動物集群運動機理分析及建模仿真-在線瀏覽
2025-08-04 13:17本頁面
【正文】 游動方向當前各鄰居的位置鯊魚的運動方向不同因素的權(quán)重五、模型建立與求解生態(tài)系統(tǒng)中動物個體的行為比較簡單，為了研究整個魚群的行為規(guī)則，首先要研究個體的行為規(guī)則以及控制反饋方式，在本文中采取自底而上的思想分析建模，最終模擬整個魚群集群的運動。通過分析個體魚的運動機制，如圖l，個體魚通過感知模塊感知外部環(huán)境，感知模塊通過協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)將個體魚當前感興趣的信息傳輸給路徑規(guī)劃模塊。圖1 個體魚行為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖 魚群的行為通過個體魚之間的涌現(xiàn)而形成，魚群的行為通過魚的個體之間的相互作用涌現(xiàn)而成．根據(jù)對環(huán)境信息的掌握程度的不同，魚群路徑規(guī)劃分為兩種：（1）基于環(huán)境完全信息的全局路徑規(guī)劃；（2）甚于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃。魚群的個體存在高級自組織行為。這些都是魚群高級自組織行為。其中可分為三個級別：協(xié)調(diào)級、規(guī)劃級、運動級。規(guī)劃級由自主行為模塊、互操作行為模塊、聚焦器、行為規(guī)劃選擇、推理機制等組成。協(xié)調(diào)級運動級規(guī)劃級圖2 魚群集群行為的框架結(jié)構(gòu)通過了解個體魚的行為產(chǎn)生機制以及個體魚與整個魚群的關(guān)系，緊接著要研究個體魚的行為產(chǎn)生規(guī)則。其次，根據(jù)魚體視覺能力范圍的劃分來定義魚體反應(yīng)方式。在模型中將魚體視覺能力范圍劃分為五個距離，如圖3所示。按避免碰撞原則，該距離相當于最小距離NND，鄰居魚處于本魚的排斥區(qū)域內(nèi)，本魚將以背離鄰居魚方向迅速離開；為無反應(yīng)的中性距離，鄰居魚處于本魚的無反應(yīng)中性區(qū)域內(nèi)， 本魚將以群體平均速度前進， 并且在方向上具有較大的隨機性；根據(jù)魚類具有保持和跟隨目標運動的習(xí)性，設(shè)立的相互平行運動的保標距離，鄰居魚處于本魚的平行保標區(qū)域內(nèi)，本魚將以保標速度前進，方向不變；為相互吸引靠攏距離，該距離在魚個體的視覺范圍內(nèi)，因魚類個體的聚集行為，相互有靠近的傾向。圖3 魚類視覺能力范圍示意圖首先要得出個體魚的游動方向。每個個體魚作為一個獨立的動作者，通過對動態(tài)環(huán)境的局部感知，按照上述三個基本原則，不斷調(diào)整自身運動來實現(xiàn)與整個魚群協(xié)調(diào)運動。另外，魚的游動方向還因為自身慣性的作用而不能立刻改變。（4）慣性因素：因為個體魚的游動慣性而對下一周期的運動方向產(chǎn)生的影響。即為下一時刻該魚的游動方向?？紤]到各規(guī)則對魚的影響力不同,我們還需要對各個方向加權(quán),取加權(quán)平均值,權(quán)重的大小可以根據(jù)不同魚類來確定。公式表示為：為鄰居的平均值, 為當前個體的位置, 為當前各個鄰居的位置。公式表示為： 為各個鄰居的方向，為鄰居的個數(shù)，為鄰居的平均方向。公式表示為：為小于碰撞距離的鄰居到當前個體方向的平均值, 為鄰居中小于碰撞距離的鄰居個數(shù)。該影響與個體的運動速度成正相關(guān)，因為假設(shè)個體速度為常值，此處，慣性影響也假設(shè)為常值，用表示。