基于信標(biāo)的多Agent系統(tǒng)的移動位置研究

楊志娟，楊陽

（長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022）

基于信標(biāo)的多Agent系統(tǒng)，與現(xiàn)有的多Agent系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的特性是Agent之間僅通過對無線信標(biāo)檢測的方式來進(jìn)行信息交互，Agent間通過發(fā)射、接收吸引和排斥兩種類型的信標(biāo)使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多個Agent共同合作、完成同一任務(wù)的功能［1］。其中吸引信標(biāo)用于資源分配（吸引Agent向指定的位置移動，如目標(biāo)物位置），而排斥信標(biāo)用來控制Agent的分布和密度，避免Agent模塊在移動過程中發(fā)生碰撞［2］。

但當(dāng)Agent接收到兩種類型的信標(biāo)時，其位置的變化情況與Agent的原始位置之間的具體關(guān)系還需進(jìn)一步的研究，本文通過仿真得出相應(yīng)的波形圖并分別進(jìn)行分析，并得出相應(yīng)的結(jié)論。

1 多Agent系統(tǒng)

該系統(tǒng)的運(yùn)行過程是：開始時，多個Agent在規(guī)定區(qū)域內(nèi)按各自的軌跡移動，且模塊上的傳感器實(shí)時地對周圍環(huán)境進(jìn)行目標(biāo)檢測，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，每個Agent都一直發(fā)射排斥信標(biāo)（防止與其他Agent發(fā)生碰撞），當(dāng)其中一個Agent發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物后，將再發(fā)射吸引信標(biāo)（此時，兩種信標(biāo)交替發(fā)射）來告知其他Agent已檢測到目標(biāo)物，并讓其他Agent向檢測到的目標(biāo)物位置移動，其他Agent接收到吸引信標(biāo)后，將不再按照各自的軌跡移動，而直接向目標(biāo)物的方向移動。Agent始終遵循其移動規(guī)則運(yùn)行，具體規(guī)則是利用Agent兩側(cè)離目標(biāo)物的距離不同，則Agent兩側(cè)接收的信標(biāo)強(qiáng)度值也不同，將Agent兩側(cè)接收到的信標(biāo)強(qiáng)度值進(jìn)行差運(yùn)算，Agent向數(shù)值較小的一側(cè)轉(zhuǎn)彎，與以上方式類似，并以一定頻率不斷地進(jìn)行差運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果判定Agent的移動方向，使Agent向目標(biāo)物靠攏。但同時Agent還受到排斥信標(biāo)的影響，當(dāng)接收到的排斥信標(biāo)不小于臨界值時，控制模塊將優(yōu)先處理排斥信標(biāo)，方式與處理吸引信標(biāo)的方式類似，也是將Agent兩側(cè)接收到的信標(biāo)強(qiáng)度值進(jìn)行差運(yùn)算，但Agent將向數(shù)值較大的一側(cè)轉(zhuǎn)彎。以上兩側(cè)接收到的信標(biāo)是分別通過Agent兩側(cè)的無線節(jié)點(diǎn)接收的。整個系統(tǒng)在兩種信標(biāo)的作用下運(yùn)行時，Agent在確保各自不發(fā)生碰撞的前提下，向目標(biāo)物的方向移動，并對目標(biāo)物進(jìn)行必要的包圍、攔截等任務(wù)。

當(dāng)Agent向目標(biāo)物的方向移動時，可受到兩種類型的信標(biāo)，由于無線節(jié)點(diǎn)是根據(jù)接收到的信標(biāo)強(qiáng)度值計(jì)算出與發(fā)射吸引信標(biāo)源點(diǎn)的距離，接收到的信標(biāo)強(qiáng)度值的變化可反映出本身與源點(diǎn)距離的變化情況。當(dāng)接收到的信標(biāo)強(qiáng)度值保持一定時，則表示自身離源點(diǎn)的距離保持不變，此時可視為Agent在區(qū)域內(nèi)處于靜止?fàn)顟B(tài)。

