التجمّع

📅 آخر تحديث: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 7 صور
الموسوعة الحرة
سربان من طيور الكركي الشائعة
سرب يشبه السرب من طيور الزرزور

التجمع هو السلوك الذي يظهر عندما تقوم مجموعة من الطيور، تُسمى سربًا ، بالبحث عن الطعام أو الطيران. كما تُظهر الأغنام والماعز سلوك التجمع. يُشبه تجمع الطيور والثدييات سلوك أسراب الأسماك، وغالبًا ما تُدرس هاتان الظاهرتان معًا.

يُعتقد عمومًا أن التجمع في أسراب ينشأ من الحاجة إلى الاختباء والحماية من المفترسات في سلوك الحيوانات. [ 1 ] وهذا سلوك ناشئ تحكمه قواعد محلية يتبعها الأفراد ولا ينطوي على أي تنسيق مركزي.

في الطبيعة

توجد أوجه تشابه مع سلوك تجمع الأسماك، وسلوك أسراب الحشرات، وسلوك قطعان الحيوانات البرية. خلال أشهر الشتاء، تشتهر طيور الزرزور بتجمعها في أسراب ضخمة تضم مئات إلى آلاف الأفراد، تُعرف باسم "الهمسات" ، والتي عندما تحلق معًا، تُشكّل عروضًا رائعة من الأنماط الدوامية المثيرة للاهتمام في السماء فوق المراقبين.

قياس

أُجريت قياسات لتجمعات الطيور [ 2 ] باستخدام كاميرات عالية السرعة، كما أُجري تحليل حاسوبي لاختبار قواعد التجمع البسيطة المذكورة أدناه. وُجد أن هذه القواعد تنطبق عمومًا على تجمعات الطيور، إلا أن قاعدة الجذب بعيد المدى (التماسك) تنطبق على أقرب 5-10 طيور مجاورة للطائر المتجمع، وهي مستقلة عن بُعد هذه الطيور عنه. إضافةً إلى ذلك، يوجد تباين في هذا الميل التماسك، حيث يظهر تماسك أكبر تجاه الطيور المجاورة على جانبي الطائر، مقارنةً بالطيور الموجودة أمامه أو خلفه. يُعزى ذلك على الأرجح إلى أن مجال رؤية الطائر أثناء الطيران يكون موجهًا إلى الجانبين بدلًا من الأمام أو الخلف مباشرةً.

وتستند دراسة حديثة أخرى إلى تحليل لقطات كاميرات عالية السرعة لأسراب الطيور فوق روما، وتستخدم نموذجًا حاسوبيًا يفترض قواعد سلوكية دنيا. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

الخوارزميات

تم استحداث خوارزميات متنوعة للمساعدة في دراسة التجمعات البيولوجية. وتختلف أصول هذه الخوارزميات، من رسومات الحاسوب إلى الفيزياء، حيث تقدم كل منها منظورًا فريدًا للظواهر الحقيقية.

يمكن تطبيق عمليات المحاكاة الحاسوبية والنماذج الرياضية التي طُوّرت لمحاكاة سلوكيات التجمع لدى الطيور، بشكل عام، على سلوك التجمع لدى أنواع أخرى. ونتيجة لذلك، يُستخدم مصطلح "التجمع" أحيانًا في علوم الحاسوب للإشارة إلى أنواع أخرى غير الطيور، بمعنى الحركة الجماعية لمجموعة من الكائنات ذاتية الحركة، وهو سلوك حيواني جماعي تُظهره العديد من الكائنات الحية مثل الأسماك والبكتيريا والحشرات . [ 7 ]

نماذج رينولدز

قام كريغ رينولدز بمحاكاة سلوك التجمع على جهاز كمبيوتر عام 1987 باستخدام برنامج Boids . [ 8 ] يحاكي هذا البرنامج كائنات بسيطة (boids) تتحرك وفقًا لثلاث قواعد أساسية: التباعد، والمحاذاة، والتماسك. وقد طُوِّرت النتيجة، المشابهة لتجمع الطيور أو سرب الأسماك أو سرب الحشرات ، لاستخدامها في المؤثرات البصرية للأفلام.

