Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Две стаи обыкновенных журавлей
Ройная стая скворцов

Стадо - это поведение, которое проявляется, когда группа птиц, называемая стайкой , собирает пищу или летит.

Компьютерное моделирование и математические модели, которые были разработаны для имитации стайного поведения птиц, также могут быть применены к «стайному» поведению других видов. В результате термин «стая» в информатике иногда применяется к другим видам, кроме птиц.

Эта статья посвящена моделированию поведения флокирования. С точки зрения разработчика математических моделей, «стая» - это коллективное движение группы самоходных сущностей и коллективное поведение животных, проявляемое многими живыми существами, такими как птицы , рыбы , бактерии и насекомые . [1] Это считается эмерджентным поведением, возникающим в результате простых правил, которым следуют люди, и не требует какой-либо центральной координации.

В природе [ править ]

Есть параллели с обмелением поведения рыб, в кишащем поведении насекомых, и стадного поведением наземных животных. В зимние месяцы скворцы, как известно, собираются в огромные стаи от сотен до тысяч особей, бормоча , которые, когда они все вместе взлетают , создают большие проявления интригующих закрученных узоров в небе над наблюдателями.

Поведение флокирования было смоделировано на компьютере в 1987 году Крейгом Рейнольдсом с его программой моделирования Boids . [2] Эта программа имитирует простых агентов (боидов), которым разрешено перемещаться в соответствии с набором основных правил. Результат сродни паствы из птиц , в школу из рыбы , или рой из насекомых . [3]

Измерение [ править ]

Измерения стая птиц были выполнены [4] с использованием высокоскоростных камер, и был проведен компьютерный анализ, чтобы проверить простые правила стайки, упомянутые выше. Было обнаружено, что они в целом верны в случае стая птиц, но правило притяжения на большие расстояния (сплоченность) применяется к ближайшим 5–10 соседям стекающейся птицы и не зависит от расстояния этих соседей от птицы. Кроме того, существует анизотропия в отношении этой тенденции к сплочению, при этом большая сплоченность проявляется по отношению к соседям по бокам от птицы, а не спереди или сзади. Несомненно, это связано с тем, что поле зрения летящей птицы направлено в стороны, а не прямо вперед или назад.

Другое недавнее исследование основано на анализе видеозаписей с высокоскоростной камеры стад над Римом и использует компьютерную модель, предполагающую минимальные правила поведения. [5] [6] [7] [8]

Алгоритм [ править ]

Правила [ править ]

Базовые модели поведения стая регулируются тремя простыми правилами:

  1. Разделение - избегайте тесноты соседей (отталкивание на короткое расстояние)
  2. Мировоззрение - держаться ближе к среднему заголовку соседей
  3. Сплоченность - стремитесь к среднему положению соседей (дальняя привлекательность)

С помощью этих трех простых правил стадо движется чрезвычайно реалистично, создавая сложные движения и взаимодействия, которые было бы чрезвычайно сложно создать в противном случае.

Базовая модель была расширена несколькими способами с тех пор, как Рейнольдс предложил ее. Например, Delgado-Mata et al.[9] расширили базовую модель, включив в нее эффекты страха. Обоняние использовалось для передачи эмоций между животными с помощью феромонов, смоделированных как частицы в свободном расширяющемся газе. Хартман и Бенеш [10] внесли в расклад дополнительную силу, которую они называют сменой руководства. Этот бычок определяет шанс птицы стать лидером и попытаться убежать. Хемельрейк и Хильденбрандт [11]использовали притяжение, выравнивание и избегание и расширили это с помощью ряда черт настоящих скворцов: во-первых, птицы летают согласно аэродинамике неподвижного крыла, перекатываясь при повороте (таким образом теряя подъемную силу); во-вторых, они координируются с ограниченным числом взаимодействующих соседей из 7 (как настоящие скворцы); в-третьих, они стараются оставаться над местом для сна (как скворцы на рассвете), и когда им случается выходить из места для сна, они возвращаются к нему, поворачиваясь; в-четвертых, они движутся с относительной фиксированной скоростью. Авторы показали, что особенности летного поведения, а также большой размер стаи и небольшое количество партнеров по взаимодействию были важны для создания изменчивой формы стай скворцов.

