鱼类群体运动机理研究

发布时间:2021-07-20 23:39
  生物或者物体由于集群属性形成的群体行为常见于自然界中。群体行为研究有助于人类深入地了解自然界,并为智能集群控制提供理论指导。数十年来,群体运动领域吸引了众多学者的关注,但是,由于生物系统的复杂性,到目前为止还没有形成通用的、被广泛应用的理论模型。元胞自动机对复杂系统模拟具有独特优势,另外,最小势能原理是自然界中广泛适用的规则,本研究将二者结合建立群体运动的势能模型,用其对鱼类的群体行为进行研究。当鱼群在浅水中游动时,可以视为鱼群处于二维空间中。本文首先基于这一假设,对鱼群的群体行为建立二维势能模型,把鱼群中每个个体视为元胞自动机的元胞,个体的参考邻居视为邻居元胞。势能模型中邻居的状态决定了个体的运动决策;角度势能表征个体间运动方向的影响,而距离势能表征个体间相对位置的影响;除此之外,由邻居组成的局部群体也影响着个体的决策,本文用邻居的平均位置和运动方向表征局部群体的状态。为了更真实地模拟鱼群行为,本文通过对二维势能模型优化,把其拓展为三维势能模型。鱼类为了避免频繁地调节鱼鳔等生理结构,更倾向于在同一水平面内移动。所以,本文在三维势能模型的角度势能中增加了倾斜游动势能,同时,三维模型中局... 

【文章来源】:西南科技大学四川省

【文章页数】:67 页

【学位级别】:硕士

【部分图文】:

鱼类群体运动机理研究


元胞

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西南科技大学硕士学位论文8(2)元胞空间:元胞空间是算法单元在不同维度中所在区域。如图2-1所示,元胞空间可以是一维空间如图(a)、二维空间如图(b,c)、三维空间如图(d),其划分的规则依据不同的研究问题可以存在很大差距。(a)(b)冯·诺依曼模型(c)莫尔模型(d)图2-1元胞自动机模型图Fig.2-1Cellularautomatonmodels(3)邻居:邻居是元胞周围具有影响元胞自身状态的元胞,元胞的邻居组成由模型决定,对不同的元胞自动机模型,其元胞邻居可能存在差异,因此其邻居数量可能不相同。如图2-1所示,元胞搜索邻居时的搜索半径等于1;所以在不同维度中元胞邻居的数量可能存在差异,对于图(a)一维空间中的初等元胞自动机其邻居为元胞左右两个元胞,图(c)二维空间中的元胞自动机的邻居为元胞周围的8个元胞。图(d)三维空间中的邻居为除了中心的元胞自身其周围26个算法单元均为邻居。同时,元胞邻居的定义规则不一样,邻居个数也不同,如图(b)所示的冯·诺依曼型元胞自动机把上下左右四个邻居作元胞邻居;而图(c)所示的摩尔型元胞自动机把相邻的四个对角算法单元也作为邻居。(4)演化规则:元胞自动机属于局部规则的系统算法,元胞的状态由邻居通过某种算法映射到元胞上,邻居的选择和映射函数由元胞自动机决定。规则确定好后,元胞执行统一的规则,最终演化为模拟结果,如公式2-1。_,_,,_(2-1)式中:t—时间步,t属于正整数;—元胞i在t+1时间步的状态;_—第n个元胞邻居在第t时间步的状态。元胞自动机由冯·诺依曼于1940年首先提出,而英国数学家康威依据细胞的“生”或者“死”两种状态设计出生命游戏。该游戏展现了元胞自动机模拟复杂系统的独特10010110

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理论基础介绍11种类型[58],如图2-4所示,“schools”是对运动同方向的极性化的鱼群的描述,其对鱼群的结构和速度等相关性具有明确要求;而“shoals”是描述以某种原因聚集在一起的鱼类群体,对鱼群的结构不做区分。值得注意的是:目前为止,中文中的鱼群还没有明确的专业的术语,所以对于聚集在一起的鱼群统称为“鱼群”。图2-4鱼类群体定义示意图[58]Fig.2-4Definitionoffishschools群体运动的成因千遍万化,物种的差异或者环境的变化,即使同一种物种不同阶段和时间所展现的群体运动状态也不同。例如在躲避天敌袭击、群体觅食、产卵时都会形成不同的群体结构。但是,在不同的环境条件下形成的群体都有可能符合多种群体结构,如图2-4所示,在产卵和觅食中都可能形成“shoaling”或“schooling”。2.4典型的群体运动模型独立的个体组成群体并形成规则的群体行为是一个复杂的过程,研究者对众多的群体行为进行研究,除了常见的生物群体能展现出群体现象,如常见的鱼群,鸟群等;非生命物体如纤维[59],棒体颗粒[60]等在特殊情况下由于个体的相互作用同样具有群体属性。在群体运动形成机理及群体中个体关系等问题研究者已经进行了广泛的研究。不同的研究对象具有相类似的行为规则,研究者们已经对其进行众多的机理研究,并建立了不同的理论模型:(1)个体规则模型;(2)局部对齐规则模型;(3)无明显对齐规则模型。2.4.1个体规则模型研究者对群体行为的研究已经长达几十年的时间,在早期的研究中,由于缺少计算机和可视化设备,只能对模型进行理论判断,缺少直观的现象对比。研究者早期通过


本文编号:3293838

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