文摘

揭示潜在的决策策略管理高组偏振伴随着冲突的个人偏好会中部社会动物的生活。特此,我们构造一个结构化的自旋模型按照实证验证,显示了独特的个人偏好从一个共识内稳态收敛到另一个最低的平衡。验证理论推导,我们使用高分辨率时空的GPS数据的一群三十鸽子和研究系统性旋转的动态演化机制。在其中,我们发现成功的旋转方向转换需要足够数量的支持者。几个发起人触发转换从一个平衡状态向另一个阶段,在对称瞬态表示钻石分级网络完成的中间体和后面的人。通过进一步研究自然,我们强烈表明,决策序列触发和影响个人立场和被领导的关系。因此,我们可以预测哪些个人更有可能做出决定前初始过渡的时刻,谁将完全停止。因此,揭示决策策略有助于全面了解集体行为的转变。

1。介绍

集体行为的自然动物组织是自然界中最引人注目的社会表现。底层个人间交互原则,决策策略,和触发从非平衡态过渡到重要共识体内平衡有经典[引起了相当大的关注1]。一个长期存在的问题是群居动物运动偏好冲突影响了信息的流动,给在决策小组成员不同的权重。一般来说,集体决策可以由一个专制的领导人,可以由层次结构的影响,或者出现从一个共享的民主进程2]。从教育鱼收集的证据表明,这个过程是民主的,最近的邻居和多数塑造整体的集体行为,和无知的个人可以促进民主共识(3]。在动物组织与明显的等级森严的社会结构,如大象(4[],海豚5),和灵长类动物6),然而,这样的民主可能被专制取代。因此,揭示了战略决策管理的高极化集体行为仍然是一个核心挑战对于理解动物的社会复杂性。研究线后,不同的建模研究开发阐明复杂的集体决策过程和策略在动物群体。广泛使用模型的基本方面,常见的是,他们对个人决策策略从一个假设开始,然后进行集体决策的一体化进程作为一个聚合的结果。这样的假设个体决策主要包括群体反应(7- - - - - -9依赖政府,对齐(10- - - - - -14),自信/提交[15- - - - - -17),和妥协策略(2,18,19]。这些基于代理模型采用各种决策规则推动个人已经足够现实的再现许多观察到的现象,因此有利于更好地理解许多自行式实体组成的系统的复杂性(20.,21]。

更关键的是,为了深入确定决策策略是基于什么协调个人、集体运动和实证研究验证前期类型的模型是必要的。最近,Ballerini et al。22]采用图像处理方法在一大群的椋鸟收集数据并提出了一种共享信息的可能性,每一只鸟只有固定数量的拓扑邻居沟通,而不是个人在一个特定的度量距离假定在著名的标准Vicsek模型(23]。通过使用另一种新兴技术在收集实验数据,即。GPS跟踪设备,纳吉et al。24]显示等级领导结构在小鸽子羊群,它反映了多层被领导关系管理他们的决策过程。这样一个层次的领导发现独立于主导地位排名在鸽子的羊群25]。相比之下,虽然网络在狗26)由被领导关系也分级,重要的层次和年龄之间的相关性被发现,主导地位等级,可训练性,可控性和侵略的措施。事实上,专制决策更明显在狼群的掠夺性行为27]。先前的研究在专制的神秘非洲象群提供了更好地了解,主导地位等级关系在家庭和高度不对称的二分体内传递,这样老了,更大的雌性一直主导决策的其他个人(28,29日]。一个未经检验的假设因此自然出现,动物组织更高的智慧更有可能采取专制决策策略。

因此,推断出决策策略,如图我们关注自由飞行1(一)并进行详细调查高时空分辨率GPS数据集。其中,三个羊群有十个人30释放贴上的羊群 , ,和从[25]。每个版本持续两到七分钟。由于GPS设备的限制 - - - - - -轴和飞行高度在每个版本的平均标准偏差是足够小,它只可以使用 - - - - - -和 - - - - - -轴的数据调查与前面的研究(24,25]。随后,我们构建一个结构化的旋转模型,显示了独特的个人偏好从一个共识内稳态收敛到另一个最低的平衡。验证理论推导,我们研究系统性旋转的动态演化机制。在那里,我们发现成功的转换需要足够数量的支持者。通过进一步研究起源,我们表明,决策序列触发和强烈的空间位置和被领导关系的影响。因此,我们可以推断出个体更可能做出决定之前的过渡时刻,谁将完全停止。

