渡り鳥の群れの大域的な制御機構

候鸟群的全球控制机制

基本信息

批准号：
19K12150
负责人：
早川美徳
金额：
$ 2.5万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

V字や鉤型等が特徴的な編隊飛行を呈する渡り鳥の群れは、そのサイズも、形も、動的に大きく変動しているが、実データに基づいて数理モデルとそのパラメータを推定することにより、その様態や安定性を理解しようとするのが本研究のねらいである。研究期間を１年延長の上、４年度目には、宮城県の渡り鳥飛来地においてステレオカメラで撮影し蓄積してきたマガン等の飛行画像のデータについて画像処理を進め、定量的な分析に十分に耐えうる精度の軌跡データを多数収集することができた。画像中の鳥の特定部位の検知に畳み込みニューラルネットモデルを用いたり、時系列の推定に用いる際のカルマン平滑化アルゴリズムを見直す等によって、計測の実質的な誤差を低減することに成功した。群れの各個体は前方の個体との相対的な位置と速度を調整しつつ、非対称的な相互作用を通じて編隊を維持しており、それを表現する運動方程式を状態空間とするようなベイズ構造時系列モデルを構成した。その上で、実測により得た鳥の軌跡データを粒子フィルターによって処理することで、運動のパラメータ、すなわち、有効的な「バネ定数」や「減衰係数」を推定することに成功した。一車線での交通流のような一次元的な集団運動の不安定性はstring instabilityとして制御工学の分野で知られていたものであるが、渡り鳥の群れも同様の数理的なクラスとして理解できる。本研究ではそれをさらに進めて、一次元的な群れが安定的に維持可能な臨界的なサイズ（個体数）と有効相互作用との関係を導くことができた。これらのパラメータは、群れの状況や群れの中の個体の位置によっても変化しており、群れの多様な様態との関連性を示唆する結果を得た。

迁徙鸟类的大小和形状，它们表现出与V形和钩状形状不同的形成飞行，大小和形状的动态差异很大，但这项研究的目的是根据实际数据了解数学模型及其参数的状态和稳定性。在将研究期延长一年之后，在第四会计年度，我们能够处理蜗牛和其他蜗牛的飞行图像数据，这些数据在宫崎战县的迁徙鸟类目的地捕获，并能够准确地收集大量的轨迹数据，并能够准确地收集能够承受定量分析的轨迹数据。我们通过使用卷积神经网模型来检测图像中的特定鸟位点并审查用于估算时间序列的Kalman平滑算法，从而成功地减少了测量中的实质错误。组中的每个人都通过向前个体调节相对位置和速度，同时通过不对称的相互作用保持形成，并构建了贝叶斯时间序列模型，其中表达其状态空间的运动方程式。此外，通过处理通过使用粒子过滤器实际测量获得的鸟类轨迹数据，我们成功地估算了运动参数，即有效的“弹簧常数”和“衰减系数”。一维集体运动的不稳定性，例如一个车道的交通流，在控制工程领域被称为弦弦不稳定性，但迁移的鸟羊群可以理解为类似的数学类别。这项研究进一步推进了这一点，并能够得出临界大小（人口数）之间的关系，该临界大小（人口数）可以稳定地维护和有效的相互作用。这些参数也取决于组的状况和组内的位置，从而导致结果表明与组的不同模式有联系。