生物群體運(yùn)動(dòng)普遍存在于自然界,例如魚(yú)群和哺乳動(dòng)物的遷徙、大雁壯觀的密集隊(duì)形等。生物群體自發(fā)的形成特定的結(jié)構(gòu),使群體節(jié)省能量、抵御追捕、更快找到食物。探究群體自組織機(jī)制,不僅有助于人類探索自然,更有著廣闊的仿生工程學(xué)應(yīng)用前景。對(duì)于生活在水中的一群魚(yú)來(lái)說(shuō),流體不可避免地在單個(gè)魚(yú)之間的信息傳遞中發(fā)揮重要作用。本研究選取魚(yú)群作為研究對(duì)象,通過(guò)提出一個(gè)考慮個(gè)體間水動(dòng)力相互作用的數(shù)學(xué)模型,研究魚(yú)群在捕食者威脅下以及在壁面限制區(qū)內(nèi)的響應(yīng)。主要關(guān)注魚(yú)群的集體和自組織行為。首先,通過(guò)引入一個(gè)捕食者并考慮四種不同的攻擊策略——以固定的方向接近魚(yú)群、沿直線軌跡移動(dòng)并周期性地反轉(zhuǎn)方向、追逐魚(yú)群的幾何中心和總是追逐最近的獵物,研究了一個(gè)自組織的環(huán)繞魚(yú)群對(duì)這個(gè)捕食者的響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)魚(yú)群在試圖躲避捕食者時(shí)表現(xiàn)出不同的集體行為。例如,獵物被分散,轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離掠食者,以一種特殊的列隊(duì)模式逃脫,或者它們形成可以合作的小群體。此外,由于水動(dòng)力相互作用的存在,魚(yú)群整體平均速度會(huì)隨時(shí)間而波動(dòng),這種特征在不同的攻擊策略之間是不同的。其中,對(duì)于定向捕食策略,魚(yú)群整體加速,而對(duì)于追擊中心的策略,魚(yú)群整體速度放緩。本研究還考慮了捕食者的不... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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自然界中的群體運(yùn)動(dòng)：（a）奔騰的野馬群（b）飛行的燕八哥群（c）沙丁魚(yú)群

浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論2系統(tǒng)展現(xiàn)出很好的經(jīng)濟(jì)和軍事應(yīng)用前景。例如，采用群體智能算法控制的“母船-魚(yú)群”式的水下機(jī)器人集群[5]進(jìn)行協(xié)調(diào)合作采鹽，可以取代人工在高腐蝕的鹽湖環(huán)境中的作業(yè)，克服人工控制的機(jī)器人群體簡(jiǎn)單粗放式開(kāi)采下的漏采、重復(fù)采收的缺點(diǎn)。隨著海洋戰(zhàn)場(chǎng)范圍不斷從淺藍(lán)拓展向深藍(lán)，協(xié)同作戰(zhàn)的水下智能“魚(yú)群”[6]必然扮演重要角色。魚(yú)雷群從水下對(duì)水面和空中目標(biāo)發(fā)起攻擊，具有很好的突襲性。在面對(duì)復(fù)雜的敵方艦艇和戰(zhàn)機(jī)形勢(shì)時(shí)，仿魚(yú)群的智能魚(yú)雷群能在個(gè)別個(gè)體出現(xiàn)損壞時(shí)不影響群體目標(biāo)的執(zhí)行，或有新的個(gè)體加入時(shí)也能迅速重建控制網(wǎng)絡(luò)，從而可以提高智能決策和規(guī)劃能力。這些模仿生物群體的系統(tǒng)無(wú)需對(duì)每個(gè)個(gè)體設(shè)計(jì)路線，可以克服傳統(tǒng)的人工控制系統(tǒng)中魯棒性差的缺點(diǎn)，有非常重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。然而仿生物群體的自組織、連貫移動(dòng)的問(wèn)題仍未得到解決，因此對(duì)生物群體的自組織機(jī)制研究仍有重要意義。圖1-2美國(guó)“小精靈”無(wú)人機(jī)群項(xiàng)目的協(xié)同概念：承載不同載荷的無(wú)人機(jī)間的協(xié)同、拒止環(huán)境下的協(xié)同導(dǎo)航（圖片來(lái)自百度搜索）

浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論5圖1-3個(gè)體坐標(biāo)系下的群體相互作用區(qū)域示意圖:zor表示斥力區(qū)域，zoo表示同取向區(qū)域，zoa表示吸引區(qū)域。()°表示的個(gè)體視覺(jué)感知盲區(qū)。[16]然而對(duì)于實(shí)際群體遵循行為規(guī)則的細(xì)節(jié)，還有待進(jìn)一步的觀察實(shí)驗(yàn)觀察驗(yàn)證。密度對(duì)群體模式轉(zhuǎn)變的影響，是最直接可以觀察到的現(xiàn)象。Buhl等[2]對(duì)地面蝗蟲(chóng)實(shí)驗(yàn)和Makris等[18]對(duì)產(chǎn)卵期鯡魚(yú)群的觀察，都發(fā)現(xiàn)了動(dòng)物群體在臨界密度下出現(xiàn)從無(wú)序行為到高度同步行為的快速轉(zhuǎn)變。Ballerini等[19]對(duì)成群結(jié)隊(duì)的椋鳥(niǎo)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其遵循與其最近的6-7個(gè)鄰居的相互作用（即“拓?fù)浞椒ā保皇桥c那些在給定距離內(nèi)的椋鳥(niǎo)相互作用（即“度量方法”）。這此外，關(guān)于群體運(yùn)動(dòng)是否存在領(lǐng)導(dǎo)者，普遍認(rèn)為大部分昆蟲(chóng)、魚(yú)群、鳥(niǎo)群等低等群體中不存在等級(jí)秩序、支配-從屬關(guān)系。不過(guò)也有特例，Nagy等[20]對(duì)鴿群使用高精度輕型GPS進(jìn)行追蹤，通過(guò)跟蹤日志分析個(gè)體相對(duì)群體的時(shí)間延遲，提出鴿群中是存在領(lǐng)導(dǎo)者的�？偟膩�(lái)說(shuō)，很多昆蟲(chóng)、魚(yú)類、鳥(niǎo)類的大群體中，通過(guò)閾值響應(yīng)，平均值響應(yīng)等就可以達(dá)到共識(shí)，因此它們可以被認(rèn)為是無(wú)差別的去中心化的群體。隨著測(cè)量和成像技術(shù)的發(fā)展，模擬的另一個(gè)方向是對(duì)實(shí)際群體進(jìn)行建模，從而建立實(shí)驗(yàn)/觀察和模擬之間的聯(lián)系。例如，Lewis等[21]提出一個(gè)具有可調(diào)邊界的廣義拓?fù)浞秶后w運(yùn)動(dòng)模型，利用隨機(jī)優(yōu)化方法將該模型擬合到椋鳥(niǎo)群的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，并產(chǎn)生了邊緣比中

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
[1]非常規(guī)突發(fā)事件中自組織群體結(jié)構(gòu)的發(fā)展及其對(duì)群體行為有效性的影響[D]. 張宸瑀.浙江大學(xué) 2018



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