多智能體系統(tǒng)群集運(yùn)動一致性控制分析

鄧睿 張強(qiáng)強(qiáng) 肖子健 李揚(yáng)名

摘 要：多智能體系統(tǒng)由于在微電網(wǎng)需求響應(yīng)管理、無人駕駛飛行器控制、無人車控制等諸多工程領(lǐng)域中的應(yīng)用而得到了廣泛的關(guān)注。其中，多智能體系統(tǒng)的一致性是實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。文章主要給出了多智能體系統(tǒng)的基本概述，并分析了多智能體系統(tǒng)群集運(yùn)動的一致性控制問題。

關(guān)鍵詞：多智能體系統(tǒng);群集運(yùn)動;一致性控制

0? ? 引言

大數(shù)據(jù)技術(shù)和信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，隨著人們對信息處理的安全性、響應(yīng)性等技術(shù)要求提高，分散式信息處理技術(shù)加速發(fā)展，處理此技術(shù)的中央處理系統(tǒng)需要具備網(wǎng)絡(luò)實(shí)時占用消耗低、處理速度快、交換信息可靠性高等要求。近些年，多智能體系統(tǒng)已經(jīng)成為分散式信息處理技術(shù)的重要研究對象，已吸引了人工智能、控制工程技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、生物工程計(jì)算、數(shù)學(xué)工程等多個領(lǐng)域?qū)W者的濃厚興趣。

1? ? 多智能體系統(tǒng)概述

所謂多智能體系統(tǒng)，是由多個獨(dú)立的智能體組成，它們有相對獨(dú)立的動力學(xué)演化方式，它們通過節(jié)點(diǎn)相互交換信息，達(dá)到融合，多個這樣的智能體組成了一個復(fù)雜的系統(tǒng)，最后達(dá)到每個個體彼此之間都相互交流且相互協(xié)調(diào)的復(fù)雜系統(tǒng)。

智能體是組成多智能體系統(tǒng)的單獨(dú)個體。在復(fù)雜系統(tǒng)中，每個智能體可以通過數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)感知器相互影響，再通過反饋節(jié)點(diǎn)反饋數(shù)據(jù)，融合數(shù)據(jù)后再與其他智能體個體互通信息，以達(dá)到信息交互的目的。因多智能體系統(tǒng)具有自主性、分散性、交互性、智能性等特點(diǎn)，所以它能解決許多實(shí)際信息處理技術(shù)方面的問題，能通過智能體個體之間的數(shù)據(jù)通信、融合、調(diào)度來較為準(zhǔn)確的顯現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)的行為特性和功能。因此，在采用多智能體系統(tǒng)解決實(shí)際工程應(yīng)用方面的問題時，需要系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力、可靠性及較強(qiáng)的適應(yīng)性。

現(xiàn)在，多智能體系統(tǒng)的研究受到許多相關(guān)學(xué)科學(xué)者的關(guān)注。多智能體系統(tǒng)的研究主要分為：群集運(yùn)動協(xié)調(diào)性研究（如一致性、分配隊(duì)列、協(xié)調(diào)性等）和全局協(xié)調(diào)性研究（如部署、搜救、探索等）兩類。其中，群集運(yùn)動協(xié)調(diào)性研究立足于獨(dú)立智能體個體之間的動態(tài)協(xié)調(diào)及融合能力，而全局協(xié)調(diào)性研究不僅著眼于智能體個體之間的關(guān)系，還要考慮智能體個體周圍信息處理的環(huán)境影響。本文主要對第一類研究，即運(yùn)動協(xié)調(diào)中的群體一致性控制做出分析。

2? ? 多智能體系統(tǒng)運(yùn)動一致性分析

多智能體系統(tǒng)的一致性控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，所謂運(yùn)動一致性是在多智能體系統(tǒng)中，所有獨(dú)立智能體個體通過信息處理交互點(diǎn)交換融合信息，不斷地反饋與交換信息，最終趨向一致，由執(zhí)行器控制系統(tǒng)運(yùn)動。

當(dāng)前，國內(nèi)外多個學(xué)科的研究者從不同角度，通過理論、實(shí)際應(yīng)用等方面對一致性問題進(jìn)行了研究與探索。Ji等[1]學(xué)者研究了基于采樣控制的多重二階多智能體系統(tǒng)，對于相同采樣時間下，設(shè)計(jì)采樣控制器包含采樣位置信息，證明了系統(tǒng)達(dá)到一致性的充分必要條件，對于不均勻采樣時間，也證明了系統(tǒng)達(dá)到一致性的充分條件。Ji等[1]研究中的結(jié)果可以適用于采樣周期間隔小的控制器，也適用于采樣周期間隔較大的控制器。Wen等[2]學(xué)者分析了有向源網(wǎng)絡(luò)中具有非線性的多智能體系統(tǒng)的采樣控制，運(yùn)用滯后輸入方法，通過等價轉(zhuǎn)化，用時滯系統(tǒng)替代采樣控制器的多智能體系統(tǒng)，從而通過分析等價系統(tǒng)來確保多智能體系統(tǒng)達(dá)到一致性的充分條件，運(yùn)用多步輸入方法，等價得到多智能體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一致性所容忍的最大采樣間隔時間。

