[发明专利]一种基于IBMs模型的鱼群仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿真建模方法，尤其是涉及一种基于IBMs鱼类行为以及人工智能领域。

背景技术

鱼群仿真长期以来一直是虚拟现实领域重要研究方向，鱼群是一种自组织群体，没有固定的领导，但是群体往往呈现出运动方向有序、运动协调及集聚性等特征。这种自组织群体的典型特征及其在进化和生存方面的意义，已引起科学家的广泛关注。科学家们对鸟类、昆虫、鱼群等自组织群体的观察研究结果表明，群体中的每一个体在遵循简单的行为规则条件时，就有可能出现有序协调的运动状态。例如，为了避免碰撞，个体间必须保持的最小距离；群体中，同类的相互吸引或排斥等，这些自然的因素在群体行为中的影响和重要性等，都是值得探索和研究的。

目前，鱼群仿真研究多数是基于个体行为模型（individual based models ，IBMS），即将群体的个体作为独立的单元处理。

由于计算机技术的发展，科学家们利用计算机进行数学建模和仿真可视化研究，已成为一种重要的研究手段。通过考察模拟结果的相似程度，推测和分析内在的机制，筛选具有重要影响的因子。计算机建模和仿真为研究鱼群行为学开辟了新的途径。

发明内容

为了模拟鱼群的活动状态，本发明提出一种基于IBMS模型的鱼群仿真，同时将面积足够大的浅水体近似作为二维空间进行处理。将个体间避免碰撞设为首要条件，个体间距离必须保持不小于最小邻鱼距离NND（Nearest Neighbour Distance），当邻居鱼逼近时，按距离的远近采取相应的行为反应和行动。

本发明一种基于IBMS模型的鱼群仿真方法，包括以下步骤：

一、对仿真进行初始化，首先根据鱼体视觉能力范围                                                的划分来定义鱼体反应方式，在模型中，将鱼体视觉能力范围划分为五个距离，其中：

：为强烈排斥距离，按避免碰撞原则，该距离相当于最小距离NND，邻居鱼处于本鱼的排斥区域内，本鱼将以背离邻居鱼方向迅速离开；

：为无反应的中性距离，邻居鱼处于本鱼的无反应中性区域内，本鱼将以群体平均速度前进，并且在方向上具有较大的随机性；

：根据鱼类具有保持和跟随目标运动的习性^[14],设立的相互平行运动的保标距离，邻居鱼处于本鱼的平行保标区域内，本鱼将以保标速度前进，方向不变；

为相互吸引靠拢距离，该距离在鱼个体的视觉范围内，因鱼类个体的聚集行为，相互有靠近的倾向；即当邻居鱼处于本鱼的吸引区域内，本鱼将朝邻居鱼的方向前进；

为无反应距离，邻居鱼已在本鱼的视觉能力范围之外，不对本鱼造成影响；

根据初始时刻，本鱼的位置坐标、及本鱼初始速度大小v（）、本鱼初始速度方向和本鱼视觉能力范围内的邻居鱼的位置和速度；

二、计算本鱼在下一时间步的位置，

                （1）

                  （2）

三、计算本鱼与邻近鱼之间的距离，具体步骤为：

                           （3）

移动时间

                                       （4）

本鱼与邻近鱼之间的距离

                （5）

四、本鱼在下一时间步的速度：

本鱼的速度主要由其视觉能力范围内，邻居鱼的平均速度和邻居鱼对其影响的速度决定，当本鱼与缸壁距离小于最小距离时，还需考虑缸壁会影响和造成鱼类个体运动速度降低的现象，类似对个体产生一反向速度，

                              （6）

群体的平均速度

                                       （7）

邻近鱼对本鱼的影响速度

           （8）

反向速度

                   （9）

在内最大转角为，则当和的角度差小于时，时刻速度取；当和的角度差大于或等于时，时刻速度取；为了体现鱼群运动方向上带有随机性，令服从标准偏差正态分布；

判断是否有人为关闭仿真进程的行为或仿真结束时间到，如果有，仿真停止进行；否则仿真继续，重复执行第二－七步。