水动力作用下鱼群的自组织行为研究
发布时间：2021-03-11 13:34
生物群体运动普遍存在于自然界,例如鱼群和哺乳动物的迁徙、大雁壮观的密集队形等。生物群体自发的形成特定的结构,使群体节省能量、抵御追捕、更快找到食物。探究群体自组织机制,不仅有助于人类探索自然,更有着广阔的仿生工程学应用前景。对于生活在水中的一群鱼来说,流体不可避免地在单个鱼之间的信息传递中发挥重要作用。本研究选取鱼群作为研究对象,通过提出一个考虑个体间水动力相互作用的数学模型,研究鱼群在捕食者威胁下以及在壁面限制区内的响应。主要关注鱼群的集体和自组织行为。首先,通过引入一个捕食者并考虑四种不同的攻击策略——以固定的方向接近鱼群、沿直线轨迹移动并周期性地反转方向、追逐鱼群的几何中心和总是追逐最近的猎物,研究了一个自组织的环绕鱼群对这个捕食者的响应。研究发现鱼群在试图躲避捕食者时表现出不同的集体行为。例如,猎物被分散,转向远离掠食者,以一种特殊的列队模式逃脱,或者它们形成可以合作的小群体。此外,由于水动力相互作用的存在,鱼群整体平均速度会随时间而波动,这种特征在不同的攻击策略之间是不同的。其中,对于定向捕食策略,鱼群整体加速,而对于追击中心的策略,鱼群整体速度放缓。本研究还考虑了捕食者的不...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自然界中的群体运动：（a）奔腾的野马群（b）飞行的燕八哥群（c）沙丁鱼群
浙江大学硕士学位论文绪论2系统展现出很好的经济和军事应用前景。例如，采用群体智能算法控制的“母船-鱼群”式的水下机器人集群[5]进行协调合作采盐，可以取代人工在高腐蚀的盐湖环境中的作业，克服人工控制的机器人群体简单粗放式开采下的漏采、重复采收的缺点。随着海洋战场范围不断从浅蓝拓展向深蓝，协同作战的水下智能“鱼群”[6]必然扮演重要角色。鱼雷群从水下对水面和空中目标发起攻击，具有很好的突袭性。在面对复杂的敌方舰艇和战机形势时，仿鱼群的智能鱼雷群能在个别个体出现损坏时不影响群体目标的执行，或有新的个体加入时也能迅速重建控制网络，从而可以提高智能决策和规划能力。这些模仿生物群体的系统无需对每个个体设计路线，可以克服传统的人工控制系统中鲁棒性差的缺点，有非常重要的潜在应用价值。然而仿生物群体的自组织、连贯移动的问题仍未得到解决，因此对生物群体的自组织机制研究仍有重要意义。图1-2美国“小精灵”无人机群项目的协同概念：承载不同载荷的无人机间的协同、拒止环境下的协同导航（图片来自百度搜索）
浙江大学硕士学位论文绪论5图1-3个体坐标系下的群体相互作用区域示意图:zor表示斥力区域，zoo表示同取向区域，zoa表示吸引区域。()°表示的个体视觉感知盲区。[16]然而对于实际群体遵循行为规则的细节，还有待进一步的观察实验观察验证。密度对群体模式转变的影响，是最直接可以观察到的现象。Buhl等[2]对地面蝗虫实验和Makris等[18]对产卵期鲱鱼群的观察，都发现了动物群体在临界密度下出现从无序行为到高度同步行为的快速转变。Ballerini等[19]对成群结队的椋鸟进行观察，发现其遵循与其最近的6-7个邻居的相互作用（即“拓扑方法”），而不是与那些在给定距离内的椋鸟相互作用（即“度量方法”）。这此外，关于群体运动是否存在领导者，普遍认为大部分昆虫、鱼群、鸟群等低等群体中不存在等级秩序、支配-从属关系。不过也有特例，Nagy等[20]对鸽群使用高精度轻型GPS进行追踪，通过跟踪日志分析个体相对群体的时间延迟，提出鸽群中是存在领导者的。总的来说，很多昆虫、鱼类、鸟类的大群体中，通过阈值响应，平均值响应等就可以达到共识，因此它们可以被认为是无差别的去中心化的群体。随着测量和成像技术的发展，模拟的另一个方向是对实际群体进行建模，从而建立实验/观察和模拟之间的联系。例如，Lewis等[21]提出一个具有可调边界的广义拓扑范围群体运动模型，利用随机优化方法将该模型拟合到椋鸟群的经验数据中，并产生了边缘比中
【参考文献】：
期刊论文
[1]无人机集群研究进展综述[J]. 贾永楠,田似营,李擎. 航空学报. 2020(S1)
[2]智能“鱼群”作战概念及应用研究[J]. 侯平,张煜. 战术导弹技术. 2019(05)
[3]我国深海自主水下机器人的研究现状[J]. 李硕,刘健,徐会希,赵宏宇,王轶群. 中国科学:信息科学. 2018(09)
[4]Passive forces aiding coordinated groupings of swimming animals[J]. Daniel Weihs,Elad Farhi. Theoretical & Applied Mechanics Letters. 2017(05)