2 Agent模塊的位置移動研究

仿真時按Agent的初始位置不同，主要分三種情況進(jìn)行討論，第一種是Agent完全處于發(fā)射吸引信標(biāo)源點(diǎn)的排斥范圍以外的情況；第二種是Agent只有一側(cè)處于發(fā)射吸引信標(biāo)源點(diǎn)的排斥范圍以外的情況；最后一種是Agent的兩側(cè)完全處于發(fā)射吸引信標(biāo)源點(diǎn)的排斥范圍以內(nèi)的情況［3］。下面對這三種情況分別進(jìn)行仿真研究，并將三種情況下得出的結(jié)果進(jìn)行對比、分析及總結(jié)。

首先設(shè)置仿真的參數(shù)，設(shè)定當(dāng)Agent接收到的排斥信標(biāo)強(qiáng)度值不小于5時，表示Agent處于排斥范圍以內(nèi)，此時接收到的吸引信標(biāo)強(qiáng)度值不小于4設(shè)定Agent接收到的同一源點(diǎn)發(fā)射的排斥信標(biāo)的強(qiáng)度比吸引信標(biāo)的強(qiáng)度大，仿真時得出的排斥信標(biāo)強(qiáng)度與吸引信標(biāo)強(qiáng)度不等，有利于將仿真圖中的兩種類型的信標(biāo)強(qiáng)度及相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行對比分析。為了更好的模擬Agent的移動狀態(tài)，當(dāng)判定Agent向左轉(zhuǎn)彎移動時，設(shè)定Agent的左側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度變化量為0.2，右側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度變化量為0.1。當(dāng)判定Agent向右轉(zhuǎn)彎移動時，設(shè)定Agent的右側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度變化量為0.2，左側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度變化量為0.1。當(dāng)判定Agent直行時，設(shè)定Agent的左、右側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度變化量為0.15，但因?yàn)樵贏gent的移動規(guī)則中只有在接收到的信號強(qiáng)度值為0時，才執(zhí)行直行移動，因此判定直行的發(fā)生概率幾乎為0。且由于Agent兩側(cè)的距離較近，設(shè)置兩側(cè)接收到的信標(biāo)強(qiáng)度差值不大于0.2。

2.1 Agent完全處于源點(diǎn)的排斥范圍以外

先對Agent完全處于發(fā)射吸引信標(biāo)源點(diǎn)的排斥范圍以外的情況進(jìn)行討論，主要分Agent在初始位置接收的左側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度大于右側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度和左側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度不大于右側(cè)信標(biāo)兩種狀態(tài)［4］。當(dāng)接收的左側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度大于右側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度時，設(shè)置Agent在起始位置接收到的左、右初始位置排斥信標(biāo)強(qiáng)度值分別為3.2和3.1，接收到的左、右吸引信標(biāo)強(qiáng)度值分別為2.2和2.1，按照Agent的移動規(guī)則，對Agent接收到的前50次信標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果如圖1（a）所示，從左圖中可看出前13次的信標(biāo)強(qiáng)度成遞增趨勢，表明Agent在向發(fā)射吸引信標(biāo)的Agent位置靠近，但當(dāng)接收到的排斥信標(biāo)強(qiáng)度值為5，表明Agent剛處于發(fā)射吸引信標(biāo)的Agent的排斥范圍，此時吸引信標(biāo)強(qiáng)度為4，從后37次的信標(biāo)強(qiáng)度值得出排斥信標(biāo)強(qiáng)度值總是以5為邊緣值，吸引信標(biāo)強(qiáng)度總是以4為邊緣值，盡管會呈現(xiàn)出小范圍的波動。且根據(jù)前50次的Agent接收信標(biāo)強(qiáng)度值變化情況，可類推Agent接收到的信標(biāo)強(qiáng)度值將形成一個穩(wěn)定的動態(tài)。則Agent在區(qū)域內(nèi)，將處于動態(tài)的穩(wěn)定位置，且Agent左側(cè)相對于右側(cè)離源點(diǎn)的距離一般較近些。當(dāng)Agent處于發(fā)射吸引信標(biāo)源點(diǎn)的排斥范圍以外的情況下且Agent在初始位置上接收的左側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度不大于右側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度時，設(shè)置Agent在初始位置接收到的左、右排斥信標(biāo)強(qiáng)度值分別為3.1和3.2，左、右吸引信標(biāo)強(qiáng)度值分別為2.1和2.2，按照Agent的移動規(guī)則，對Agent接收到的50次信標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果如圖1（b）所示，信標(biāo)強(qiáng)度的變化與左圖相似，前13次表明Agent在向發(fā)射吸引信標(biāo)的Agent位置靠近，后37次的信標(biāo)強(qiáng)度值得出，后37次的排斥信標(biāo)強(qiáng)度值總是以5為邊緣值，吸引信標(biāo)強(qiáng)度總是以4為邊緣值，都呈現(xiàn)出小范圍的波動。且根據(jù)前50次的Agent接收信標(biāo)強(qiáng)度值變化，可類推Agent接收到的信標(biāo)強(qiáng)度值將形成一個穩(wěn)定的動態(tài)。則Agent在區(qū)域內(nèi)，將處于動態(tài)的穩(wěn)定位置。再將圖1中兩圖作對比分析兩種情況下的Agent最終都趨于一個穩(wěn)定的動態(tài)。