2。结果

2.1。推理决策策略

动态平衡是一个公理的概念,它可以被视为没有宏观变化发生在内部热力学平衡的系统。类似地,在鸟群飞行高极化,例如,导航飞行的鸽子群(30.),经常遇到的是interagent空间位置保持相对稳定,这可以被看作是一个平衡态。全球的程度排序在一群所谓的有序参数可以测量 ,是受雇为一个标准的指数全球秩序在集体动物行为的研究(23]。其中,表示鸟的速度在水平平面个体的总数在羊群。显然,该指数完全无序时,一个完全同步的羊群。此外,我们引入内部角动量的概念从量子力学31日),即个体的自旋, (32),与表示个人的惯性矩 。在这项研究中,我们关注的是鸽子自由飞行的羊群,在个人盘旋在家中阁楼自发变化的旋转方向。为简单起见,我们认为每一个将作为匀速圆周运动的一部分,没有噪音和规范化自旋在这项研究中,例如, 对于任何两个人和 。因此,正交于速度和向心加速度向量,和它的积极的和消极的归一化值表示逆时针顺时针(漫画)和(C.C.W.)将通过简单地用右手螺旋法则。然后我们开发替代有序参数,即 ,体现了整个羊群集体决定。请注意,是一个象征矢量值相当于的总和 。的价值指数是零完全冲突的国家的支持者和反对者一半一半,然后呢 完全一致的决策在漫画和C.C.W.切屑,分别。

如数据所示1 (b)和1 (c),我们表现出的概率分布决策极化 。索引值的减少和增加,整个群逐渐改变旋转方向从逆时针顺时针,反之亦然,分别。对称的概率分布表明更多的人改变他们的旋转方向在中期内,而定向切换鸽子的数量逐渐减少在前面,后来时间。拟合曲线表明,自发的变化决定飞行方向遵循一个高斯分布。它提供了一个证据异构群鸽子不同耐力如何实现旋转方向的共识决策自由飞行。解释在于先前的数值研究,每一个个体都有损耗时间遵循一个高斯分布。当一只鸽子感到疲倦或只是想要改变旋转方向,但大多数人不是这样,它必须妥协不情愿,但越来越多的更大的强度改变。因此,当成员积累了足够多的愿意改变旋转方向,他们推动整个羊群开关(33,34]。此外,分布如图1表明,鸽子的羊群在自由飞行采用对称菱形结构决策,而不是金字塔型被领导层次结构(24]。不仅意味着领导者发起改变旋转方向,存在一个对称后个人完成瞬态到另一个平衡状态。

理论验证:分布建议一个对称菱形结构决策,与前面的金字塔型(24],星形[35),v型层次结构(36鸟群中观察到。注意,我们正常化相变时间定义为完成从一个平衡状态过渡到另一个,也就是说,从发起人的时间最后一个改变的方向旋转 。

理论描述基于对齐的集体运动广泛的动态,即每个个体倾向于保持其运动方向尽可能接近它的邻居。Vicsek风格的集体运动动力学无噪声情况如下: 的向量个人的速度吗和总结所有邻居的延伸的 。类似地,我们可以遵循的精神一致性的假设,随后有旋转动力学: 在哪里是两个邻近的个体之间的相互作用强度和过渡态的决策。我们假设,在一个小鸽子群,所有人都为彼此共同的邻居。这种动态的交互规则让人想起经典的海森堡模型,这是制定在一个三维晶格, 与 表示规范化和旋转 只有在和是邻居。常见的简化是假设所有最近的邻居有相同的作用强度,然后 对所有个人双和 。如果旋转的两个典型变量,其他将速度阶段个体的内部空间匀速圆周运动。然而,瞬态决策过程绝对不能捕获根据最简单的海森堡模型和正则变量旋转和速度阶段。

在一个连续时间的一群个人,哈密顿和更新规则(2)可以等同于得到以下方程:

因此,每个变化决定社会力量 ,由它的邻居。过渡态的决策,很明显 的发展, 从漫画共识将C.C.W.平衡,或相反的相反的情况。总自旋 漫画是恒定的平衡或贝分别W将由于旋转对称。然而,没有保护过渡态,因为我们知道明显的变体时间演化过程 ,我们可以获得以下:

关系(4)包含的理论动态 ,这意味着更多的支持者产生更快的旋转方向变化的过渡。哈密顿方程(3)在这项研究包含离散变量,代表个人的内在属性被称为自旋允许交互与邻国。

2.2。重要的诱导决策

探索因素诱导鸽子的瞬态对称决策羊群,我们调查的所有个人的空间位置。如图2,在羊群的个人决策序列明显受地理位置的影响。发起者的平均位置的过渡从C.C.W.转向漫画将总是扮演主角在正确的方面,而追随者是线性分布的前左后(见羊群 , ,和在补充材料)。有趣的是,人是最后完成定位背后的对称。留下了强烈的印象,尖端的引发剂使至关重要的决定(例如,逃避天敌的猎物),其他人跟随秩序,绘制完成停止背后的保护者定位对称。

层次领导结构在小鸽子群被发现在前面研究[24),这表明多层被领导关系管理他们的决策过程。此外,这样一个层次的领导发现独立于主导地位排名在鸽子的羊群25]。由于空间位置和主从式显著相关,我们随后展览发起者职业的分布率在图3。与之前的研究相比(25)主导地位等级和层次的领导结构,可以看出发起者占领率没有显著相关性与主导地位等级包括feeding-queueing和等级排名。此外,它也表明,年龄、体重和性别诱导主导排名的主要因素(25)没有相关决策序列在鸽子的羊群。然而,令我们吃惊的是,个人占据最高的发起者位置只是一个顶层的等级制结构构造的时间延迟velocity-velocity相关性(24]。注意,图的层次结构3表明平均被领导关系在整个自由飞行。因此,我们可以认为领导者在顶层决策的发起者和飞的羊群在大多数情况下。因此,我们建立了决策之间的联系,空间位置,和层次的领导,我们可以推断出谁会的发起人决策的鸽子群中最直观的空间分布。

3所示。讨论和结论

除了关注集体运动的吸引人的行为特征,例如,共识和其他特定的模式,它是至关重要的探索决策过程的机制和动力学在个体水平。经典,集体决策被视为个体之间的被领导关系的结果,但如何决策仍然是一个underinvestigated问题。层次或集中控制模型受到了最近的理论和实验结果,表明,领导可以更多的分布。此外,自组织过程可以占集体行为在许多不同的物种,即使在那些高认知复杂性的特征。

特此,推断出决策策略,我们关注自由飞行和全面数据集进行详细调查的四个鸽子群有不同的群号码。我们构建一个最低限度的结构化自旋模型按照最大熵方法,显示了独特的个人偏好从一个共识内稳态收敛到另一个最低的平衡。验证理论推导,我们研究系统的动态演化机制旋转表示集团决定,我们发现,除了可预见的妥协的少量的发起者,成功的转换需要足够数量的支持者。几个发起人触发转换从一个平衡状态向另一个阶段,在对称瞬态指示完成层次网络中间体和后面的人。这个观察钻石形的决策结构不同于典型的金字塔型,星形,v型层次结构中观察到鸟群。

揭示鸽子的对称决策羊群的起源,我们发现决策序列触发和强烈的空间位置和被领导关系的影响,而不是主导地位等级。这不足为奇,因为层次领导模式来自一个匿名的鸟群中观察到,自组织机制与飞行速度的个体差异有关。领导人更有效地学习期间免费航班,和一个可能的解释是,更快的鸟类飞行前的决策羊群别无选择,而慢的追随者能够依靠社会信息。增强学习的领导人将加强某一特定方向上信息传递的羊群。然而,发现对称的决策策略意味着其他个体除了发起者不是等价的追随者。最特别的追随者是飞行在后面,这留给我们深刻的印象,它充当保护者响应启动程序。这是由于这样的事实,头部和尾部是当鸽子成群捕食者面临的重要组成部分。综上所述,我们建立了决策之间的联系,空间位置、层次的领导结构,允许我们预测哪些个人更有可能做出决定之前的过渡时刻,谁将完成过渡。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了中央大学基础研究基金(批准号2242019 k40111),中国国家自然科学基金(批准号61903079)、“Zhishan”东南大学学者计划,新泽西理工大学引进人才科研基础(YKJ202015),项目由江苏省博士后科学基金资助(2021 k397c),网络化的集体智慧和江苏省重点实验室(批准号BM2017002)。