[5]一种基于动物自治体的寻优模式:鱼群算法[J]. 李晓磊,邵之江,钱积新. 系统工程理论与实践. 2002(11)
[6]“人工鱼”动画模型设计[J]. 涂晓媛,陈弘娟,涂序彦. 软件世界. 2000(04)
硕士论文
[1]非常规突发事件中自组织群体结构的发展及其对群体行为有效性的影响[D]. 张宸瑀.浙江大学 2018
本文编号：3076544
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自然界中的群体运动：（a）奔腾的野马群（b）飞行的燕八哥群（c）沙丁鱼群
浙江大学硕士学位论文绪论2系统展现出很好的经济和军事应用前景。例如，采用群体智能算法控制的“母船-鱼群”式的水下机器人集群[5]进行协调合作采盐，可以取代人工在高腐蚀的盐湖环境中的作业，克服人工控制的机器人群体简单粗放式开采下的漏采、重复采收的缺点。随着海洋战场范围不断从浅蓝拓展向深蓝，协同作战的水下智能“鱼群”[6]必然扮演重要角色。鱼雷群从水下对水面和空中目标发起攻击，具有很好的突袭性。在面对复杂的敌方舰艇和战机形势时，仿鱼群的智能鱼雷群能在个别个体出现损坏时不影响群体目标的执行，或有新的个体加入时也能迅速重建控制网络，从而可以提高智能决策和规划能力。这些模仿生物群体的系统无需对每个个体设计路线，可以克服传统的人工控制系统中鲁棒性差的缺点，有非常重要的潜在应用价值。然而仿生物群体的自组织、连贯移动的问题仍未得到解决，因此对生物群体的自组织机制研究仍有重要意义。图1-2美国“小精灵”无人机群项目的协同概念：承载不同载荷的无人机间的协同、拒止环境下的协同导航（图片来自百度搜索）
浙江大学硕士学位论文绪论5图1-3个体坐标系下的群体相互作用区域示意图:zor表示斥力区域，zoo表示同取向区域，zoa表示吸引区域。()°表示的个体视觉感知盲区。[16]然而对于实际群体遵循行为规则的细节，还有待进一步的观察实验观察验证。密度对群体模式转变的影响，是最直接可以观察到的现象。Buhl等[2]对地面蝗虫实验和Makris等[18]对产卵期鲱鱼群的观察，都发现了动物群体在临界密度下出现从无序行为到高度同步行为的快速转变。Ballerini等[19]对成群结队的椋鸟进行观察，发现其遵循与其最近的6-7个邻居的相互作用（即“拓扑方法”），而不是与那些在给定距离内的椋鸟相互作用（即“度量方法”）。这此外，关于群体运动是否存在领导者，普遍认为大部分昆虫、鱼群、鸟群等低等群体中不存在等级秩序、支配-从属关系。不过也有特例，Nagy等[20]对鸽群使用高精度轻型GPS进行追踪，通过跟踪日志分析个体相对群体的时间延迟，提出鸽群中是存在领导者的。总的来说，很多昆虫、鱼类、鸟类的大群体中，通过阈值响应，平均值响应等就可以达到共识，因此它们可以被认为是无差别的去中心化的群体。随着测量和成像技术的发展，模拟的另一个方向是对实际群体进行建模，从而建立实验/观察和模拟之间的联系。例如，Lewis等[21]提出一个具有可调边界的广义拓扑范围群体运动模型，利用随机优化方法将该模型拟合到椋鸟群的经验数据中，并产生了边缘比中
【参考文献】：
期刊论文
[1]无人机集群研究进展综述[J]. 贾永楠,田似营,李擎. 航空学报. 2020(S1)
[2]智能“鱼群”作战概念及应用研究[J]. 侯平,张煜. 战术导弹技术. 2019(05)
[3]我国深海自主水下机器人的研究现状[J]. 李硕,刘健,徐会希,赵宏宇,王轶群. 中国科学:信息科学. 2018(09)
[4]Passive forces aiding coordinated groupings of swimming animals[J]. Daniel Weihs,Elad Farhi. Theoretical & Applied Mechanics Letters. 2017(05)
[5]一种基于动物自治体的寻优模式:鱼群算法[J]. 李晓磊,邵之江,钱积新. 系统工程理论与实践. 2002(11)
[6]“人工鱼”动画模型设计[J]. 涂晓媛,陈弘娟,涂序彦. 软件世界. 2000(04)
硕士论文
[1]非常规突发事件中自组织群体结构的发展及其对群体行为有效性的影响[D]. 张宸瑀.浙江大学 2018
本文编号：3076544
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