從組群到分群：自組織群集運(yùn)動(dòng)的理論建模與分析.pdf

1、群集運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象廣泛存在于自然界中，鳥群的飛翔、魚群的巡游、蝗蟲群的遷徙以及菌群、人群的活動(dòng)，均是其典型代表。盡管組成這些群體的大量個(gè)體能力相對(duì)有限，但群體卻表現(xiàn)出諸如運(yùn)動(dòng)狀態(tài)協(xié)調(diào)有序、環(huán)境應(yīng)激靈活多樣、任務(wù)執(zhí)行智能高效等一系列“高級(jí)”能力，這些群體特性均源自于個(gè)體之間相對(duì)簡(jiǎn)單的局部自組織交互，屬于典型的涌現(xiàn)現(xiàn)象。探討個(gè)體簡(jiǎn)單交互產(chǎn)生群體復(fù)雜動(dòng)態(tài)的作用機(jī)理，是當(dāng)前群集運(yùn)動(dòng)研究的核心與關(guān)鍵。相關(guān)成果不僅有助于揭示自然群集的內(nèi)在運(yùn)作機(jī)制，而且可

2、以為群集機(jī)器人、粒子群優(yōu)化等人工群集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建與優(yōu)化提供參考。因此，開展群集運(yùn)動(dòng)研究具有非常重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　本文在提出群集運(yùn)動(dòng)的“組群-分群”基本模式劃分并探討各自功能內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，將以往單一針對(duì)組群的群集運(yùn)動(dòng)研究進(jìn)一步拓展至分群角度，開展可同時(shí)表征組群-分群運(yùn)動(dòng)的群集模型的構(gòu)建與分析研究，以便更好地刻畫自然群集的運(yùn)動(dòng)特征。本文的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　(1)個(gè)體運(yùn)動(dòng)交互模型框架構(gòu)建及組群-分群運(yùn)動(dòng)

3、量化分析方法研究
　　在歸納生物群集實(shí)際運(yùn)動(dòng)特征的基礎(chǔ)上，建立了基于“避撞-結(jié)隊(duì)-聚集”規(guī)則的社會(huì)力個(gè)體交互模型框架；探討了環(huán)境剌激類型與群集響應(yīng)模式之間的關(guān)系，指出同時(shí)再現(xiàn)組群-分群運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵在于對(duì)個(gè)體速度協(xié)同機(jī)制的合理描述；定義了適用于組群-分群運(yùn)動(dòng)量化描述與分析的指標(biāo)體系。
　　(2)經(jīng)典速度平均協(xié)同機(jī)制的應(yīng)激局限性分析
　　基于拓?fù)浣换ニ俣绕骄杭Ｐ停⊿AC-Ave)并結(jié)合自然群集的無標(biāo)度運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)特性，從環(huán)境

4、應(yīng)激角度研究了經(jīng)典“速度平均”協(xié)同機(jī)制的局限性。分析結(jié)果表明：基于多近鄰狀態(tài)平均的速度協(xié)同方式存在中和多源剌激、平抑單一剌激的作用，導(dǎo)致SAC-Ave群集無法再現(xiàn)應(yīng)激分群運(yùn)動(dòng)，且對(duì)于微弱剌激的反應(yīng)不敏感，其表現(xiàn)不符合自然群集的應(yīng)激運(yùn)動(dòng)特征。
　　(3)基于單近鄰交互的各向異性選擇耦合群集模型的構(gòu)建與分析
　　結(jié)合實(shí)證研究所揭示的生物單近鄰交互行為及其特征，在建立涵蓋速度變化敏感、前向交互偏好、近距優(yōu)先等因素的綜合評(píng)價(jià)機(jī)制的基

5、礎(chǔ)上，提出了一種即時(shí)交互僅涉及單一鄰居的各向異性選擇耦合群集模型（SAC-One)。針對(duì)該模型的自發(fā)及應(yīng)激運(yùn)動(dòng)特性分析表明：SAC-One模型具備同時(shí)再現(xiàn)組群-分群運(yùn)動(dòng)的能力，其表現(xiàn)優(yōu)于經(jīng)典SAC-Ave模型；個(gè)體實(shí)施前向交互的偏好程度對(duì)于群集運(yùn)動(dòng)性質(zhì)具有非單調(diào)影響，保持中等程度的前向交互偏好可使SAC-One群集的綜合性能最佳；進(jìn)一步結(jié)合交互網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，闡明了這一影響的內(nèi)在機(jī)制。
　　(4)引入視覺注意機(jī)制的信息耦合群集模

6、型的構(gòu)建與分析
　　針對(duì)視覺感知具有的選擇注意特性，在基于計(jì)算視覺理論對(duì)“任務(wù)”驅(qū)動(dòng)注意和“剌激”驅(qū)動(dòng)注意加以刻畫的基礎(chǔ)上，定義了個(gè)體協(xié)同的“信息耦合度”指標(biāo)，據(jù)此提出一種體現(xiàn)注意特征的信息耦合群集模型（SAC-ICD)：任一時(shí)刻，個(gè)體并非盲目地與周圍所有近鄰發(fā)生交互，而是在注意機(jī)制驅(qū)動(dòng)下僅對(duì)其中運(yùn)動(dòng)最為“有序”和“異?！钡膫€(gè)體作出協(xié)同反應(yīng)。分析結(jié)果表明：SAC-ICD模型可同時(shí)再現(xiàn)自發(fā)組群、應(yīng)激分群、一致轉(zhuǎn)向等多種典型群集運(yùn)動(dòng)模

7、式，其綜合性能明顯優(yōu)于SAC-One和 SAC-Ave模型；另外，“剌激”驅(qū)動(dòng)注意對(duì)于群集的應(yīng)激運(yùn)動(dòng)性質(zhì)影響顯著，個(gè)體在兼顧有序協(xié)同的基礎(chǔ)上對(duì)鄰域“異常”保持一定關(guān)注，有利于群集作出準(zhǔn)確且快速的應(yīng)激響應(yīng)。
　　(5)基于追逃交互的群集模型比較及其有效性分析
　　根據(jù)生物群集的避險(xiǎn)行為特征及其機(jī)制，建立了一種體現(xiàn)“眾目效應(yīng)”的單捕食者-群集追逃交互場(chǎng)景，圍繞避險(xiǎn)形態(tài)與生存能力兩個(gè)方面，對(duì) SAC-Ave、SAC-One和 SA