动物集群运动行为模型系列之六
动物集群运动行为模型
动物集群运动行为模型
摘要
在自然界中，许多动物群在运动过程中具有很明显的群体活动特征，针对动物群的集群运动行为，在充分查阅资料的基础上，本文建立了数学模型来模拟集群运动行为并探索了动物群中的信息传递机制。
问题一要求建立数学模型模拟动物的集群运动。通过将动物种群分为Free rein - Group 和Leader Followers -Group ，在已有的Vicsek 动物群模型和Boid 动物群模型基础上，同时考虑了惯性运动和非惯性运动，从而建立改进后的动物集群运动模型。将影响动物集群运动的五种因素：排斥、吸引、一致、诱惑和恐惧转化为作用力分析，得到表示动物群运动的通用模型，其中非惯性情况下速度方向表示为：
()()()()()()
a a r r o o t t f f D k D k D k D k D k D k λλλλλ=++++
惯性情况下加速度方向表示为：
()()()()()()a a r r o o t t f f A k A k A k A k A k A k ωωωωω=++++ 通过改变系数的相对大小可模拟出动物群的觅食、集群、躲避天敌等运动形式。
在问题二中，我们建立模型刻画了沙丁鱼群躲避黑鳍礁鲨鱼的运动行为。首先确定距离安全最大化和角度安全最大化两条原则，然后分析沙丁鱼个体躲避黑鳍礁鲨鱼的逃逸运动，进一步拓展到整个沙丁鱼群躲避鲨鱼的逃逸模型，并使用MATLAB 进行仿真得到鱼群躲避鲨鱼图像。
问题三考虑到动物群中有一部分个体是信息丰富者（即Leader ）。在非惯性运动的条件下，分析了Free rein -Group 和Leader Followers -Group 的信息传递机制，并利用MATLAB 具体对比分析了有无领导者以及领导者数量多少对种群运动方向决策达成效率的影响，得出领导者数量越多，群运动方向决策效率越高的结论。
关键字：Free rein -Group L e a d e r
F o l l o w
-G r o u p 逃逸模型 信息传递机制
动物集群运动行为模型
目录
1.问题重述 (3)
2.模型假设 (3)
3.符号说明 (3)
4.问题分析 (4)
5. 模型建立与求解 (4)
5.1.问题一 (4)
5.1.1.FRG模型的建立与求解 (5)
5.1.1.1.非惯性运动 (6)
5.1.1.2.惯性运动 (9)
5.1.2.LFG模型的建立与求解 (12)
5.1.2.1.非惯性运动 (12)
5.1.2.2.惯性运动 (15)
5.2.问题二 (18)
5.2.1.假设 (18)
5.2.2.逃逸原则 (18)
5.2.3.沙丁鱼个体的逃逸模型 (18)
5.2.4.沙丁鱼鱼群的逃逸模型 (21)
5.3.问题三 (21)
5.3.1.基于FRG模型，FLG模型的信息传递机制的建立 (21)
5.3.2.信息传递机制的分析 (22)
5.3.2.1.信息传递机制(1) (22)
5.3.2.2.信息传递机制(2) (25)
6. 模型分析与改进方向 (25)
6.1.模型优点 (25)
6.2.模型缺点 (25)
6.3.模型改进方向 (26)
7. 参考文献 (26)
8．附录 (26)
8.1. 无领导者非惯性二维部分程序 (26)
8.2. 沙丁鱼群躲避黑鳍礁鲨鱼的运动程序 (27)
8.3. 无领导者非惯性三维部分程序 (28)
动物集群运动行为模型
1.问题重述
自然界中很多种生物中都存在着复杂的群集行为, 如食草动物、鸟、鱼和昆虫中都存在这种行为，动物群体所具有的智能形式非常令人惊叹：群体中每一个个体的行为活动没有规律而言，但是整个群体为了同一个目标相互合作时，就能爆发出令人难以想象并匪夷所思的群体智能。这些动物群在运动过程中具有很明显的特征：群中的个体聚集性很强，运动方向、速度具有一致性等。如何对这些智能群集行为进行数学建模刻画出动物集群运动、躲避威胁等行为一直是仿生学领域的一项重要内容。
根据题意本文主要解决的问题有：
1. 建立数学模型模拟动物的集群运动。
2. 建立数学模型刻画鱼群躲避黑鳍礁鲨鱼的运动行为。
3. 假定动物群中有一部分个体是信息丰富者(如掌握食物源位置信息，掌握迁徙路线信息)，建模分析它们对于群运动行为的影响，解释群运动方向决策如何达成。
2.模型假设
1.对于某种群体，忽略群体中每个个体的维数，将每个个体看成是一个点。
2.假设诱惑源/危险源对某种群体中任意个体的影响只随相对位置的改变而改变。
3.群体生活的环境空间足够大，群体集群运动时不会发生阻碍现象。
4.假设群体集群运动过程中数量一定，不考虑严重自然灾害、环境变化和群体内出生死亡对群体数量的影响。
5.假设黑鳍礁鲨鱼对沙丁鱼群的每一次冲击都是直线运动。
3.符号说明
符号说明
D k时刻的速度方向
k
A k时刻的加速度（包括大小和方向）
k
X k时刻的平面（或空间）位置
k
l步长：个体单位时间内运动的距离
λ、ω影响作用系数
动物集群运动行为模型
4. 问题分析
问题一要求建立数学模型模拟动物的集群运动。将动物种群分为Free rein -Group （无领导者型）和Leader Followers -Group （有领导者型），利用已有的Vicsek 动物群模型和Boid 动物群模型知识，首先考虑将影响动物集群运动的作用因素分为内部作用（排斥、吸引和一致）和外部作用（诱惑和危险）。然后通过将这五个因素转化为作用力分析，同时非惯性情况下认为该动物的步长（单位时间运动的距离）恒定，而惯性情况下认为该动物的步长是有上限的，继而得到动物群运动的物理方程，构建描述动物群运动的速度方向表达式：()()()()()()a a r r o o t t f f D k D k D k D k D k D k λλλλλ=++++和加速度方向表达式:
()()()()()()a a r r o o t t f f A k A k A k A k A k A k ωωωωω=++++。只需要改变五种
作用力系数的比例大小，就可以刻画出动物群的不同运动形式，比如当考虑觅食运动时，诱惑力的作用系数相对较大，考虑聚群运动时，吸引力和一致力的作用系数相对要大。
问题二要求建立数学模型刻画鱼群躲避黑鳍礁鲨鱼的运动行为。首先做简化假设，认为鲨鱼每次冲击鱼群的运动都可简化为直线运动。然后应该确定鱼群躲避鲨鱼的逃逸原则。逃逸原则主要有两条：距离安全最大化和角度安全最大化。主要是为了保证鱼群离鲨鱼距离尽可能远同时尽可能远离鲨鱼的运动方向。继而可以在二维平面上，用几何向量知识分析单个鱼个体躲避鲨鱼的运动情况，建立单个个体躲避鲨鱼的逃逸模型。最后拓展到整个鱼群躲避黑鳍礁鲨鱼的运动行为，运用MATLAB 进行仿真。
问题三在动物群中加入一部分个体是信息丰富者(如掌握食物源位置信息，掌握迁徙路线信息)，要分析它们对于群运动行为的影响，解释群运动方向决策如何达成。首先根据问题一建立的数学模型，根据无领导者和有领导者模型中不同个体的信息传递机制，调整各参数的大小。无领导者群体中每个个体相互平等，因此参数一致。有领导者群体中，领导者信息丰富，带领并影响普通个体的行动。可从而解释群运动方向决策是通过调整不同个体的优先权（即模型中变量的各参数）达成的。然后运用MATLAB 进行仿真，用图像刻画变化的个体位置，可以得到各个个体的运动趋势以及群体的收敛速度，分析领导者对群行为的影响。继而还可以通过增加领导者在群体中的比例，分析领导者数量多少对群运动决策的影响。
5. 模型建立与求解
5.1.问题一
在自然界中, 群体行为无处不在, 从非生命界的分子到星系, 从生物界的简单的细菌到高等动物, 普遍存在着群体行为,以群体行为为研究对象的仿生群体系统是一个由大量自治个体组成的集合 ,一般通过个体的局部感知作用和相应的反应行为使得整体呈现出复杂的群体行为【1】。而集群动物的运动方式成了我们研究的重点，在自然群体中的集群方式无外乎两种：一是无领导者领导的集群运动，比如沙丁鱼、蚂蚁等群体的运动，二是有领导者领导的集群运动，比如狼群中狼王带领整个群体活动。对于这两种模型，分别建立 Free rein -Group 模型（以下简称FRG 模型）、Leader Followers -Group 模型（以下简称LFG 模型）进行模拟仿真。
动物集群运动行为模型
5.1.1.FRG 模型的建立与求解
无领导者群体集群行为的影响作用可以分为内部作用（即群体内部个体与个体之间的影响作用，主要分为吸引、排斥和一致）和外部作用（即外部环境与整个群体与之间的影响作用，主要有诱惑和危险两种影响作用），如图【1】。
图【1】 无领导者情况下对集群运动的影响作用
一致：在集群运动的内部作用中，一个重要特征是集体规则状态（如所有个体向同
一方向运动），即为群体的一致性原则【2】
。
吸引/排斥：物种集群运动中，按照距离的不同，群体内部作用大致可以分为吸引和排斥。对于个体A 来说，如果个体B 在它的感知范围内并且距离较大，则A 希望与B 靠近, 以保持自己处于队列之中不脱离队伍, 此时A 希望向靠近B 的方向运动；如果B 在它的感知范围内并且距离很小, 则A 希望保持有效距离, 不让自己周围太过拥挤, 此时A 希望向远离B 的方向运动。
诱惑/危险：物种集群运动中，对于外界有益/有害于群体的事物并且造成该群体趋向/背向于这种事物运动的趋势大致可以分为诱惑/危险。对于群体A 来说，如果事物B 在它的感知范围内并且会对其产生危险（如A 为羊群，B 为狼），则A 希望与B 远离，以保证自己群体的安全；如果事物B 在它的感知范围内并且会对其产生诱惑（如A 为鱼，B 为食物），则A 希望与B 靠近,以保证自己群体的利益。
我们知道对于一个物体运动状态的改变主要是通过作用力的作用来改变此物体的运动状态，现我们假设各种作用对群体的影响为一种抽象的力，将内部作用的影响分为三种力：吸引力、排斥力和一致力，而将外部作用分为两种力：诱惑力和危险力。则只需研究各种力对群体产生的加速度的变化，即可推算出该类群体运动趋势。
现取某群体为研究对象，在个体的感知范围内一共有三个区域：排斥区、一致区、吸引区【3】。如图【2】所示，假设个体的邻域距离为为1r ，在这个距离之内的其他个体对此个体有排斥作用，即此个体希望远离排斥区域内的其他个体；在距离为1r 和2r 之间为一致区域，在这个范围内的其他个体对此个体总保持一致运动或保持一致运动的趋势；距离2r 和3r 之间的区域为吸引区，在此区域的其他个体对此个体有吸引作用，即此
动物集群运动行为模型
个体希望向它们靠近。距离3r 之外不属于个体的感知范围。
图【2】 群体模型内部作用范围示意图
现将无领导者集群运动的情况分为惯性和非惯性运动。惯性运动指群体中任意个体在某一时刻的速度()V k 受这一时刻各种作用产生的加速度()A k 和上一时刻的速度
(1)V k -共同影响，其矢量表达式为：()(1)()V k V k A k =-+；非惯性运动指群体中任意个体的速度大小保持不变为V ，在某一时刻()V k 的速度只受这一时刻各种作用产生的速度方向()D k 的影响，其矢量表达式为：()()V k V D k =。
5.1.1.1.非惯性运动
现以某群体为研究对象，设某个体在空间中的位置向量12(,,
)n X x x x = 来表示。
迭代第k 步，个体i 的空间位置为()X k ，速度大小为V ，速度方向为()D k 。速度方向由当前此个体受到的作用力决定，一共可以分为5个部分：由吸引力产生的速度方向()a D k ，由排斥力产生的速度方向()r D k ，由一致力产生的速度方向()o D k ，由诱惑力产生的速度方向()t D k ，由危险力产生的速度方向()f D k 。
假设个体i 受到个体j 的影响产生的速度方向用ij D 来表示，则根据个体感知范围内的区域规则，可得到公式：
动物集群运动行为模型
1
12
23
3
(),
(),
(),0,j i j i j i j i j i j i j j i j i j i
j i X X X X r X X V V r X X r V V D X X r X X r X X X X r ?---≤?-??-?+≤-≤??-=?
