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
四、问题的分析及模型的建立、求解
4.1 对于问题一
4.1.1 问题的分析
关于集群行为的研究，大致可以分为三个阶段：第一阶段是生物学家做了大量研究，发现了许多生物群体特有的动态行为；第二阶段是实验物理学家和计算机专家做了许多实验和仿真，用模拟仿生的方法证明这种生物群体现象可以由个体的简单行为规律获得；第三阶段就是利用数学对群集行为进行严格建模及分析。
动物的群体行为是相当于个体行为而言的。群体行为决定着个体行为的方向，个体行为是群体行为的体现。群体是由个体构成的，因此，群体行为离不开个体行为但群体行为并不是个体行为的简单相加。所以我们在研究鱼群集体行为的过程中，首先对群体中单个鱼的行为做出研究，然后再从内部影响和外部作用两方面入手，分析鱼群的群集行为。
对群集行为的研究主要有三种方法。第一种是欧拉法，在欧拉法中，一个群体的模型中的每个个体成员不作为单个实体进行研究，而是通过密度概念将整个群体作为一个连续集描述，欧拉法有一个明显的缺点就是忽略了个体的特性。第二种是拉格朗日法，拉格朗日法基本的描述就是每个个体各自的运动方程。第三类方法就是基于仿真的建模方法，基于仿真的群集模型无需建立像描述群体分布的费克方程或描述各种吸引力/排斥力作用的牛顿运动方程，而是通过群体中的个体建立模拟实际生物个体动态行为的行为规则来研究群集行为。
4.1.2基于个体自治的鱼类集群模型
我们所进行的鱼群集群行为的仿真模型由三部分构成：
（1）环境。
（2）个体。
（3）行为规则。
环境是个体生存的空间，个体在环境中活动，利用环境中的资源来进行生存。个体的综合构成了研究的群体对象。个体的演化过程由其行为规则控制，行为规则则是决定了个体与个体之间、个体与环境之间相互作用的方式。任意时刻个体在环境中都有一个确定的位置并且由其所占据的方位来确定。
（一）环境的描述
首先对二维的鱼群世界进行仿真，环境应为一个二维的有限平面区域，使用反射型边界，当鱼游到边界以后按照镜子反射的方式反弹回来。我们可以把环境描述成为一个宽为width，长为length的二维世界，如下图
图1：个体及其所处环境
因为计算机仅仅能处理离散的信息，所以环境也是一个离散的世界。我们用计算机屏幕上一系列运动的点代替鱼个体，给它们设置坐标、速度等参数，就可以把现实中的鱼映射到虚拟环境中来。所有个体在该环境中游动。描述个体的位置和方向如下：
cos ,sin x y v v v v θθ=?=? （1）
其中θ为速度方向和横轴方向的夹角。
','x y x x v dt y y v dt =+=+??
（2）
其中，(,)x y 为鱼的初始坐标位置，(',')x y 为一段时间后，鱼的坐标位置。
（二）个体描述
对个体鱼的建模是仿真的核心与关键。把每条鱼看成一个人能够自主决策的Agent ，他们会根据自己的观察来感知周围的环境，并按照一定的规则决策。鱼类个体之间的交互是由其视觉范围的大小决定的。个体的视觉范围是半径为r 角度为300度的一个扇形。
图2：鱼类的视觉范围
主体之间的交互作用是局部的，只能发生在所定义的邻域内。个体具有以下属性：
（1）位置：个体位置由一组坐标（x ，y ）表示；
（2）感知范围：个体所能感知的范围。个体的感知范围取决于所定义邻域半径的大小，感知范围越大，表明该个体与环境和其他个体的作用越强。
（3）碰撞距离：个体之间的最短距离。当个体之间的距离小于该值时，个体将朝着远离的方向游动。
（4）初速度：仿真开始时，赋予每个个体的速度值，大小相等，方向相同。 （5）最大速度：鱼类在游动时所能达到的极限速度。
（6）加速度：个体受到外界干扰时，对个体行为的改变，表现为的速度的改变。
（7）反弹速度：个体到边界时反弹回来的速度。 （三）规则描述
人工鱼的基本行为主要包括：（1）避开障碍物。（2）游向目标。（3）追逐目标。（4）离开。（5）闲逛。（6）逃逸。（7）集群。
个体的行为规则主要表现为群体游动时的游动规则，游动规则主要包括： [1]聚集规则（尽量靠近邻居）
[2]速度匹配（尽量与邻居的运动方向一致）
[3]避免碰撞（尽量避免与群体内部和群体外部的障碍发生碰撞） 在这里我们定义邻居为如果两个个体之间的距离小于某个给定的值r ，则它们
互为邻居。
每条人工鱼下一刻游动的方向都要受这三个因素和当前鱼的游动方向的影响，将这四个方向的平均作为人工鱼下一刻游动的方向如下图。
图3：人工鱼下一刻的游动方向
然而四个因素对鱼群的影响力的大小不同，根据它们对人工鱼下一刻运动方向影响的大小进行赋权，则人工鱼下一刻的运动方向（与二维区域横轴的夹角）
1112233
4t t t t t θλθλθλθλθ+=+++ （3）
12341λλλλ+++=
（4） 下面分别对四条游动准则分别进行描述：
（1）聚集性。
