多智能體系統群集運動一致性控制分析

鄧睿 張強強 肖子健 李揚名

摘 要：多智能體系統由于在微電網需求響應管理、無人駕駛飛行器控制、無人車控制等諸多工程領域中的應用而得到了廣泛的關注。其中，多智能體系統的一致性是實現工程應用的理論基礎。文章主要給出了多智能體系統的基本概述，并分析了多智能體系統群集運動的一致性控制問題。

關鍵詞：多智能體系統;群集運動;一致性控制

0? ? 引言

大數據技術和信息處理技術的快速發展，隨著人們對信息處理的安全性、響應性等技術要求提高，分散式信息處理技術加速發展，處理此技術的中央處理系統需要具備網絡實時占用消耗低、處理速度快、交換信息可靠性高等要求。近些年，多智能體系統已經成為分散式信息處理技術的重要研究對象，已吸引了人工智能、控制工程技術、計算機技術、生物工程計算、數學工程等多個領域學者的濃厚興趣。

1? ? 多智能體系統概述

所謂多智能體系統，是由多個獨立的智能體組成，它們有相對獨立的動力學演化方式，它們通過節點相互交換信息，達到融合，多個這樣的智能體組成了一個復雜的系統，最后達到每個個體彼此之間都相互交流且相互協調的復雜系統。

智能體是組成多智能體系統的單獨個體。在復雜系統中，每個智能體可以通過數據節點感知器相互影響，再通過反饋節點反饋數據，融合數據后再與其他智能體個體互通信息，以達到信息交互的目的。因多智能體系統具有自主性、分散性、交互性、智能性等特點，所以它能解決許多實際信息處理技術方面的問題，能通過智能體個體之間的數據通信、融合、調度來較為準確的顯現實際系統的行為特性和功能。因此，在采用多智能體系統解決實際工程應用方面的問題時，需要系統具有較強的抗干擾能力、可靠性及較強的適應性。

現在，多智能體系統的研究受到許多相關學科學者的關注。多智能體系統的研究主要分為：群集運動協調性研究（如一致性、分配隊列、協調性等）和全局協調性研究（如部署、搜救、探索等）兩類。其中，群集運動協調性研究立足于獨立智能體個體之間的動態協調及融合能力，而全局協調性研究不僅著眼于智能體個體之間的關系，還要考慮智能體個體周圍信息處理的環境影響。本文主要對第一類研究，即運動協調中的群體一致性控制做出分析。

2? ? 多智能體系統運動一致性分析

多智能體系統的一致性控制結構如圖1所示，所謂運動一致性是在多智能體系統中，所有獨立智能體個體通過信息處理交互點交換融合信息，不斷地反饋與交換信息，最終趨向一致，由執行器控制系統運動。

當前，國內外多個學科的研究者從不同角度，通過理論、實際應用等方面對一致性問題進行了研究與探索。Ji等[1]學者研究了基于采樣控制的多重二階多智能體系統，對于相同采樣時間下，設計采樣控制器包含采樣位置信息，證明了系統達到一致性的充分必要條件，對于不均勻采樣時間，也證明了系統達到一致性的充分條件。Ji等[1]研究中的結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]學者分析了有向源網絡中具有非線性的多智能體系統的采樣控制，運用滯后輸入方法，通過等價轉化，用時滯系統替代采樣控制器的多智能體系統，從而通過分析等價系統來確保多智能體系統達到一致性的充分條件，運用多步輸入方法，等價得到多智能體系統實現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拓撲結構的連通性密切相關。Xue等[3]學者研究了在拓撲結構不完全相同的環境下，獨立智能體個體之間的位置與速度，基于事件觸發采樣時間的二階連續線性多智能體系統的一致性問題。Zhu等[4]學者研究了在有向源拓撲結構下，基于事件觸發采樣控制的一類廣義線性多智能體系統的一致性問題，他們還研究了基于事件觸發采樣控制的一類時滯性一階多智能體系統的一致性問題。

其中，基于均勻采樣控制的二階多智能體系統的帶領-跟隨一致性問題，是一致性研究中最常用應用。它是設計了一類速度采樣信息和位置采樣信息的控制器，通過分析受控系統的模型，得到使二階系統達到一致性的充分必要條件。多智能體系統中的帶領者是一類特殊的智能體，帶領者的運動相對獨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者，類似這種一致性問題通常被稱為帶領-跟隨一致性問題。帶領-跟隨結構是許多生物系統中存在的主要優化形式，且加強了群體的通信和導向，如圖2所示[5]。

除此之外，還有對基于事件觸發通信的廣義線性多智能體系統的全局帶領-跟隨一致性問題，此類問題基于一組“觸發事件”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。還有基于異步通信的離散時間多智能體系統的約束一致性問題，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，是在多智能體系統中，基于一個凸約束集，引入投影算子研究一種狀態約束型非線性系統，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更優化，能更多指導多智能體系統在實際工程中的應用?？傊?，多智能體系統的一致性控制問題研究在多人造衛星的控制、多智能水下探測器的控制、無人駕駛器的控制等多個領域中有廣泛的應用且備受關注。因多智能體系統的一致性問題作為實際工程應用的基礎更是初級研究的熱門話題。多智能體系統的一致性控制問題數學模型分析較簡單，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一致性問題中的一小部分結構進行了分析，且僅就本文所分析的內容，仍有更多、更深需要探討的空間進行拓展性研究，這些內容將會是未來這方面研究的一類挑戰性課題。

[參考文獻]

[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