?-?+≤-≤?-??-≥??
假设在迭代第k 步，在个体i 的排斥区共有1m 个个体，则由排斥力产生的个体i 速度方向：
1
1()m j i r j j i
X X D k X X =-=--∑
假设在迭代第k 步，在个体i 的吸引区共有2m 个个体，则由吸引力产生的个体i 速度方向：
2
1()m j i a j j i
X X D k X X =-=-∑
假设在迭代第k 步，在个体i 的一致区共有3m 个个体，则由一致力产生的个体i 速度方向：
3
1()m j i o j j i
V V D k V V =-=-∑
除了感知范围内的作用之外，还存在诱惑源/危险源对群体的吸引/排斥作用。设诱惑源/危险源所在的位置为t X /f X ，则个体i 受到诱惑源/危险源的吸引/排斥，向其靠拢/远离的速度方向为t D /f D ：
()()
t i t t i
X X D k X X -=+- ()()
f i f f i
X X D k X X -=--
其中正号（或负号）表示某种力会引起个体i 趋向（或远离）这种方向运动。
则通过上述速度分量的方向改变可以计算出迭代第k 步时总的速度方向：
()()()()()()a r o t f D k D k D k D k D k D k =++++
而各种作用对此个体有不同的权重，例如希望诱惑源吸引作用比其他4种作用力的权重大一些，则可以加入作用力权重因子。设吸引作用、排斥作用、一致作用、诱惑作
动物集群运动行为模型
用和危险作用的权重因子分别为：,,,a r o t f λλλλλ和，则总速度方向()D k 的公式可以改写为：
()()()()()()a a r r o o t t f f D k D k D k D k D k D k λλλλλ=++++
其中：,,,,[0,1],1a r o t f a r o t f λλλλλλλλλλ?++++=且
有了速度方向公式之后，此个体的速度可以计算为：
()()V k V D k =
此个体的新位置可以由当前位置和速度共同确定：
(1)()()X k X k V k +=+
利用MATLAB 软件将无领导者非惯性运动在二维坐标内的运动情况描述如图【3】：（权重分别为[：0.2 0.2 0.1 0.5 0.0] ,诱惑源位置为（80,80）恐惧源位置为（20,20））。
n=1 n=5
n=50 轨迹图
图【3】 集群运动：无领导者的非惯性二维图
利用MATLAB 软件将无领导者非惯性运动在三维空间内的运动情况描述如图【4】：（权重分别为[：0.2 0.2 0.1 0.5 0.0] ,诱惑源位置为（80,80，80）恐惧源位置为（20,20,20））
动物集群运动行为模型
n=1 n=5
n=50 轨迹图
图【4】 集群运动：无领导者的非惯性三维图
5.1.1.2.惯性运动
迭代第k 步，个体i 的空间位置为()X k ，运动速度为()V k ，加速度为()A k 。加速度由当前个体受到的作用力决定，一共可分为5个部分：由吸引力产生的加速度()a A k ，由排斥力产生的加速度()r A k ，由一致力产生的加速度()o A k ，由诱惑力产生的加速度
()t A k ，由危险力产生的加速度()f A k 。
假设在迭代第k 步，在个体i 的排斥区共有1m 个个体，则由排斥力产生的加速度
()r A k 为：
1
1()()()m j i r j A k Rand X X ==--∑
其中，()Rand 为一个01之间平均分布的随机数，加入这个随机数的目的是使得个体i 的加速度在向j 的方向上，但是大小不定，为算法引入了随机因素，能提高算法的鲁棒性【4】（鲁棒性，表现在它没有中心的控制，不会由于一个或某几个个体的故障影响整个群体行为）。
假设在迭代第k 步，在个体i 的吸引区共有2m 个个体，则由吸引力产生的加速度
()a A k 为：
动物集群运动行为模型
2
1
()()()m j i a j A k Rand X X ==-∑
假设在迭代第k 步，在个体i 的一致区共有3m 个个体，则由一致力产生的加速度
()o A k 为：
3
1()()()m j i o j A k Rand V V ==-∑
假设诱惑源当前的位置为t X ，被诱惑源吸引产生的加速度()t A k ，可以计算为：
()()()t i t A k Rand X X =-
假设危险源当前的位置为f X ，被危险源排斥产生的加速度()f A k ，可以计算为：
()()()f i f A k Rand X X =--
则通过上述的加速度分量可以计算出迭代第k 步时总的加速度()A k 为：
()()()()()()a r o t f A k A k A k A k A k A k =++++
而各种作用对此个体有不同的权重，设吸引作用、排斥作用、一致作用、诱惑作用
和危险作用的权重因子分别为：,,,a r o t f ωωωωω和，则总加速度()A k 的公式可以改写为：
()()()()()()a a r r o o t t f f A k A k A k A k A k A k ωωωωω=++++
其中：,,,,[0,1],1a r o t f a r o t f ωωωωωωωωωω?++++=且。
有了加速度公式之后，此个体的速度可以计算为：
()(1)()V k V k A k =-+
此个体的新位置可以由当前位置和速度共同确定：
(1)()()X k X k V k +=+
利用MATLAB 软件将无领导者惯性运动在二维坐标内的运动情况描述如图【5】：（权重分别为[：0.2 0.2 0.1 0.5 0.0] ,诱惑源位置为（80,80）恐惧源位置为（20,20））
n=1 n=5
动物集群运动行为模型
n=15 n=50
图【5】集群运动：无领导者的惯性二维图
利用MATLAB软件将无领导者惯性运动在三维空间内的运动情况描述如图【6】：（权重分别为[：0.2 0.2 0.1 0.5 0.0] ,诱惑源位置为（80,80，80）恐惧源位置为（20,20,80））
n=1 n=5
n=15 n=50
图【6】集群运动：无领导者的惯性三维图
由图【3】【4】【5】【6】可知，考虑惯性运动对群体的收敛速度慢于非惯性运动的收敛速度。这是由于惯性运动的当前速度与上一步速度和当前加速度有关。相对上一时刻速度，具有改良性，但不及非惯性的速度方向优等。
动物集群运动行为模型
5.1.2.LFG 模型的建立与求解
在有领导者的集群运动的群体中，领导者知道群体的目标，在运动过程中会影
响其他个体。领导者的任务是引导其他跟随者达到期望的目标。即群体中只有领导者对外部环境作出反应并带领群体进行集群运动。而群体中的跟随者，不需要对外部环境作出反应，只需跟随领导者的行为，在吸引、排斥、一致的原则下使群体进行集群运动。
图【7】 有领导者情况下对集群运动的影响作用
现将领导者集群运动的情况分为惯性和非惯性运动。
5.1.2.1.非惯性运动
由于领导者需要对外部环境作出反应并引导其他跟随者达到期望的目标，而跟随者只需对内部作用作出反应，因此将非惯性集群运动分为针对领导者和针对跟随者分别讨论。
(1).对于领导者
设领导者i 在空间中的位置向量112(,,)n X x x x = 来表示。迭代第k 步，领导者i 的空间位置为1()X k ，速度大小为1V ，速度方向为1()D k 。速度方向由当前领导者i 受到的作用力决定，一共可以分为5个部分：由吸引力产生的速度方向1()a D k ，由排斥力产生的速度方向1()r D k ，由一致力产生的速度方向1()o D k ，由诱惑力产生的速度方向1()t D k ，由危险力产生的速度方向1()f D k 。
在领导者i 的排斥区、一致区、吸引区分别有1m ,2m ,3m 个个体则由排斥力、一致力、吸引力产生的领导者i 的速度方向分别为：
1
11
1111
()m j i r j j i X X D k X X =-=--∑
动物集群运动行为模型
2
1111
11()m j i o j j i V V D k V V =-=-∑
3
1111
1
1
()m j i a j j i X X D k X
X =-=-∑
诱惑源/危险源对群体的吸引力/排斥力产生的领导者i 的速度方向分别为：
11
111
()()
t i t t i X X D k X X -=+- 1111
1
()()
f i f f i X X D k X
X -=--
则总速度方向1()D k 的公式可以写为：
11111111111()()()()()()a a r r o o t t f f D k D k D k D k D k D k λλλλλ=++++
其中：1111111111,,,,[0,1],1a r o t f a r o t f λλλλλλλλλλ?++++=且。
有了速度方向公式之后，此个体的速度可以计算为：
111()()V k V D k =
此个体的新位置可以由当前位置和速度共同确定：
111(1)()()X k X k V k +=+
(2).对于跟随者
设跟随者z 在空间中的位置向量212(,,)n X x x x = 来表示。迭代第k 步，跟随者z 的空间位置为2()X k ，速度大小为2V ，速度方向为2()D k 。速度方向由当前跟随者z 受到的作用力决定，一共可以分为3个部分：由吸引力产生的速度方向2()a D k ，由排斥力产生的速度方向2()r D k ，由一致力产生的速度方向2()o D k 。
在跟随者z 的排斥区、一致区、吸引区分别有1n ,2n ,3n 个个体，则由排斥力、一致力、吸引力产生的跟随者z 的速度方向分别为：
1
22
2122
()n j i r j j i X X D k X X =-=--∑
