海豚捕食时团队合作的运动研究

郭鹏　邵浩松　郝新月　徐梓潆　方涵

摘 要：本文探讨海豚为了提高捕食的效率，彼此间相互合作，配合行动追赶沙丁鱼群时的运动行为。根据MATLAB仿真模型，动态模型，交互模型，我们对海豚的运动规律进行了深入研究。

关键词：MATLAB仿真 交互模型 集群运动 动态模型

围捕策略和目标拦截策略

一、问题分析

第一步，我们了解到海豚声纳的回声机制。海豚使用回聲定位方法来判断鱼群的整体位置，在向鱼群移动的同时，沙丁鱼群会聚成球形的形态。

第二步，在海豚追赶沙丁鱼群的过程中，海豚会使用自身的超声波准确地知道沙丁鱼群和自己同伴的准确方位。假设有一头海豚充当“驱赶者”身份，其余海豚会充当“障碍物”身份，“驱赶者”海豚会将四周的沙丁鱼赶向障碍海豚所形成的包围圈里，从而组成口袋型的包围圈。然后驱赶者会将沙丁鱼群慢慢赶进包围圈。

第三步，在海豚确定沙丁鱼群中沙丁鱼的数量够多并且沙丁鱼群无处可逃时，海豚团体组成“口袋”的战友就会迅速缩小包围圈，这样它就会乖乖成为“囊中之物”了。

二、模型建立与求解

模型一：围捕策略和目标拦截策略

模型二的建立

海豚接近沙丁鱼群后，沙丁鱼群包围成一个完美的球形形态进行运动，海豚们各司其职，进行围捕和目标拦截当沙丁鱼群和海豚的距离较短时，海豚“追捕者”将沙丁鱼群追赶至包围圈的方向，并且将周围较小的沙丁鱼群也追赶至包围圈中。这一阶段我们研究沙丁鱼群与海豚之间的交互模型和海豚团体的围捕策略和轨迹预测的目标拦截模型。

当沙丁鱼群感知到海豚的威胁时，以完美的球形形态运动，并将沙丁鱼群视为个体研究。

追捕者下一时刻的位置：

运用MATLAB模拟，可得：

模型二： 交互模型。

模型三的建立

鱼群中有一部分沙丁鱼最先感知到海豚的存在，并以一定速率远离海豚.由于沙丁鱼个体之间有运动联系，靠近信息丰富者的个体会感知到邻居的运动，会首先向信息丰富者靠拢，并使自身的运动向信息丰富者的运动方向转移，使更多的沙丁鱼个体向远离海豚方向运动，远离海豚运动后，剩下的大部分离信息丰富较远的个体，由于必须向整体中心和平均方向靠拢的原则，所以这部分个体会先向整体靠近，然后感知到远离海豚运动的邻居，接着使自己的位置和速度方向向远离海豚方向转移。信息丰富者速度不能太快，否则，就不能达到带动群体的效果，以最大速度的1/8作为信息丰富者的速度。

当然鱼群的这种群体活动在面对海豚个体时是非常有利的，但是当海豚是以海豚群包围的模式出现在鱼群面前时，远离海豚运动就是大部分鱼跟着信息丰富者向海豚包围圈的中心运动，当鱼群发现不对劲的时候已经于事无补，海豚群迅速收缩将这群处于蒙圈状态的鱼群饱食在腹中。

信息丰富者下一时刻的位置：

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参考文献

[1] 赵建，曾建潮，鱼群集群行为的建模与仿真，太原科技大学

[2] 班晓娟，宁淑荣，涂序彦，人工鱼群高级自组织行为研究

[3] 王小红，基于多Agent的人工鱼群自组织行为研究，北京大学

[4] 陈世明，群集行为的建模与控制方法综述，华东交通大学

作者简介：

郭鹏（1999-）男，河北省邢台人，现为北华航天工业学院机电工程学院在读学生；

邵浩松（1997-）男，河北省石家庄人，现为北华航天工业学院机电工程学院在读学生；

郝新月（1998-）女，河北省唐山人，现为北华航天工业学院经济管理系在读学生；

徐梓潆（1999-）女，江苏省靖江人，现为北华航天工业学院经济管理系在读学生；

方涵（1999-）女，湖北省随州人，现为北华航天工业学院经济管理系在读学生。