قواعد

سلوك "التماسك" في نموذج أسراب طيور البويدز

تخضع نماذج رينولدز لسلوك التجمع لثلاث قواعد بسيطة:

الانفصال
تجنب الازدحام مع الجيران (صد قصير المدى)
تنسيق
اتجه نحو متوسط ​​اتجاه الجيران
التماسك
اتجه نحو الموقع المتوسط ​​للجيران (جذب بعيد المدى)

بفضل هذه القواعد الثلاث البسيطة، يتحرك القطيع بطريقة واقعية للغاية، مما يخلق حركة وتفاعلاً معقدين يصعب للغاية إنشاؤه بطريقة أخرى.

صيغ القواعد المختلفة

تم توسيع النموذج الأساسي بعدة طرق مختلفة منذ أن اقترحه رينولدز. فعلى سبيل المثال، قام سي. ديلجادو-ماتا وآخرون [ 9 ] بتوسيع النموذج الأساسي في عام 2007 ليشمل تأثيرات الخوف. واستُخدمت حاسة الشم لنقل المشاعر بين الحيوانات، من خلال الفيرومونات التي تم نمذجتها كجسيمات في غاز يتمدد بحرية.

قدّم كريستوفر هارتمان وبيدريتش بينيس [ 10 ] في عام 2006 قوةً مكمّلةً للتوافق أطلقوا عليها اسم تغيير القيادة. ويحدد هذا التغيير فرصة الطائر في أن يصبح قائداً ويحاول الفرار.

نماذج فيسيك

اكتسب نموذج فيسيك (الذي سمي على اسم تاماس فيسيك ) من عام 1995 [ 11 ] ، وهو نموذج مبكر من مجال الفيزياء، اهتمامًا في دراسة التجمع كشكل من أشكال المادة النشطة، وهو نظام تتم فيه إضافة الطاقة باستمرار (على عكس النماذج الديناميكية الحرارية).

عند تطبيقها على الحركة الجماعية والتجمعات، تُظهر نماذج فيسيك أن مجموعة أبسط من القواعد، تتضمن سرعة ثابتة وجسيمات ذاتية الدفع ومحاذاة متجاورة، قادرة على تحقيق التجمعات الفرعية والدوران (بنى دوامية). وتُعد هذه النماذج جذابة في الفيزياء لبساطتها وعموميتها.

لكن هذه النماذج لا تُظهر تغيرات في السرعة بسبب الصعود والهبوط أثناء الطيران، أو ظواهر معقدة مثل موجات التوجيه الناتجة عن الرؤية الإدراكية.

نماذج الديناميكا الهوائية

استخدمت شارلوت ك. هيميلريك وهانو هيلدنبراندت في عام 2011 [ 12 ] الانجذاب والتوافق والتجنب، وقاموا بتوسيع ذلك ليشمل عددًا من سمات طيور الزرزور الحقيقية:

  • تطير الطيور وفقًا للديناميكا الهوائية للأجنحة الثابتة، بينما تدور عند الانعطاف (وبالتالي تفقد قوة الرفع)؛
  • إنهم ينسقون مع عدد محدود من الجيران المتفاعلين يبلغ 7 (مثل طيور الزرزور الحقيقية)؛
  • يحاولون البقاء فوق مكان نومهم (كما تفعل طيور الزرزور عند الفجر)، وعندما يتحركون للخارج من مكان نومهم، فإنهم يعودون إليه بالالتفاف؛
  • تتحرك بسرعة ثابتة نسبياً.

أظهر المؤلفون أن خصائص سلوك الطيران بالإضافة إلى حجم السرب الكبير وانخفاض عدد شركاء التفاعل كانت ضرورية لتكوين الشكل المتغير لأسراب طيور الزرزور.