2
22
2122
()n j i o j j i V V D k V V =-=-∑
3
2221
2
2
()n j i a j j i X X D k X
X =-=-∑
则总速度方向2()D k 的公式可以写为：
2222222()()()()a a r r o o D k D k D k D k λλλ=++
其中：222222,,[0,1],1a r o a r o λλλλλλ?++=且。
但我们知道领导者需要领导群体达到期望的目标，因此领导者对跟随者的吸引作用远大于跟随者对跟随者的吸引作用，则跟随者z 由吸引力产生的速度方向应分为由领导
动物集群运动行为模型
者对跟随者吸引作用产生的速度方向12()a D k 和跟随者对跟随者吸引作用产生的速度方向22()a D k ，相应的权重因子分别为：1222a a λλ和，则由吸引力产生的速度方向2()a D k 可以表示为：
212122222()()()a a a a a D k D k D k λλ=+ 其中：12221222,[0,1],1a a a a λλλλ?+=且。
带入总加速度2()A k 的公式，可得：
222212122222222()()()()()r r a a a a a a o o D k D k D k D k D k λλλλλλ=+++
有了速度方向公式之后，此个体的速度可以计算为：
222()()V k V D k =
此个体的新位置可以由当前位置和速度共同确定：
222(1)()()X k X k V k +=+
利用MATLAB 软件将有领导者非惯性运动在二维坐标内的运动情况描述如图【8】： 诱惑源位置为（80,80）恐惧源位置为（20,20））
n=1 n=5
n=15 n=50
图【8】 集群运动：有一个领导者的非惯性二维图
动物集群运动行为模型
利用MATLAB 软件将有领导者非惯性运动在二维坐标内的运动情况描述如图【9】：诱惑源位置为（80,80）恐惧源位置为（20,20））
n=1 n= 50
n=10 n=30
图【9】 集群运动：有两个领导者的非惯性二维图
5.1.2.2.惯性运动
将惯性集群运动分为针对领导者和针对跟随者分别讨论。
(1).对于领导者
设领导者i 在空间中的位置向量112(,,)n X x x x 来表示。迭代第k 步，领导者i 的空间位置为1()X k ，运动速度为1()V k ，加速度为1()A k 。加速度由当前个体受到的作用力决定，一共可分为5个部分：由吸引力产生的加速度1()a A k ，由排斥力产生的加速度
1()r A k ，由一致力产生的加速度1()o A k ，由诱惑力产生的加速度1()t A k ，由危险力产生的加速度1()f A k 。
在领导者i 的排斥区、一致区、吸引区分别有1m ,2m ,3m 个个体，则由排斥力、一致力、吸引力产生的领导者i 的加速度分别为：
动物集群运动行为模型
1
11
()()()m j i r j A k Rand X X ==--∑
2
11()()()m j i a j A k Rand X X ==-∑
3
11
()()()m j i o j A k Rand V V ==-∑
诱惑源/危险源对群体的吸引力/排斥力产生的领导者i 的加速度方向分别：
111()()()t i t A k Rand X X =-
111()()()f i f A k Rand X X =--
而各种作用对此个体有不同的权重，设吸引作用、排斥作用、一致作用、诱惑作用和危险作用的权重因子分别为：11111,,,a r o t f ωωωωω和，则总加速度1()A k 的公式可以改写为：
11111111111()()()()()()a a r r o o t t f f A k A k A k A k A k A k ωωωωω=++++
其中：1111111111,,,,[0,1],1a r o t f a r o t f ωωωωωωωωωω?++++=且。
有了加速度公式之后，此个体的速度可以计算为：
111()(1)()V k V k A k =-+
此个体的新位置可以由当前位置和速度共同确定：
111(1)()()X k X k V k +=+
(2).对于跟随者
迭代第k 步，跟随者z 的空间位置为2()X k ，运动速度为2()V k ，加速度为2()A k 。加速度由当前个体受到的作用力决定，一共可分为3个部分：由吸引力产生的加速度2()a A k ，由排斥力产生的加速度2()r A k ，由一致力产生的加速度2()o A k 。
在跟随者z 的排斥区、一致区、吸引区分别有1n ,2n ,3n 个个体，则由排斥力、一致力、吸引力产生的跟随者z 的加速度分别为：
1
21
()()()
n j i r j A k Rand X X ==--∑
3
21
()()()n j i o j A k Rand V V ==-∑
2
21
()()()
n j i a j A k Rand X X ==-∑
而各种作用对此个体有不同的权重，设吸引作用、排斥作用、一致作用的权重因子分别为：222,a r o ωωω和，则总加速度2()A k 的公式可以改写为：
2222222()()()()a a r r o o A k A k A k A k ωωω=++
其中：222222,,[0,1],1a r o a r o ωωωωωω?++=且。
将跟随者z 由吸引力产生的加速度分为由领导者对跟随者吸引作用产生的加速度
动物集群运动行为模型
12()a A k 和跟随者对跟随者吸引作用产生的加速度22()a A k ，相应的权重因子分别为：
1222a a ωω和，则由吸引力产生的加速度2()a A k 可以表示为：
212122222()()()a a a a a A k A k A k ωω=+
其中：12221222,[0,1],1a a a a ωωωω?+=且。
带入总加速度2()A k 的公式，可得：
222212122222222()()()()()r r a a a a a a o o A k A k A k A k A k ωωωωωω=+++
有了加速度公式之后，此个体的速度可以计算为：
222()(1)()V k V k A k =-+
此个体的新位置可以由当前位置和速度共同确定：
222(1)()()X k X k V k +=+
利用MATLAB 软件将有领导者惯性运动在二维坐标内的运动情况描述如图【10】：诱惑源位置为（80,80）恐惧源位置为（20,20））
n=1 n=5
n=15 n=50
图【10】 集群运动：有一个领导者的惯性二维图
由图【8】【9】【10】可知，惯性运动对群体的收敛速度慢于非惯性运动的收敛速度。所以以后的问题都只考虑个体的非惯性运动。
动物集群运动行为模型
5.2.问题二
在自然界种群的集群运动中，躲避天敌的行为是一种很常见的种群运动方式，比如草原上的鹿群躲避狼群。在这里我们建立数学模型刻画沙丁鱼群躲避黑鳍礁鲨鱼的运动行为。
鱼群在遇到天敌时的躲避，可以通过单个个体的躲避以及在躲避过程中的相互作用来表现鱼群的躲避行为。当鱼群中某个沙丁鱼发现黑鳍礁鲨鱼时，将信息发送给鱼群中的其他鱼，每只鱼接收到危险信号时，都会分析鲨鱼的位置、运动方向，并根据自身位置以及鱼群中的相互作用做出躲避反应。
考虑到生物学研究中，鱼类种群更符合无领导者模型，同时出于简便的需要，我们在第一问的模型中选择无领导者非惯性模型来刻画鱼群的躲避行为。
5.2.1.假设
1.假设黑鳍礁鲨鱼对沙丁鱼群的每一次冲击都可以简化为直线运动。运动方向由k 时刻鲨鱼所在位置指向鱼群中心位置。
2.忽略黑鳍礁鲨鱼和鱼群个体体积大小的差异，将黑鳍礁鲨鱼和鱼群个体的运动简化为点的运动。
5.2.2.逃逸原则
1.距离安全最大化原则：在某一时刻沙丁鱼i 为了使自身相对于黑鳍礁鲨鱼的距离安全最大化，应选择使二者距离尽可能大的逃逸方向。
2.角度安全最大化原则：考虑到鲨鱼对于群的冲击为直线运动，那么在某一时刻沙丁鱼i 为了使自身相对于鲨鱼的角度安全最大化应当尽可能地偏离鲨鱼的运动轨迹。
5.2.3.沙丁鱼个体的逃逸模型
根据逃逸原则我们可以基本刻画出沙丁鱼个体对黑鳍礁鲨鱼的逃逸模型。 先在二维平面中建立模型。设在K 时刻鲨鱼i 的位于S 点，位置坐标为：
((),())s s x k y k ， 鱼群中心位于C 点，坐标为(,)c c x y ，同时假设鲨鱼单位时间内的步长为s l 。那么鲨鱼与鱼群中心位置的即时距离为：
sc d =
进一步可得到鲨鱼运动的单位化向量为：
()(),c s c s sc sc x x k y y k d d ??
-- ???
从而可得1k +时刻鲨鱼的位置坐标为：
()
(1)()c s s s s sc
x x k x k l x k d -+=+
()
(1)()c s s s s sc
y y k y k l y k d -+=+
再研究沙丁鱼个体i 的坐标变化。k 时刻沙丁鱼i 的位于k N 点，位置坐标为
动物集群运动行为模型
((),())n n x k y k 。考虑距离安全最大化原则，该沙丁鱼应在自身与沙丁鱼连线上远离鲨鱼
的方向。考虑角度安全最大化原则，该沙丁鱼应沿着垂直于自身与沙丁鱼连线的中垂线的远离鲨鱼方向运动。综合两个逃逸原则，可设沙丁鱼的逃逸方向与其自身和鲨鱼连线成θ角。如图【11】所示：
图【11】 沙丁鱼个体逃逸图
假设沙丁鱼单位时间的步长为n l 。下面计算1K +时刻沙丁鱼i 的位置： 沙丁鱼与鲨鱼的即时位置为：
sn d =
向量k SN 单位化后得到：
()()()(),n s n s sn sn x k x k y k y k d d ??
