[論文レビュー] Anticipation induces polarized collective motion in attraction based models

Daniel Strömbom, Alice Antia|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2017

Distributed Control Multi-Agent Systems参考文献 18被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、同期的でオフラティス、引力のみの自己駆動粒子モデルにおいて、近隣の未来の位置を予測すること（予測）が、従来のアライメントベースのモデルで予測が偏りを抑制するとされたのとは対照的に、集団的な運動の偏りを誘発することを示している。主な結果は、予測が偏りを直接的に引き起こすメカニズムとして機能し、それによって元々存在しなかった秩序ある集団の形成を可能にすることである。

ABSTRACT

In most models of collective motion in animal groups each individual updates its heading based on the current positions and headings of its neighbors. Several authors have investigated the effects of including anticipation into models of this type, and have found that anticipation inhibits polarized collective motion in alignment based models and promotes milling and swarming in the one attraction-repulsion model studied. However, it was recently reported that polarized collective motion does emerge in an alignment based asynchronous lattice model with mutual anticipation. To our knowledge this is the only reported case where polarized collective motion has been observed in a model with anticipation. Here we show that including anticipation induces polarized collective motion in a synchronous, off lattice, attraction based model. This establishes that neither asynchrony, mutual anticipation nor motion restricted to a lattice environment are strict requirements for anticipation to promote polarized collective motion. In addition, unlike alignment based models the attraction based model used here does not produce any type of polarized collective motion in the absence of anticipation. Here anticipation is a direct polarization inducing mechanism. We believe that utilizing anticipation instead of frequently used alternatives such as explicit alignment terms, asynchronous updates and asymmetric interactions to generate polarized collective motion may be advantageous in some cases.

研究の動機と目的

• 同期的でオフラティス、引力ベースのモデルにおいて、予測が偏りのある集団的運動を誘発するかどうかを調査すること。
• 予測が偏りを促進するために、非同期性、格子制約、または相互予測が必須かどうかを特定すること。
• 予測が引力のみのモデルにおけるミリングやスワーム形成に、安定化、促進、または抑制の効果を及ぼすかを明確にすること。
• 異なる集団的運動モデルにおいて、予測が偏りのメカニズムとして一般化可能かどうかを調査すること。

提案手法

• 各タイムステップで位置と進行方向を同時に更新する同期的でオフラティスの自己駆動粒子モデルが用いられる。
• ベースラインモデルでは、各粒子は半径R内の近隣の現在の位置を用いて、局所的重心（LCM）を計算する。
• 予測変種では、各粒子は現在の進行方向にδ距離だけ前方に予測された近隣の位置を用いて、LCM計算のための近隣粒子を特定する。
• 新しい進行方向は、LCMへの単位方向と現在の進行方向の線形結合として計算され、重みcが用いられる。
• 群れのタイプの遷移をマップするために、cの値（0.04から2.0）の範囲でシミュレーションが実行される。
• 偏り（α）とスケーリングされたサイズ（σ）を用いて偏りと群れのサイズを測定し、100回のシミュレーションの平均値をとる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同期的でオフラティス、引力のみのモデルにおいて、予測が偏りのある集団的運動を誘発するか？
• RQ2 予測が偏りを促進するために、非同期性、格子制約、または相互予測が必須か？
• RQ3 予測は、引力ベースのモデルにおけるミルやスワームの形成にどのように影響するか？
• RQ4 予測が明示的なアライメント項のないモデルにおいて、偏りの直接的メカニズムとして機能可能か？
• RQ5 予測の集団的運動への効果は、異なるモデルアーキテクチャにおいて一貫しているか？

主な発見

• 同期的でオフラティス、引力のみのモデルにおいて、予測が偏りのある集団的運動を誘発する。このモデルは、予測なしではミルやスワームしか生成しない。
• c ≈ 1.25で偏りの急激な遷移が観察され、予測なしでは群れが形成されない領域に、凝集的で偏りのある群れが出現する。
• スワーム形成は予測によって抑制され、cが増加するにつれて偏りが増加し、スワームサイズは減少する。
• ミル領域は予測によって部分的に不安定化され、小さなミルが偏りのある群れに置き換わる。
• 非同期性、格子制約、相互予測は、予測が偏りを促進するために必要ではないことが示された。
• 結果から、予測は集団的システムにおける偏り運動を生成する一般的で未利用のメカニズムであると考えられる。