圖1 Agent完全處于源點(diǎn)的排斥范圍以外的信標(biāo)強(qiáng)度變化圖

2.2 Agent只有一側(cè)處于源點(diǎn)的排斥范圍以外

當(dāng)Agent只有一側(cè)處于發(fā)射吸引信標(biāo)源點(diǎn)的排斥范圍以外的情況下，且Agent在初始位置上接收的左側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度大于右側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度時，設(shè)置Agent在初始位置接收到的左、右排斥信標(biāo)強(qiáng)度值分別為5.1和4.9，接收到的左、右吸引信標(biāo)強(qiáng)度值分別為4.1和3.9，遵循Agent的移動規(guī)則，對Agent接收到的前50次信標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果如圖2（a）所示，Agent在起始位置時已處于發(fā)射吸引信標(biāo)的Agent的排斥范圍附近，Agent經(jīng)過一次信標(biāo)強(qiáng)度變化后，總是處于排斥范圍邊緣，呈現(xiàn)出小范圍的波動。且根據(jù)對前50次的Agent接收信標(biāo)強(qiáng)度變化情況可得出Agent將處于動態(tài)的穩(wěn)定位置。當(dāng)Agent在初始位置上接收的左側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度不大于右側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度時，設(shè)置Agent在初始位置接收到的左、右排斥信標(biāo)強(qiáng)度值分別為4.9和5.1，接收到的左、右吸引信標(biāo)強(qiáng)度值分別為3.9和4.1，遵循Agent的移動規(guī)則，對Agent接收到的前50次信標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果如圖2（b）所示，Agent在起始位置已處于發(fā)射吸引信標(biāo)的Agent的排斥范圍附近，Agent呈現(xiàn)出小范圍的波動。且可得出Agent將處于動態(tài)的穩(wěn)定位置。再將圖2中的兩圖進(jìn)行對比分析，當(dāng)Agent左側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度大于右側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度時，處于動態(tài)穩(wěn)定時左側(cè)距離源點(diǎn)的距離不大于右側(cè)，而當(dāng)Agent的右側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度大于左側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度時，處于動態(tài)穩(wěn)定時右側(cè)距離源點(diǎn)的距離不大于左側(cè)。表現(xiàn)出的是當(dāng)左側(cè)在排斥范圍內(nèi)時，Agent移動時左側(cè)將偏向于源點(diǎn)方向；當(dāng)右側(cè)在排斥范圍內(nèi)時，Agent移動時右側(cè)將偏向于源點(diǎn)方向，但總體都處于一個穩(wěn)定的動態(tài)。

