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1、论 文十初大学硕士学位论文鲁峰年研究生姓名一郭瑶论文题学科、专业计算机科学复技术目一綦王鸟禚生物特性韵逃避攻击行为仿真研究一分类号密级专业技术职务一邹北骥教授导师姓名及编号 论 文 论 文一 论 文 论 文洲川四洲四坠旦星： 论 文论 文 论 文作者签名：扯日 论 文学位论文版权使用授权书原创性声明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科有权保留
2、学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不并通过网络向社会公众提供信息服务。 论 文论 文 论 文 论 文其次，在群集生物研究的经典模型一模摘要关键词人工生命，群集，自私性，利他性，后，将实验结果进行图表展示，并基于这些图表对实验中出现的数据现象和问题进行了相应的分析和总结。 论分析，并对这两个生物特性下的平均死亡数目进行了统计。然对鸟群在自私性和利他性
3、影响下的受力情况、相互协作行为等进行了最后，基于模型的算法思想，对其进行了程序实现与实验验证。模型进行了丰富和细化，以求达到生动逼真的实验效果。证鸟群基本模型流畅正确的前提下，对鸟群的局部行为以及整体行为遇攻击者时的不同行为表现分别进行了详细的分析和建模实现。在保为生物学理论支撑，对鸟群在自私性和利他性两种生物特性影响下遭结合现实生活中所观察到的鸟群行为，以生物学论著自私的基因开发平台进行了介绍。攻击的生物学特性等与本文相关的课题研究背景，并对其相关应用和首先，简要介绍了人工生命学、复杂性适应系统理论和鸟群逃避容如下。和扩展性有重要意义和推动作用。本文针对此问题展开研究，主要内型在鸟群行为研究
4、中具有一定的创新，对群集生物行为研究的系统性广泛的应用。本文所提出的鸟群基于不同生物特性的逃避攻击行为模而其仿真模型在电影动画制作、生物学研究以及军事信息化领域都有群集生物行为的研究是人工生命学领域的研究重点和热点之一， 文论 文 论 文 论 文，嬲，髂“， ， 论 文论 文 论 文 论 文录目要实验设计第四章基于鸟群生物特性的逃避攻击行为实验及结果中的头鸟模型鸟群利他性行为的算法复杂度鸟群自私性行为的算法复杂度算法复杂度分析鸟群的利他性行为算法鸟群的自私性行为算法算法设计与实现类的设计基本模型第蚁群觅食。第五章结论与展望群组行为仿真。实验结果和分析模型典型群组模型的分析和描述第二章相关研究综
5、述本文的组织结构。研究工作及成果总结开发平台介绍相关应用鸟群逃避攻击行为的生物学特性复杂适应系统理论人工生命学课题研究背景第一章绪论录三章基于鸟群生物特性的逃避攻击行为研究摘。人工鱼?幢疚闹饕难芯抗鳌改浚矗辰小帷常梗常敌帷常矗常玻保玻担粒酰簦铮睿铮恚铮酰螅玻保?论 文 论 文参考文献致谢进一步研究方向攻读学位期间主要研究成果 论 文 论 文第一章绪论课题研究背景顶多也只能是类似于迪斯尼公园里的模拟物罢了【】。自世纪中叶，全新的理论未得到充分了解以及制造技术相对较落后的现实情况下，人们所能创造出来的，越来越多的科学家开始尝试以计算机等非蛋白质的媒体来研究生命体，探索生命一些简单动作行为，比如呜叫
6、、喝水、进食，甚至还能够排泄。在生命的本质还造鸭子。它不仅外表看上去与真正的鸭子十分相像，并且能够做出类似于真鸭的和研究工具在计算机技术、生命科学以及人工智能技术的快速崛起下应运而生。是试图采用机械的方式来创造出生命。年，雅克沃肯森创造出了第一只人结构的探索等。随着科技的发展，人们不再仅仅满足于对生命的探索，而道，取得了举世瞩目的成就，例如人工合成蛋白质、遗传密码的破译、克隆技术、主要研究手段来探索生命的结构和进化发展，它开辟了人们研究生命科学的大合物为基本物质的生命作为主要的研究对象。最传统的研究方向是以生物科学为科学家对生命科学的研究已经有了很长的一段历史【，并且一直把以碳水化人工生命学托
