群体行为语义影响下的鱼类个体运动与决策建模及其应用

摘要

随着工业和农业的快速发展，我国的水环境正面临日益严峻的污染风险。传统的理化检测方法能较为准确的检测出水中的污染物，但所需的检测时间较长，耗费成本较高。因此，速度快、成本低的生物式水质监测方法得到广泛应用。该方法通过监测生物群体异常的行为来判断水质是否发生变化，特征包括群体在水中的分布、个体间的最近邻距离和个体朝向的一致性等。然而，个体的行为总是受到其所处群体行为的影响。这种影响在异常水质下是否存在变化，无疑是生物式水质监测方法需要研究的一个科学问题。
　　本文选取红鲫鱼作为指示生物，监测红鲫鱼的群体行为特征来判断水体是否受到污染。通过对群体行为作用于其中的个体，从而影响其游动轨迹和决策的分析，得到群体行为语义如何影响个体行为的模型。在此基础上，开发了一个基于生物群体行为异常的水质监测系统。本文主要的工作包括：
　　1、构建了基于群体行为语义的单条鱼运动轨迹预测模型。群体行为语义通过递归神经网络进行编码，基于递归最小二乘法的学习算法可以读出递归网络中编码的语义信息。结果表明该语义信息可以用于预测群体内个体的运动轨迹。
　　2、提出了受群体语义影响的单条鱼决策模型。构建了个体决策行为受群体行为语义影响的模型，并利用红鲫鱼的行为数据验证了该模型的正确性。结果表明数量和活性影响群体内个体的决策。
　　3、设计并开发了一种基于鱼类异常行为的水质监测系统平台。基于 OpenCV、Qt和SQLite等技术，开发了视频获取，指示生物目标分割跟踪，行为特征计算，异常行为预警，视频和特征数据的存储、显示和回放，系统设置等功能模块。目前该系统正在绍兴曹娥江水厂试用。

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第1章 绪论

1.1 论文研究背景

1.2 鱼类行为的量化指标

1.3 水质变化对鱼类行为的影响

1.4 生物式水质监测系统现状

1.5 论文组织结构

第2章 群体环境下鱼类个体行为的动力学与决策模型

2.1 引言

2.2 群体环境下单条鱼行为动力学模型

2.3 群体环境下单条鱼行为决策模型

2.4 小结

第3章 基于群体行为的单条鱼运动轨迹预测

3.1 引言

3.2 状态池网络介绍

3.3 单条鱼游动轨迹描述

3.4 基于状态池网络的群体行为编码

3.5 实验方案及结果分析

3.6 小结

第4章 受群体语义影响的单条鱼决策模型

4.1 引言

4.2 基于群体语义的单条鱼决策模型

4.3 单条鱼决策行为实验方案

4.4 实验结果分析

4.5 小结

第5章 基于鱼类行为变化的水质监测系统

5.1 引言

5.2 系统总体规划

5.3 系统功能实现

5.4 小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果