也就是說，整個系統(tǒng)是通過分布式的個體凋整而不是集中控制式來實現(xiàn)全局的協(xié)調(diào)一致。在問題一的求解中，根據(jù)不同種類的動物集群的具體運動情況，對各因素取不同的權(quán)值。在權(quán)重的確定時，可以根據(jù)具體的不同動物集群種類，通過更改仿真程序相關(guān)參數(shù)，再把仿真結(jié)果與現(xiàn)實中的動物運動情況進行比較，從而得到對于特定種類的不同權(quán)值。我們給定一組權(quán)值將模型進行仿真，仿真情況用三種狀態(tài)表示。圖5 魚群分散狀態(tài)圖6 魚群聚集狀態(tài)圖7 魚群聚集完畢 從圖中我們可以看出魚群成密集的聚集。不能更好的顯示聚集過程。根據(jù)認真分析視頻中魚群躲避鯊魚的運動特點，得出以下兩個特點:魚群基本保持了集群的形態(tài)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。因為魚群對鯊魚捕食的成功躲避中，保持了魚群的基本特征。再對現(xiàn)有的四個因素進行加權(quán)，求出該個體魚的運動方向。在分析問題一中的三個原則和一個慣性因素時，新增加了對“威脅躲避”影響的分析。并且，在威脅源的游動前方的個體魚都會改變原有的游動方向，而偏向一邊游動；在威脅源游動后方的個體魚都會在保證與威脅源一定方向的基礎(chǔ)上跟隨威脅源游動，從而保證整個集群的完整性和穩(wěn)定性。當鄰居魚逼近時，按五種不同遠近的距離采取相應(yīng)的行為反應(yīng)和行動。在問題一中模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體問題，抽象出魚群躲避鯊魚捕食時的五個游動規(guī)則：（1）躲避威脅：保持和威脅源的距離；（2）避免碰撞：避免和相鄰個體發(fā)生碰撞；（3）速度匹配：與相鄰個體的速度一致；（4）中心聚集：系統(tǒng)中個體向中心聚集；（5）運動慣性：個體下一周期的運動受該周期的運動慣性影響。最后，通過計算機編程的方法得到了較為真實的群體行為的仿真。即為下一時刻該魚的游動方向。考慮到各規(guī)則對魚的影響力不同,我們還需要對各個方向加權(quán),取加權(quán)平均值,權(quán)重的大小可以根據(jù)不同魚類的具體情況確定。具體分析如下圖：圖9 個體魚躲避鯊魚原則模型其中，A點為鯊魚的位置，為鯊魚的運動方向；B為位于鯊魚前方的個體魚，為魚B的運動方向；C為位于鯊魚后方的個體魚，為個體魚C的運動方向；直線與鯊魚運動方向垂直且經(jīng)過鯊魚位置，把鯊魚所在位置的水平面分成前后兩個部分；是個體魚與鯊魚的安全距離，以鯊魚位置A為圓心，為半徑畫圓。結(jié)合實際情況，為了便于建立理想的模型，本文認為當個體與威脅源達到一定的安全距離時，該個體一定會被威脅源捕食；否則，該個體處于安全位置下面就兩種情況分別討論：1）、當個體在運動威脅源的前方時，個體沿著威脅源和個體的連線且遠離個體的方向，以最大速度逃離。即此時“躲避威脅”的權(quán)重比較大，很接近1。所以，在個體運動中，為了盡量保證集群的完整性和穩(wěn)定性。即此時“躲避威脅”的權(quán)重為0。集群中的個體并不知道整個集群的全局信息，每個個體根據(jù)它所感知的局部信息來調(diào)整自身的運動方向。最后，按照各個個體運動的規(guī)則，通過編寫程序，做出集群躲避捕食的運動仿真。 通過查找資料總結(jié)分析，在對魚群中信息豐富者對集群的影響進行分析時，首先對魚類的信息傳遞的作用和信息
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