7、于两个重要的科学学科：人工生命学和复杂性适应系统理论。物或智能体，其整体行为有别于作为单个个体时的简单行为叠加。群组的发展依所谓群组，可以定义为：处于同一环境下拥有相同或相似目的的一群人、动组运动所表现出来的特殊性。动更加的生动逼真。特征以及鸟群躲避攻击者的生物特征，用户可以进行全局的参数设置，使鸟群运要方式：自私动机和利他动机进行建模仿真，这个模型同时满足鸟群的基本运动文构建了基于开源库的交互平台，根据自然界中鸟群躲避攻击的两种主作、生物学研究以及现代军事化大型战斗群协同作战控制都具有重要的意义。本鸟群逃避攻击行为是鸟群运动的重要环节，而其仿真模型对于电影动画制但是视觉效果却很复杂，似乎是随
8、机排列，但是却有着良好的同步【。这就是群在着反差。它是由离散的鸟组成的，但总体来看却是流体运动；它的概念很简单，群【等动物群体的同步行为是让人赏心悦目且耐人寻味的。同时，鸟群的运动存鸟群运动是大自然中一种有趣的现象，就如同蚁群【、蜂群【】、鱼群【】和狼第一章绪论硕士学位论文 论 文 论 文命其实都是按照算法构成和算法演化的，但不同事物的算法复杂程度不同。我们近年来，复杂性的研究在国内外迅速升温冽】【。不仅仅是在自然科学领析【】等。分割、光学字符识别、银行印章鉴别等【】、图像特征的提取，交通流量的分创造虚拟生物研究生命的机理，提高机器人的智能刀【引，图像处理中图像的数字生命【】、虚拟生物、人工脑
9、【】等。其典型的应用包括生物的模拟进化，科学家关于人工生命的研究对相关领域的发展产生了深远而广泛的影响，如特征的人造系统。机科学与人工智能、精密机械技术、微电子等技术结合起来设计和制造具有生命繁殖等；二是在计算机领域内采用工程技术的方法探索生命的本质，例如将计算究途径来研究生命，例如采用人工学方法来合成蛋白质、采用克隆技术进行无性人工生命学研究的内容【】主要包括两个方面：一是通过传统的生物科学研生命的过程和行为。方法。人工生命学就是采用综合集成的方法试图在计算机或其它媒介中合成类似就是将一些简单的零部件按照某种规律组合起来，从而产生一种类似生命行为的最后，人工生命的研究方法是综合集成的方法【】
10、。所谓综合集成的方法，界的进化过程就是一个复杂性不断增长的过程。有理由猜想：从虚无到存在、从无机物到有机物、从非生命到生命，或许整个世复杂适应系统理论再次，生命就是一种算法【】。自然界与计算机有许多类似的地方，所有的生特征。地球上千千万万生物体的生命也正是经历过无数次的涌现而进化到现在。元或者个体会在彼此相互作用的时候产生出一些不可预知但却引人注目的整体。在复杂的环境中，许多相对简单的单其次，生命的最突出特征是涌现【命的逻辑【。因此，生命与具体的物质根本上是无关的。 文构成。生物体的生命可以忽略掉物质，而从其行为本质中抽象出能够真正控制生式【】。生命以特定的形式存在，由一些简单的行为构成，而不
11、是由简单的事物首先，人工生命学认为生命的本质不是某种或者某些具体的物质而是一种形人工生命学研究的基本思想主要包括了以下四点： 论系统行为的人造系统【】。衍、进化以及自组织等行为【引。此外，也可认为人工生命就是研究具有自然生命常所认为的基本的生命特征的某种系统，而基本的生命特征一般包括了自我繁迄今为止，人工生命仍未有统一的定义，普遍认可的是：其行为具有我们通进化与发展的机理，从而揭开了人工生命研究的序幕。硕士学位论文第一章绪论 论 文计算机科学与技术是研究复杂性系统的重要手段和途径，尤其体现在实施和预演整个复杂系统的运动规律和作用过程。而这对于许多不具备真实进行实验条可行。而且利用计算机上的模型
