多智能体系统的协同群集运动控制
《多智能体系统的协同群集运动控制》以多智能体系统协同群集运动控制为主线，首先介绍了图论和控制器设计所用到的基础理论知识；其次，分别从拓扑结构的边保持和代数连通度两个角度介绍了连通性保持条件下的协同群集运动控制协议设计方法；进而，针对典型的轮式移动机器人非完整约束模型介绍了连通性保持条件下的协同控制策略，为简化系统复杂拓扑结构，还介绍了基于骨干网络提取的协同群集运动控制策略；书中将个体动态模型提升到高阶非线性系统模型，介绍了高阶非线性系统协同控制协议设计方法；最后，针对多智能体系统非合作行为检测与隔离进行了详细介绍，并提出了相关算法。内容简介本书以多智能体系统协同群集运动控制为主线,首先介绍了图论和控制器设计所用到的基础理论知识;其次,分别从拓扑结构的边保持和代数连通度两个角度介绍了连通性保持条件下的协同群集运动控制协议设计方法;进而,针对典型的轮式移动机器人非完整约束模型介绍了连通性保持条件下的协同控制策略,为简化系统复杂拓扑结构,还介绍了基于骨干网络提取的协同群集运动控制策略;书中将个体动态模型提升到高阶非线性系统模型,介绍了高阶非线性系统协同控制协议设计方法;最后,针对多智能体系统非合作行为检测与隔离进行了详细介绍,并提出了相关算法。本书可作为系统与控制及其相关研究领域的科研工作者、工程技术人员、高等院校师生的参考书,也可作为研究生和高年级本科生的教科书。图书在版编目(CIP)数据多智能体系统的协同群集运动控制/陈杰,方浩,辛斌著.一北京:科学出版社,2017(系统与控制丛书)ISBN978-7-03-051165-2L.①多…Ⅱ.①陈…②方…③辛…Ⅲ.①人工智能-研究Ⅳ.①TP18中国版本图书馆CP数据核字(2016)第310934号责任编辑:杨向萍裴育纪四稳/责任校对:桂伟利责任印制:张倩/封面设计:蓝正舞学出服出版北京东黄城根北街16号邮政编码:100717http://www.sciencep.com京通州皇家印刷厂印刷科学出版社发行各地新华书店经销2017年1月第一版开本:720×10001/162017年1月第一次印刷印张:1414字数:268000定价:95.00元(如有印装质量问题,我社负责调换)《系统与控制丛书》编委会主编:郭雷中国科学院数学与系统科学研究院副主编:陈杰北京理工大学编委:洪奕光中国科学院数学与系统科学研究院黄捷Chinese University of Hong Kong姜钟平Polytechnic Institute of New YorkUniversity USAFrank lewisUniversity of Texas at Arlington, USA林宗利University of Virginia, USA申铁龙Sophia University, Japan谈自忠Washington University, USA谢立华Nanyang Technological UniversitySingapore殷刚Wayne State University, USA张纪峰中国科学院数学与系统科学研究院周东华清华大学编者的话我们生活在一个科学技术飞速发展的信息时代,诸如宇宙飞船、机器人、因特网、智能机器及汽车制造等高新技术对自动化提出了更高的要求。系统与控制理论也因此面临着更大的挑战。它必须能够为设计高水平的物理或信息系统提供原理和方法,使得设计出的系统能感知并自动适应快速变化的环境。为帮助系统控制专业的专家、工程师以及青年学生迎接这些挑战,科学出版社和中国自动化学会控制理论专业委员会合作,设立了《系统与控制丛书》的出版项目。本丛书分中、英文两个系列,目的是出版一些具有创新思想的高质量著作,内容既可以是新的研究方向,也可以是至今仍然活跃的传统方向。研究生是本丛书的主要读者群,因此,我们强调内容的可读性和表述的清晰。