每个个体都有向邻居中心靠拢的特性，邻居中心为感知范围内所有个体所在位置的平均值。
()i
Q Q i n n
=
∈∑ (5)
当前状态下的人工鱼相对中心位置的方向为
a r c t a n
y y
x x
θ-=- (6) 其中，(,)Q x y =为鱼群靠拢的中心，(,)x y 为人工鱼当前所在位置。 （2）速度匹配
人工鱼要与邻域内的鱼保持游动时速度大小和方向一致，速度和方向为邻域内的均值，则
i
v
v n
=
∑ (7)
2arctan
i i
x x y y n
θ--=
∑ （8）
(,)i i x y 为邻域内第i 条鱼的位置，i v 为邻域内第i 条鱼的速度。
（3）避免碰撞
为了避免鱼群之间的碰撞。在人工鱼进入危险距离后，若即将与一条鱼碰撞，设为1f ，那么人工鱼就以与1f 运动的方向垂直的方向进行规避。若是即将与两条鱼碰撞，分别设为
12,f f 。则人工鱼就以与12,f f 运动的合成方向相垂直的方
向进行规避。当有n 条时，同样以与n 条鱼运动合成方向的垂直方向进行规避。如下图：
图4:避免碰撞的规避图
在三维状态下，我们采取相同的准则，进行模拟仿真。环境应为一块有限的三维区域，我们选定（x,y,z)作为人工鱼的位置，用它游动方向和x轴，y轴和z 轴的夹角αβγ
（,,)作为人工鱼游动的方向。聚集性的方向为人工鱼和鱼群中心的方向向量。速度匹配的方向为邻居所有鱼的夹角αβγ
（,,)的均值。避免碰撞仍然采用合成的方法。
4.1.3 模型的求解
通过MATLAB仿真模拟，得到在二维条件下，初始状态的鱼群，如下图：Array -1000-800-600-400-20002004006008001000
图5：鱼群初始状态
在模型一的规则下，鱼群的聚群行为
图6：二维鱼群集群
应用二维的规则，同样可以得到在三维状态下的模拟成果
图7：鱼群三维初始状态
三维集群之后的状态，如下图
图8：三维鱼群的集群
4.2 对于问题二 4.2.1 问题的分析
在问题一的分析和模型的建立求解过程中，我们并没有考虑人工鱼群在食物链中受到天敌威胁的情况。鱼类在海洋中有效的躲避天敌也是鱼类运动中的一项规则。所以我们在第一问的基础之上建立鱼类的躲避规则，重新仿真鱼类集群运动。
4.2.2 模型的建立
在游动规则的基础上加入躲避天敌这项规则，进一步完善模型。人工鱼下一刻的运动状态和方向也要受到天敌的影响。
[4] 躲避天敌
人工鱼在遭遇黑鳍礁鲨鱼时，迅速以与相对黑鳍礁鲨鱼相反的方向逃离。
1
31
arctan
x x y y α-=- （9） 其中，(,)x y 为人工鱼所在的位置，11(,)x y 为天敌所在的位置，3α为人工鱼遭遇天敌时逃离的方向与横轴的夹角。
在三维的状态中，人工鱼相对黑鳍礁鲨鱼的向量111(,,)x x y y z z τ=---。求出τ和x 轴，y 轴，z 轴的夹角()111,,αβγ，从而确定人工鱼的逃离方向。
4.2.3 模型的求解
利用MATLAB 编程模拟仿真在二维状态下人工鱼在黑鳍礁鲨鱼进入的初始状态下的运动情况，如下图:
-1000-800-600-400-20002004006008001000
图9：黑鳍礁鲨鱼进入的初始状态 （注：·表示人工鱼，o 表示黑鳍礁鲨鱼）
黑鳍礁鲨鱼游动T 时刻，人工鱼对它的躲避行为，如下图：
图10：鱼群对黑鳍礁鲨鱼的躲避行为
利用MATLAB 编程模拟仿真在三维状态下人工鱼在黑鳍礁鲨鱼进入的初始状态下的运动情况，如下图:
4
图11：加入黑鳍礁鲨鱼的初始状态
（注：·表示人工鱼，o表示黑鳍礁鲨鱼）
黑鳍礁鲨鱼游动T时刻，人工鱼对它的躲避行为，如下图：
4
图12：鱼群对黑鳍礁鲨鱼的躲避行为
4.3 对于问题三 4.3.1 问题的分析
在问题一和问题二的解决过程中，我们并未考虑人工鱼的能量系统，都是在假设人工鱼不会在能量消耗下自然死亡的情况下进行模拟仿真的。
在问题三中，由于要解决对于寻求食物状态下，集群的决策形成。因此我们考虑引入人工鱼的能量消耗系统，综合人工鱼的能量状态来形成对于食物信息的合理决策。
4.3.2 模型的建立
首先定义个体在能量系统中的各个要素： （a ）能量值
个体能量的多少由获得的资源量来衡量, 每个仿真周期内个体都要消耗一定的能量,能量值的变化由新陈代谢率决定。当个体的能量值小于或等于0时,该个体死亡。
（b ）新陈代谢率
一个仿真周期个体所消耗的能量值。能量是维持个体在虚拟世界中生存的基本因素。
（c ）最大能量:
个体所能拥有能量的最大值。当个体的能量值达到该值时,停止觅食。 （d ）初始能量
仿真开始时,个体所拥有的能量值。
在获得食物信息的情况下，在集群中知道食物信息的个体行为发生改变，表现为朝着食物的方向加速游动，
0()t v v a T t =+- （10）
0v 为初始速度，t v 为T 时刻的速度，t 为获知食物信息的时刻，T 为当前时
刻。
