揭示生物集群系统内部信息耦合机制的深度网络模型

生物集群在自然界中广泛存在,如鱼群、鸟群、兽群等,这些集群通过内部的信息耦合能涌现出有序的协同行为.但是,集群内部交互复杂、情况多变,导致微观层面的行为分析还缺乏行之有效的标准工具.对此,以鱼群运动数据为研究对象,借助图注意力网络对鱼群中的单体行为进行自动化建模,目的是提炼出适于复杂系统分析的通用网络工具.首先将单体的感知信息映射到高维状态空间,然后生成软注意力数值以表征单体之间的交互强度,再对所生成的软注意力数值规范化,所得规范结果既可作为多邻居信息耦合的关键指标,又可通过解码器将所抽取的注意力信息稀疏解耦为运动决策.实验结果表明:所生成的注意力数值不但能揭示群体内部的信息耦合关系,还能进一步对隐藏交互强度可视化,从而为鱼群的视觉交互理论提供新的科学证据.所提出分析工具拥有信息耦合可解释、交互强度可显现、系统规模可缩放、状态偏移可泛化等优良特性,有望发展成为复杂系统解耦分析的标准范式,在社会行为分析、机器人集群控制以及智能交通系统安全性评价等方面具有潜在的应用价值.