نماذج التوجيه

قدّم راما كارل هوتزلين [ 13 ] نموذج التوجيه في عام 2024، والذي يفصل الجوانب الإدراكية لطيران الطيور عن النموذج الديناميكي الهوائي الأساسي، ويربط بين نظامي التحكم هذين فقط من خلال هدف اتجاهي مشابه للتحكم في الطيران الحقيقي. يعتمد النموذج الإدراكي لكل طائر على التوجيه، ويُسقط على كرة، مما يُطابق نظام الرؤية البيولوجية بشكل أدق. ناتج الإدراك هو زاوية اتجاه مستهدفة (وليست متجهة)، تُستخدم للتحكم في نموذج ديناميكي هوائي يشبه إلى حد كبير جهاز محاكاة الطيران. يربط تحليل الطاقة والتردد في هذا العمل دراسة حركية الطيور الحقيقية بنماذج المحاكاة. يُظهر هذا النموذج لأول مرة موجات توجيهية عفوية ناشئة، وهي سمة أساسية في أسراب الطيور.

تعقيد

في محاكاة أسراب الطيور، لا يوجد تحكم مركزي؛ يتصرف كل طائر بشكل مستقل. بعبارة أخرى، يتعين على كل طائر أن يقرر بنفسه أي الأسراب يعتبرها بيئته.

يتميز التطبيق الأساسي لخوارزمية التجمع بتعقيديا(ن2){\displaystyle O(n^{2})}– يمكن لكل طائر أن يتفاعل ويستجيب لكل طائر آخر. ولتقليل التعقيد، يُفترض أن الطيور تتفاعل فقط مع عدد محدود من جيرانها مكانيًا في بُعدين أو ثلاثة أبعاد. وقد ثبت ذلك تجريبيًا في عام 2008 من قِبل باليريني وآخرون [ 14 ]، حيث أظهروا أن طيور الزرزور تتفاعل عادةً مع سبعة جيران طوبولوجيين على الأكثر.

التحسينات:

  • التقسيم المكاني. [ 15 ] يتم تقسيم كامل مساحة/حجم القطيع بشكل متساوٍ. يخزن كل صندوق الطيور التي يحتويها. في كل مرة ينتقل فيها طائر من صندوق إلى آخر، يتم تحديث محتويات الصندوق.
    • تعقيد:يا(نك){\displaystyle O(nk)}، k هو عدد الصناديق المحيطة التي يجب أخذها في الاعتبار.

قام كل من لي سبيكتور، وجون كلاين، وكريس بيري، ومارك فاينشتاين بدراسة ظهور السلوك الجماعي في أنظمة الحوسبة التطورية. [ 16 ]

أثبت برنارد شازيل أنه بافتراض أن كل طائر يُعدّل سرعته وموقعه وفقًا للطيور الأخرى ضمن نطاق ثابت، فإن الزمن اللازم للوصول إلى حالة استقرار هو دالة أسية متكررة ذات ارتفاع لوغاريتمي في عدد الطيور. وهذا يعني أنه إذا كان عدد الطيور كبيرًا بما يكفي، فسيكون زمن التقارب طويلًا جدًا لدرجة أنه قد يكون لانهائيًا. [ 17 ] تنطبق هذه النتيجة فقط على التقارب نحو حالة استقرار. على سبيل المثال، إطلاق السهام في الهواء على حافة سرب من الطيور سيؤدي إلى رد فعل السرب بأكمله بسرعة أكبر مما يمكن تفسيره بالتفاعلات مع الطيور المجاورة، والتي تتباطأ بسبب التأخير الزمني في الجهاز العصبي المركزي للطيور - من طائر إلى آخر.

التطبيقات

قد يحدث سلوك يشبه سلوك القطيع لدى البشر عندما ينجذب الناس إلى نقطة محورية مشتركة أو عندما يتم صدهم، كما هو موضح أدناه: حشد يفرّ من صوت إطلاق النار.

في مدينة كولونيا الألمانية، أثبت عالما أحياء من جامعة ليدز سلوكًا شبيهًا بسلوك القطيع لدى البشر. فقد أظهرت مجموعة من الأشخاص نمطًا سلوكيًا مشابهًا جدًا لسلوك القطيع، حيث إذا غيّر 5% من القطيع اتجاهه، فإن البقية تحذو حذوه. وعندما تم تحديد شخص واحد على أنه مفترس، وطُلب من الجميع تجنبه، تصرف القطيع بشكل مشابه جدًا لسلوك سرب من الأسماك. [ 18 ]

كما تم اعتبار التجمع وسيلة للتحكم في سلوك المركبات الجوية غير المأهولة (UAVs). [ 19 ]

تُعدّ تقنية التجمع الحرّ شائعة في شاشات التوقف ، وقد وجدت استخدامًا لها في الرسوم المتحركة. استُخدمت هذه التقنية في العديد من الأفلام [ 20 ] لتوليد حشود تتحرك بشكل أكثر واقعية. فعلى سبيل المثال، ظهر الخفافيش في فيلم "عودة باتمان " (1992) للمخرج تيم بيرتون وهي تتحرك في أسراب.

