通信限制下多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制

摘要：本文介紹了多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制的概念及應(yīng)用，通信限制下實(shí)際多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制問(wèn)題，給出了帶寬限制下的事件觸發(fā)/自觸發(fā)協(xié)同控制、傳輸比特率限制下基于量化通信的協(xié)同控制、數(shù)據(jù)丟包和通信延時(shí)下基于預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)膮f(xié)同控制這些常見(jiàn)的協(xié)同控制方法解決通信限制下多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制問(wèn)題。最后，對(duì)通信限制下多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：通信受限，多智能體系統(tǒng)，協(xié)同控制，事件觸發(fā)控制，自觸發(fā)控制，量化通信，數(shù)據(jù)丟包，通信延時(shí)，預(yù)測(cè)補(bǔ)償控制

1.引言

多智能體系統(tǒng)是由一定傳感、計(jì)算、執(zhí)行和通訊能力的個(gè)體組成，各個(gè)單元通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞信息，互相協(xié)作完成任務(wù)。多智能體系統(tǒng)的應(yīng)用研究非常活躍，其涉及領(lǐng)域較寬，這主要是由于系統(tǒng)的自主性、分布性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)所決定的。多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制已經(jīng)成為控制學(xué)科的一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)，其研究包括編隊(duì)、包圍、蜂擁和群集、跟蹤、一致等多個(gè)方面。多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制已經(jīng)應(yīng)用于集群機(jī)器人、編隊(duì)飛行、智能電網(wǎng)、協(xié)同作戰(zhàn)、醫(yī)療診斷、協(xié)同制造、智能物流、無(wú)人艇編隊(duì)等各個(gè)領(lǐng)域，如圖1所示。

圖1 多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制應(yīng)用領(lǐng)域

多智能體系統(tǒng)將通信、控制和計(jì)算與物理系統(tǒng)深度融合，是一種典型的信息物理系統(tǒng)。在多智能體系統(tǒng)中，通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸比特率、通信帶寬、網(wǎng)絡(luò)資源等有限，隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⒘恳矔?huì)增加，導(dǎo)致系統(tǒng)中容易出現(xiàn)通信延時(shí)、數(shù)據(jù)丟包等不良現(xiàn)象，這些不良網(wǎng)絡(luò)化現(xiàn)象導(dǎo)致接收信息不及時(shí)、不連續(xù)、缺失和不準(zhǔn)確，降低了協(xié)同控制性能，甚至導(dǎo)致多智能體系統(tǒng)失穩(wěn)，無(wú)法完成指定的任務(wù)。既然通信限制給多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制帶來(lái)這么大的不利影響，如何從控制的角度克服通信限制帶來(lái)的不利影響？

圖2 常見(jiàn)的不良網(wǎng)絡(luò)化現(xiàn)象(a)數(shù)據(jù)丟包 (b)通信時(shí)延[1]

2.通信限制下多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制

下面將給出幾種常見(jiàn)的協(xié)同控制方法解決通信限制下多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制問(wèn)題：

2.1 帶寬限制下的事件觸發(fā)/自觸發(fā)協(xié)同控制

事件觸發(fā)/自觸發(fā)控制只有當(dāng)測(cè)量誤差超過(guò)指定閾值時(shí)，才觸發(fā)通信和控制更新，能夠有效降低通信和控制更新頻率，降低資源消耗和控制開(kāi)銷(xiāo)，避免了連續(xù)頻繁通信造成的通信帶寬緊張，適合于通信帶寬有限的通信環(huán)境下多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制。此外，事件觸發(fā)/自觸發(fā)控制能給多智能體系統(tǒng)控制帶來(lái)如下好處：首先，智能體中配備的測(cè)量模塊、通信模塊、微處理器、執(zhí)行器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等模塊消耗大量的能量，而給智能體提供的能量有限，使用事件觸發(fā)/自觸發(fā)控制能夠降低系統(tǒng)能量消耗，延長(zhǎng)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間和系統(tǒng)壽命；其次，智能體的通信模塊、微處理器、執(zhí)行器模塊具有有限的通信、計(jì)算和執(zhí)行能力，事件觸發(fā)/自觸發(fā)控制能夠降低通信和計(jì)算量，降低控制開(kāi)銷(xiāo)，使得智能體能夠執(zhí)行所設(shè)計(jì)的控制方案；最后，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)并且不受到干擾影響時(shí)，無(wú)需實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)、與鄰居智能體通信、以連續(xù)方式執(zhí)行控制指令，事件觸發(fā)/自觸發(fā)控制可以節(jié)約通信資源，提升通信效率。我們?cè)谇捌诠ぷ鱗2-3]給出了多智能體系統(tǒng)固定時(shí)事件觸發(fā)控制方案。典型的事件觸發(fā)控制方案如圖3所示[4]。

