动物集群运动机理分析与建模仿真设计

1、动物群落运动机制分析与建模仿真概括本文以鱼群为例，分析和模拟了动物群体运动的机理。在前人研究的基础上，首先将真实三维世界中鱼类的运动特征抽象化简化为二维模型；然后，对模型进行求解和仿真；最后，根据问题的特点，进行建模。晋升。对于问题一，需要建立一个模型来模拟动物的群体运动。首先分析了个体鱼在集群中游动的特点，总结出离散个体形成集群的四种运动原理：(1)避免碰撞：避免与相邻个体发生碰撞；(2)速度匹配：与相邻个体的速度一致；（3）中心聚合：系统中的个体聚合到中心；(4)惯性因素：个体鱼的游动惯性制约着下一个周期的运动方向。了四种运动原理，对每个方向进行加权，建立各个运动方向的数据模型：在，最后，

2、基于计算机编程技术，建立了鱼群行为仿真系统。它生动地模拟了个体鱼与环境的相互作用，最终模拟了复杂的群体运动过程。针对第二个问题，结合威胁源的特点，充分利用所建立的模型，并在第一个问题的四个游泳原则的基础上，分析“威胁回避”对游泳的影响。方向是新增的。在，接下来，对改进后的模型进行求解和编程以进行仿真。针对第三个问题，需要分析群体信息的传递方式和机制，以及影响群体形成和运动的因素。首先阐述了信息传递的方法和要素；然后，通过改变不同的编程参数，利用仿真，分析了信息传输距离对集群运动方向的影响。最后，论文概括了在3D环境中建立的模型和实际应用。关键词集群移动响应规则信息传递机制1. 问题的重述1.1

3、 背景资料自然界的多种生物都存在着复杂的群体行为，典型的例子有鸟群、鱼群、蚁群和蜂群等。这样的群体行为可以帮助生物避开天敌，增加寻找食物的可能性等，通常通过相互互动形成一个大型群体，从而聚集有限的个体能力，高效完成觅食、迁徙、捕杀等活动敌人。这些动物群体在运动过程中具有明显的特征：群体内个体聚集性强，运动方向和速度一致。通过数学模型模拟动物群体的群体运动行为，探索动物群体中的信息传递机制，一直是仿生学领域的重要内容。通过对背景数据的分析，动物王国中存在着各种群体结构。他们有自己不同的特点。总结后，动物群结构可分为以下两类：(1) 优势群体结构。在这种群体结构中，其中一个人是领导者，其他人是领导

4、者。整个团队的行动由领导者指导。整个群体的移动或觅食受到狼群等领导者的限制。(2)自由式组结构。在这种群体结构中，每个人都是独立的人。由于受到天敌威胁、被食物驱使、迁徙目的地等不同的因素，个体聚集在一个群体中。在这样的群体中没有绝对的领导者，但所有个体都组成一个群体，作为一个群体移动或觅食，例如一群鱼。1.2 目标任务本题给出的群结构是自由形式的群结构。在分析这种结构时，需要从每个人身上进行分析。考虑个人之间的相互关系。解决他们之间相互帮助、相互制约的规律。然后使用计算机模拟来模拟群体的移动或觅食。问题1：主要解决群体运动的模拟问题，描绘群体运动的方向和每个个体的运动规律。问题2：解决特殊情况

5、下鱼的运动规律。具体来说，学校的运动行为是避开黑鳍礁鲨。问题3：分析群体信息的传递方式和机制，以及影响群体形成和运动的因素。2、问题分析根据查找相关资料，观看动物群落运动视频。我们知道自然界中群居的生物，在群系系统中，由于单个个体只有有限的局部感知能力，只能获得保存自身能力的局部信息，而无法获得整个群体的全局信息，因此该系统具有去中心化、分布式系统的特点。个体之间的组织结构、关系和群体行为机制是本研究的重点。以鱼为例。对于第一个问题，题目要求建立一个数学模型来模拟动物的群体运动。首先分析单条鱼的游泳特征，总结运动规律；然后，根据总结出的动作原理，建立个体动作的数据模型；最后，基于计算机编程技术