影响人工鱼的运动状态的因素除了食物信息之外还有人工鱼自身的能量状态。我们用饥饿系数ε来表示人工鱼当前的能量状态。
max
()
E e T t E ε--=
（11）
其中E 表示人工鱼的初始状态能量，即t 时刻的能量。T 表示发现食物信息的时刻。e 表示人工鱼单位时间消耗的能量。max E 表示人工鱼能量的满值状态。
(0.8,1.
0)0.4,0.8ε??
=???
表示人工鱼的吃饱状态（）表示人工鱼的正常状态（0,0.4）表示人工鱼处于饥饿状态 (12)
所以如果人工鱼处于饥饿状态，并且接收到食物信息，就会以尾追的状态去寻求食物。
[5]尾追
鱼群中的单个人工鱼会向拥有食物信息的人工靠近，去寻找食物，则鱼群运动的方向是：
10
arctan
x x y y θ-=- (13) 其中，(,)x y 为人工鱼当前所在位置。00(,)x y 为知道食物信息的人工鱼的位置。
如果人工鱼没有处于饥饿状态，就会按照问题一和问题二中的规则进行游动。
在三维状态下，人工鱼相对知悉食物信息的鱼的向量坐标是
000'(,,)x x y y z z τ=---，求出'τ相对于x 轴，y 轴，z 轴的夹角()000,,αβγ，从而确定人工鱼的逃离方向。
4.3.3 模型的求解
利用MATLAB 编程模拟仿真在获得食物位置时，人工鱼群运动的初始状，如下图 ：
4
图13：知悉食物初始状态的运动情况
（注:·点表示人工鱼，○
+表示食物的位置）
在T 时刻，人工鱼相对食物的运动状态，如下图：
4
图14：T时刻运动情况
（注:·点表示人工鱼，○+表示食物的位置）
五、结果分析
本文通过建立鱼群行为仿真模型, 基于集群规则，对鱼群集群，躲避天敌以及觅食行为进行了二维图像仿真,通过模型的进一步分析，又将模型推广至三维，通过设置不同的仿真参数,利用计算机的仿真模拟鱼类个体之间的相互作用，最终达到集群形成的效果，较为真实的模拟了自然环境中鱼类的集群行为。
六、模型的评价与改进
模型的优点：
（1）基于仿真的群集模型可以为个体如何完成群集行为提供一个明确的视觉过程。
（2）我们在解决问题的过程中同时对二维和三维进行了仿真，并且得出了合理的结果。
模型的缺点：
（1）个体可能存在有很多不同的行为规则，都能够使得群体实现相同的集结行为，也就是说并不能从群体仿真实验中的涌现结果推论出确切的个体行为。（2）实际智能个体的行为可能是非常复杂的，在仿真中也难以复制。个体的简单规则可以使得群体涌现与实际生物界中相似的群体行为，但缺乏理论分析的手段，而且也不能保证现实生物系统就是遵循这样的简单规则。
（3）我们对于鱼类活动的原则考虑比较少，行为准则略显粗糙。
参考文献：
[1]江道平尹怡欣等，群体中Agent基于内部状态的行为选择，系统仿真学报，2009年01月；
[2]赵建曾建朝，鱼群集群行为的建模与仿真，太远科技大学学报，2009年02月；
[3]班晓娟宁淑荣等，人工鱼高级自组织行为研究，自动化学报，2008年10月；
[4]陈世明，群集行为的建模与控制方法综述，华东交通大学电气与电子工程学院，2006年09月
附录
第一问程序：
%实现功能：模拟鱼群的集群，避敌，觅食行为，进行动画演示
clear;clc;
N=50; %鱼的数量50,
Rn=1500; %领域半径
VV=30; %初始速度3.0,
%a=3; %加速度0.3,
Vsi=18; %反弹速度0.8,
%鱼的活动范围
XRange=[-10000,10000];
YRange=[-10000,10000];
ZRange=[-10000,10000];
VRan=[-5*pi/6,5*pi/6];
%（1）随机产生鱼的位置PF（x,y）为位置集
for i=1:N
PZ(i,1)=XRange(1)+(XRange(2)-XRange(1))*rand; %X坐标
PZ(i,2)=YRange(1)+(YRange(2)-YRange(1))*rand; %Y坐标
PZ(i,3)=ZRange(1)+(ZRange(2)-ZRange(1))*rand; %Z坐标
PF(i,1)=PZ(i,1);
PF(i,2)=PZ(i,2);
PF(i,3)=PZ(i,3);
VZ(i,1)=2*pi*rand; %alpha X速度方向
VZ(i,2)=2*pi*rand; %beta Y速度方向
VZ(i,3)=2*pi*rand; %gama Z速度方向
VF(i,1)=VZ(i,1);
VF(i,2)=VZ(i,2);
VF(i,3)=VZ(i,3);
VZ(i,4)=VV; %gama Z速度大小
VF(i,4)=VZ(i,4);
end
lam=[0.1 0.3 0.3 0.3];
%(2)判断一条鱼和其他鱼之间的距离