Сложность [ править ]

В симуляциях флокирования нет централизованного управления; каждая птица ведет себя автономно. Другими словами, каждая птица должна решить для себя, какие стайки считать своей средой обитания. Обычно окружающая среда определяется как круг (2D) или сфера (3D) с определенным радиусом (представляющий досягаемость). [ необходима цитата ]

Базовая реализация алгоритма стайки имеет сложность - каждая птица просматривает всех остальных птиц, чтобы найти тех, которые попадают в ее среду обитания. [ неправильный синтез? ]

Возможные улучшения: [ необходима ссылка ]

  • пространственное деление бинарной решетки . Вся территория, на которой может двигаться стадо, разделена на несколько ящиков. В каждом контейнере хранится информация о птицах. Каждый раз, когда птица перемещается из одного контейнера в другой, необходимо обновлять решетку.
    • Пример: 2D (3D) сетка в 2D (3D) симуляции флокирования.
    • Сложность:, k - количество окружающих бинов, которые необходимо учитывать; как раз когда птичье ведро находится в

Ли Спектор, Джон Кляйн, Крис Перри и Марк Файнштейн изучали возникновение коллективного поведения в эволюционных вычислительных системах. [12]

Бернар Шазель доказал, что в предположении, что каждая птица регулирует свою скорость и положение относительно других птиц в пределах фиксированного радиуса, время, необходимое для достижения устойчивого состояния, является повторяющейся экспоненциальной логарифмической функцией высоты от количества птиц. Это означает, что если количество птиц достаточно велико, время конвергенции будет настолько большим, что может быть бесконечным. [13] Этот результат применим только к сходимости к установившемуся состоянию. Например, стрелы, выпущенные в воздух на краю стаи, вызовут более быструю реакцию всего стада, чем это можно объяснить взаимодействиями с соседями, которые замедляются из-за временной задержки в центральной нервной системе птицы. от птицы к птице.

Приложения [ править ]

В Кельне, Германия, два биолога из Университета Лидса продемонстрировали поведение людей, похожее на стаю. Группа людей демонстрировала поведение, очень похожее на поведение стада: если 5% стада изменят направление, остальные последуют их примеру. Когда одного человека назвали хищником, а все остальные должны были его избегать, стая вела себя как косяк рыб. [14]

Флокирование также рассматривалось как средство управления поведением беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). [15]

Флокирование - это распространенная технология в заставках , которая нашла свое применение в анимации. Флокирование использовалось во многих фильмах [16] для создания толпы, которая движется более реалистично. Tim Burton 's Batman Returns (1992) признакам стекаются летучих мышей, и Дисней ' s The Lion King (1994) включал в себя гну давке . [ неправильный синтез? ]

Поведение флокирования использовалось для других интересных приложений. Применен для автоматического программирования многоканальных интернет-радиостанций. [17] Он также использовался для визуализации информации [18] и для задач оптимизации. [19]

См. Также [ править ]

  • Толпа

Ссылки [ править ]