研究分析表明，一致性的收斂性能與多智能體系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連通性密切相關(guān)。Xue等[3]學(xué)者研究了在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不完全相同的環(huán)境下，獨(dú)立智能體個體之間的位置與速度，基于事件觸發(fā)采樣時間的二階連續(xù)線性多智能體系統(tǒng)的一致性問題。Zhu等[4]學(xué)者研究了在有向源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，基于事件觸發(fā)采樣控制的一類廣義線性多智能體系統(tǒng)的一致性問題，他們還研究了基于事件觸發(fā)采樣控制的一類時滯性一階多智能體系統(tǒng)的一致性問題。

其中，基于均勻采樣控制的二階多智能體系統(tǒng)的帶領(lǐng)-跟隨一致性問題，是一致性研究中最常用應(yīng)用。它是設(shè)計(jì)了一類速度采樣信息和位置采樣信息的控制器，通過分析受控系統(tǒng)的模型，得到使二階系統(tǒng)達(dá)到一致性的充分必要條件。多智能體系統(tǒng)中的帶領(lǐng)者是一類特殊的智能體，帶領(lǐng)者的運(yùn)動相對獨(dú)立于跟隨者的智能體，跟隨者通過信息交互會盡可能的跟隨帶領(lǐng)者，類似這種一致性問題通常被稱為帶領(lǐng)-跟隨一致性問題。帶領(lǐng)-跟隨結(jié)構(gòu)是許多生物系統(tǒng)中存在的主要優(yōu)化形式，且加強(qiáng)了群體的通信和導(dǎo)向，如圖2所示[5]。

除此之外，還有對基于事件觸發(fā)通信的廣義線性多智能體系統(tǒng)的全局帶領(lǐng)-跟隨一致性問題，此類問題基于一組“觸發(fā)事件”的不均勻采樣周期，研究一種帶有輸入飽和的多智能體系統(tǒng)。還有基于異步通信的離散時間多智能體系統(tǒng)的約束一致性問題，此類問題與之前提到的研究不同的是，引入“約束一致性”概念，所謂約束一致性，是在多智能體系統(tǒng)中，基于一個凸約束集，引入投影算子研究一種狀態(tài)約束型非線性系統(tǒng)，處理異步通信條件下的問題。

這些研究都是使得多智能體系統(tǒng)更優(yōu)化，能更多指導(dǎo)多智能體系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用?？傊嘀悄荏w系統(tǒng)的一致性控制問題研究在多人造衛(wèi)星的控制、多智能水下探測器的控制、無人駕駛器的控制等多個領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用且備受關(guān)注。因多智能體系統(tǒng)的一致性問題作為實(shí)際工程應(yīng)用的基礎(chǔ)更是初級研究的熱門話題。多智能體系統(tǒng)的一致性控制問題數(shù)學(xué)模型分析較簡單，因此采用的研究方法比較多樣化。本論文僅針對多智能體系統(tǒng)一致性問題中的一小部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，且僅就本文所分析的內(nèi)容，仍有更多、更深需要探討的空間進(jìn)行拓展性研究，這些內(nèi)容將會是未來這方面研究的一類挑戰(zhàn)性課題。

[參考文獻(xiàn)]

[1]JI L H，LIU Q，LIAO X F.On reaching group consensus for linearly coupled multi-agent networks[J].Information Sicences，2014（287）：1-12.

[2]WEN G H，DUAN Z S，YU W W，et al.Consensus of multi-agent systems with nonlinear dynamics and sampled-data information： a delayedinput approach[J].International Journal of Robust and Nonlinear Control，2013（23）：602-619.

[3]XUE D，HIRCHE S.Event-triggered consensus of heterogeneous multi-agent systems with double-integrator dynamics.IEEE Control Conference，European，2013（6）： 1162-1167.

[4]ZHU W，JIANG Z P.Event-based leader-following consensus of multi-agent systems with input time delay[J].IEEE Transactions on Automatic Control，2015（60）： 1362-1367.

[5]SONG Q，LIU F，CAO J D，et al.M-matrix strategies for pinning-controlled leader-following consensus in multiagent systems with nonlinear dynamics[J].IEEE Transactions on Cybernetics，2013（43）：1688-1697.

（編輯 姚 鑫）

Consensus control of flocking motion in multi-agent systems

Deng Rui， Zhang Qiangqiang， Xiao Zijian， Li Yangming

（Department of Physics and Electronic Engineering， Lianyungang Normal College， Lianyungang 222061， China）

Abstract：Multi-agent systems has been widely concerned because of its application in many engineering fields， such as microgrid demand response management， unmanned aerial vehicle control， unmanned vehicle control and so on. Among them， the consensus of multi-agent systems is the theoretical basis of engineering application. In this paper， the basic overview of multi-agent systems is given， and the consensus control problems of flocking motion? is analyzed in the multi-agent systems.

Key words：multi-agent systems; flocking motion; consensus control