生物群体运动模型笔记

本文详细介绍了生物群体运动的两种基础模型——Boid模型和Vicsek模型,以及它们的改进。Boid模型通过个体间的相互作用模拟生物集群行为,Vicsek模型则从统计力学角度研究群体一致性。文中还探讨了有限视野、随机视线方向、拓扑交互等改进策略,以更好地模拟真实世界的群体运动现象。

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生物群体运动模型笔记

1.概述

  生物集群在自然界中广泛存在,如鸟群、鱼群和细菌群落。由于集群展现出自组织特性与多变的行为模式,作为一个跨学科的研究课题,对集群现象的研究很早就在如生物、物理和计算机等多个学科内展开。

  对多个体系统的模型研究进展进行梳理,如右图所示。可以看出,Reynolds (Boid)和 Vicsek 模型是多个体系统模型研究的基础,以后学者多是基于 Vicsek 模型进行研究,其改进也是根据不同目的而开展工作的。

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2. Boid模型

  在 1987 年,Reynolds 构造了一个计算机仿真模型,其程序能够模拟在三维空间中鸟群的飞翔和鱼群的游动,后来他将这种仿真命名为 Boid 模型。

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  Biod 模型的三个规则

    (a) 个体为了避免碰撞而相互分离;

    (b) 调整个体的方向为最近邻个体的方向的平均值;

    © 个体移动到最近邻个体的中心位置。

  每个个体能够在整个3D空间中运动,但是每个个体能感知到的区域是有限的。如图所示,个体能感知到的是一个扇形区域,该扇形区域是由角度和半径两个因素决定的。

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  由美国普林斯顿大学副教授 Couzin 等人于 2002 年将 Boid 模型用数学模型进行了精确的描述。

  设系统有 N 个个体组成

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