-- ?
??
已知沙丁鱼步长为n l 。可以在SN 直线上设N '点，（1k k
k k N N N N +'=）,那么可将向量1k k N N +看成是由向量k k N N '绕其起点k N 旋转θ度而成。而且易知若沙丁鱼i 在SC 直线
右侧，θ应该为负数，顺时针旋转，若沙丁鱼i 在SC 直线左侧，斯塔应该为正数，顺时针旋转。
由于k
N '位于直线SC 上，因此可得k N '的坐标为(,)n n x y ''： ()()'()
n s n n n sn
x k x k x l x k d -=+
()()'()n s n n n sn
y k y k y l y k d -=+
k
N 1
k +k
N '
动物集群运动行为模型
可得向量k k
N N '为(',')n n n n x x y y --。因为向量1k k N N +看成是向量'k N N 旋转θ角而成，所以根据几何学中的平面向量旋转结论有向量1k k N N +为：
((')cos (')sin ,(')sin (')cos )
n n n n n n n n x x y y x x y y θθθθ----+-
其中1k N +的坐标为：
(1)(')cos (')sin n n n n n n
x k x x y y x θθ+=---+
(1)(')sin (')cos n n n n n n y k x x y y y θθ+=-+-+
建立MATLAB 算法，通过不断迭代、更新时间k 即可得到鲨鱼和沙丁鱼i 的即时位置，并得到沙丁鱼单个个体的逃逸运动如图【12】：
图【12】 沙丁鱼单个个体逃逸运动图（步长相等）
上图表示的是六只沙丁鱼个体对鲨鱼的躲避运动轨迹图，此图中沙丁鱼和鲨鱼的步长相等。60θ=可看到随着鲨鱼的运动，沙丁鱼个体呈弧形规避到了鲨鱼的后方。为了进一步观察沙丁鱼在躲避运动轨迹，增大沙丁鱼步长。得到下图：
图【13】 沙丁鱼单个个体逃逸运动图（增大步长后）
从上图可以看到，如果速度允许沙丁鱼最终可以绕到鲨鱼的正后方，这种位置无疑是最安全的。
第二章 动物的运动和行为 复习教案
第二章动物的运动和行为复习教案 一、复习目标 1、掌握动物的运动、先天性行为、学习行为、社会行为的有关知识。 2、利用 所掌握的知识完成有关的练习题二、复习重点掌握动物的运动、先天性行为、学习行为、社会行为的有关知识。三、复习难点利用所掌握的知识完成有关的练习题四、复习过程（一）、投影出示复习目标。（二）、投影展示复习提纲：1、动物是怎样运动的？2、什么是先天性行为？什么是学习行为？3、如何区别先天性行为和学习行为？4、什么是社会行为？社会行为有哪些特征？5、动物群体中的信息交流有哪些方式？（三）、指导学生自学要求学生依据复习提纲阅读课本第二章《动物的运动和行为》，通过小组成员间的合作，解决提纲中的问题。（四）、学生自学完毕后交流回答，教师根据学生回答情况适时点评，并将本章内容进行归纳总结：1、动物的运动是由于骨的位置的变化产生运动，但是骨本身是不能运动的，要靠骨骼肌的牵拉。完成动作都需要骨、关节和肌肉的协调配合。当然运动并不是仅靠运动系统 来完成的，它需要神经系统的控制和调节。它需要能量的供应，因此还需要消化系统、呼吸系统、循环系统等系统的配合。2、先天性行为和学习行为的区分 先天性行为学习行为 形成 生来就有的本能 不是生来就有的，在成长过程中形成 获得途径 由遗传物质控制 通过生活经验和“学习”逐渐建立起来 适应性 适应相对稳定的环境 适应不断变化的复杂环境 进化趋势 无脊椎动物主要的行为方式 动物越高等，学习行为越复杂，在它们的全部行为活动中所占比重也越大 3、社会行为是群体内部不同成员之间分工合作，共同维持群体的生活。具 有社会行为的动物，群体内部往往形成一定的组织，成员之间有明确的分工，有的群体中还形成等级。这是社会行为的重要特征。4、动物群体中信息交流方式有动作传递信息、用气味传递信息、用声音传递信息。五、复习巩固后完成练习题。1、骨的运动：骨的＿＿＿的变化产生运动，骨的运动要靠＿＿＿的牵拉。2、骨骼肌的特性：骨骼肌有受＿＿＿而＿＿＿的特性。当骨骼肌受到＿＿＿传来的＿＿＿收缩时，就会牵动骨绕＿＿＿活动，于是躯
动物集群运动行为模型-2
集群动物运动的研究和模拟仿真
摘 要 在自然界里，我们经常能够看到某些动物的集群运动行为，比如鱼群的觅食、躲避危险，鸟群的迁徙等这些高度一致性的行为。这些群体当中的个体的行为都是相对比较简单的，但是每个个体只需要遵循某种规则后，整个群体就涌现出高度的群体智能行为。本文主要为了探讨其中的运动机理与规则建立了相应的模型。 对于模拟动物集群运动，我们先抛开具体的物种和运动形式，并把连续运动进行离散化，构造了某时刻群体的状态矩阵用来表示所有个体的位置和速度。 11 122 21113 S(t)n n n n n n n x y v x y v x y v x y v ---??? ??????=???? ??????r r M M M r r ， 通过建立个体的距离约束方程、速度约束方程、位置约束方程和状态转换条件进而求出任意时刻的群体状态矩阵。根据状态矩阵就可得到群体的运动规律。 鲨鱼捕食鱼群，是一个无领导者的模型。在模拟鲨鱼捕食一问中，经过对视频的分析，我们将问题归结为小鱼选择最佳的躲避速度（大小和方向），引用最优化思想建立目标函数 (1)(1)min cos (1),(1)(1)()()i d i i P t D t v t v t P t D t ββ??+-+? ?<++>+-??-???? r r 从而确定躲避速度。再根据鲨鱼和小鱼的初始状态以及速度确定了鲨鱼和鱼群的运动规律。根据该规律进行Matlab 编程模拟，我们模拟出了“鲨鱼被包围”的情形。
在群体中含有信息丰富者情况下，可以将信息丰富者看做群体的领导者，建立了leader-follower 模型，根据条件： 1Q wt t wa v v Q =∑=r r ，1 N Q i i ia v v N Q -=∑=-r r ，(1)wn wa ia v v v ωω=+-r r r cos ,wa ia v v ω=<>r r 确定了leader 的运动，进而确定整个群体的运动。 最后我们通过编写相关的程序来仿真群体的运动，从而检验模型的正确性。 关键词：离散化 状态矩阵 最优化 leader-follower 模型 1.问题重述 在动物界，大量集结成群进行移动或者觅食的例子并不少见，这种现象在食草动物、鸟、鱼和昆虫中都存在。这些动物群在运动过程中具有很明显的特征：群中的个体聚集性很强，运动方向、速度具有一致性。通过数学模型来模拟动物群的集群运动行为以及探索动物群中的信息传递机制一直是仿生学领域的一项重要内容。 1. 建立数学模型模拟动物的集群运动。 2. 建立数学模型刻画鱼群躲避黑鳍礁鲨鱼的运动行为。
动物的运动和行为
第二章 动物的运动和行为 一、复习目标： 知识目标： 1、通过对运动系统结构的掌握，学会分析与运动、行为有关的实际问题。 2、阐述动物的行为对生物个体生存和种族延续的意义。 二、重难点 1、动物的运动依赖一定的结构。 2、区别动物的先天性行为和学习行为，说明这些行为对动物生存的意义。 3、探究动物行为的成因。 三、重难点突破： 通过例题的形式，对本单元中的重难点内容进行突破，达到掌握的目的。 专题体系整合： 先天性行为 学习行为 特征 运动的协调社会行为 信息交流 四、典题分析： 1、下图是人体某部分的关节和肌肉图，请分析回答： （1）构成一块骨骼肌的主要部分是［ ］_________， 并且骨骼肌的特性是 。 （2）②从结构层次上看属于 。 （细胞、组织、器官）水平，它可绕过关节连 在 上。 （3）图中的骨与骨之间的连接是肘关节， 基本结构包括 三部分。 （4）铅球运动员手握铅球放在肩甲骨上，准备投掷时，手臂肌肉所处的状态是：肱二头肌 ，③ 。 （5）当两手下垂时，屈肌群和伸肌群所处的状态是 。 （6）根据图示，概述骨、关节、肌肉在运动中的关系。 。 2、阅读下面的材料并回答问题： 资料一 一只失去雏鸟的美国红雀，总是给养鱼池边浮到水面张口求食的金鱼喂它捕来的昆虫，就像喂自己的雏鸟一样，一连喂了好几个星期。 资料二 很多年前，在英格兰有一只大山雀，一次偶然碰巧打开了放在门外的奶瓶盖，偷喝了牛奶。不久，那里的其他大山雀也学会了偷喝牛奶。 （1）从行为获得的途径来说，美国红雀喂鱼的行为属于 行为；“其他大山雀”偷喝牛奶的行为属于 行为。 （2）美国红雀喂鱼的行为是由其体内的 所决定的行为；其他大山雀偷喝牛奶是在 因素的基础上，通过 因素的作用而形成的行为。从维持动物自身生存的意义上来说，后一种行为比前一种行为更能 。 （3）动物的行为常常表现为各种各样的运动，分析“资料一”，并说出其中动物通过运动完成自己行为的两个实例：① ，② 。 五、练习题： 1、将骨骼肌连结在骨上的结构是 A 、关节囊 B 、韧带 C 、肌腱 D 、 肌腹 2、下面对骨骼肌的叙述中，不正确的是： A. 两端的肌腱分别固着在同一块骨上 B.由肌腱和肌腹构成 C 、肌肉受到刺激后能收缩 D. 两端的肌腱分别固着在不同的骨上 3．当你在体育课上，双手抓住单杠，身体下垂时，你的肱二头肌和肱三头肌的状态是 ( ) A ．肱二头肌收缩，肱三头肌舒张 B ．肱三头肌收缩，肱二头肌舒张 C ．肱二头肌和肱三头肌同时舒张 D ．肱二头肌和肱三头肌同时收缩 4、下列能完成屈肘动作的是 A. 肱二头肌舒张，肱三头肌收缩 B. 肱二头肌收缩，肱三头肌舒张 C. 肱二头肌收缩，肱三头肌收缩 D. 肱二头肌舒张，肱三头肌舒张 5、下列各种现象，不是动物“语言”的是 A 、老虎通过啸声赶走入侵者 B 、警犬通过嗅觉找到罪犯 C 、蚂蚁根据同伴分泌的化学物质找到食物 D 、蜜蜂通过舞蹈告知同伴蜜源方位 6、下列各种行为中，与其他行为不属于同一类型的是： A 、马戏团的猩猩、猴子等动物会打篮球 B 、狗看见手持木棒的人就吓得赶紧跑开 C 、幼袋鼠出生后会爬进母兽的育儿袋内 D 、家兔听到饲养员的脚步声就出来索食 7、“孔雀开屏”和“蜻蜓点水”分别属于动物的 A. 攻击行为，防御行为 B. 繁殖行为，繁殖行为
