海豚捕食時團隊合作的運動研究

郭鵬　邵浩松　郝新月　徐梓瀠　方涵

摘 要：本文探討海豚為了提高捕食的效率，彼此間相互合作，配合行動追趕沙丁魚群時的運動行為。根據MATLAB仿真模型，動態模型，交互模型，我們對海豚的運動規律進行了深入研究。

關鍵詞：MATLAB仿真 交互模型 集群運動 動態模型

圍捕策略和目標攔截策略

一、問題分析

第一步，我們了解到海豚聲納的回聲機制。海豚使用回聲定位方法來判斷魚群的整體位置，在向魚群移動的同時，沙丁魚群會聚成球形的形態。

第二步，在海豚追趕沙丁魚群的過程中，海豚會使用自身的超聲波準確地知道沙丁魚群和自己同伴的準確方位。假設有一頭海豚充當“驅趕者”身份，其余海豚會充當“障礙物”身份，“驅趕者”海豚會將四周的沙丁魚趕向障礙海豚所形成的包圍圈里，從而組成口袋型的包圍圈。然后驅趕者會將沙丁魚群慢慢趕進包圍圈。

第三步，在海豚確定沙丁魚群中沙丁魚的數量夠多并且沙丁魚群無處可逃時，海豚團體組成“口袋”的戰友就會迅速縮小包圍圈，這樣它就會乖乖成為“囊中之物”了。

二、模型建立與求解

模型一：圍捕策略和目標攔截策略

模型二的建立

海豚接近沙丁魚群后，沙丁魚群包圍成一個完美的球形形態進行運動，海豚們各司其職，進行圍捕和目標攔截當沙丁魚群和海豚的距離較短時，海豚“追捕者”將沙丁魚群追趕至包圍圈的方向，并且將周圍較小的沙丁魚群也追趕至包圍圈中。這一階段我們研究沙丁魚群與海豚之間的交互模型和海豚團體的圍捕策略和軌跡預測的目標攔截模型。

當沙丁魚群感知到海豚的威脅時，以完美的球形形態運動，并將沙丁魚群視為個體研究。

追捕者下一時刻的位置：

運用MATLAB模擬，可得：

模型二： 交互模型。

模型三的建立

魚群中有一部分沙丁魚最先感知到海豚的存在，并以一定速率遠離海豚.由于沙丁魚個體之間有運動聯系，靠近信息豐富者的個體會感知到鄰居的運動，會首先向信息豐富者靠攏，并使自身的運動向信息豐富者的運動方向轉移，使更多的沙丁魚個體向遠離海豚方向運動，遠離海豚運動后，剩下的大部分離信息豐富較遠的個體，由于必須向整體中心和平均方向靠攏的原則，所以這部分個體會先向整體靠近，然后感知到遠離海豚運動的鄰居，接著使自己的位置和速度方向向遠離海豚方向轉移。信息豐富者速度不能太快，否則，就不能達到帶動群體的效果，以最大速度的1/8作為信息豐富者的速度。

當然魚群的這種群體活動在面對海豚個體時是非常有利的，但是當海豚是以海豚群包圍的模式出現在魚群面前時，遠離海豚運動就是大部分魚跟著信息豐富者向海豚包圍圈的中心運動，當魚群發現不對勁的時候已經于事無補，海豚群迅速收縮將這群處于蒙圈狀態的魚群飽食在腹中。

信息豐富者下一時刻的位置：

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參考文獻

[1] 趙建，曾建潮，魚群集群行為的建模與仿真，太原科技大學

[2] 班曉娟，寧淑榮，涂序彥，人工魚群高級自組織行為研究

[3] 王小紅，基于多Agent的人工魚群自組織行為研究，北京大學

[4] 陳世明，群集行為的建模與控制方法綜述，華東交通大學

作者簡介：

郭鵬（1999-）男，河北省邢臺人，現為北華航天工業學院機電工程學院在讀學生；

邵浩松（1997-）男，河北省石家莊人，現為北華航天工業學院機電工程學院在讀學生；

郝新月（1998-）女，河北省唐山人，現為北華航天工業學院經濟管理系在讀學生；

徐梓瀠（1999-）女，江蘇省靖江人，現為北華航天工業學院經濟管理系在讀學生；

方涵（1999-）女，湖北省隨州人，現為北華航天工業學院經濟管理系在讀學生。