  1. ^ О'Лоан, О.Дж.; Эванс, MR (1999). «Переменное устойчивое состояние при одномерном флокировании». Журнал физики A: математический и общий . IOP Publishing. 32 (8): L99. arXiv : cond-mat / 9811336 . Bibcode : 1999JPhA ... 32L..99O . DOI : 10.1088 / 0305-4470 / 32/8/002 . S2CID  7642063 .
  2. Перейти ↑ Reynolds, Craig W. (1987). «Стаи, стада и школы: распределенная модель поведения». ACM SIGGRAPH Компьютерная графика . 21 . С. 25–34.
  3. ^ 3750422427
  4. ↑ Федер, Тони (октябрь 2007 г.). «Статистическая физика - для птиц» . Физика сегодня . 60 (10): 28–30. Bibcode : 2007PhT .... 60j..28F . DOI : 10.1063 / 1.2800090 .
  5. ^ Hildenbrandt, H; Carere, C; Хемельрейк, СК (2010). «Самоорганизованные аэрофотоснимки тысяч скворцов: модель» . Поведенческая экология . 21 (6): 1349–1359. DOI : 10.1093 / beheco / arq149 .
  6. ^ Hemelrijk, СК; Хильденбрандт, H (2011). «Некоторые причины изменчивой формы стай птиц» . PLOS ONE . 6 (8): e22479. Bibcode : 2011PLoSO ... 622479H . DOI : 10.1371 / journal.pone.0022479 . PMC 3150374 . PMID 21829627 .  
  7. ^ Project Starflag
  8. ^ Модель поведения роя Университета Гронингена
  9. ↑ Delgado-Mata C, Ibanez J, Bee S и др. (2007). «Об использовании виртуальных животных с искусственным страхом в виртуальных средах». Вычислительная техника нового поколения . 25 (2): 145–169. DOI : 10.1007 / s00354-007-0009-5 . S2CID 26078361 . 
  10. Перейти ↑ Hartman C, Benes B (2006). «Автономные бои». Компьютерная анимация и виртуальные миры . 17 (3–4): 199–206. DOI : 10.1002 / cav.123 . S2CID 15720643 . 
  11. ^ Hemelrijk, СК; Хильденбрандт, Х. (2011). «Некоторые причины изменчивой формы стай птиц» . PLOS ONE . 6 (8): e22479. Bibcode : 2011PLoSO ... 622479H . DOI : 10.1371 / journal.pone.0022479 . PMC 3150374 . PMID 21829627 .  
  12. ^ Спектор, Л .; Klein, J .; Perry, C .; Файнштейн, М. (2003). «Возникновение коллективного поведения в развивающихся популяциях летающих агентов» . Труды конференции по генетическим и эволюционным вычислениям (GECCO-2003) . Springer-Verlag . Проверено 1 мая 2007 .
  13. ^ Бернард Чазел, Конвергенция Bird Флокирование , J. ACM 61 (2014)
  14. ^ " http://psychcentral.com/news/2008/02/15/herd-mentality-explained/1922.html ". Проверено 31 октября 2008 г.
  15. ^ Сенанаяке, М., Senthooran И., Барка, JC, Chung, H., Kamruzzaman, J., & Муршед, М. "Поиск и отслеживание алгоритмов для роев роботов: обследование."
  16. ^ Габай, ЮМЭ (2005). «Сложность и аэрокосмическая промышленность: понимание появления путем соотнесения структуры с производительностью с использованием многоагентных систем» . Манчестер: докторская диссертация Манчестерского университета. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  17. Перейти ↑ Ibanez J, Gomez-Skarmeta AF, Blat J (2003). «DJ-boids: возникающее коллективное поведение как программирование многоканальной радиостанции». Материалы 8-й международной конференции по интеллектуальным пользовательским интерфейсам . С. 248–250. DOI : 10.1145 / 604045.604089 .
  18. ^ Мёре А.В. (2004). «Визуализация изменяющихся во времени данных с использованием информационных буров» (PDF) . Труды симпозиума IEEE по визуализации информации . С. 97–104. DOI : 10.1109 / INFVIS.2004.65 .
  19. Перейти ↑ Cui Z, Shi Z (2009). «Оптимизация роя боидных частиц». Международный журнал инновационных вычислений и приложений . 2 (2): 77–85. DOI : 10.1504 / IJICA.2009.031778 .

Другие источники [ править ]

  • Буффане, Роланд (2016). Проектирование и управление динамикой роя . Сложные трусы Springer. Springer Singapore. DOI : 10.1007 / 978-981-287-751-2 . ISBN 9789812877505.
  • Кукер, Фелипе; Стив Смейл (2007). «Математика возникновения» (PDF) . Японский математический журнал . 2 : 197–227. DOI : 10.1007 / s11537-007-0647-х . S2CID  2637067 . Проверено 9 июня 2008 .
  • Шен, Джеки (Цзяньхун) (2008). «Флокинг Кукера – Смейла под иерархическим руководством» . SIAM J. Appl. Математика . 68 (3): 694–719. arXiv : q-bio / 0610048 . DOI : 10.1137 / 060673254 . S2CID  14655317 . Проверено 9 июня 2008 .
  • Хорошо, BT; Д.А. Шелл (2013). «Объединение микроскопических моделей движения стада для виртуальных, роботизированных и биологических членов стада». Auton. Роботы . 35 (2–3): 195–219. DOI : 10.1007 / s10514-013-9338-Z . S2CID  14091388 .
  • Vásárhelyi, G .; К. Вирах; Г. Соморжай; Т. Непуш; А. Э. Эйбен; Т. Вичек (2018). «Оптимизированная стайка автономных дронов в замкнутом пространстве» . Science Robotics (опубликовано 18 июля 2018 г.). 3 (20): eaat3536. DOI : 10.1126 / scirobotics.aat3536 . PMID  33141727 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Страница Крейга Рейнольдса Боидса
  • Флокирующие публикации Изток Лебар Баец на основе нечеткой логики
  • Ропот скворцов (видео BBC)
  • Полет дронов фиксирует бормотание норфолкских скворцов (видео BBC)