Flokowanie (zachowanie) - Flocking (behavior)

Jak rój szpaków

Stado to zachowanie występujące, gdy grupa ptaków, zwana stadem , żeruje lub w locie.

Symulacje komputerowe i modele matematyczne, które opracowano w celu naśladowania zachowań stadnych ptaków, można również ogólnie zastosować do zachowania „stadowego” innych gatunków. W rezultacie termin „flokowanie” jest czasami stosowany w informatyce do gatunków innych niż ptaki.

Ten artykuł dotyczy modelowania zachowania flokowania. Z perspektywy modelarza matematycznego „flokowanie” jest zbiorowym ruchem grupy samobieżnych jednostek i jest zbiorowym zachowaniem zwierząt wykazywanym przez wiele żywych istot, takich jak ptaki , ryby , bakterie i owady . Uważa się, że jest to zachowanie wyłaniające się, wynikające z prostych zasad, które są przestrzegane przez jednostki i nie wymaga żadnej centralnej koordynacji.

W naturze

Istnieją analogie z shoaling zachowanie ryby, roi zachowania owadów i zachowań stadnych zwierząt lądowych. W miesiącach zimowych szpaki są znane z tego, że gromadzą się w ogromne stada liczące od setek do tysięcy osobników, czyli szmery , które, gdy w ogóle wznoszą się do lotu , tworzą duże pokazy intrygujących wirujących wzorów na niebie nad obserwatorami.

Zachowanie flokowania zostało zasymulowane na komputerze w 1987 roku przez Craiga Reynoldsa za pomocą jego programu symulacyjnego Boids . Ten program symuluje prostych agentów (boidów), którym wolno poruszać się zgodnie z zestawem podstawowych zasad. Rezultatem jest zbliżona do stada z ptakami , a szkoły z ryby albo rój z owadami .

Pomiar

Pomiary liczebności ptaków wykonano za pomocą szybkich kamer i przeprowadzono analizę komputerową w celu przetestowania wspomnianych powyżej prostych zasad flokowania. Stwierdzono, że generalnie sprawdzają się one w przypadku stada ptaków, ale zasada przyciągania dalekiego zasięgu (spójność) dotyczy najbliższych 5–10 sąsiadów stada ptaka i jest niezależna od odległości tych sąsiadów od ptaka. Ponadto istnieje anizotropia w odniesieniu do tej tendencji spójności, przy czym większą spójność wykazuje się w kierunku sąsiadów po bokach ptaka, a nie z przodu lub z tyłu. Wynika to prawdopodobnie z tego, że pole widzenia latającego ptaka jest skierowane na boki, a nie bezpośrednio do przodu lub do tyłu.

Inne niedawne badanie opiera się na analizie nagranych z kamer szybkobieżnych stad nad Rzymem i wykorzystuje model komputerowy przy założeniu minimalnych reguł behawioralnych.

Algorytm

Zasady

Podstawowe modele flokowania są kontrolowane przez trzy proste zasady:

Separacja
Unikaj zatłoczonych sąsiadów (odpychanie na krótkim dystansie)
Wyrównanie
Kieruj się w stronę średniej pozycji sąsiadów
Spójność
Kieruj się w stronę średniej pozycji sąsiadów (atrakcja dalekiego zasięgu)

Dzięki tym trzem prostym zasadom stado porusza się w niezwykle realistyczny sposób, tworząc złożony ruch i interakcję, które w przeciwnym razie byłyby niezwykle trudne do stworzenia.

Warianty reguł

Podstawowy model został rozszerzony na kilka różnych sposobów, odkąd zaproponował go Reynolds. Na przykład Delgado-Mata i in. rozszerzono model podstawowy o skutki strachu. Węch wykorzystano do przekazywania emocji między zwierzętami za pomocą feromonów modelowanych jako cząstki w swobodnym gazie rozprężnym.

Hartman i Benes wprowadzili do sojuszu siłę uzupełniającą, którą nazywają zmianą przywództwa. Ten wół określa szansę ptaka na zostanie przywódcą i próbę ucieczki.

