動(dòng)物集群運(yùn)動(dòng)行為模型-12-在線瀏覽
2024-09-15 03:35本頁(yè)面
【正文】 圖c圖 2 運(yùn)動(dòng)規(guī)則描述示意圖4. 運(yùn)動(dòng)模型的建立假設(shè)每一個(gè)體魚在t時(shí)刻具有相同大小的速度，而運(yùn)動(dòng)速度的方向是任意的或隨機(jī)的，并且位置坐標(biāo)在給定的平面內(nèi)是已知的。3中的四條規(guī)則對(duì)改變魚下一時(shí)刻游動(dòng)方向都起一定作用, 那么在本文中把這四個(gè)方向的平均方向作為魚下一時(shí)刻游動(dòng)的方向。由于方向就是與水平方向的夾角, 因此僅僅需要對(duì)上述四個(gè)方向與水平方向的夾角進(jìn)行平均 ,即為下一時(shí)刻該魚的游動(dòng)方向。圖 3 運(yùn)動(dòng)方向的確定圖考慮到各規(guī)則對(duì)魚的影響力不同, 個(gè)體魚作為自主決策的自驅(qū)體在決策時(shí)考慮的先后級(jí)不同，所以還需要對(duì)各個(gè)方向加權(quán), 取加權(quán)平均值 ,權(quán)重的大小文中可以根據(jù)偏好確定。下面給出四個(gè)規(guī)則所代表的四個(gè)方向的具體實(shí)現(xiàn)方法：（1） 慣性規(guī)則的實(shí)現(xiàn)：為本周期t中A1的游動(dòng)方向, 本周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方向由上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向所確定，即。假設(shè)當(dāng)前A1所處的位置為，為當(dāng)前各個(gè)鄰居的位置 ， 則鄰居平均位置，為周期 t當(dāng)前個(gè)體到鄰居平均位置的方向,則 （3）（3） 對(duì)齊規(guī)則的實(shí)現(xiàn): 個(gè)體會(huì)和它的鄰居朝同一個(gè)方向游動(dòng)。（4）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。最后根據(jù)以上計(jì)算可得出個(gè)體 A1的位置迭代規(guī)則為： （6）（1）個(gè)體間的感知感知問題前以述及，個(gè)體魚在魚群中相互感知，二維空間內(nèi)，感知范圍為半徑為R的圓面，通過個(gè)體魚之間的通信，傳遞位置和運(yùn)動(dòng)信息以及其他信號(hào)。通信對(duì)象：位于Ai的通信范圍內(nèi)的所有個(gè)體魚。通過Ai與通信對(duì)象之間的通信，實(shí)現(xiàn)個(gè)體魚在群體中的局部交互。但是，如果假設(shè)每條魚能夠與其他所有個(gè)體進(jìn)行交互，獲取全局信息，那么所有魚都將集聚在魚群的質(zhì)心，而不是一種均勻的分布。局部的交互，經(jīng)過反復(fù)協(xié)調(diào)，最終達(dá)成全局的和諧結(jié)構(gòu)。而且個(gè)體之間的交互和局部之間的交互都是在不斷地更新中，所以魚群的整體運(yùn)動(dòng)建立在局部交互的基礎(chǔ)之上。按照上述的方法，所有魚群中的個(gè)體趨于同步運(yùn)動(dòng)，最后形成魚群的一種集群運(yùn)動(dòng)。此時(shí)對(duì)于集群里的個(gè)體魚來說可以分成三類：第一類是在鯊魚的攻擊范圍之內(nèi)，它要躲避威脅，并且在感知范圍內(nèi)發(fā)出告警交互信息同時(shí)它能收到威脅范圍內(nèi)其它個(gè)體發(fā)出的告警交互信號(hào)。第三類魚既不在威脅范圍內(nèi)又不在第一類魚的感知范圍內(nèi)，具體用圖形表示如下： 圖 5 危險(xiǎn)信號(hào)的傳遞考慮鯊魚的運(yùn)動(dòng)：鯊魚的運(yùn)動(dòng)受其運(yùn)動(dòng)慣性的影響，并游向其感知范圍內(nèi)與其距離最近的小魚。其位置。在問題一模型的基礎(chǔ)上，考慮對(duì)于第一類魚，它在下一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向?qū)⑹艿搅鶄€(gè)因素的影響，如下圖：圖 6 第一類魚的方向確定用公式可以表示為： （7）其中的含義同問題一，表示個(gè)體魚為了躲避威脅而以最快方式逃逸的方向，表示該個(gè)體魚受其它個(gè)體發(fā)出的告警信號(hào)的平均方向；表示魚在決策時(shí)對(duì)它們的偏好權(quán)重，對(duì)于第二類魚來說，它在下一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向受五個(gè)因素的影響，如下圖：圖 7 第二類魚的方向確定用公式可以表示為： （8）各符號(hào)含義同上，其中。 參數(shù)解算算法個(gè)體魚在下一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向確定： （9）其中為鯊魚當(dāng)前的位置坐標(biāo)。個(gè)體魚在下一時(shí)刻的位置坐標(biāo)確定： （11） 問題三的模型 模型的建立假設(shè)魚群中有一部分個(gè)體是信息豐富者，本文僅考慮掌握食物源位置信息的個(gè)體魚，它們?cè)谧裱瓎栴}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。圖 8 掌握食物源信息的個(gè)體的方向確定對(duì)于其它沒有食物源位置信息的個(gè)體魚來說，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。其中。為信息豐富者的位置坐標(biāo)。個(gè)體魚在下一時(shí)刻的位置坐標(biāo)確定： （11）六、模型的求解及分析 問題一模型的求解 模型結(jié)果預(yù)測(cè)首先本文根據(jù)模型的分析對(duì)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)： a 魚群的初始狀態(tài) b 運(yùn)行t s后魚群的集群效果c 運(yùn)行t+n s后魚群的集群效果圖 10 魚群運(yùn)動(dòng)效果 模型的結(jié)果仿真本文利用Matlab軟件對(duì)模型進(jìn)行結(jié)果仿真。模型運(yùn)行中個(gè)體不斷產(chǎn)生位置移動(dòng)并與環(huán)境以及其它個(gè)體發(fā)生交互作用。仿真結(jié)果如圖所示：（1）魚群的初始狀態(tài) （2）運(yùn)行20 s后魚群的集群效果（3）運(yùn)行45 s后魚群的集群效果圖 11 魚群運(yùn)動(dòng)的仿真效果 模型的結(jié)果分析（1）魚群中個(gè)體的初始狀態(tài)即運(yùn)動(dòng)方向和位置坐標(biāo)是隨機(jī)給定的，在圖中可以看出魚群沒有規(guī)律性的集群運(yùn)動(dòng)行為。（3）當(dāng)模型運(yùn)行長(zhǎng)時(shí)間后，魚群的集群運(yùn)動(dòng)行為涌現(xiàn)出來。 模型結(jié)果預(yù)測(cè)首先本文根據(jù)模型的分析對(duì)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)： a 鯊魚靠近魚群的初始狀態(tài) b 部分個(gè)體魚受威脅時(shí)的反應(yīng)c 運(yùn)行t s后魚群的集群效果圖 12 受威脅時(shí)魚群運(yùn)動(dòng)的效果利用Matlab軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真，結(jié)果如下圖：（1）鯊魚靠近魚群的初始狀態(tài)（2）部分個(gè)體魚受威脅時(shí)的反應(yīng)（3）運(yùn)行t s后魚群的集群效果圖 13 受威脅時(shí)魚群
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