從組群到分群：自組織群集運動的理論建模與分析.pdf

1、群集運動現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，均是其典型代表。盡管組成這些群體的大量個體能力相對有限，但群體卻表現出諸如運動狀態(tài)協調有序、環(huán)境應激靈活多樣、任務執(zhí)行智能高效等一系列“高級”能力，這些群體特性均源自于個體之間相對簡單的局部自組織交互，屬于典型的涌現現象。探討個體簡單交互產生群體復雜動態(tài)的作用機理，是當前群集運動研究的核心與關鍵。相關成果不僅有助于揭示自然群集的內在運作機制，而且可

2、以為群集機器人、粒子群優(yōu)化等人工群集系統的設計、構建與優(yōu)化提供參考。因此，開展群集運動研究具有非常重要的理論意義和應用價值。
　　本文在提出群集運動的“組群-分群”基本模式劃分并探討各自功能內涵的基礎上，將以往單一針對組群的群集運動研究進一步拓展至分群角度，開展可同時表征組群-分群運動的群集模型的構建與分析研究，以便更好地刻畫自然群集的運動特征。本文的主要工作及創(chuàng)新點如下：
　　(1)個體運動交互模型框架構建及組群-分群運動

3、量化分析方法研究
　　在歸納生物群集實際運動特征的基礎上，建立了基于“避撞-結隊-聚集”規(guī)則的社會力個體交互模型框架；探討了環(huán)境剌激類型與群集響應模式之間的關系，指出同時再現組群-分群運動的關鍵在于對個體速度協同機制的合理描述；定義了適用于組群-分群運動量化描述與分析的指標體系。
　　(2)經典速度平均協同機制的應激局限性分析
　　基于拓撲交互速度平均群集模型（SAC-Ave)并結合自然群集的無標度運動關聯特性，從環(huán)境

4、應激角度研究了經典“速度平均”協同機制的局限性。分析結果表明：基于多近鄰狀態(tài)平均的速度協同方式存在中和多源剌激、平抑單一剌激的作用，導致SAC-Ave群集無法再現應激分群運動，且對于微弱剌激的反應不敏感，其表現不符合自然群集的應激運動特征。
　　(3)基于單近鄰交互的各向異性選擇耦合群集模型的構建與分析
　　結合實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)先等因素的綜合評價機制的基

5、礎上，提出了一種即時交互僅涉及單一鄰居的各向異性選擇耦合群集模型（SAC-One)。針對該模型的自發(fā)及應激運動特性分析表明：SAC-One模型具備同時再現組群-分群運動的能力，其表現優(yōu)于經典SAC-Ave模型；個體實施前向交互的偏好程度對于群集運動性質具有非單調影響，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；進一步結合交互網絡拓撲結構分析，闡明了這一影響的內在機制。
　　(4)引入視覺注意機制的信息耦合群集模

6、型的構建與分析
　　針對視覺感知具有的選擇注意特性，在基于計算視覺理論對“任務”驅動注意和“剌激”驅動注意加以刻畫的基礎上，定義了個體協同的“信息耦合度”指標，據此提出一種體現注意特征的信息耦合群集模型（SAC-ICD)：任一時刻，個體并非盲目地與周圍所有近鄰發(fā)生交互，而是在注意機制驅動下僅對其中運動最為“有序”和“異?！钡膫€體作出協同反應。分析結果表明：SAC-ICD模型可同時再現自發(fā)組群、應激分群、一致轉向等多種典型群集運動模

7、式，其綜合性能明顯優(yōu)于SAC-One和 SAC-Ave模型；另外，“剌激”驅動注意對于群集的應激運動性質影響顯著，個體在兼顧有序協同的基礎上對鄰域“異?！北３忠欢P注，有利于群集作出準確且快速的應激響應。
　　(5)基于追逃交互的群集模型比較及其有效性分析
　　根據生物群集的避險行為特征及其機制，建立了一種體現“眾目效應”的單捕食者-群集追逃交互場景，圍繞避險形態(tài)與生存能力兩個方面，對 SAC-Ave、SAC-One和 SA