圖3 典型的事件觸發(fā)控制方案[4]

2.2 傳輸比特率限制下基于量化通信的協(xié)同控制

實(shí)際的多智能體系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)受到傳輸比特率的限制，無(wú)法傳輸實(shí)值信息。在受到傳輸比特率限制的多智能體系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中，通常采用量化通信的方式傳遞信息，在發(fā)送端將實(shí)值信息量化為有限符號(hào)并進(jìn)行編碼，以數(shù)字信號(hào)的形式傳輸信息，在發(fā)送端進(jìn)行解碼，得到實(shí)值信息。這種通信方式具有強(qiáng)的反擁塞能力、高的安全性、易于實(shí)施和維護(hù)、強(qiáng)的魯棒性和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。然而，由于量化造成的不精確信息給協(xié)同控制協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。我們?cè)谇捌诠ぷ鱗5]中克服了這一困難，提出了基于量化通信的固定時(shí)一致性控制方法，實(shí)現(xiàn)了傳輸比特率限制下多智能體系統(tǒng)固定時(shí)一致性跟蹤，所設(shè)計(jì)的基于量化通信的控制方案如圖4所示。

圖4 基于量化通信的協(xié)同控制方案

2.3 數(shù)據(jù)丟包和通信延時(shí)下基于預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)膮f(xié)同控制

實(shí)際的多智能體系統(tǒng)中，由于過(guò)飽和的通信連接、信道衰減、噪聲干擾、發(fā)射器和接收器之間過(guò)遠(yuǎn)的距離、執(zhí)行器故障、傳感器故障和網(wǎng)絡(luò)攻擊，容易發(fā)生數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象。數(shù)據(jù)丟包隨機(jī)改變通信拓?fù)?，引入?yún)f(xié)同控制誤差，降低控制性能，甚至造成系統(tǒng)失穩(wěn)。此外，在實(shí)際多智能體系統(tǒng)中，由于有限的通信容量和通信帶寬，當(dāng)大量信息頻繁通過(guò)通信連接交互時(shí)，容易導(dǎo)致信息碰撞和信息重傳，進(jìn)而導(dǎo)致通信延時(shí)。通信延時(shí)降低協(xié)同控制性能，甚至破壞多智能體系統(tǒng)穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)丟包和通信延時(shí)導(dǎo)致智能體無(wú)法及時(shí)收到實(shí)時(shí)信息，這給協(xié)同控制協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的通信延時(shí)和數(shù)據(jù)丟包，我們?cè)谇捌诠ぷ鱗6-7]中設(shè)計(jì)了一種預(yù)測(cè)器，預(yù)測(cè)在數(shù)據(jù)丟包和通信延時(shí)發(fā)生后，當(dāng)前時(shí)刻鄰居智能體的狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一種基于預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)膮f(xié)同控制方案，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)丟包和通信延時(shí)下多智能體系統(tǒng)固定時(shí)一致性跟蹤，所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)丟包和通信延時(shí)下基于預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)目刂品桨溉鐖D5所示。

圖5 數(shù)據(jù)丟包和通信延時(shí)下基于預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)目刂品桨?/p>

3.結(jié)論與展望

本文介紹了多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制的概念及應(yīng)用，通信限制下實(shí)際多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制問(wèn)題，給出了帶寬受限下的事件觸發(fā)/自觸發(fā)控制、傳輸比特率限制下基于量化通信的控制、數(shù)據(jù)丟包和通信延時(shí)下基于預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)目刂七@些常見(jiàn)的協(xié)同控制方法解決通信限制下多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制問(wèn)題。通信限制下多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制還有很多值得研究的方向，例如，基于編碼器-解碼器的動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)協(xié)同控制、隨機(jī)丟包環(huán)境下事件觸發(fā)協(xié)同控制、通信延時(shí)下量化協(xié)同控制、其他通信限制下多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制。

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