渡り鳥の群れの大域的な制御機構

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K12150
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 早川 美徳 東北大学, データ駆動科学・AI教育研究センター, 教授 (20218556)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 群れ / 集団動力学 / 編隊飛行 / 制御

Outline of Annual Research Achievements

研究３年目の年度は、前年度までに開発・改良を行った装置を用いてマガン等の編隊飛行のフィールド計測を継続し、更にデータを蓄積した。動画像のコンピュータへの取り込み機構を見直すことにより記録時間を大幅に伸ばすことが可能となり、単にデータ量の増加だけでなく、群れの合体や崩壊などの興味深いイベントを記録できる機会も増した。
屋外で撮影したステレオ画像から、個別の軌道を再構成する際の計算アルゴリズムについてもニューラルネットによる個体識別の信頼性の向上とカルマン平滑化等の改良を行うことで、概ね、カメラから250m程度の範囲内（時間に換算すると15秒程度）の群れの挙動の定量的な分析を可能とした。
大型の渡り鳥の飛行は、V字や鉤型の編隊が特徴的であるが、実際の飛行の様子を見ると隊形は時間空間的に大きく揺らいでおり、先頭付近から後方に波動が伝搬していることが、本研究の代表者による研究によって明らかにされている。そうした不安定性の発現は、群れのシステムとしての集団同力学的な特性に帰せられるものと予想していたが、その数理モデルとパラメータの同定が課題として残されていた。そこで、先行研究を参考に群れ運動のモデルを再検討し、それぞれの個体が前方個体からの位置と相対速度を目標に制御している一次元的なシステムと見なし、制御系としての安定性の理論解析とシミュレーションで行うと共に、粒子フィルターとマルコフ連鎖モンテカルロ法を用いて、実際の軌跡データから制御パラメータの推定を行うことに成功した。その結果は、群れの後方ほど揺らぎが増大すること、システムはある波長以上の擾乱に対して不安定となり、それが群れのサイズを決めている可能性があること、等、現実の観測をよく説明するものである。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

研究期間内に生じたコロナ禍の中で所属機関のオンライン授業実施の実務的な担当者を任されたため、当初に想定していたエフォートを本研究に割くことができなかったこと、および、2020年と2021年の冬季はフィールド計測を行っている地域の天候が悪く、さらに積雪が例年より多く渡り鳥の餌場が移動したため、定量的な分析が可能な好条件でのデータが十分に収集できなかったことにより、当初の計画よりも遅れている状況である。

Strategy for Future Research Activity

研究計画を１年間延長した上で、データ整理と分析、および結果を取りまとめに注力する方針である。

Causes of Carryover

コロナ禍の中で学内のオンライン授業対応の担当として業務負荷が増し研究時間の確保が難しかったこと、及び、悪天候のためにフィールド計測ができない日が多かったこと等により、研究計画そのものが遅れていることに加え、当初、データ分析のために購入を予定していたGPU計算機が、GPUの高騰と半導体不足の影響で、調達が難しくなったため、再度調査を行った上で次年度に購入するよう、計画を変更した。