6、，建立了鱼群行为模拟系统。它有效地模拟了个体鱼与环境的相互作用，最终呈现出复杂的群体行为过程。对于第二个问题，题目要求通过研究鱼类逃避鲨鱼捕食的过程，建立特殊情况下的群体运动模型。本文考虑对问题一模型的改进，通过在模型一中增加个体运动中“避免威胁”的原则，建立满足问题要求的模型。最后，修改问题1中的程序，模拟鱼躲避威胁的模型。第三个问题，需要分析群体信息的传递方式和机制，以及影响群体形成和运动的因素。首先分析了信息传递的方式和要素。最后通过编程仿真分析了信息传输距离对集群运动方向的影响。3. 模型假设根据题中的条件和要求，为了简化模型建立和问题求解，我们做如下假设：1.假设集群中的所有个体在形

7、状、大小等特征上都相同，并且遵循相同的运动规则；每条鱼都必须依附在鱼身上才能生存；3.假设每条鱼的最快速度相同；4. 假设模型建立时考虑了二维水域。4.符号说明象征阐明象征阐明鱼视觉能力圈t+ 1期鱼游泳方向强行排除距离t时期鱼的游动方向反应迟钝中性距离个人到邻居平平均位置的方向平行运动标记距离邻居平均方向相互吸引近距离小于与单个方向均值相邻的碰撞距离标准速度避免威胁方向无反应距离邻居平均值个体鱼B游泳方向当前个人位置个体鱼 C游泳方向当前邻居地点鲨鱼的运动方向不同的因素的重量5. 模型建立与解决5.1 模型建立及问题1的解决5.1.1问题一分析生态系统中个体动物的行为相对简单。为了研究整个鱼

8、群的行为规律，首先要研究个体的行为规律和控制反馈方法。本文采用自下而上的思维分析和建模，最后对整条鱼进行仿真。群的运动。5.1.1.1 个体鱼的行为实现为了研究个体鱼的运动规律，首先要明确鱼群的几个定义。通过分析个体鱼的运动机制，如图1所示，个体鱼通过感知模块感知外界环境，感知模块通过协调控制将个体鱼当前的兴趣信息传递给路径规划模块系统。路径规划模块综合处理感知模块和状态信息，并将决策结果输出给运动系统。运动系统在各个层次上执行个体鱼的行为，个体鱼的行为影响环境状态，从而形成一个闭环系统。图1 个体鱼行为实现结构图鱼群的行为是由个体鱼的出现形成的，鱼群的行为是由个体鱼之间的相互作用形成的。根据

9、对环境信息的掌握程度，鱼道规划分为两种：(1) 基于完整环境信息的全局路径规划；(2) 局部路径规划甚至超过传感器信息。在海洋环境中，有静态障碍物（如岩石）和动态障碍物（如其他鱼类）。环境动态变化。同时，鱼群不可能拥有关于环境的先验全球信息。路径规划是基于传感器信息的局部路径规划。5.1.2为问题 1 建模5.1.2.1 鱼群高层行为的自组织模型鱼群中的个体具有高水平的自组织行为。例如，如果个体鱼找到食物，鱼群如何接收找到食物的信息，如何调整鱼群的运动方向以及鱼群的整体运动。这些是鱼群的高级自组织行为。在分析鱼群个体高级自组织行为时，建立了鱼群个体高级自组织行为模型。它可以分为三个层次：协调层

10、次、计划层次、运动层次。协调层有一个协调模块，在功能上相当于鱼的大脑，也就是控制器。它负责协调鱼感知到的信息与当前要实现的意图和目标，以达到当前外部环境和部门的最佳状态。计划层由自主行为模块、互操作行为模块、焦点、行为计划选项和推理机制组成。运动阶段主要由运动系统组成，其主要功能是根据行为规划的结果，为鱼类选择适合所选行为的运动。协调级运动级规划级图 2 鱼群行为框架5.1.2.2 个体鱼的行为反应规则通过了解个体鱼的行为产生机制以及个体鱼与整个鱼群的关系，应立即研究个体鱼的行为产生规律。首先，以避免个体之间的碰撞为首要条件，个体之间的距离必须保持不小于最小相邻距离（NND）。鱼的反应方式是根