12、，我们能够在真实实验之前就能在计算机上模拟比的优越性。计算机仿真所定义的模型是用计算机程序所定义的，这样既严格又计算机仿真作为复杂性科学研究的重要平台和技术手段，其本身具有无与伦这些特点。非线性、开放性、涌现性和动态性等特点，所以建立的目标模型也必须能够反映占据主导地位，但在复杂性科学的研究中，因为复杂性系统自身显著的主体性、复杂系统的模型方法离不开计算机。在传统科学研究中数学模型和理论模型因此，能否建立成熟的科学模型是衡量复杂性研究科学性的一项关键指标【引。能从真正意义上进入到科学的层次，否则它永远只能停留在哲学思辨的层次上。有真正地跨入到模型建构的层面，从而建立起具有显著自身特色的科学模型
13、，才所以模型作为塑造实在的工具，是现代科学研究的一种古老方法。复杂性科学只复杂性的研究必须使用模型方法。“模型方法乃是现代科学方法的核心”口丌，算机仿真对于复杂性系统研究的重要性主要体现在三个方面。 文机技术对人类充分认识和研究复杂性系统起到了至关重要的作用。具体来说，计也同样离不开计算机。计算机通过建立模型、仿真运行、分析数据等过程，计算究的实验室。”这就好像化学、物理研究离不开实验室一样，复杂性科学的发展整的复杂适应系统理论。操作层面上。美国最著名的系统科学家克里尔曾经说过，“计算机是系统科学研力，把宏观和微观有机地联系起来以及引入了随机因素的作用。体现在主体是主动且活的实体，主体与环境之
14、间的相互作用是系统演化的源动都是在此基础上应运而生的【】。理论的核心是“适应性造就复杂性”，主要化或演变，包括新层次的诞生和分化，新聚合主体的出现以及多样性的涌现等等，习”和“积累经验”，从而根据学到的经验来调整自身的结构和行为。系统的进整，通过与周围的环境以及其它主体进行反复的交流，并在不断地交流过程中“学体。而所谓具有适应性，简单地说就是它能根据周围的环境变化而做出相应的调复杂适应系统理论的基本思想是：系统中所有的成员称为具有适应性的主究的热潮。秩序”报告中，基于多年对复杂系统的研究成果，第一次提出了比较完作用的复杂动态系统【，它是在年由正式提出的。在题为“隐藏的发展的过程中主体能够通过学
15、习来改变甚至改进自己的行为，并相互协调、相互复杂适应系统是复杂系统中比较具有代表性的一类，指在系统的整个演化、域，在人文科学、社会科学等各个领域，都刮起了一股强劲的关于复杂性问题研第章绪论硕士学位论文 论 论 文以自然选择学说为核心，认为物种在激烈的生存斗争中，经过自然选择的作用，略显然是可取的。但这样的捕食行为对被捕食的动物而言，会产生一种很有趣的也最容易受到攻击。对捕食者而言，因为距离的关系可以节省体力，所以这种策当一群集性动物在遭受到捕食者的追捕时，距离捕食者最近的那只动物最先（）自私性行为【】地达到其自私的目的，也会不自觉地滋长一种有限的利他主义。刀然而我们也看到，在某些特殊情况下，基
16、因为了追求其自身的更大利益，更有效一个突出特性是其无情的自私性。基因的自私性必然会导致个体行为的自私性。意义。书中这样提醒我，“这些行为在遗传学上都是自私的，成功的基因的和进化论进行了详细的讨论，重点阐述了自私性行为和利他性行为在生物学上的牛津大学生物学家理查德道金斯在其著作自私的基因中对生物的基因行为。能为了“他人”而不顾自身的利益和安危，甚至牺牲自己，这就是动物的利他性而，在这个拥挤的地球上，动物之间除了激烈的对抗和“自私自利”以外，还可有些现象可以用生存竞争直截了当地做出解释【】，比如动物的自私性行为。然源和空间有限的环境中找到自身的立足点，时刻都在进行着激烈的竞争。自然界生存斗争是动物
