專利名稱：一種基于IBMs模型的魚群仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種仿真建模方法，尤其是涉及一種基于IBMs魚類行為以及人工智能領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
魚群仿真長(zhǎng)期以來(lái)一直是虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域重要研究方向，魚群是一種自組織群體， 沒有固定的領(lǐng)導(dǎo)，但是群體往往呈現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)方向有序、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)及集聚性等特征。這種自組織群體的典型特征及其在進(jìn)化和生存方面的意義，已引起科學(xué)家的廣泛關(guān)注?？茖W(xué)家們對(duì)鳥類、昆蟲、魚群等自組織群體的觀察研究結(jié)果表明，群體中的每一個(gè)體在遵循簡(jiǎn)單的行為規(guī)則條件時(shí)，就有可能出現(xiàn)有序協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。例如，為了避免碰撞，個(gè)體間必須保持的最小距離；群體中，同類的相互吸引或排斥等，這些自然的因素在群體行為中的影響和重要性等，都是值得探索和研究的。目前，魚群仿真研究多數(shù)是基于個(gè)體行為模型(individual based models， IBMS),即將群體的個(gè)體作為獨(dú)立的單元處理。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真可視化研究， 已成為一種重要的研究手段。通過(guò)考察模擬結(jié)果的相似程度，推測(cè)和分析內(nèi)在的機(jī)制，篩選具有重要影響的因子。計(jì)算機(jī)建模和仿真為研究魚群行為學(xué)開辟了新的途徑。

發(fā)明內(nèi)容
為了模擬魚群的活動(dòng)狀態(tài)，本發(fā)明提出一種基于IBMS模型的魚群仿真，同時(shí)將面積足夠大的淺水體近似作為二維空間進(jìn)行處理。將個(gè)體間避免碰撞設(shè)為首要條件，個(gè)體間距離必須保持不小于最小鄰魚距離NND(Nearest Neighbour Distance),當(dāng)鄰居魚逼近時(shí)， 按距離的遠(yuǎn)近采取相應(yīng)的行為反應(yīng)和行動(dòng)。本發(fā)明一種基于IBMS模型的魚群仿真方法，包括以下步驟
一、對(duì)仿真進(jìn)行初始化，首先根據(jù)魚體視覺能力范圍 r的劃分來(lái)定義魚體反應(yīng)方式，在模型中，將魚體視覺能力范圍r劃分為五個(gè)距離，其中
”為強(qiáng)烈排斥距離，按避免碰撞原則，該距離相當(dāng)于最小距離NND，鄰居魚處于本魚
的排斥區(qū)域內(nèi)，本魚 將以背離鄰居魚J方向迅速離開；
‘為無(wú)反應(yīng)的中性距離，鄰居魚J處于本魚i的無(wú)反應(yīng)中性區(qū)域內(nèi)，本魚i將以群體平
均速度前進(jìn)，并且在方向上具有較大的隨機(jī)性；
rs 根據(jù)魚類具有保持和跟隨目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的習(xí)性[14]，設(shè)立的相互平行運(yùn)動(dòng)的保標(biāo)距離，
鄰居魚 < 處于本魚i的平行保標(biāo)區(qū)域內(nèi)，本魚i將以保標(biāo)速度前進(jìn)，方向不變；
力相互吸引靠攏距離，該距離在魚個(gè)體的視覺范圍內(nèi)，因魚類個(gè)體的聚集行為，相互有靠近的傾向；即當(dāng)鄰居魚J處于本魚ι的吸引區(qū)域內(nèi)，本魚ι將朝鄰居魚的方向前進(jìn)；力無(wú)反應(yīng)距離，鄰居魚J已在本魚i的視覺能力范圍之外，不對(duì)本魚ι造成影響； 根據(jù)初始時(shí)刻4 ,本魚i的位置坐標(biāo)、及本魚初始速度大小ν )、本魚初始速度方向和本魚i視覺能力范圍內(nèi)的鄰居魚J的位置和速度；
二、計(jì)算本魚I在下一時(shí)間步的位置，
Jfi (Iwl) = Xi (Is) +My-Fi D Xcosaj (β』(1)
^(O = Ii (βχ) +Δ x Fi (U) xsm O1(2 )
三、計(jì)算本魚與鄰近魚之間的距離，具體步驟為
移動(dòng)時(shí)間
本魚與鄰近魚之間的距離 τ :γ.聯(lián)聯(lián))+(聯(lián)mjf 四、本魚 在下一時(shí)間步的速度