11、据鱼视觉能力的划分来定义的。资料显示，在一些个体较少、密度不是很高的群体中，少数个体的游泳方向是随机的。鱼的视觉能力范围在模型中分为五个距离，如图3所示。其中为强排斥距离。根据避碰原理，这个距离相当于最小距离NND ，邻居鱼在自己鱼的排斥区内，自己鱼会向远离邻居鱼的方向快速离开；是非反应性的中性距离，邻居鱼处于自己鱼的无反应状态。在这个区域，本地鱼会以群体的平均速度前进，方向随机性很大；根据鱼保持和跟随目标运动的习惯，建立平行运动的标准距离，相邻鱼在本鱼中。在平行标准保护区内，鱼会以标准保护的速度前进，方向不变；为了相互吸引，距离在个体鱼的视觉范围内，由于个体鱼的聚集行为，有相互靠近的倾向。即

12、当邻居鱼在本地鱼的吸引区域内时，本地鱼会向邻居鱼的方向移动；对于无反应距离，邻居鱼在本鱼的视觉能力之外，不会影响本鱼。图3 鱼类视觉能力示意图5.1.2.3 个体鱼运动模型第一步是获取个体鱼的游泳方向。为了形象地描述个体的游泳规律，在观察视频和搜索数据后，我们抽象出三个鱼的游泳规律来产生群体运动：(1)避免碰撞：避免与相邻个体发生碰撞；(2)速度匹配：与相邻个体的速度一致；(3) 中心聚合：系统中的个体聚合到中心。每条鱼作为一个独立的行动者，通过对动态环境的局部感知，不断地调整自己的运动，并按照上述三个基本原则，实现与整个鱼群的协调运动。最后，通过计算机编程获得了更真实的群体行为模拟。此外，鱼

13、的游动方向由于自身的惯性不能立即改变。在对实际问题的分析中，本文增加了第四个影响个体和下一周期运动方向的因素。(4)惯性因素：个体鱼的游动惯性对下一周期运动方向的影响。因此，本文将这四个方向的平均方向作为下一刻鱼的游动方向。也就是下一刻鱼的游动方向。公式表示为：其中，是个体鱼在下一周期的游泳方向， 是个体鱼在周期t 的游动方向， 是当前个体到周期t内邻居平均位置的方向，是邻居的平均方向，是邻居小于碰撞距离的方向的当前个体方向的平均值。考虑到每个规则对鱼的影响不同，我们还需要对每个方向进行加权，取加权平均。重量的大小可以根据不同的鱼来确定。其中，图 4 鱼群中一条鱼的游动方向(1)邻近规则的实现

14、：每个个体都具有向邻居中心靠拢的特点，邻居的中心是观察到的周围个体位置的平均值。公式表示为：是邻居的平均值，是个体的当前位置，是每个邻居的当前位置。(2) 对齐规则的实现：一条鱼将与它的邻居同向游动。公式表示为：是每个邻居的方向，邻居的数量，以及邻居的平均方向。（3）避碰规则的执行：当个体与邻居距离太近（距离小于碰撞距离）时，应自动避让。公式表示为：是从小于碰撞距离的邻居到当前个体的方向的平均值，并且是小于碰撞距离的邻居的数量。(4)由于个体在运动中具有一定的速度，所以前一个循环的运动方向对下一个循环的运动有一定的影响。这种效应与个体的运动速度正相关，因为假设个体的速度是恒定的，这里也假设惯性

15、效应是恒定的，记为。5.1.2.4 鱼群运动模型在实践中，一个集群是由许多具有上述特征的个体组成的，构成系统的个体并不知道整个集群的全局信息，每个个体只能根据其感知到的局部信息来调整自己的动作。也就是说，整个系统通过分布式个体调整而不是集中控制来实现全局协调。根据个体运动规律，我们通过编程制作了由一定数量的相同个体组成的群体运动模拟。5.1.3问题一的模型解决方案在问题1的解法中，根据不同动物群体的具体运动情况，对每个因素采取不同的权重。因为这个问题的关键是建立一个准确的模型来描述动物群体的运动规律。在确定权重时，可以根据动物群的具体类型改变模拟程序的相关参数，然后将模拟结果与实际动物运动情况

