多智能體集群系統(tǒng)研究現(xiàn)狀綜述

張耕磊 哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院

引言：在生物群落中有一種現(xiàn)象普遍存在：大量的生物個(gè)體通過個(gè)體間局部的信息通訊，以一種簡單的規(guī)則呈現(xiàn)的具有一定復(fù)雜性和全局性的群體運(yùn)動(dòng)，如大雁的“人”字型遷徙、魚群的環(huán)繞運(yùn)動(dòng)等，本文將之稱為“集群系統(tǒng)的編隊(duì)行為”。在這類行為中，雁群、魚群等稱被稱為“集群系統(tǒng)”。本文對(duì)生物集群系統(tǒng)的探索也主要基于仿生學(xué)的研究，對(duì)自然現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，進(jìn)而得到理想的集群系統(tǒng)模型。

1.集群系統(tǒng)的概念

集群系統(tǒng)的模型主要描述的是空間內(nèi)的大量個(gè)體往一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的行為，同時(shí)也要求所有個(gè)體最終具有相同的速度，但是彼此之間也相互保持距離以免發(fā)生碰撞。對(duì)于每一個(gè)個(gè)體而言，它們彼此之間可以進(jìn)行信號(hào)的通信，但是這種通信僅限于個(gè)體的鄰居之間，通過領(lǐng)航者對(duì)信息的逐級(jí)傳導(dǎo)，進(jìn)而使得這些比較簡單的個(gè)體在一定的指令下呈現(xiàn)十分震撼的群體效果。如無人艦艇的協(xié)同作戰(zhàn)、坦克機(jī)車協(xié)同編隊(duì)以及無人機(jī)大規(guī)模編隊(duì)飛行等。由于集群系統(tǒng)內(nèi)部的個(gè)體之間的相互合作和自組織性，所以集群系統(tǒng)的魯棒性和自適應(yīng)性具有較強(qiáng)的先天優(yōu)勢。那么本文有必要對(duì)集群系統(tǒng)的編隊(duì)進(jìn)行系統(tǒng)的、深入的學(xué)習(xí)和研究。在進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)生活自動(dòng)化的同時(shí)，促進(jìn)國防和民生建設(shè)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)學(xué)、系統(tǒng)學(xué)和生物學(xué)的學(xué)

2.集群系統(tǒng)研究的發(fā)展歷史

在集群系統(tǒng)中，每個(gè)個(gè)體都是“智能體”，控制則體現(xiàn)于智能體之間的信息交流和自組織規(guī)則。1987年，Reynolds 在集群系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真方面做出了突破性的工作，提出了集群行為的三個(gè)基本原則：

1. 群體中每個(gè)智能體都有向相鄰的智能體靠近的趨勢。

2. 每個(gè)智能體都會(huì)保持不與鄰近智能體碰撞。

3. 系統(tǒng)中所有智能體的速度都趨于一致。

通過以上三條原則，Reynolds提出了著名的“Boid”模型。Vicsek在1995年提出了一種簡單的離散時(shí)間動(dòng)態(tài)模型，這一模型基于速度匹配規(guī)則，假設(shè)每個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)速率不變，每個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樵摿Ｗ酉噜弲^(qū)域內(nèi)所有粒子運(yùn)動(dòng)方向平均值的隨機(jī)攝動(dòng)。

Olfati-Saber和Murray提出處理集群系統(tǒng)一致性問題理論架構(gòu)，設(shè)計(jì)了最基本的一致性算法。得出網(wǎng)絡(luò)的代數(shù)連通度可以表征集群系統(tǒng)收斂速度的結(jié)論，給出了集群系統(tǒng)算法達(dá)到平均一致的充要條件。進(jìn)入21世紀(jì)，F(xiàn)inke等人提出了多無人自主車系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制模型。Lenoard等人對(duì)無人車系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)，提出了“虛擬領(lǐng)導(dǎo)者”的概念，虛擬領(lǐng)導(dǎo)者可以對(duì)集群系統(tǒng)的隊(duì)形和系統(tǒng)的下一步運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行指導(dǎo)。

我國學(xué)者對(duì)集群系統(tǒng)的編隊(duì)控制也有較多卓著的貢獻(xiàn)，取得了一定的科研成果。陳關(guān)榮對(duì)集群系統(tǒng)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)一致性的研究提出了整體的框架，虞文武對(duì)集群系統(tǒng)的一致性條件進(jìn)行了探索，提出系統(tǒng)滿足一致性的充分必要條件。

如今，集群系統(tǒng)編隊(duì)的發(fā)展已日臻完善，隨著機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入“智能機(jī)器人”時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展的階段。三維空間多智能體協(xié)同編隊(duì)控制也應(yīng)用于許多行業(yè)和領(lǐng)域，組成多智能體網(wǎng)，在多方面都有十分出色的表現(xiàn)。

3 集群系統(tǒng)研究研究意義

集群系統(tǒng)編隊(duì)控制是一個(gè)新興方向，集群協(xié)同控制問題一直是多智能體集群研究的重點(diǎn)，問題可以分為兩類：一種是編隊(duì)控制問題，另一種是非編隊(duì)控制問題，如任務(wù)分配和分布式監(jiān)測等。

多智能體編隊(duì)的問題被分為編隊(duì)的形成，編隊(duì)的保持、編隊(duì)的變換、避障與路線規(guī)劃等。它在智能機(jī)器人編隊(duì)、現(xiàn)代戰(zhàn)爭、資源探測等方面都有很好的應(yīng)用前景。

3.1 集群系統(tǒng)編隊(duì)控制對(duì)智能機(jī)器人編隊(duì)的意義

1959 年，從美國科學(xué)家Ingeborg和Devol創(chuàng)造出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，世界各國學(xué)者對(duì)機(jī)器人的研究一直未停止過 [6]，機(jī)器人的功能越來越接近人的功能，甚至是思維。但是，機(jī)器人的智能化也體現(xiàn)出單機(jī)器人功能的局限性。單個(gè)的智能機(jī)器人逐漸難以滿足人民的需要。機(jī)器人集群系統(tǒng)在信息共享、處理和控制等方面都有著較強(qiáng)的優(yōu)勢。

3.2 集群系統(tǒng)編隊(duì)控制對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的意義

第二次世界大戰(zhàn)以來，武器裝備的發(fā)展呈現(xiàn)出大規(guī)模、精確化的趨勢。地面戰(zhàn)爭中的編隊(duì)化以及艦艇的協(xié)同作戰(zhàn)都將是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要發(fā)展方向。在戰(zhàn)爭中，編隊(duì)可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)，集群中一臺(tái)被擊毀，其他裝備可以迅速重整隊(duì)形進(jìn)行作戰(zhàn)。

3.3 集群系統(tǒng)編隊(duì)控制對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的意義

隨著地球現(xiàn)有陸地資源的枯竭。人類在探索新能源的同時(shí)，也在計(jì)劃探索海洋資源并進(jìn)一步探測陸地資源。在資源探測尤其是海洋資源探測方面?zhèn)鞲衅鞯木庩?duì)控制是很有必要的[8]。傳感器編隊(duì)對(duì)當(dāng)下的能源危機(jī)有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)集群系統(tǒng)的概念歷史和研究意義進(jìn)行介紹，總結(jié)出這一門新興學(xué)科的基本概念和新的意義?？梢娫谛聲r(shí)代，集群系統(tǒng)作為一種更加智能高效的系統(tǒng)將在未來發(fā)揮更為重要的研究意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。