3D-моделирование поведения роя частиц с использованием подходов многоагентных систем

1. Выпускная квалификационная работа
на тему:
«3D-моделирование поведения роя
частиц с использованием подходов
многоагентных систем»
Научный руководитель: к.ф.-м.н.,
доц. каф. 806 Крапивенко А.В.
Дипломник: гр. 08-606
Максимова В.В.
1
2015

2. Методы роя частиц
 Параметрическая и
структурная оптимизация
 Глобальная условная оптимизация
 Мультимедиа и игровая индустрия
 Имитация социального поведения
 Изучение коллективного
мышления и его появления
 Машинное обучение
2

3. Постановка задачи
 Исследование алгоритмов роя частиц, выбор
наиболее оптимального с учетом скорости и
гарантии сходимости, ширины изучаемого
пространства.
 Реализация трехмерной модель поведения на
примере стаи рыб.
 Рыба – отдельный агент в системе. На каждом шаге
определяется скорость и направление движения
для каждого агента отдельно.
 При появлении хищника следует защитная
реакция стаи и соответствующее изменение
поведения.
3

4. Принципы работы алгоритмов
 каждая частица стремится избежать столкновения
с соседними
 скорость и направление движения зависят от
ближайших частиц
 частицы стремятся двигаться на одинаковом
расстоянии друг от друга
4

5. Существующие Алгоритмы
 Поведенческая модель Boids
 Классический алгоритм роя частиц (GBEST)
 LBEST
 Inertia Weighted Particle Swarm Optimization (IPSO)
 Canonical PSO
 Fully Informed Particle Swarm
5

6. Inertia Weighted PSO
6

7.  Изменение скорости частицы (появление
коэффициента инерции):
 Наилучшее личное положение частицы
 Глобальное лучшее положение
7

8. Целевые функции
 Функция сферы:
min(0) = 0
 Функция Швефеля:
min(420.96875) = -418.9829*n
8

9. Подбор коэффициентов
№ Целевая функция с1 с2 w Скорость схождения
1. Сферы 0.2 1.0 0.9 107
2. Швефеля 0.2 1.0 0.9 126
3. Сферы 0.2 1.0 0.1 370
4. Швефеля 0.2 1.0 0.1 1200
5. Сферы 0.1 0.9 0.9 60
6. Швефеля 0.1 0.9 0.9 75
7. Сферы 0.1 0.9 0.1 350
8. Швефеля 0.1 0.9 0.1 100
9. Сферы 0.7 0.3 0.9 120
10. Швефеля 0.7 0.3 0.9 –
11. Сферы 0.7 0.3 0.9 4041
12. Швефеля*0.01 0.7 0.3 0.1 1089
13. Сферы 0.7 0.3 0.1 –
14. Швефеля*0.01 0.7 0.3 0.1 35078
9

10. 10
Распределение частиц на различных этапах схождения с использованием ф-ии сферы.
(a) Итерации = 1. (b) Итерации = 100. (c) Итерации = 250.
(a) (b) (c)
Распределение частиц с использованием
ф-ии Швефеля. Итерации = 98
Распределение частиц с использованием
ф-ии Швефеля * 0.01. Итерации = 150

11. Внешние воздействия
11
«Ф-маневр» стаи рыб
при атаке акулы
Моделирование «Ф-маневра»
вид сверху
фронтальный вид

12. Архитектурная схема проекта
12

13. Результат работы
13

14. Дальнейшее развитие модели
 Усовершенствование анимации движения живых
существ.
 Оптимизация метода путем использования в
вычислениях параллельных алгоритмов.
 Исследование причин сходимости алгоритма роя
частиц.
 Включение в модель аналогов более сложных
природных механизмов (внешних воздействий).
 Масштабирование процесса рендринга.
 Консультация со специалистом на предмет
реалистичности поведения моделируемых рыб.
14

15. Достигнутые результаты
 Исследованы алгоритмы роя частиц, выбран
подходящий для поставленной задачи.
 Реализована 3D-модель поведения роя частиц на
примере стаи рыб.
 В качестве образования шара и «Ф-маневра»
смоделирована реакция рыб на появление хищника.
 Проведена оценка результатов.
 Предложены методы дальнейшего развития модели.
15

16. 16