16、进行比较，得到特定类型的不同权重。本文将不分类讨论。我们给定一组权重对模型进行仿真，仿真情况由三种状态表示。分为散鱼状态、集鱼状态、集鱼完成状态。图 5 鱼群分散状态图6 Fish聚合状态图7 鱼群已经聚集从图中，我们可以看到鱼群聚集在一起。然而，由于缺乏数据，模拟结果仍然不理想。聚合过程不能更好的展示。5.2 第二个问题模型的建立与求解5.2.1问题二分析问题 2 要求我们建立一个数学模型来描述鱼的运动行为，以避免黑鳍礁鲨。根据对视频中鱼避开鲨鱼的运动特征进行仔细分析，得出以下两个特征：1、鱼群基本保持了集群的形态结构和稳定性。2.鱼群通过改变形状避开鲨鱼的前进路线。除了从鱼群中逃脱的个体鱼

17、外，大多数鱼都成功逃脱了鲨鱼的捕食。由于鱼成功地避开了鲨鱼的捕食，保持了鱼的基本特征。在建立本题的模型时，可以参考问题1中的鱼群运动模型，在.3中的个体鱼群运动模型中加入“避免威胁”的方向约束。5.1.2然后对现有的四个因素进行加权，得到个体鱼的运动方向。5.2.2第二个问题模型的建立5.2.2.1 个体鱼的行为反应规则个体鱼的行为机制与个体与群体之间的关系相同。在分析问题1中的三个原则和一个惯性因素时，增加了对“威胁回避”影响的新分析。首先，由于来自环境的威胁直接影响到个体鱼类的生命安全，因此在对各个因素的分析中，将“避免威胁”作为判断个体鱼类走向的最重要条件。而且，在威胁源前面游动的个体鱼

18、会改变原来的游动方向，向一侧游动；在威胁源后面游动的个体鱼会在与威胁源保证一定方向的基础上跟随威胁源。游泳，从而保证了整个集群的完整性和稳定性。其次，与第一个问题一样，考虑“避碰”，即个体之间的距离必须保持不小于相邻鱼之间的最小距离。当邻居鱼接近时，根据五种不同的距离采取相应的行为反应和动作。5.2.2.2个体鱼运动模型为了得出个体鱼的游泳方向。在问题1中模型的基础上，结合具体问题，抽象出鱼类避免鲨鱼捕食的5条游泳规则：（1）避免威胁：与威胁源保持距离；(2)避免碰撞：避免与相邻个体发生碰撞；(3)速度匹配：与相邻个体的速度一致；（4）中心聚合：系统中的个体聚合到中心；(5)运动惯性：个体在下

19、一个周期的运动受本周期运动惯性的影响。每条鱼个体作为一个独立的行动者，根据以上三个基本原则，通过对动态环境的局部感知，不断调整自身的运动，实现与整个鱼群的协调运动。最后，通过计算机编程获得了更真实的群体行为模拟。因此，本文将这五个方向的平均方向作为下一刻鱼的游动方向。也就是下一刻鱼的游动方向。公式表示为：其中包括避开威胁源的方向。考虑到每个规则对鱼的影响不同，我们还需要对每个方向进行加权，取加权平均。重量的大小可根据不同鱼的具体情况而定。其中，图8 躲避鲨鱼时鱼类游动方向分析（1）回避威胁的实现：根据个体相对于威胁源的位置，个体会选择不同的回避原则。具体分析如下：图 9 个体鱼避开鲨鱼的原理模

20、型其中，A点为鲨鱼的位置，即鲨鱼的运动方向； B是位于鲨鱼前方的个体鱼，是鱼B的运动方向； C 是位于鲨鱼后面的个体鱼，是个体鱼 C 的运动方向；鲨鱼的运动方向是垂直的，穿过鲨鱼的位置，鲨鱼位置的水平面分为前后两部分；它是以鲨鱼的位置A为圆心，以圆为半径，个体鱼与鲨鱼之间的安全距离。圆鱼已经从整个集群中分离出来，离鲨鱼更近。结合实际情况，为便于建立理想模型，本文认为当个体与威胁源达到一定安全距离时，个体将被威胁源捕食；否则，个人处于安全位置。以下两种情况分别讨论：1）当个体在移动的威胁源前方时，个体以最大速度沿着威胁源与个体的连线逃逸，远离个体。因为威胁源的移动直接威胁到个人的生命安全；因此，