我们希望丛书能达到这些目的,为此,期盼着大家的支持和奉献!《系统与控制丛书》编委会2007年4月1日序言自20世纪50年代以来,控制科学不断发展,诞生了诸如最优控制、鲁棒控制、非线性控制等众多研究方向以及大量的科研成果,极大地推动了第三次工业革命的发展。但近年来,由于控制对象规模呈爆炸式增长、信息化社会生成海量数据,系统与控制科学作为一门面向应用的学科正面临着许多重大挑战;同时,计算机科学以及人工智能的兴起也为系统与控制科学的发展带来了新的机遇和启示。受到自然界广泛存在的生物种群有序运动现象的启发,多智能体的研究开始受到广大学者的关注。70年代末期,智能体概念初现,主要研究如何通过协作方式分布式求解问题。90年代,多智能体系统涌现出自主性、社会能力、反应性等特性,使多智能体协同成为控制领域的研究热点。目前,多智能体协同已经应用于智能机器人交通控制、柔性制造、网络自动化和作战智能体模型等领域。毫无疑问,未来几年多智能体协同仍将吸引更多学者的广泛关注,继续在系统与控制科学的发展中扮演十分重要的角色。多智能体协同控制所要解决的根本问题在于如何设计合理的控制协议来协调多个个体统一完成任务,这与传统基于单一对象的控制理论有很大的区别。陈杰教授团队对此进行了大量的研究工作,并取得了很好的研究成果。该书以多智能体系统协同群集运动控制为主线,结合作者在该领域多年的研究积累及国内外最新的研究成果,给出了基于代数连通度估计、基于骨干网络等多种分布式群集运动控制方法,同时考虑了系统连通性保持、模型参数不确定性、多任务约束等诸多限制条件,扩展了相应成果的应用范围。全书内容丰富,论述深入浅出,既有严谨的理论推导与证明,又有数值仿真与实物实验验证,是一本难得的介绍控制理论在多智能体协同控制方面最新研究进展的学术专著。当前世界正在发生着深刻的变革,以互联网产业化、工业智能化、工业一体化为代表的第四次工业革命正悄然到来。该书所研究的内容顺应了当前工业发展的潮流,在民用、军用等领域有着广阔的应用前景,也非常适合相关领域的学者和工程技术人员参考阅读。序言我相信,该书的出版能够对多智能体协同控制领域的研究发展有所帮助,也希望作者能够在该方向上持续研究,取得更多的高水平研究成果。郑列了西安交通大学教授中国自动化学会理事长中国工程院院士2016年12月前言智能体的概念来源于分布式人工智能的思想,通常而言,可以把智能体定义为用来完成某类任务,能作用于自身和环境、有生命周期的一个物理的或抽象的计算实体。智能体的特点是具有自主性、局部通信/感知能力、分布式协作能力、任务分解能力、自适应性和推理能力。而多智能体系统是由多个智能体组成的具有松散耦合结构的,并且通过系统中智能体之间以及智能体与环境之间的通信、协商和协作来共同完成单个智能体( Agent)因能力、知识或资源上的不足而无法解决的问题的系统。多智能体系统通过相互协作,可以完成超出它们各自能力范围的任务,使得系统整体能力大于个体能力之和。鲁棒性、分散性、自组织性是多智能体系统动态行为的基本特征。多智能体协同控制是目前控制科学研究领域的一个热点课题在许多国际期刊及会议中,每年均有大量关于多智能体系统的研究文章出现。多智能体系统由个体的动态模型、通信网络拓扑、分布式控制律(或者协议/规则)三个基本要素构成。本书以多智能体系统协同群集运动控制为主线,围绕上述三个基本要素,首先介绍图论和控制器设计所用到的基础性理论等背景知识;其次面向典型应用,考虑实际约東条件,分别从拓扑结构的边保持和代数连通度两个角度介绍通信连通性保持条件下的协同群集运动控制协议设计方法;进而,从个体动态模型和拓扑结构模型两方面继续深入,针对典型的轮式移动机器人非完整约束模型介绍连通性保持条件下的协同控制策略,为简化系统拓扑结构对控制器设计的影响,介绍基于骨干网络提取的协同群集运动控制策略;书中还将个体动态模型由简单的一阶、二阶线性模型提升到高阶非线性系统模型,介绍高阶非线性系统协同控制协议设计方法;最后针对多智能体系统非合作行为检测与隔离进行详细介绍,并提出相关算法。