八年级上册生物动物的运动和行为知识点
动物的运动和行为知识点 第一节动物的运动 1、哺乳动物的运动系统由骨骼和肌肉组成。骨骼是由多块骨连结而成。 2、骨骼肌包括中间较粗的肌腹和两端较细的肌腱（乳白色），一组肌肉的两端分别附着在不同骨上。骨骼肌受神经刺激后有收缩的特性。 3、骨骼肌只能收缩牵拉骨而不能推开骨，所以与骨相连的肌肉至少有两组，相互配合完成各种活动【特别是伸、曲肘动作：屈肘时，肱二头肌收缩，肱三头肌舒张，伸肘时则相反】 4、双比自然下垂，肱二头肌舒张，肱三头肌舒张；双手竖直向上提起重物或双手抓住单杠身体自然下垂，肱二头肌收缩，肱三头肌收缩。 5、运动系统的功能：运动、支持、保护。在运动中，神经系统起调节作用，骨起杠杆的作用，关节起支点作用（也有说枢纽作用），骨骼肌起动力作用。可见，人体完成一个运动都要有神经系统的调节，有骨、骨骼肌、关节的共同参与，多组肌肉的协调作用，才能完成。 6、骨、关节和肌肉的关系：骨骼肌收缩，牵动着它所附着的骨，绕着关节活动，于是躯体就产生了运动。 7、运动系统在神经系统控制和调节，以及消化系统、呼吸系统、循环系统的配合下共同完成运动（能量来自有机物的分解）。运动能力发达，利于捕食和避敌，以适应复杂多变的环境。 8、关节是由关节面、关节囊和关节腔三部分组成。关节面包括关节头和关节窝。 使关节牢固的结构特点是：关节囊及囊里面、外面的韧带。 使关节运动灵活的结构特点是：关节面上覆盖一层表面光滑的关节软骨，和关节囊的内表面还能分泌滑液，可减少运动时两骨间关节面的摩擦和缓冲运动时的震动。 9、脱臼：关节头从关节窝滑脱出来。（由于进行体育运动或从事体力劳动，因用力过猛或不慎摔倒所致。） 第二节动物的行为 1、按行为表现不同可将动物行为分为攻击行为、取食行为、防御行为、繁殖行为、迁徙行为等；而按获得途径不同可分为先天性行为和学习行为。
基于Boid模型的动物集群运动行为研究
基于Boid 模型的动物集群运动行为研究 摘要 本文通过对Boid 模型进行研究并进行改进，运用MATLAB 软件对群体在不同环境下的运动进行仿真，形象地展现了动物的集群运动行为。 问题一:在Boid 模型的向心性（靠近邻居中心）、同向性（与邻居方向一致）、排斥性（避免碰撞）三个原则的基础上，添加了内聚性（向群体中心聚合）、排列性（朝平均的方向运动）、可变速性三个原则，进行加权建立函数关系，运用MATLAB 进行仿真，很好地模拟出了动物的集群运动。 个体的位置变化公式为： i i i i i direc1(t)pos (t 1)pos (t)*v (t)direc1(t)+=+ 问题二:在问题一的基础上，增加了在两种不同情况下个体躲避天敌的原则：当个 体离天敌较近时，忽略群体的影响，选择最快方向逃逸；当个体离天敌较远时，主要考虑逃逸，但仍考虑群体的对个体的影响。当个体无法感受到天敌时，按第一问的原则进行运动。对不同环境下的个体建立了不同的函数关系式，使整体效果更加接近实际情况。 个体处在危险区时，下一时刻的方向为： i i i direc1(t 1)0.5*direc5(t)0.5*direc6(t)+=+ 个体能感知到捕食者，但不在危险区时，下一时刻的方向： i i i i i i i i direc1(t 1)0.1*direc2(t)0.1*direc3(t)0.1*direc4(t)0.25*direc5(t)0.25*direc6(t)0.1*direc7(t)0.1*direc8(t)+=++++++ 问题三:考虑了一部分个体是信息丰富者，设置了含有食物的场景，在第一问原则的基础上采用Lead-follower 模型，确定了信息丰富者能第一时间发现食物并向其缓慢前进，对其他个体进行引导，达到群体向食物前进的效果，并且通过MATLAB 进行仿真，得到了群体的运动情况。 关键词:集群运动、Boid 模型、Lead-follower 模型、MATLAB 仿真
(完整版)生物中考复习专题动物的运动和行为
生物中考复习专题动物的运动和行为 一、典型例题 例一：由生活经验和学习获得的行为称为学习行为。下列属于学习行为的是（） A蜜蜂采蜜B公鸡报晓C 母鸡孵卵 D 小狗作算术题 解析：选D。学习行为并不是一生下来就会的，是出生后通过学习获得的，这是判断学习行为的重要依据，。其他几项都是先天行为。 例二：用性引诱剂杀农业害虫是利用了（） A取食行为B学习行为C迁徙行为D昆虫之间的通讯 选D：昆虫利用性外激素引诱同类前来交尾，性外激素的气味是昆虫之间的语言用于通讯。例三：对下列动物的表现的分析，不正确的是（） Ａ鸟类飞行属于动物行为Ｂ动物吼叫属于动物行为Ｃ金龟子假死不属于动物行为Ｄ动物的注目凝视属于动物行为 解析：选Ｃ。动物的行为指动物的动作，包括移动、身体局部运动静止不动等。因此假死属于动物的行为。 典题演练 1、(2005四川南充)唐朝诗人白居易写道：几处早莺争暖树，谁家新燕啄新泥？这句诗反映了鸟的什么行为（） A攻击行为B贮食行为C繁殖行为 D 防御行为 2、脊椎动物身上，尤其在四肢，有许多可以使运动更加灵活的结构是（） A、肌肉 B、骨骼 C、关节 D、皮肤 下列几种动物群体中，不具社会行为的是（） A、蜜蜂的群体 B、蚂蚁的群体 C、白蚁的群体 D、小河中的一群鱼 3、（2005湖南益阳）下列哪项是蚂蚁传递信息的主要方式（） A 声音 B 气味 C 动作 D 印迹 4、动物具有学习能力，这有利于（） A、找到食物 B、逃避敌害 C、找到配偶 D、适应复杂的环境 5 、（2005 湖南郴州）动物的行为多种多样。下列动物行为中属先天性行为的是（）A海狮表演顶球B小猪吃奶 C 鸡听到主人叫唤后赶来吃食D黑猩猩叠木箱摘香蕉 6、（2005四川南充）下列现象中不属于信息交流的是（） A、母鸡咯咯的召唤小鸡 B、蜜蜂的各种舞蹈 C、蚊子飞行发出嗡嗡声 D、昆虫分泌性外激素引诱异性个体前来交尾 7、生物防治的优点（） A、见效快 B、不会造成环境污染 C、专一性强 D、控制害虫持久 8、（2005四川南充）下列动物行为中，不属于学习行为的是（） A、大山雀喝牛奶 B、蚯蚓走迷宫 C、菜青虫的取食行为 D、鹦鹉说你好 9、（2005广东茂名）当我们的肱二头肌和肱三头肌分别处于收缩和舒张状态时，表现出来的动作是（） A、屈膝 B、伸膝 C、曲肘 D、伸肘 10、下列关于关节的说法中，错误的是（） Ａ、所有的动物都有关节Ｂ、关节使哺乳动物的运动灵活自如Ｃ、关节头、关节窝表面覆盖着关节软骨Ｄ、关节囊能增加关节的牢固性 11、人曲肘动作符合杠杆原理，起支点作用的是（）
人教版初二生物上册：第5单元第2章《动物的运动和行为》教案
初二生物上学期第五单元第二章学案 第五单元第二章动物的运动和行为 第一节动物的运动 教师寄语：生命在于运动！ 重点难点：了解动物各种运动方式，知道动物所进行的一系列有利于生存和繁衍的活动，都是动物行为。重点是理解动物的运动系统是由骨、关节和肌肉组成。然后 通过做屈肘、伸肘动作，体会肱二头肌和肱三头肌的活动状态，理解骨、关 节和肌肉的协调配合，并与机械杠杆活动原理进行类比，充分理解在运动中， 骨起杠杆作用，关节起支点作用，骨骼肌起动力作用。难点是运动的完成除 骨、关节和肌肉的协调配合，还依赖于其他系统的控制、调节或配合。 学习目标： 知识目标：1.认识动物的运动依赖于一定的结构，。 2. 能举例说明运动对动物生存的意义。 能力目标：通过对运动系统组成的观察与学习，使学生能与生产实践相联系。认同动物结构与功能相统一的观点，确立辩证统一看问题思维观点。 情感目标：形成积极参加体育锻炼的观点和养成体育锻炼的习惯。 学习过程： 一、课前预习： 1、动物所进行的一系列有利于它们-----和-----的活动，都是动物的行为。 2、运动系统有什么组成？ 3、屈肘和伸肘分别是由哪些肌肉的收缩和舒张引起的？ 二、导入新课 在非洲草原上，一头母狮正在悄悄地潜近斑马群，这时，斑马会群起反击吗？孔雀开屏、仙鹤起舞、大雁南飞、蜜蜂采蜜等都是动物的行为，动物的行为常常表现为各种各样的动作。动物的运动依赖于一定的身体结构。 三、合作探究 （一）运动系统的组成： 1、由已学动物的一些运动方式，想到动物是怎样完成这些动作的呢？由自己做屈肘伸肘动作，从而猜想运动系统的组成； 2、观察教材29页家兔的骨骼和关节模式图，并结合实物说出关节的组成？体会骨、关节、肌肉在运动中的作用。
动物的运动和行为优秀教案
第二章动物地运动和行为 第一节动物地运动（学案） 教师寄语：生命在于运动！ 学习目标： 1、了解动物各种运动方式，知道动物所进行地一系列有利于生存和繁衍地活动，都是动物行为.重点是理解动物地运动系统是由骨、关节和肌肉组成.然后通过做屈肘、伸肘动作，体会肱二头肌和肱三头肌地活动状态，理解骨、关节和肌肉地协调配合，并与机械杠杆活动原理进行类比，充分理解在运动中，骨起杠杆作用，关节起支点作用，骨骼肌起动力作用.难点是运动地完成除骨、关节和肌肉地协调配合，还依赖于其他系统地控制、调节或配合. 2、认识动物地运动依赖于一定地结构，. 3、能举例说明运动对动物生存地意义. 知识点精讲： 一、在非洲草原上，一头母狮正在悄悄地潜近斑马群，这时，斑马会群起反击吗？孔雀开屏、仙鹤起舞、大雁南飞、蜜蜂采蜜等都是动物地行为，动物地行为常常表现为各种各样地动作.动物地运动依赖于一定地身体结构. （一）运动系统地组成： 1、由已学动物地一些运动方式，想到动物是怎样完成这些动作地呢？由自己做屈肘伸肘动作，从而猜想运动系统地组成； 2、观察教材29页家兔地骨骼和关节模式图，并结合实物说出关节地组成？体会骨、关节、肌肉在运动中地作用. 3、取哺乳动物地前肢或后肢观察肌肉、关节、骨三者位置关系，思考骨骼肌在骨上地分布有什么特点？ （二）骨、关节与肌肉地协调配合： 1、了解肌肉结构及其特性.