21、当存在威胁源时，个体鱼应本着“避开威胁”的原则，尽可能地改变下一个周期的运动方向。也就是此时“回避威胁”的权重比较大，非常接近1。此时受这个因素影响的最优运动方向为：2）当个体在移动的威胁源后面时，由于个体和威胁源的体型一般较小，游泳速度相同，个体的运动更加灵活。因此，在个人运动中，为了尽可能保证集群的完整性和稳定性。本文认为，个人的运动方向不受威胁源的影响。即此时“回避威胁”的权重为0。（2）与问题1一样，“接近规则的实施” 、“对齐规则的实施”、“碰撞避免规则的实施”和“运动惯性的考虑”的实施遵循与问题1相同的规则。使用相同的模型计算问题的解决方案。5.2.2.3 鱼群运动模型集群中的个体

22、并不知道整个集群的全局信息，每个个体根据其感知到的局部信息来调整自己的运动方向。在避免被鲨鱼捕食的过程中，个体利用自己的信息和附近其他个体的运动方向来避免捕食。最后，根据每个个体的运动规律，通过编程，模拟群体的运动，避免捕食。5.2.3第二个问题模型的解法如题1，由于现实中不同因素的复杂性和不可预测性，本题不确定模型不同因素的权重。5.3 求解问题3的模型5.3.1第三题分析通过查找资料、总结分析，在分析信息丰富的鱼类对集群的影响时，首先要了解鱼类信息传递的作用和信息传递机制。其中，信息传输类型、传输距离和传输速度分别进行了分析。5.3.2第三题模型的建立与求解通过一系列的实验、调查和推测，鱼

23、类学家认为鱼群具有以下生物学意义：1.密集的鱼群可以通过大群给捕食者留下强烈的印象，从而混淆甚至吓跑一些捕食者。此外，密集的鱼群可以利用其灵活的形状变化和快速的速度为大型捕食者制造困难。2.成群游动的鱼更容易找到食物来源。因为当鱼的一侧的鱼找到食物时，它们会通过自己特定的信号方式将食物丰富的信息传递给组中的其他鱼。3 、为鱼类繁殖提供便利条件。许多鱼互相追逐，以达到更多的排卵和受精，从而获得较高的受精率。4.集群游泳可以减少阻力。当一群鱼游动时，可以根据流体力学的相关知识来分析：前面鱼的涡流会降低后面鱼的游泳阻力。集群游泳可以节省能量并提高效率。此外，我们讨论了鱼群的方向。鱼群中少数信息丰富的

24、人通过发出一定的信号，将相应的信息传递给其他鱼。其他鱼在收到信号后，会根据自身环境做出判断，选择改变运动方向。动物的信息传输机制包括传输距离、传输速度、传输类型等方面的研究。查找相关信息并结合您自己的摘要。三个方面分别讨论。在传播种类方面，根据相关资料得出结论，不同种类的鱼类在进化过程中根据不同的信号进行传播。1. 化学信号。在鱼类中，化学通讯是一种比较常见的信息传递和协调方式。有些鱼通过分泌某些化学物质或交配和繁殖来警告同伴危险。2.声音信号。不同的鱼发出不同的声音。一些鱼的声音是无意的，例如游泳和喂食活动的声音；而有些是为了区分同类或求偶警告时刻意制造的。声音在水中的传播速度非常快，约为

25、1500 m/s。鱼类在漫长的进化过程中，形成了较为完善的发声和接收器官，使鱼类能够快速准确地收集和识别各种信息。3.光信号。许多深海鱼类会发光。它们的发光体来源于皮肤，形状、大小、数量和位置因物种而异。发光装置分泌发光物质萤光素和萤光素酶。萤光素酶催化萤光素与氧气结合产生氧化萤光素，氧化萤光素在氧化过程中产生能量并以光的形式释放出来，从而发光。4.电信号。有些鱼可以通过将其化学能转化为短期电能来威胁敌人或传递信息。在传输速度方面，根据以上分析，无论是声音、光信号，还是电信号，它们都会以极快的速度将信息传递给鱼群中的其他鱼；化学物质的保留时间更长，影响更广。专业。而某一种鱼也会发出不同的信号，

