱相關(guān)資料，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，主要針對以下問題分析建模：1. 建立數(shù)學(xué)模型模擬動(dòng)物的集群運(yùn)動(dòng)。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)，請建模分析它們對于群運(yùn)動(dòng)行為的影響，解釋群運(yùn)動(dòng)方向決策如何達(dá)成。三、符號說明符號符號說明Ai魚群中的個(gè)體魚R個(gè)體魚感知范圍的半徑 下一個(gè)時(shí)間步長周期個(gè)體魚的運(yùn)動(dòng)方向 本周期t中A1的游動(dòng)方向周期 t當(dāng)前個(gè)體到鄰居平均位置的方向鄰居的平均方向 小于碰撞距離的鄰居到當(dāng)前個(gè)體方向的平均值個(gè)體魚決策方向是的權(quán)重值個(gè)體魚為了躲避威脅而以最快方式逃逸的方向該個(gè)體魚受其它個(gè)體發(fā)出的告警信號的平均方向r個(gè)體間避免碰撞的最小距離R0捕食者的威脅范圍四、問題分析在自然界中，動(dòng)物出于生存、避險(xiǎn)、覓食、求偶、繁殖等原因往往選擇采取群體行為的方式。這些動(dòng)物群在運(yùn)動(dòng)過程中具有聚集性很強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)方向、速度保持一致性等明顯的特征。本文認(rèn)為由個(gè)體簡單運(yùn)動(dòng)到群體復(fù)雜行為是存在一種映射關(guān)系的。文章的總體思路是要從個(gè)體的行為、個(gè)體與個(gè)體的相互作用、個(gè)體在群體中的作用等角度出發(fā)，通過數(shù)學(xué)方法模擬動(dòng)物的群體運(yùn)動(dòng)行為，并利用Matlab軟件編程實(shí)現(xiàn)模型的仿真，探索動(dòng)物群的集群運(yùn)動(dòng)行為以及動(dòng)物群中的信息傳遞機(jī)制。為了能夠建立簡潔易懂的模型，在本文中選取魚群為研究對象，研究魚群的形成和行為，希望通過研究個(gè)體魚的運(yùn)動(dòng)機(jī)制科學(xué)闡釋集群行為的內(nèi)在變化原因。本文通過研究個(gè)體魚在群體中位置和速度隨時(shí)間的不斷變化的規(guī)律，采取從個(gè)體到局部，從局部到整體，自下向上的建模思想 ,對個(gè)體魚進(jìn)行建模 ,進(jìn)而通過個(gè)體遵循一定的行為規(guī)則來研究個(gè)體之間以及個(gè)體和環(huán)境之間的相互作用，最終探討出魚群集群運(yùn)動(dòng)的形成機(jī)理，并合理推廣至對動(dòng)物群的研究。針對這個(gè)問題，本文在問題一研究的基礎(chǔ)上，考慮仍然沿用其個(gè)體魚的運(yùn)動(dòng)模型。這樣，這些受威脅的個(gè)體魚和得到告警信號的個(gè)體魚在下一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向就較其它個(gè)體及其上一時(shí)刻有了較大不同。對問題三：假設(shè)動(dòng)物群中的部分信息豐富者是提前已知的，并且其不一定是集聚的。當(dāng)有一部分個(gè)體掌握食物源位置信息，這部分個(gè)體直接向食物源運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過個(gè)體間的信息交互將信息傳遞給其它個(gè)體，引起其它個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位置坐標(biāo)的改變，從而形成集群的覓食行為。為了研究集群的運(yùn)動(dòng)行為就必須研究清楚集群中每一個(gè)個(gè)體的運(yùn)動(dòng)行為和由個(gè)體構(gòu)成的局部的運(yùn)動(dòng)行為。中間層通過分析個(gè)體魚之間的相互作用，個(gè)體魚的運(yùn)動(dòng)信息所能影響到的范圍，形成局部（局部1…局部n）的行為。從個(gè)體到集群的行為關(guān)系略圖如下圖。2. 對個(gè)體魚的定義每一個(gè)個(gè)體魚是一個(gè)自驅(qū)動(dòng)的個(gè)體，形狀大小相同，具有一定的感知能力。3. 運(yùn)動(dòng)規(guī)則描述（1）慣性規(guī)則，個(gè)體魚在得到需要改變運(yùn)動(dòng)的信號時(shí)，魚游動(dòng)的方向不可能立刻改變 ,這時(shí)表現(xiàn)出一種慣性的作用。如圖a.（3）對齊規(guī)則，為了保持魚群運(yùn)動(dòng)的連貫性，每個(gè)個(gè)體魚盡量與鄰居的方向一致。如圖c. 圖a 圖b
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