①骨骼肌由肌腹和肌腱两部分组成，肌腱绕过关节连在不同骨上. ②骨骼肌有受刺激产生收缩地特性.骨骼肌受神经传来地刺激时,就会牵引骨绕关节活动,于是躯体产生运动. 2、每个学生做屈肘伸肘动作，体会运动地产生过程，同时用另一只手触摸肱二头肌和肱三头肌，感受二者地变化.这说明了什么？ 答：屈肘时肱二头肌收缩，肱三头肌舒张，伸肘时正好相反，说明肌肉间地相互配合才能完成运动. 3、快速做下蹲运动，在运动中感受呼吸加快，心跳加速等身体地变化，这说明了什么问题？ 各类动物地运动都是在神经系统地调节和控制下完成地.除受神经系统地调节外，还需要消化系统、呼吸系统、循环系统等地参与配合.这就体现了生物体地整体性和统一性. （三）拓展创新 1、你能用一句话概括骨、关节和肌肉在运动中地作用吗? 2、某人因脑部外伤，结果出现了下肢瘫痪，下肢并没有受任何损伤.这是怎么回事？ 3、某人直臂提取一桶水时，肱二头肌和肱三头肌地状态是收缩还是舒张？ 答：肱二头肌和肱三头肌交替收缩和舒张，可引起肘关节地屈伸.当人直臂提水时，处于单纯伸肘状态，但同时，还需用力才能将重物提起，所以，这时肱二头肌和肱三头肌必须同时收缩才能完成直臂提水这一动作. 例题1 哺乳动物地运动系统是由（）组成. A、骨和肌肉 B、骨骼和肌肉 C、关节和肌肉 D、骨和关节 变式训练： 1、某人右上肢瘫痪，是由于（）. A、肩关节、肘关节不够灵活 B、肱二头肌和肱三头肌受到损伤 C、肌肉内地血管受损 D、支配右上肢地神经受损 2、你地屈肘动作地产生是由于（）地结果. A、肱二头肌收缩，肱三头肌舒张 B、肱二头肌舒张，肱三头肌收缩 C、肱二头肌收缩，肱三头肌收缩 D、肱二头肌舒张，肱三头肌舒张
动物集群运动行为模型-19
鱼群行为的建模与仿真 摘要 本文主要对人工鱼的集群行为，对天敌的有效躲避，和在集群中部分个体获得食物信息的情况下，整个鱼类集群的运动行为进行了研究。并利用MATLAB 工具进行了模拟仿真。 针对问题一，我们对鱼类的集群运动主要提出了聚集、和邻居速度匹配、避免碰撞三个原则。基于这三个原则建立了鱼类单个个体的自治模型，每个个体通过相互作用，使集群形成。本文对三个原则的具体实现进行了分析和假设。得到了计算机模拟仿真下的鱼类集群图形。 针对问题二，在模型一的基础上，我们增加了鱼群有效逃避天敌的规则。并利用MATLAB进行在天敌存在的情况下，鱼类集群行为的运动特征，并且得出了较好的仿真结果。 针对问题三，我们建立了鱼群觅食过程中的信息交流机制，得出了在部分人工鱼知悉食物信息的情况下，整个鱼群的运动状态的仿真结果。 关键词：集群运动模拟仿真个体自治 一、问题的提出 在动物界，大量集结成群进行移动或者觅食的例子并不少见，这种现象在食草动物、鸟、鱼和昆虫中都存在。这些动物群在运动过程中具有很明显的特征：群中的个体聚集性很强，运动方向、速度具有一致性。通过数学模型来模拟动物
群的集群运动行为以及探索动物群中的信息传递机制一直是仿生学领域的一项重要内容。 根据相关资料，建立数学模型刻画动物集群运动、躲避威胁等行为，解决如下问题： 问题一：建立数学模型模拟动物的集群运动。 问题二：建立数学模型刻画鱼群躲避黑鳍礁鲨鱼的运动行为。 问题三：假定动物群中有一部分个体是信息丰富者(如掌握食物源位置信息，掌握迁徙路线信息)，请建模分析它们对于群运动行为的影响，解释群运动方向决策如何达成。 二、基本假设 1、假设除视觉外其他感官在第一问中的影响忽略，如嗅觉，听觉； 2、假设每条鱼体型、感知能力相同； 3、假设鱼群在集群运动中没有死亡； 4、假设鱼的反应速度很快，改变速度所需时间非常短； 5、假设鱼遇到边界，以反射的方向反弹。 三、定义符号说明
动物集群行为的建模与仿真_ 精品
动物集群行为的建模与仿真 摘要 生态系统中,动物个体的行为相对简单,集群后却能表现出复杂的群体行为。个体行为是构成群体行为的基础,个体之间的组织结构、个体行为之间的关系和群体行为的涌现机制是研究群体行为的关键要素。 本文首先基于boid模型的三原则，从个体出发，对动物个体进行建模,分析个体之间的行为规则及相互影响，从而仿真出动物的集群行为。仿真结果在一定程度上反映了动物集群行为的实际情况，但该模型对各个参数的设置非常敏感，动物群体的速度不会趋于稳定一致，而且此模型假设各动物的速率相等且保持不变是不合理的，所以对模型进行了改进。 改进模型引入了势场函数，将个体之间的相互作用抽象成吸引力和排斥力，利用牛顿运动定理描述个体运动规律。通过仿真结果发现，动物个体会先调整各自的间距，使其相互靠近以免落单，但又不至于相互碰撞；当动物个体之间的距离接近平衡距离时，动物个体会保持相对位置基本不变，调整各自的速度方向使趋近一致并平稳；另外，个体数目越多，出现落单的可能性就越小。上述结论都是符合实际情况的，说明改进后的模型更合理。 鱼群躲避鲨鱼的行为，可以认为是由鲨鱼对鱼群的排斥力引起的，所以在原有合力的基础上再加上由鲨鱼引起的斥力即得到小鱼发现鲨鱼后的合力。仿真得到的结果反映，当有鲨鱼出没时，鱼群会迅速改变运动状态，逃离鲨鱼的攻击。 动物群中的信息丰富者可以理解成Leader-Follower模型中的Leader，其他个体都是Follower。结合问题一中改进的模型和Leader-Follower模型，通过matlab编程仿真得到的结果反映了Leader对整个群体的作用和影响。 关键词：集群行为 boid模型势函数 leader-follower模型 matlab仿真
动物的运动和行为练习题
动物的运动和行为 一、选择题 1.人体完成一个动作不仅依靠运动系统，还需要神经系统的调节。完成一个动作的正常生理活动顺序是（） ①骨骼肌收缩②肌肉附着的骨受到牵拉产生动作③骨骼肌接受神经传来的兴奋 A. ③①② B. ②③① C.①②③ D. ②①③ 2.哺乳动物的运动系统不包括（） A．骨 B．关节 C．骨骼肌 D．神经 3. 毛泽东在《沁园春·长沙》里有这样一段描写：“鹰击长空，鱼翔浅底，万类霜天竞自由”。其中涉及的动物运动方式有（） A.飞行、游泳 B.跳跃、爬行 C.跳跃、游泳 D.飞行、爬行 4.哺乳动物的运动系统是由哪两部分组成的？ A．骨骼和肌肉 B。骨骼和关节 C。关节和肌肉 D。骨骼、关节和肌肉 5. 当你从桌上端起茶杯喝水时，此时有关骨骼肌和骨关节活动的情况是 A. 肱三头肌收缩，肱二头肌舒张，肘关节弯曲 B. 肱二头肌收缩，肱三头肌舒张，肘关节弯曲 C. 肱二头肌收缩，肱三头肌舒张，肘关节伸直 D. 肱三头肌收缩，肱二头肌舒张，肘关节伸直 6.教育部、国家体育总局和共青团中央提出“阳光体育”——“每天锻炼一小时，健康生活一辈子”。目的就是为了切实提高学生的健康水平，使学生能更好地学习、更好地生活。下列有关叙述中，不正确的是 A．运动能使肌肉的收缩、协调能力增加 B．运动能使消化系统得到充分锻炼，增强消化系统的功能 C．运动能增强心脏功能，促进血液循环 D．运动能使呼吸系统得到锻炼，促进肺活量的增长 7.关节活动起来非常灵活，与之有关的结构特点是关节结构里有 A.关节软骨和韧带 B.关节头和关节窝 C.关节软骨和滑液 D.关节腔和滑液 8.下列有关动物运动的叙述，错误的是 A．关节囊里面和外面的韧带增强了关节的牢固性 B．骨与骨之间的连结叫关节 C．人体任何一个动作的完成，都离不开神经系统的支配 D．人在做屈肘动作时，肱二头肌收缩的同时肱三头肌舒张中学学科网 9.动物的运动都是通过一定结构来完成的。人体的运动系统不包括 A．骨 B。关节 C。神经 D。骨骼肌 10.从玉树地震废墟中被救出的某男孩不能完成伸肘和屈肘动作，其原因不会是 A．肘关节脱臼 B．肱骨骨折 C．皮肤破损 D．肱二头肌拉伤 11.下列表示骨、关节、骨骼肌关系的模式图中，正确的是 12.关节炎是一种常见疾病，患者关节腔内大量积液并伴有肿胀疼痛。其病变部位应在关节的哪个结构上？ A．关节面B．关节软骨C．关节囊D．关节腔
最新动物集群运动行为模型系列之一
动物集群运动行为模型系列之一
动物集群运动行为模型 摘要 自然界中很多种生物中都存在着复杂的群集行为，生物学家曾对此做了大量研究，也取得了很多重要的研究成果。群集行为在一定程度上是由群集智能所支配的，所谓群集智能指的是众多简单个体组成群体，通过相互间的合作表现出智能行为的特性。自然界中动物、昆虫常以集体的力量进行躲避天敌、觅食生存，单个个体所表现的行为是缺乏智能的，但由个体组成的群体则表现出了一种有效的复杂的智能行为。本文要做的主要工作是通过建立适当的数学模型，利用计算语言进行仿真，研究群体的集群运动。 针对问题一，我们首先寻找其理论基础，国内外专家研究群集行为时主要采用欧拉法和拉格朗日法。通过相关理论的比较发现，解决本题所研究的问题，采用拉格朗日法更佳。为方便研究，本文选取自然界的鱼群作为对象，建立自由游动模型、引入环境R-a模型、并在此基础上建立避开静态障碍物模型，赋予多Agent感知、交互能力，通过对Agent内部状态值的调节改变搜索参数，达到内部状态控制行为选择的目的，最后通过计算机仿真演示动物的集群运动。 针对问题二，在前面模型的基础上，进一步引进当Agent遭遇捕食者时的集群运动模拟算法。基于人工鱼群的自组织模型，确立相关的天敌因子，之后根据约束因子分配权重，进行迭代计算，实现鱼群逃逸模拟。 针对问题三，分析其信息丰富者对于群运动的影响，以及群运动方向的决策，借鉴种群中的信息传递原理，简化种群内通讯机制，并赋予鱼群一种彼此间可以互相传递信息的通讯方式，融合抽象的信息交互方式，建立动物的群体觅食模型信息交互模型，实现信息对种群对决策运动方向的影响。
动物的运动和行为知识点
动物的运动和行为知识点 The final edition was revised on December 14th, 2020.