استُخدم سلوك التجمع في تطبيقات أخرى مثيرة للاهتمام. فقد طُبِّق لبرمجة محطات الراديو متعددة القنوات عبر الإنترنت تلقائيًا. [ 21 ] كما استُخدم أيضًا لعرض المعلومات بصريًا [ 22 ] ولأغراض التحسين. [ 23 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ هاميلتون، دبليو دي (1971). "هندسة القطيع الأناني" . مجلة البيولوجيا النظرية . 31 (2): 295-311 . Bibcode : 1971JThBi..31..295H . doi : 10.1016/0022-5193(71)90189-5 . PMID 5104951 . 
  2. ↑ فيدر، توني (أكتوبر 2007). "الفيزياء الإحصائية للطيور" . مجلة الفيزياء اليوم . 60 (10): 28-30 . Bibcode : 2007PhT....60j..28F . doi : 10.1063/1.2800090 .
  3. ↑ هيلدنبراندت، هـ؛ كارير، س؛ هيميلريك، س ك (2010). "عروض جوية ذاتية التنظيم لآلاف طيور الزرزور: نموذج" . علم البيئة السلوكية . 21 (6): 1349-1359 . arXiv : 0908.2677 . doi : 10.1093/beheco/arq149 .
  4. ↑ هيميلريك، سي كيه؛ هيلدنبراندت، إتش (2011). "بعض أسباب الشكل المتغير لأسراب الطيور" . PLOS ONE . 6 (8) e22479. Bibcode : 2011PLoSO...622479H . doi : 10.1371/ journal.pone.0022479 . PMC 3150374. PMID 21829627 .  
  5. ↑ مشروع ستار فلاج
  6. ↑ نموذج سلوك السرب من جامعة جرونينجن
  7. ↑ أو'لون، أو جيه؛ إيفانز، إم آر (1999). "حالة الاستقرار المتناوبة في التجمع أحادي البعد". مجلة الفيزياء أ: الرياضية والعامة . 32 (8). دار نشر IOP: L99. arXiv : cond-mat/9811336 . Bibcode : 1999JPhA...32L..99O . doi : 10.1088/0305-4470/32/8/002 . S2CID 7642063 . 
  8. ↑ رينولدز، كريج دبليو. (1987). "القطعان والأسراب والمدارس: نموذج سلوكي موزع". مجلة ACM SIGGRAPH للرسومات الحاسوبية . المجلد 21. الصفحات 25-34 .  
  9. ↑ ديلغادو-ماتا، سي.، إيبانيز، ج.، بي، إس.، وآخرون . (2007). "حول استخدام الحيوانات الافتراضية ذات الخوف الاصطناعي في البيئات الافتراضية". الحوسبة من الجيل الجديد . 25 (2): 145-169 . doi : 10.1007/s00354-007-0009-5 . S2CID 26078361 .  
  10. ↑ هارتمان سي، بينيس بي (2006). "المخلوقات ذاتية التشغيل". الرسوم المتحركة الحاسوبية والعوالم الافتراضية . 17 ( 3-4 ): 199-206 . doi : 10.1002/cav.123 . S2CID 15720643 . 
  11. ↑ فيسيك، ت.؛ تشيروك، أ.؛ بن يعقوب، إ.؛ كوهين، إينون؛ شوشيت، أ. (1995)، "نوع جديد من التحول الطوري في نظام من الجسيمات ذاتية الحركة"، رسائل المراجعة الفيزيائية ، 75 (6): 1226-1229 ، arXiv : cond-mat/0611743 ، Bibcode : 1995PhRvL..75.1226V ، doi : 10.1103/PhysRevLett.75.1226
  12. ↑ هيميلريك، سي كيه؛ هيلدنبراندت، إتش. (2011). "بعض أسباب الشكل المتغير لأسراب الطيور" . PLOS ONE . 6 (8) e22479. Bibcode : 2011PLoSO...622479H . doi : 10.1371/ journal.pone.0022479 . PMC 3150374. PMID 21829627 .  