2.3 Agent處于源點(diǎn)的排斥范圍內(nèi)側(cè)

圖2 Agent只有一側(cè)處于發(fā)射吸引信標(biāo)源點(diǎn)的排斥范圍以外的信標(biāo)強(qiáng)度變化圖

當(dāng)Agent的兩側(cè)完全處于發(fā)射吸引信標(biāo)源點(diǎn)的排斥范圍以內(nèi)的情況下，且Agent在初始位置上接收的左側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度大于右側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度時，設(shè)置Agent在初始位置接收到的左、右排斥信標(biāo)強(qiáng)度值分別為6.6和6.4，接收到的左、右吸引信標(biāo)強(qiáng)度值分別為5.6和5.4，按照Agent的移動規(guī)則，對Agent接收到的前50次信標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果如圖3（a）所示，前10次的信標(biāo)強(qiáng)度成遞減趨勢，表明Agent在遠(yuǎn)離發(fā)射吸引信標(biāo)的Agent，但當(dāng)接收到的排斥信標(biāo)強(qiáng)度值為5，表明Agent處于發(fā)射吸引信標(biāo)的Agent的排斥周圍，此時吸引信標(biāo)強(qiáng)度為4，這些現(xiàn)象可從后40次的信標(biāo)強(qiáng)度值得出，排斥信標(biāo)強(qiáng)度值總是以5為邊緣值，吸引信標(biāo)強(qiáng)度總是以4為邊緣值，都呈現(xiàn)出小范圍的波動。且根據(jù)前50次的Agent接收信標(biāo)強(qiáng)度值變化，可類推Agent接收到的信標(biāo)強(qiáng)度值將形成一個穩(wěn)定的動態(tài)，Agent在區(qū)域內(nèi)，將處于動態(tài)的穩(wěn)定位置。當(dāng)Agent在初始位置上接收的左側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度不大于右側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度時，設(shè)置Agent在初始位置接收到的左、右排斥信標(biāo)強(qiáng)度值分別為6.4和6.6，接收到的左、右吸引信標(biāo)強(qiáng)度值分別為5.4和5.6，按照Agent的移動規(guī)則，對Agent接收到的50次信標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果如圖3（b）所示，前10次的信標(biāo)強(qiáng)度成遞減趨勢，表明Agent在遠(yuǎn)離發(fā)射吸引信標(biāo)的Agent，但當(dāng)接收到的排斥信標(biāo)強(qiáng)度值為5，表明Agent處于發(fā)射吸引信標(biāo)的Agent的排斥周圍，此時吸引信標(biāo)強(qiáng)度為4，這些現(xiàn)象可從后40次的信標(biāo)強(qiáng)度值得出，排斥信標(biāo)強(qiáng)度值總是以5為邊緣值，吸引信標(biāo)強(qiáng)度總是以4為邊緣值，都呈現(xiàn)出小范圍的波動。且根據(jù)前50次的Agent接收信標(biāo)強(qiáng)度值變化，可類推Agent接收到的信標(biāo)強(qiáng)度值將形成一個穩(wěn)定的動態(tài)，Agent在區(qū)域內(nèi)，將處于動態(tài)的穩(wěn)定位置。再將圖3中的兩圖進(jìn)行對比分析，當(dāng)Agent左側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度大于右側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度時，處于動態(tài)穩(wěn)定時左側(cè)距離源點(diǎn)的距離不大于右側(cè)，Agent移動時左側(cè)將偏向于源點(diǎn)方向；而當(dāng)Agent的右側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度大于左側(cè)信標(biāo)強(qiáng)度時，處于動態(tài)穩(wěn)定時右側(cè)距離源點(diǎn)的距離不大于左側(cè)，Agent移動時右側(cè)將偏向于源點(diǎn)方向，但總體都趨于穩(wěn)定動態(tài)。

3 多Agent的位置狀態(tài)