%如果 %（2）搜索视野范围内的鱼，并统计个数 while 1 for i=1:N cn=0; alsum=0; besum=0; gasum=0; for j=1:N if(i~=j)&&sqrt((PZ(i,1)-PZ(j,1))^2+(PZ(i,2)-PZ(j,2))^2+(PZ(i,3)-PZ(j,3))^2)<=Rn cn=cn+1; alsum=alsum+VZ(i,1); besum=besum+VZ(i,2); gasum=gasum+VZ(i,3); end end if cn~=0 alsum=alsum/cn; besum=besum/cn; gasum=gasum/cn; VF(i,1)=alsum; VF(i,2)=besum; VF(i,3)=gasum; end PF(i,1)=PZ(i,1)+VF(i,4)*cos(VF(i,1)); PF(i,2)=PZ(i,2)+VF(i,4)*cos(VF(i,2)); PF(i,3)=PZ(i,3)+VF(i,4)*cos(VF(i,3)); %是否越界 if PF(i,1) VF(i,1)=VF(i,1)+pi; end if PF(i,2) VF(i,2)=VF(i,2)+pi; end if PF(i,3) VF(i,3)=VF(i,3)+pi; end PF(i,1)=PZ(i,1)+VF(i,4)*cos(VF(i,1)); PF(i,2)=PZ(i,2)+VF(i,4)*cos(VF(i,2)); PF(i,3)=PZ(i,3)+VF(i,4)*cos(VF(i,3)); end TU1=plot3(PZ(:,1),PZ(:,2),PZ(:,3),'.'); %更新鱼的状态 for i=1:N PZ(i,1)=PF(i,1); PZ(i,2)=PF(i,2); PZ(i,3)=PF(i,3); VZ(i,1)=VF(i,1); 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 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。 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 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 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 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（） 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。 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 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 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 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 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 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 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。 . . 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 . . 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 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、 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：社会行为的特征第二章 动物的运动和行为 复习教案
动物集群运动行为模型-2
动物的运动和行为
八年级上册生物动物的运动和行为知识点
基于Boid模型的动物集群运动行为研究
(完整版)生物中考复习专题动物的运动和行为
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
动物的运动和行为优秀教案
动物集群运动行为模型-19
动物集群行为的建模与仿真_ 精品
动物的运动和行为练习题
最新动物集群运动行为模型系列之一
动物的运动和行为知识点
最新动物集群运动行为模型系列之八
《动物的运动和行为》练习和答案(可编辑修改word版)
鱼群运动行为模型 精品
动物集群运动行为模型-21
基于Boid模型的动物集群运动行为研究
(完整)动物的运动和行为(初中生物)
相关主题
文本预览