  13. ↑ هوتزلين، آر سي (2024). "Flock2: نموذج للتجمع الاجتماعي القائم على التوجه" . مجلة البيولوجيا النظرية . 593 111880. arXiv : 2404.17804 . Bibcode : 2024JTBio.59311880H . doi : 10.1016/j.jtbi.2024.111880 . PMID 38972569 . 
  14. ↑ باليريني م.؛ كابيبو ن.؛ كانديلييه ر.؛ كافانيا أ.؛ سيسباني إ.؛ جياردينا إ.؛ ليكومت ف.؛ أورلاندي أ.؛ باريسي ج.؛ بروكاسيني أ.؛ فيالي م.؛ زدرافكوفيتش ف. (2008)، التفاعل الذي يحكم السلوك الجماعي للحيوانات يعتمد على المسافة الطوبولوجية وليس المسافة المترية: أدلة من دراسة ميدانية ، المجلد 105، وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم، الصفحات 1232-1237  
  15. ↑ هوتزلين، ر. (2014)، أقرب الجيران السريع ذو نصف القطر الثابت: سوائل تفاعلية بملايين الجسيمات ، مؤتمر تقنية وحدة معالجة الرسومات
  16. ↑ سبيكتور، ل.؛ كلاين، ج.؛ بيري، س.؛ فاينشتاين، م. (2003). "ظهور السلوك الجماعي في مجموعات متطورة من العوامل الطائرة" . وقائع مؤتمر الحوسبة الجينية والتطورية (GECCO-2003) . سبرينغر-فيرلاغ . تاريخ الاسترجاع: 1 مايو 2007 .
  17. ↑ برنارد شازيل، تقارب أسراب الطيور ، مجلة ACM 61 (2014)
  18. ↑ " http://psychcentral.com/news/2008/02/15/herd-mentality-explained/1922.html مؤرشف بتاريخ 29 نوفمبر 2014 في أرشيف الإنترنت ". تم الاطلاع عليه بتاريخ 31 أكتوبر 2008.
  19. ↑ سيناياكي، م.، سينثوران، إ.، باركا، ج.س.، تشونغ، هـ.، كامروزمان، ج.، ومرشد، م. "خوارزميات البحث والتتبع لأسراب الروبوتات: دراسة استقصائية."
  20. ↑ غاباي، جيه إم إي (2005). التعقيد وصناعة الطيران: فهم الظهور من خلال ربط البنية بالأداء باستخدام أنظمة متعددة العوامل (أطروحة). مانشستر: أطروحة دكتوراه من جامعة مانشستر. مؤرشفة من الأصل بتاريخ 19 ديسمبر 2014. تم الاطلاع عليها بتاريخ 21 فبراير 2007 .
  21. ↑ إيبانيز ج، غوميز-سكارميتا أ.ف، بلات ج (2003). "دي جي-بويدز: السلوك الجماعي الناشئ كبرمجة لمحطات الراديو متعددة القنوات". وقائع المؤتمر الدولي الثامن حول واجهات المستخدم الذكية . ص 248-250 . doi : 10.1145/604045.604089 . 
  22. ↑ موير، أ. ف. (2004). "تصور البيانات المتغيرة مع الزمن باستخدام طيور المعلومات المتجمعة" (ملف PDF) . وقائع ندوة IEEE حول تصور المعلومات . الصفحات 97-104 . doi : 10.1109/INFVIS.2004.65 . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 9 أكتوبر 2022. 
  23. ↑ كوي ز، شي ز (2009). "تحسين سرب الجسيمات". المجلة الدولية للحوسبة والتطبيقات المبتكرة . 2 (2) 31778: 77– 85. doi : 10.1504/IJICA.2009.031778 .

مصادر