本书内容自成体系,旨在向读者详细介绍多智能体系统协同群集运动控制的基础理论和最新研究成果本书由11个章节构成。第1章为基础知识部分,首先对多智能体群集运动控制、一致性控制以及非合作行为检测与补偿进行全面的综述,其次介绍在理论推导过程中所用到的代数图论的基础理论知识。第2章介绍在无法获取动态领航者智能体的加速度信息的条件下,进行连通性保持的有界群集运动控制方法。第3章从前言全局连通性的角度,介绍基于代数连通度分布式估计的连通性保持控制方法。第4章针对非完整约束轮式机器人,介绍连通性保持下的多移动机器人群集控制。第5章介绍层次型骨干网络的建立方法,以及基于骨干网络提取的协同避障运动控制方法。第6章针对参数不确定的高阶非线性多智能体系统,设计分布式控制器实现系统的一致性。第7章针对 Brunovsky型高阶非线性多智能体系统,设计分布式一致性控制器。第8章针对高阶非线性多智能体系统,设计自适应鲁棒一致性控制器,并对控制器性能进行分析。第9章在多任务约束下,设计多智能体一致性控制器。第10章介绍一阶多智能体系统的非合作行为检测、隔离与修复算法。第11章介绍基于邻居相关状态的多智能体非合作行为检测与隔离算法。感谢中国自动化学会控制理论专业委员会、《系统与控制丛书》编委会对本书出版的大力支持。本书得到了国家杰出青年科学基金项目(60925011)、国家自然科学基金创新研究群体项目(61321002、61621063)、国家自然科学基金重大国际合作研究项目(61120106010)、国家自然科学基金项目(61573062、61304215、61673058)、北京市优秀博士学位论文指导教师科技项目(20131000704)的资助,在此表示衷心的感谢。同时,还要感谢本领域相关同行学者在本书撰写过程中给予的热心支持,以及毛昱天、黄捷、杨庆凯、李俨、尉越、卢少磊、吴楚、王雪源、商成思、开昰雄、罗明等同学对本书出版给予的大力帮助。由于作者水平有限,书中疏漏和不妥之处在所难免,敬请读者批评指正。作者2016年11月目录编者的话序言前言第1章绪论··················.······1.1多智能体分布式群集运动控制12多智能体一致性控制概述51.2.1低阶积分器多智能体一致性……1.2.2高阶线性多智能体一致性…111.2.3高阶非线性多智能体一致性1713多智能体非合作行为检测与补偿概述2114代数图论背景知识…………26第2章连通性保持条件下多智能体系统群集运动控制3121研究背景3122问题描述312.3领航跟随群集运动控制律∴……………………………·3224稳定性分析……………3425仿真和实验372.51数值仿真37252实物实验,,,,·,,,,,………………402.6结论………………43第3章基于代数连通度估计的多智能体系统群集运动控制·4431研究背景443.2问题描述…………………………………………443.3控制律设计∴………………4634入2的分布式估计473.5稳定性分析52
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警用数字集群（PDT）通信系统总体技术要求