本魚I的速度主要由其視覺能力范圍內(nèi)，鄰居魚的平均速度Kt)和鄰居魚J對(duì)其影響的速度t決定，當(dāng)本魚 與缸壁距離Ai小于最小距離J時(shí)，還需考慮缸壁會(huì)影響和造成魚類個(gè)體運(yùn)動(dòng)速度降低的現(xiàn)象，類似對(duì)個(gè)體產(chǎn)生一反向速度&,
群體的平均速度 權(quán)利要求
1. 一種基于IBMS模型的魚群仿真方法，包括以下步驟一、對(duì)仿真進(jìn)行初始化，首先根據(jù)魚體視覺能力范圍 r的劃分來(lái)定義魚體反應(yīng)方式，在模型中，將魚體視覺能力范圍劃分為五個(gè)距離，其中為強(qiáng)烈排斥距離，按避免碰撞原則,該距離相當(dāng)于最小距離NND，鄰居魚處于本魚i的排斥區(qū)域內(nèi)，本魚i將以背離鄰居魚‘萬(wàn)向迅速離開；為無(wú)反應(yīng)的中性距離，鄰居魚J處于本魚，的無(wú)反應(yīng)中性區(qū)域內(nèi)，本魚■將以群體平均速度前進(jìn)，并且在方向上具有較大的隨機(jī)性；^ 根據(jù)魚類具有保持和跟隨目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的習(xí)性，設(shè)立的相互平行運(yùn)動(dòng)的保標(biāo)距離，鄰居魚處于本魚i的平行保標(biāo)區(qū)域內(nèi)，本魚 將以保標(biāo)速度前進(jìn)，方向不變；力相互吸引靠攏距離，該距離在魚個(gè)體的視覺范圍內(nèi)，因魚類個(gè)體的聚集行為，相互有靠近的傾向；即當(dāng)鄰居魚^處于本魚i的吸引區(qū)域內(nèi)，本魚i將朝鄰居魚J的方向前進(jìn)； 力無(wú)反應(yīng)距離，鄰居魚J已在本魚i的視覺能力范圍之外，不對(duì)本魚 造成影響； 根據(jù)初始時(shí)刻4 ,本魚ι的位置坐標(biāo)、及本魚初始速度大小ν )、本魚初始速度方向和本魚I視覺能力范圍內(nèi)的鄰居魚J的位置和速度；二、計(jì)算本魚:在下一時(shí)間步的位置， XD =孓(O Xf^ (is4) X Cosai (Iri)^￠^)聯(lián)xsm Cti(Is4l)；三、計(jì)算本魚與鄰近魚之間的距離，具體步驟為 Igoti(^1) =H 聯(lián)、移動(dòng)時(shí)間‘+1 二、也本魚與鄰近魚之間的距離Di(Is) =YxjHa) XSnif HYj(Is) UQf ；四、本魚 在下一時(shí)間步的速度本魚I的速度主要由其視覺能力范圍內(nèi)，鄰居魚的平均速度d)和鄰居魚J對(duì)其影響的速度t決定，當(dāng)本魚i與缸壁距離A5小于最小距離5時(shí),還需考慮缸壁會(huì)影響和造成魚類個(gè)體運(yùn)動(dòng)速度降低的現(xiàn)象，類似對(duì)個(gè)體產(chǎn)生一反向速度h,群體的平均速度
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于IBMS模型的魚群仿真方法，其特征在于采用魚體長(zhǎng)度作為長(zhǎng)度單位，以減少體長(zhǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的影響，增加不同尺度的個(gè)體間的可比性。θ，則當(dāng)f“、Q和的角度差γ小于θ時(shí)，U時(shí)刻速度取
全文摘要
本發(fā)明涉及一種仿真建模方法，尤其是涉及一種基于IBMs模型的魚群仿真方法。為了模擬魚群的活動(dòng)狀態(tài)，本發(fā)明提出一種基于IBMS模型的魚群仿真，同時(shí)將面積足夠大的淺水體近似作為二維空間進(jìn)行處理。將個(gè)體間避免碰撞設(shè)為首要條件，個(gè)體間距離必須保持不小于最小鄰魚距離NND，當(dāng)鄰居魚逼近時(shí)，按距離的遠(yuǎn)近采取相應(yīng)的行為反應(yīng)和行動(dòng)。本發(fā)明的有益效果是，通過(guò)考察模擬結(jié)果的相似程度，推測(cè)和分析內(nèi)在的機(jī)制，篩選具有重要影響的因子。計(jì)算機(jī)建模和仿真，為研究魚群行為學(xué)開辟了新的途徑。它合理地彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)觀察中魚群行為量化困難的不足。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102323994SQ201110282679
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月22日
發(fā)明者周應(yīng)祺, 張進(jìn), 惠明明, 柳玲飛, 田展飛, 錢衛(wèi)國(guó) 申請(qǐng)人:上海海洋大學(xué)