第二章动物的运动和行为知识点 第一节动物的运动 1、动物所进行的一系列有利于他们生存和繁殖后代的活动，都 是动物的行为。 2、动物的行为常常表现为各种各样的运动，动物的运动依赖于 一定的身体结构。 3、运动系统主要由骨、关节和肌肉组成，骨与骨之间通过关节 等方式相连形成骨骼，所以又可以说运动系统是由骨骼和肌肉组成。骨是单独的一块骨，骨骼是多块骨通过一定的方式连接在一起。 4、关节的结构有：关节头、关节窝、关节腔、关节软骨、关节 囊。关节软骨可以缓冲震动和减少摩擦；关节囊主要由结缔组织构成，它使关节更加牢固；关节腔里有滑液，减少骨与骨之间的摩擦。关节的特性是具有灵活性和牢固性。 5、关节头从关节窝里脱出来叫做脱臼。 6、肌肉由肌腱和肌腹两部分组成。（注意字的书写） 7、骨的位置变化产生运动。骨的运动要靠骨骼肌的牵拉。骨骼 肌至少附着在两块骨上。 8、骨骼肌受神经传来的刺激收缩时，就会牵动骨绕关节活动， 于是躯体的相应部位就会产生运动。 9、与骨相连的肌肉至少是由两组肌肉相互配合活动的。（注 意：至少两组） 10、屈肘时，肱二头肌收缩，肱三头肌舒张；伸肘时，肱二头肌 收缩，肱三头肌舒张。双臂自然下垂时，肱二头肌和肱三头肌同时舒张。直臂提取重物时，同时收缩。（肱的书写）11、运动并不是仅靠运动系统来完成的，还需要其他系统如神经 系统的调节。运动系统的能量，有赖于消化系统、呼吸系 统、循环系统等系统的配合。 12、强大的运动能力，有利于动物寻觅食物、躲避敌害、争夺栖 息地和繁殖后代，以适应复杂多变的环境。 13、如果一块肌肉瘫痪甚至萎缩最可能的原因是：支配这块肌肉 的神经受损。 第二节先天性行为和学习行为
最新动物集群运动行为模型系列之八
动物集群运动行为模型系列之八
动物集群运动行为研究 摘要 以集群现象为研究对象的群体系统是一个由大量自治个体组成的集合，在无集中式控制和全模型的情况下，一般通过个体的局部感知作用和相应的反应行为使得整体呈现出复杂的涌现行为。本文着重解决了动物群的迁徙、逃避捕食者以及觅食等群体行为。 针对问题一，研究群体迁徙行为，在考虑靠近规则、对齐规则、避免碰撞规则的基础上，建立了一个个体自身运动受视野范围内其他个体共同作用的模型。在模型中主要考虑了个体的位置变化、瞬时速度大小和方向。通过每一时间间隔的变化，观察最后的运动趋势。 通过计算机仿真得到个体运动行为图，经过一段时间，各个个体运动趋向于同一方向，并向集群质心靠拢。 针对问题二，研究逃避捕食者的运动行为，通过分析个体与捕食者间的相对位置变化，来判断每个个体的运动速度大小和方向，模拟出动物群躲避捕食者的运动路线图。 针对问题三，研究觅食行为，在迁徙模型的基础上，当种群中出现一些带有引导信息的个体时，研究对整个种群的影响，考虑带信息的个体运动是不受其他个体影响的。 通过仿真，对误差数据进行分析，研究领导者占不同比例时，觅食行为的结果，当领导者比例至少为12%时，才能成功觅食。
关键字：集群运动迁徙模型躲避模型觅食模型智能仿真
一、问题重述 1.1 问题背景 自然界中存在着大量的群体运动现象，在宏观上，天体（恒星，行星，星云等）之间的聚集形成星系的运动，大气层中的水汽聚集形成大气运动，以及生物界中的鸟群、鱼群、蚁群等的运动。在微观上，细菌等微生物以及人类的黑色素细胞也会进行群体运动，奇怪的是，尽管生物群体中的个体具有有限的感知能力和智力水平，整个群体却能表现出复杂的运动行为，例如保持群体成员间在运动速度和方向上的同步，朝同一目标（食物、栖息地等）行进，这些群体还可以形成特殊的空间结构以应对紧急情况（如躲避障碍物或逃避抵御捕食者）等。 以集群现象为研究对象的群体系统是一个由大量自治个体组成的集合，在无集中式控制和全模型的情况下，一般通过个体的局部感知作用和相应的反应行为使得整体呈现出复杂的涌现行为。如何对这种集群行为进行数学建模，并将其应用与人工世界，是目前复杂性科学的前沿课题。 研究群集系统具有实际意义，一方面，它是理解生物复杂性的一个途径，另一方面，可以借鉴生物的智慧，把分布式策略用在自治多代理系统（如多机器人或自治飞行器系统）的控制、协调以及编队控制中。这些系统的共同特点是：个体自治、无全局通讯、无集中式控制。通过设计一定的控制规律，可以使系统整体呈现出所期望的涌现行为。群集的研究还有可能用来解释群集智能的产生，每一个个体并不是非常智慧的主体，但它们之间通过协作却可以展现出一定的智能行为，因此在工程上具有潜在的应用价值。
《动物的运动和行为》练习和答案(可编辑修改word版)
. . 第二章 动物的运动和行为 复习摘要： 骨骼的组成 运动系统 动 的组成物 的 运 动 关节：由关节头、关节窝、关节囊、关节腔、关节软骨等构成由肌腹和肌腱组成 骨骼肌 具有受刺激收缩的特性 骨、关节和肌肉的协调配合 区分先天性行为和学习行为 先 动 天 物 性 的 行 运 为 动 和 和 学 行 习 为 行 为 社 会 行 为
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基础训练： 1.一个具有社会行为的群体中，群体内部往往形成一定的组织，成员之间有明确的分工，有的群体中还形成等级，这是社会行为的重要特征。 2.营社会生活的动物，是比较高等的动物，社会生活使它们可以更好地适应环境，维持个体和种族的生存。 3.用提取的或人工合成的某些昆虫的性外激素作引诱剂，可以诱杀农业害虫，被引诱来的是雄虫。4．俗语说：“龙生龙，凤生凤，老鼠生儿会打洞”，这说明动物的先天性行为是通过遗传和自然选择进化来的。 5.从动物行为获得的途径上看,可以将动物的行为大致分为两大类:先天性行为和学习行为。先天性行为是由遗传因素决定的，是动物的一种先天具备的非条件反射。学习行为则是在成长过程中，通过生活经验和“学习”逐渐建立起来的新的行为活动，属于条件反射。一般来说，动物越高等，结果越复杂，行为越复杂，在动物的全部行为活动中，学习行为所占比例越大，适应环境能力越强。
6.哺乳动物具有发达的运动能力，有利于觅食和避敌，以 适应复杂多变的环境。 7.动物行为的产生主要受神经系统的控制，也受激素的控 制。二者共同协调，相辅组成。 8．下列各项中，属于骨骼的是（A） A 手骨 B 股骨 C 肋骨 D 椎骨 9.提一桶水上楼，这时手臂上肱二头肌和肱三头肌的状态分别是：（A） A．收缩，收缩B．收缩，舒张 C．舒张，收缩D．舒张，舒张 10．使肱三头肌附着在骨上的结构是（A） A．肌腱B．肌腹 C．神经D．血管 11.人体完成某一动作，骨骼肌收缩舒张的情况是：（D） A．只有一块骨骼肌收缩B、只有一块骨骼肌舒张 C、收缩和舒张的骨骼肌各有一块 D、收缩舒张的骨 骼肌均有多块 12.屈肘时下列叙述正确的是（B ） A 肱三头肌收缩，肱二头肌舒张 B 肱二头肌收缩，肱三头肌舒张 C 肱二头肌和肱三头肌都收缩 D 肱二头肌和肱
鱼群运动行为模型 精品
鱼群运动行为模型 摘要 本文研究了鱼群运动时受环境及邻近同族的影响而改变速度方向的机制，并以此为基础分析了鱼群在躲避捕食者和觅食时的信息传递和转移路线。 对于问题一，本文考虑平衡状态时，即没有捕食者威胁也无觅食和迁移的需求时，个体鱼的游动规律。本文假设个体鱼在二维平面内游动时能够感知到一定范围（R ）内的同族的位置和游动方向，并遵循四个规则：惯性规则、靠近规则、对齐规则、规避规则，个体鱼的运动方向由这四个规则对鱼的影响大小决定， 111223344t t t t t P P P P P λλλλ+=+++，11cos sin t t t t t t x x v P y y v P ++=+???=+??。由此可对每一条鱼的 运动状态进行迭代更新。 对于问题二，本文考虑在二维平面中引入捕食者，并假设捕食者将游向其感知范围（R 0）内距离其最近的个体鱼，同时受其自身游动惯性的影响，则其游动方向11122t t t P P P λλ+=+。由此可对捕食者的游动状态进行迭代更新。当捕食者靠 近个体鱼，出现在个体鱼的感知范围内时，小鱼将产生避险意识，避险方向为捕食者到个体鱼的方向，同时向其感知范围内的个体鱼发送告警信号，接受到告警信号的个体鱼将产生离散意识，离散方向为其感知到的避险个体鱼游动方向的平均方向。则此时小鱼的游动方向1112233445566t t t t t t t P P P P P P P λλλλλλ+=+++++。由此可对捕食者和个体鱼的运动状态进行迭代更新。 对于问题三，本文仅考虑掌握食物源位置信息的信息丰富者，它们在遵循问题一中提出的游动规则条件下，将主动靠近食物源，并且把它向食物源游去的信息告知邻居，召集其它个体鱼共同觅食。对于非信息丰富者来说，它能受到其感知范围内信息丰富者的召集信息，并趋向这些信息丰富者的实际游动方向的平均方向，追随它们共同觅食。此时个体鱼的游动方向：1112233445566t t t t t t t P P P P P P P λλλλλλ+=+++++。对于信息丰富者，受到召集作用的权重60λ=。对于非信息丰富者，游向食物源的权重50λ=。由此可得鱼群觅食的集群运动情况。 关键词：个体运动 集群运动 运动规则