Hemelrijk i Hildenbrandt wykorzystali przyciąganie, wyrównanie i unikanie, i rozszerzyli to o szereg cech prawdziwych szpaków:

  • ptaki lecą zgodnie z aerodynamiką stałych skrzydeł, tocząc się podczas skręcania (tracąc w ten sposób siłę nośną);
  • koordynują się z ograniczoną liczbą interakcji sąsiadów 7 (jak prawdziwe szpaki);
  • starają się pozostać nad miejscem do spania (jak robią to szpaki o świcie), a kiedy zdarzy im się oddalić od miejsca spania, wracają do niego obracając się; oraz
  • po czwarte, poruszają się ze względną stałą prędkością.

Autorzy wykazali, że specyfika zachowań latających, a także duży rozmiar stada i mała liczba partnerów interakcji były niezbędne do stworzenia zmiennego kształtu stad szpaków.

Złożoność

W symulacjach flokowania nie ma centralnego sterowania; każdy ptak zachowuje się autonomicznie. Innymi słowy, każdy ptak musi sam zdecydować, które stada uznać za swoje środowisko. Zazwyczaj środowisko definiuje się jako okrąg (2D) lub sferę (3D) o określonym promieniu (reprezentującym zasięg).

Podstawowa implementacja algorytmu flokowania jest złożona – każdy ptak przeszukuje wszystkie inne ptaki, aby znaleźć te, które wpadają w jego otoczenie.

Możliwe ulepszenia:

  • bin- kratownica przestrzenna podziałowych. Cały obszar, po którym może się przemieszczać stado, jest podzielony na wiele pojemników. Każdy pojemnik przechowuje zawarte w nim ptaki. Za każdym razem, gdy ptak przemieszcza się z jednego pojemnika do drugiego, kratka musi zostać zaktualizowana.
    • Przykład: siatka 2D(3D) w symulacji flokowania 2D(3D).
    • Złożoność: , k to liczba otaczających pojemników do rozważenia; właśnie wtedy, gdy ptasia skrzynia zostanie znaleziona w

Lee Spector, Jon Klein, Chris Perry i Mark Feinstein badali powstawanie zachowań zbiorowych w ewolucyjnych systemach obliczeniowych.

Bernard Chazelle dowiódł, że przy założeniu, że każdy ptak dostosowuje swoją prędkość i pozycję do innych ptaków w określonym promieniu, czas potrzebny na zbieżność do stanu ustalonego jest iterowanym wykładnikiem logarytmicznym wysokości w liczbie ptaków. Oznacza to, że jeśli liczba ptaków jest wystarczająco duża, czas zbieżności będzie tak długi, że równie dobrze może być nieskończony. Wynik ten dotyczy tylko zbieżności do stanu ustalonego. Na przykład strzały wystrzelone w powietrze na skraju stada spowodują, że całe stado zareaguje szybciej, niż można to wytłumaczyć interakcjami z sąsiadami, które są spowalniane przez opóźnienie czasowe w centralnym układzie nerwowym ptaka – od ptaka do ptaka. -od ptaka do ptaka.

Aplikacje

Zachowania podobne do trzody u ludzi mogą wystąpić, gdy ludzie są przyciągani do wspólnego punktu centralnego lub gdy są odpychani, jak poniżej: tłum uciekający przed odgłosem strzałów.

W Kolonii w Niemczech dwóch biologów z Uniwersytetu w Leeds zademonstrowało u ludzi zachowanie podobne do stada. Grupa ludzi wykazywała bardzo podobny wzorzec zachowania do stada, gdzie gdyby 5% stada zmieniło kierunek, pozostali podążyliby za jego przykładem. Kiedy jedna osoba została wyznaczona jako drapieżnik, a wszyscy inni mieli go unikać, stado zachowywało się bardzo jak ławica ryb.

Flokowanie było również uważane za sposób kontrolowania zachowania bezzałogowych statków powietrznych (UAV).

Flokowanie to powszechna technologia w wygaszaczach ekranu i znalazła zastosowanie w animacji. Flokowanie zostało wykorzystane w wielu filmach, aby wygenerować tłumy, które poruszają się bardziej realistycznie. Tim Burton „s Powrót Batmana (1992) wyróżniona uciekają nietoperze.

Zachowanie flokowania zostało wykorzystane w innych interesujących zastosowaniach. Został on zastosowany do automatycznego programowania internetowych wielokanałowych stacji radiowych. Służy również do wizualizacji informacji i zadań optymalizacyjnych.

Zobacz też

Bibliografia

Innych źródeł

Zewnętrzne linki