17、个体甚至于整个动物群体的天然危机。为此，各种动物为了在资机勃勃而又危机四伏的自然界中，每一种动物都生活在一定的食物网中，因此，（）经济安全性。对于大规模的复杂系统或者具有一定危险性的项目，例会产生真正适应环境具有优越性的新物种，从而最终实现生物的进化【。在生），这部论著的发表也同时标志着进化论的诞生【。达尔文的生物进化论从而建立起系统内部的关系模型，使得原本随机的复杂系统，更方便地展现在计算机的虚拟世界里，避免了建立以及求解复杂的数学模型。 文年，达尔文发表了震惊世界的科学巨著物种起源（鸟群逃避攻击行为的生物学特性实验成本，而且还具有无破坏性、可控性和可重复等特点。贵而且可行性也不大。仿真技术
18、很好地解决了这一问题，它不仅可以大大地降低如涉及到经济、社会、生物、战争、核试验等，真实操作实验的成本不但十分昂明显的优势【川：的实验方法和检验手段。（）适用性。计算机仿真能够将不确定性作为真实系统的随机变量来处理，计算机仿真在研究复杂性科学上的重要性也使得其对复杂性研究具有两大件或实验代价过大的复杂系统而言，计算机仿真可以说是解决这些问题唯一可行第一章绪论硕士学位论文 论 论 文。一相关应用随着计算机科学技术的飞速发展，群组行为的仿真建模也逐渐成为了计算机假使我们所提出的模式开始时并没有任何聚拢的倾向且被追捕的动物起初当兽群在前进时，处于群体边缘的个体会竭尽全力不停地往中心或者内部移动。有消
19、灭它，才能在整体捕食中减小其他个体发现危险甚至逃离的可能性。离最近的个体作为捕食对象。一旦发现有报警声，便会直奔报警的个体。因为只的注意力都引到了报警者身上。捕食者在未发现有报警的情况下，是选择离它距警。乍看起来，这种舍己为人的行为似乎是利他性【】【】的，因为它能把捕食者是希望让伙伴们都知道危险来临周围出现了可怕的捕食者，其实也就是向它们报警报的个体是自寻死路或者是“要把捕食者的火力”都引到自己身上来。它仅仅个体闻声逃命，确实在一定程度上起到了预警的作用。没有人会天真地认为发出的同类免遭捕食者的攻击而努力，例如说某些鸟类的警报声。警报声使其他同类在实际的自然生态活动中经常会出现这样的情况：个体
20、积极地为保护群体中（）利他性行为【得越来越稠密。间从而缩小各自的危险区域。集群自动快速地形成，而且还会随着时间的推移变也是任意分散的，动物的自私动机会促使每一个体试图将自己移动到其他个体中离。当捕食者潜伏在被捕食者个体的危险区域内时，个体被吃掉的可能性就会使它们紧凑成一团。如果这群动物本来就是松散且七零八落的，那么这种向群体中心移动的作用很快此推测，每只被捕食者追捕的动物其周围都有一个相对的“危险区域，。在这个个体成为无奈的“人，显然就每一个体而言，谁也不愿意成为这个“人”。因此，边缘，它会迅速采取行动，向群体的中心地带运动。现实是残酷的，边缘总会有尽量缩小其危险区域的，也就是避免处于兽群的边
21、缘。一旦它发现自已被迫处于带都成为危险地域。头脑清醒且渴望生存的个体显然为了不成为捕食者的猎物而击，这是因为其危险区有一个具有潜在隐患的开口端，此开口端外一大片广阔地就明显上升。不难解释，处于兽群边缘上的个体比兽群内部的个体更容易受到攻设这群动物在比较远的地方就发现了捕食者，那么它们只要伺机逃走就安全了。危险区域内，其中任意一点与这只动物之间的距离都小于从该点到其他动物的距所有争相逃命的动物，每一只都力图避免成为最靠近捕食者的捕食目标。假只动物还是能灵活应对、见机行事，以求避免处于最靠近捕食者的危险位置。由即使“狡猾”的捕食者悄无声息地突然出现，就像隐蔽在草丛中的凶猛野兽，每 一章绪论第后果。硕士学位论文 论 文 论 文开发平台介绍拟方面很出名。现在，已经在生物进化、生态系统、社会、经济等领域中可以说是鼻祖系列的开发平台，最早开发是用来模拟生态过程的，在生态系统模开发，是基于和语言的，供了便利和参考价值。最早由时间发展的复杂系统：。是用于模拟自然和社会现象的编程语言和.