动物集群运动行为模型-21
动物集群的运动研究 摘要 针对动物集群运动机理的研究在近几年受到了国内外学者的广泛关注。研究这些集群运动不仅对人们的工作和生活具有重要的现实意义，对了解自然界和生物系统也具有深远的科学意义。集群运动的研究具有广阔的应用前景：在工程方面，生物群体中的同步、避障机制可以有效地应用到分布式机器人集群、无人驾驶飞行器群、卫星群的运动控制等。 本文针对动物集群的运动进行了研究，完成了对动物集群运动的数学模型建立和计算机模拟，并通过改进的模型对动物集群躲避捕食者和集群中领导者的作用进行了分析。 文中首先对Vicsek和Boid两种常见的模型进行分析，通过Matlab得到仿真结果并对其影响因素进行了定性分析。在此基础上提出自己的模型用于模拟动物种群运动，并尽量在新模型中弥补Vicsek模型和Boid模型的不足。新的模型考虑了集群中个体的视角范围，以使结果更加接近实际。 在考虑躲避捕食者的时候，在每个个体的运动规则中加入对捕食者的感知与避让，即让每个个体在捕食者进入感知范围内后都尽力改变方向朝着远离捕食者的方向运动，并且将此原则设立为最高优先级，通过计算机模拟得到了较好的效果：当捕食者接近时，近处的个体会优先躲避捕食者，并通过对邻居的影响使得整个集群形状发生改变以避开捕食者，远离捕食者的过程中集群中的个体运动又会逐渐同步。并考虑各个参量对同步速度的影响。 针对有领导者的集群，本文对领导者在原有运动原则的基础上加入一个优先方向，领导者的运动方向受到优先方向和周围的邻居共同影响。模拟结果显示经过一段时间的同步，集群最终会按照领导者的运动规律进行运动。 针对模型中各个参数的影响，本文进行了定量的分析。分析结果显示随机影响（噪音）对集群的最后同步效果有较强影响但对同步速度影响不大，集群中个体的感知范围和集群密度的增大都对同步速度有积极的影响，而视角只在一定范围增大才对同步速度有积极影响。 关键词：Vicsek模型Boid模型有限视角范围集群运动
基于Boid模型的动物集群运动行为研究
基于Boid 模型地动物集群运动行为研究 摘要 本文通过对Boid 模型进行研究并进行改进，运用MATLAB 软件对群体在不同环境下地运动进行仿真，形象地展现了动物地集群运动行为.问题一:在Boid 模型地向心性（靠近邻居中心）、同向性（与邻居方向一致）、排斥性（避免碰撞）三个原则地基础上，添加了内聚性（向群体中心聚合）、排列性（朝平均地方向运动）、可变速性三个原则，进行加权建立函数关系，运用MATLAB 进行仿真，很好地模拟出了动物地集群运动.个体地位置变化公式为： i i i i i direc1(t)pos (t 1)pos (t)*v (t)direc1(t)+=+ 问题二:在问题一地基础上，增加了在两种不同情况下个体躲避天敌地原则：当个体离天敌较 近时，忽略群体地影响，选择最快方向逃逸；当个体离天敌较远时，主要考虑逃逸，但仍考虑群体地对个体地影响.当个体无法感受到天敌时，按第一问地原则进行运动.对不同环境下地个体建立了不同地函数关系式，使整体效果更加接近实际情况.个体处在危险区时，下一时刻地方向为： i i i direc1(t 1)0.5*direc5(t)0.5*direc6(t)+=+ 个体能感知到捕食者，但不在危险区时，下一时刻地方向： i i i i i i i i direc1(t 1)0.1*direc2(t)0.1*direc3(t)0.1*direc4(t)0.25*direc5(t)0.25*direc6(t)0.1*direc7(t)0.1*direc8(t) +=++++++ 问题三:考虑了一部分个体是信息丰富者，设置了含有食物地场景，在第一问原则地基础上采用Lead-follower 模型，确定了信息丰富者能第一时间发现食物并向其缓慢前进，对其他个体进行引导，达到群体向食物前进地效果，并且通过MATLAB 进行仿真，得到了群体地运动情况. 关键词:集群运动、Boid 模型、Lead-follower 模型、MATLAB 仿真 一、问题重述 在动物世界，大量集结成群进行移动或者觅食地例子并不少见，这种现象在食草动物、鸟、鱼和昆虫中都存在.这些动物群在运动过程中具有明显地特征：群中地个体聚集性很强，运动方向、
(完整)动物的运动和行为(初中生物)
专题五动物的运动和行为 【学习目标】 1.通过对动物的运动和行为重点知识的复习回顾，梳理本专题的知识体系； 2.通过真题演练，加深对知识的理解； 3.通过重难点、易混易错点解析，提升学习能力和解决问题能力。 【复习要点】 一、动物的运动 1.动物的运动方式； 2.运动系统的组成； 3.骨、关节和肌肉之间的关系及协调配合； 4.运动的完成及意义。 二、动物的行为 1.动物行为的分类； 2.先天性行为和学习行为； 3.动物的社会行为。 【知识梳理】 1.运动系统由、、组成。 2.骨骼肌有受刺激而______的特性，当骨骼肌受到传来的刺激时，就会牵动____绕活动，于是躯体就产生了运动。但骨骼肌只能收缩牵拉骨而不能推开骨，因此与骨相连的肌肉总是由组肌肉相互配合活动的。 3.关节 （1）填写出①②③ ④⑤的名称。 （2）关节的组成：、和。 （3）特点：具有牢固性和性。 A.使关节牢固的结构：和。 B.使关节灵活的结构：关节软骨和关节腔中的。 4.屈肘时，肱二头肌，肱三头肌。 伸肘时，肱二头肌，肱三头肌。 5.区别动物的先天性行为和学习行为 比较项目先天性行为学习行为 形成时间就有后逐渐学习形成 获得途径由体内物质决定在遗传因素的基础上，通过因素的作用，由生活经验和学习而获得 适应特征适应相对稳定的环境适应不断变化的复杂环境行为方式简单
的，有的群体中还形成。 【真题演练】 训练点一：运动系统的组成 1.人体运动系统的组成主要有() ①肌肉②骨③关节④皮肤 A.①②③ B.①②④ C.②③④ D.①②③④ 2.使肌肉附着在骨上的结构是() A.肌腱 B.肌腹 C.神经 D.血管 3.下列各项与关节的牢固性没有直接关系的是() A.关节面由关节头和关节窝组成 B.关节囊由结缔组织构成 C.关节囊外有韧带 D.关节腔内有滑液 训练点二：骨、关节和肌肉的配合 4.端午节吃粽子、划龙舟。从运动系统的组成看，划龙舟时运动的动力来自() A.骨 B.骨骼 C.肌肉 D.关节 5.济宁市将中考体育测试引体向上调整为必考项目。在将身体拉至最高位置的过程中，起支点作用的是() A.肱二头肌 B.肘关节 C.上肢神经 D.前臂骨 6.从地震废墟中救出的某男孩不能完成伸肘和屈肘动作，其原因不可能是() A.肘关节脱臼 B.肱骨骨折 C.皮肤破损 D.骨骼肌拉伤 训练点三：先天性行为 7.动物先天性行为的决定因素是() A.环境因素 B.后天学习 C.遗传物质 D.亲代训练 8.动物的先天性行为所具有的特点是() ①动物生来就具有的行为；②不是动物生来就具有的行为；③由身体内遗传物质所决定的行为；④动物在成长过程中，通过生活经验和学习逐渐建立起来的新的行为 A.①③ B.②③ C.②④ D.①④ 训练点四：学习行为 9.下列动物行为中，属于学习行为的是() A.鸟类育雏 B.蜻蜓点水 C.春蚕吐丝 D.老马识途 10.由生活经验和学习获得的行为是学习行为。下列属于学习行为的是() A.蜜蜂采蜜 B.公鸡报晓 C.母鸡孵卵 D.小狗“算数”训练点五：社会行为的特征