基于拟态物理学的智能群体群集行为建模与仿真研究

【摘要】：自然界中群居性生物的群集行为广泛存在，即简单生物个体通过个体间以及个体与环境间的相互作用涌现出整体智能性。目前，对生物群体的群集及觅食行为的研究成果已经越来越多地应用于群体工程中。拟态物理学是一种模拟物体间存在虚拟力作用以及物体运动遵循牛顿力学定律的方法，最初应用于群机器人编队任务。本文采用拟态物理学方法对生物群体的群集行为进行建模与仿真研究，试图从拟态物理学的角度阐释群集行为的内部作用机制。 从行为上看，群集行为和群机器人编队在过程上具有一致性。它们都是由简单个体组成的群体，都存在群体内部个体与个体或个体与环境的交互作用，个体最终都将聚集在一定范围内并保持稳定。因此本文首先借鉴拟态物理学的思想和概念，将万有引力作为生物群体中个体之间的作用方式，构造了一种近似于万有引力的作用力函数，并制定了个体之间的交互作用规则，从而建立了生物群体的群集模型。然后，利用Lyapunov方法证明了该群集模型的内聚性与稳定性，并通过计算机仿真的方法研究了模型中的各种参数对群集行为的影响。 生物群体的群集行为通常具有觅食或躲避天敌等特殊的目的性，也就是说，生物群体的聚集行为是受环境所影响和制约的。个体对环境中的食物或有害物信息做出反应，在群集的同时靠近食物或远离有害物。本文在上述群集模型的基础上增加环境作用项，使群集模型具有觅食能力。同时，讨论了较为常见的平面环境、二次型环境以及高斯环境三种情况下，群集觅食模型的稳定性和觅食性。然后，用Lyapunov方法从理论上证明了在这三种情况下个体最终能够聚集并稳定在食物周围附近区域。最后对三种环境下的模型进行了仿真实验，验证了群集觅食模型的有效性。