多智能體集群系統研究現狀綜述

張耕磊 哈爾濱理工大學榮成學院

引言：在生物群落中有一種現象普遍存在：大量的生物個體通過個體間局部的信息通訊，以一種簡單的規則呈現的具有一定復雜性和全局性的群體運動，如大雁的“人”字型遷徙、魚群的環繞運動等，本文將之稱為“集群系統的編隊行為”。在這類行為中，雁群、魚群等稱被稱為“集群系統”。本文對生物集群系統的探索也主要基于仿生學的研究，對自然現象進行數學建模，進而得到理想的集群系統模型。

1.集群系統的概念

集群系統的模型主要描述的是空間內的大量個體往一個方向運動的行為，同時也要求所有個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生碰撞。對于每一個個體而言，它們彼此之間可以進行信號的通信，但是這種通信僅限于個體的鄰居之間，通過領航者對信息的逐級傳導，進而使得這些比較簡單的個體在一定的指令下呈現十分震撼的群體效果。如無人艦艇的協同作戰、坦克機車協同編隊以及無人機大規模編隊飛行等。由于集群系統內部的個體之間的相互合作和自組織性，所以集群系統的魯棒性和自適應性具有較強的先天優勢。那么本文有必要對集群系統的編隊進行系統的、深入的學習和研究。在進一步實現生產生活自動化的同時，促進國防和民生建設，計算機技術、機器人技術、自動控制技術、數學、系統學和生物學的學

2.集群系統研究的發展歷史

在集群系統中，每個個體都是“智能體”，控制則體現于智能體之間的信息交流和自組織規則。1987年，Reynolds 在集群系統的計算機仿真方面做出了突破性的工作，提出了集群行為的三個基本原則：

1. 群體中每個智能體都有向相鄰的智能體靠近的趨勢。

2. 每個智能體都會保持不與鄰近智能體碰撞。

3. 系統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間動態模型，這一模型基于速度匹配規則，假設每個粒子的運動速率不變，每個粒子的運動方向為該粒子相鄰區域內所有粒子運動方向平均值的隨機攝動。

Olfati-Saber和Murray提出處理集群系統一致性問題理論架構，設計了最基本的一致性算法。得出網絡的代數連通度可以表征集群系統收斂速度的結論，給出了集群系統算法達到平均一致的充要條件。進入21世紀，Finke等人提出了多無人自主車系統協調控制模型。Lenoard等人對無人車系統進行了升級，提出了“虛擬領導者”的概念，虛擬領導者可以對集群系統的隊形和系統的下一步運動狀態進行指導。

我國學者對集群系統的編隊控制也有較多卓著的貢獻，取得了一定的科研成果。陳關榮對集群系統和復雜網絡一致性的研究提出了整體的框架，虞文武對集群系統的一致性條件進行了探索，提出系統滿足一致性的充分必要條件。

如今，集群系統編隊的發展已日臻完善，隨著機器人技術進入“智能機器人”時代，網絡通信技術進入高速發展的階段。三維空間多智能體協同編隊控制也應用于許多行業和領域，組成多智能體網，在多方面都有十分出色的表現。

3 集群系統研究研究意義

集群系統編隊控制是一個新興方向，集群協同控制問題一直是多智能體集群研究的重點，問題可以分為兩類：一種是編隊控制問題，另一種是非編隊控制問題，如任務分配和分布式監測等。

多智能體編隊的問題被分為編隊的形成，編隊的保持、編隊的變換、避障與路線規劃等。它在智能機器人編隊、現代戰爭、資源探測等方面都有很好的應用前景。

3.1 集群系統編隊控制對智能機器人編隊的意義

1959 年，從美國科學家Ingeborg和Devol創造出世界上第一臺工業機器人，世界各國學者對機器人的研究一直未停止過 [6]，機器人的功能越來越接近人的功能，甚至是思維。但是，機器人的智能化也體現出單機器人功能的局限性。單個的智能機器人逐漸難以滿足人民的需要。機器人集群系統在信息共享、處理和控制等方面都有著較強的優勢。

3.2 集群系統編隊控制對現代戰爭的意義

第二次世界大戰以來，武器裝備的發展呈現出大規模、精確化的趨勢。地面戰爭中的編隊化以及艦艇的協同作戰都將是現代戰爭的重要發展方向。在戰爭中，編隊可以實現自適應，集群中一臺被擊毀，其他裝備可以迅速重整隊形進行作戰。

3.3 集群系統編隊控制對現代戰爭的意義

隨著地球現有陸地資源的枯竭。人類在探索新能源的同時，也在計劃探索海洋資源并進一步探測陸地資源。在資源探測尤其是海洋資源探測方面傳感器的編隊控制是很有必要的[8]。傳感器編隊對當下的能源危機有很強的現實意義。

4 結語

本文通過對集群系統的概念歷史和研究意義進行介紹，總結出這一門新興學科的基本概念和新的意義?？梢娫谛聲r代，集群系統作為一種更加智能高效的系統將在未來發揮更為重要的研究意義和現實價值。