26、根据不同的需求传达不同的信息。本文认为信息传递速度远比鱼的活动空间更令人满意，没有详细分析传递速度对信息丰富人群的信息传递效果。在传输距离方面，根据问题1的模型，不同的距离对信息丰富人群的传输效果会有很大的影响。以下是对不同传输距离的具体研究。当r值小时，个体速度小，路径曲率变化不稳定。此时，个人受邻居的影响较小。因此，一小群密集的群体或孤立的个体很可能在模拟开始时出现。一段时间后，群里很容易乱。当r取值适中时，路径的曲率相对稳定。这时很可能会出现一个统一的群体，即群体中个体之间的距离与运动的速度和方向相近。在实验室环境拍摄的鱼群中，个体中存在模拟的鱼群，更加逼真。鱼群特有的视觉能力是指单位时

27、间内信息交换量的差异。当r较大时，个体速度较大，路径曲率变化很不稳定。此时个体受邻居的影响比较分散，容易形成松散而略显混乱的大群。因此得出结论，最大视觉能力对群体结构有重要影响。6.模型推广6.1 3D鱼运动的推广在模拟鱼群运动和鱼类躲避鲨鱼捕食的过程中，本题忽略了水流、温度等对鱼类运动的间接影响。更重要的是，在对问题的分析中，将复杂的三维现实世界抽象简化为二维平面，便于分析处理。这样在不影响描述集群运动特性的效果的情况下，简化了分析和编程的复杂性，提高了计算和仿真的效率。通过将二维坐标系坐标转换为三维坐标系坐标，可以得到三维坐标系下的鱼群模拟。获得三维仿真模型可以更好地分析鱼类觅食、洄游和躲

28、避的行为。分析鱼群的习性是有帮助的。为鱼群保护、物种进化分析、人工繁育等提供了良好的依据。接下来，我们将有问题的模型进一步扩展到3D，编程模拟的鱼群游泳画面如下：图 10 鱼运动的 3D 扩展6.2 推进集群运动研究与应用针对鱼群运动的特点，本文模型可以借鉴，进一步分析研究热点“鱼群优化算法”，从而提高组合优化算法的求解精度和收敛速度。此外，该仿生学的研究还可以扩展到“动态行为预测”、“多智能体合作与信息传递”、“网络集群行为研究”等分析。7. 模型评估7.1 模型优势（1）本文充分考虑实际情况，对个体鱼和鱼群的行为和运动进行分析和解决。(2)本文灵活运用Matlab等数学软件进行大部分模型仿

29、真。(3)本文为今后鱼类行为研究提供参考。7.2 模型缺点（1）由于能力有限，对某些问题的研究不够专业。(2)模型模拟比较粗糙。参考1 班晓娟，宁舒荣，涂树彦，“人工鱼群先进自组织行为研究”，中国自动化杂志，第1卷。 2008 年 10 月 34 日第 10 期。2 刘凌飞，周英奇，钱卫国，袁，王明，“红鼻鱼种群结构的数学建模与仿真可视化”，中国水产杂志，第1卷。 2010 年 12 月 34 日第 12 期。3 简，曾建超，鱼群行为建模与仿真，科技大学学报，Vol. 2009 年第 30 期第 1、2 期。附录1鱼运动仿真matlab程序：A=imread(hdsj.jpg);h=图；显示（

30、一）；轴轴（0 140 0 110）；轴关闭；设置（gcf，颜色，b）；N=50；句柄=零（1，N）；x=兰德（2，N）；x=x*100；字体大小=地板(rand(1,N)*5+10);沙宇=地板（30）；new_handles_N=0；对于 i=1:N句柄(i)=文本(x(1,i),x(2,i),o,fontsize,fontsize(i),color,w);结尾鲨鱼=文本(100,100,o,fontsize,shayu,color,r);zhuyu=text(0,rand(1)*100,o,fontsize,10,color,w);米=0；步骤=获取（鲨鱼，位置）；temp2=get(zhuyu,位置);而 m-500如果ishandle(h)返回结尾对于 i=1:Ntemp=get(hand