以上是對單個Agent的移動軌跡進(jìn)行了分析，從上面的情況可總結(jié)出Agent從起始位置移動后，最終以發(fā)射吸引信標(biāo)的Agent的排斥距離的位置為中心，形成一個穩(wěn)定的震蕩。但其他未發(fā)射吸引信標(biāo)的Agent之間僅受排斥信標(biāo)影響，之間的距離將不小于最短的安全距離。在運(yùn)行過程中，由于是多個Agent共同執(zhí)行這一移動規(guī)則，將以發(fā)射吸引信標(biāo)的Agent為中心形成一個封閉區(qū)域，其密度由排斥臨界值ρ確定，如圖5中的虛線描述。在運(yùn)行過程中，Agent在其他Agent排斥范圍內(nèi)，將向遠(yuǎn)離的方向移動，當(dāng)不在排斥范圍內(nèi)時，將向發(fā)射吸引信標(biāo)位置移動，最終將形成一個穩(wěn)定的震蕩，即Agent在排斥范圍附近移動且始終保持在同一個區(qū)域內(nèi)。如圖4所示，在臨界位置處，以Agent n為參考位置，則另一個Agent的將會在距離Agent n不小于ρ且在臨界區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)，如出現(xiàn)在Agent n1、Agent n2或Agent n3位置。

圖3 Agent處于發(fā)射吸引信標(biāo)源點(diǎn)的排斥范圍以內(nèi)的信標(biāo)強(qiáng)度變化圖

圖4 Agent間的防碰撞的最小區(qū)域圖

隨著Agent的數(shù)量增多，Agent的位置將會靠近，當(dāng)數(shù)量增到一定時，在運(yùn)行過程中，每個Agent按照上述的移動規(guī)則，以一定的頻率執(zhí)行這一移動規(guī)則，從而向發(fā)射吸引信標(biāo)的Agent靠攏。由于是多個Agent共同執(zhí)行這一移動規(guī)則。將以發(fā)射吸引信標(biāo)的Agent為中心形成一個封閉區(qū)域，其密度由排斥臨界值確定，由圖5中的虛線描述。在運(yùn)行過程中，Agent在其他Agent排斥范圍內(nèi)，將向分離的方向移動，當(dāng)不在排斥范圍內(nèi)時，將向發(fā)射吸引信標(biāo)位置移動，最終將形成一個穩(wěn)定的震蕩，即Agent在排斥范圍附近移動，始終保持在同一個區(qū)域內(nèi)。形成一個長度約為臨界值ρ的六邊形網(wǎng)格形狀，如圖5所示的多個Agent達(dá)到平衡的位置。Agent之間處于最短的安全距離，此時Agent受到的信標(biāo)的吸引力和與其他Agent之間的排斥力將達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖5 多個Agent的平衡位置

4 結(jié)論

現(xiàn)有的多Agent系統(tǒng)，模塊間通信采用的是數(shù)字通信方式。相對而言硬件電路較復(fù)雜，且可靠性不高。基于以上原因，本文提出一種新型的多Agent系統(tǒng)，模塊間僅通過信標(biāo)檢測的方式進(jìn)行信息交互。對系統(tǒng)的運(yùn)行原理進(jìn)行了詳細(xì)的描述。并對Agent模塊的移動規(guī)則進(jìn)行主要的分析及研究，且通過仿真來進(jìn)一步進(jìn)行了驗(yàn)證。而且現(xiàn)如今無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展已趨于成熟化，將這一技術(shù)應(yīng)用到多Agent系統(tǒng)中，進(jìn)行了多方向的融合，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，具有很好的研究價(jià)值。

通過研究，初步了解在接收到吸引信標(biāo)和排斥信標(biāo)的情況下，Agent的運(yùn)行的最終狀態(tài)。但還需進(jìn)一步設(shè)計(jì)出實(shí)物并對該系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，最終能夠設(shè)計(jì)出功能全面的系統(tǒng)，并研究出的系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性能的驗(yàn)證。

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