警用数字集群（PDT）通信系统总体技术要求9电气安全,2410电源适应性2411机械结构安全241.1结构..·.·2411.2表面温度.2412环境和电磁兼容要求·鲁专2512.1环境适应性2512.2电磁兼容性要求.13可靠性要求13.1信道设备可靠性55513.2控制和链路设备的可靠性.14运输和包装要求,,。非2图1网络基础设备示意图图2完全对等的系统互联网络架构。。。19图3 PDT-MPTI1327互联结构···.········,,,,.20图4安全机制示意图24表1PDT设备主要功能要求,。10表2信道设备总体性能指标表3基地台的发射机和接收机的射频指标.·非·静·着·非。章申·21表4手持台的发射机和接收机的射频指标。鲁表5车载台的发射机和接收机的射频指标1范围本技术要求规定了警用数字集群(PD)通信系统的技术特性、系统构成和功能要求作频段、网络管理、信道设备基本性能指标、交流供电系统、信息安仝和保密、环境和电磁兼容、可靠性等总体性要求。木技术要求适用」警用数字集群(PDT)通信系统的总体规划、网络设计、设备开发、生产、工程建设和验收2系统技术特性2.1基本技术体制2.1.1技术体制2.1.1.1信道划分米用频率和时间分割的方法划分信道。频率分割是在给定的350MHz到390Mz频段内按12.5kz信道间隔和10Ⅷz收发间隔划分载波信道。其他频段按照国家无线电管理部门的有关规定执行。时间分割时釆用时分复用/时分多址(TDMA)技术划分时隙信道。规定每载波时隙为两个,即物理信道为两个,再根据需要设置务和控制逻辑信道。2.1.1.2区域覆盖对于无线服务区的覆盖采用下列技术:大区制覆盖;频率复用;准同步发射;分时共享发射;直通模式⑩)/中转模式(RMO)/集群模式(TMO2.1.2射频调制方式射频调制方法采用四电平频移键控(4『SK)。2.1.3调制速率调制发送4800符号/秒,每个符号由两个比特信息组成。2.1.4语音编码语音编码速率应不低于2kbps,语音编码加上信道编码后的速率应为3.6kbpS2.2系统基本业务2.2.1用户终端业务用户终端业务是为用户终端之间提供完整通信能力的业务,系统应提供下列用户终端业务:语音和数据业务电话互联业务。2.2.2承载业务承载业务是在用户终端与网终接口之间提供信号传输能力的电信业务系统应提供下列承载业务:语音和电路数据传输业务短数据传输业务;分组数据传输业务2.3基本协议和信令基本协议和信令应符合警用数字集群(PDT)通信系统系列技术标准中所规定的有关协议和信令。2.4系统工作方式集群工作方式移动台在集群控制设备管理下的信道共享工作方式。2.4.2直通工作方式移动台之间直接互通的工作方式。2.4.3中转工作方式移动台通过中转台进行通信的工作方式2.4.4故障弱化工作方式基站和交换节点之间的链路或交换节点发生故障时,基站仍能以集群方式继续工作,支持本基站基本呼叫业务(单呼、组呼等)2.5呼叫建立时间同一交换局内组呼建立时间应不大」300ms。3系统构成和功能要求3.1系统构成3.1.1网络基础设备网络基础设备包括交换机、网关、网络管理设备、基站控制设备和基地台等,见图1。网关交换机网络管理设各基站基站基地台基地台基地台基地台图1网络基础设备示意图3.1.2用户终端设备用户终端设备包括移动台、有线台和调度台3.1.2.1移动台通过空屮接口和网络基础设备相连的普通用户终端设备,包括车载台、手持台等3.1.2.2有线台通过有线方式和网络基础设备相连的普通用户终端设备3.1.2.3调度台具有调度功能的用户终端设备,包括有线调度台和无线调度台。有线调度台通过有线方式和网络基础设备相连的调度台。无线调度台通过空中接口和网络基础设备相连的调度台3.2功能要求3.2.1功能定义3.2.1.1登记登记是移动台向集群系统发起入网请求及确认的过程,登记时必须要求进行鉴杈3.2.1.2去登记去登记是移动台向集群系统发出退出系统的通知过程。3.2.1.3漫游在由多个基站联网的系统中,移动台在归属基站以外的基站进行登记和继续使用系统提供的业务的功能3.2.1.4语音单呼语音单呼是移动台与其它用户终端之间建立的一种点对点的双冋语音呼叫,呼叫的参与方只有主叫和被叫两方。移动台之间的语音单呼分为 TOACSU和OACS两种。3.2.1.5语音组呼语音组呼是由·个移动台或者调度台发起的,多个移动台参与的点对多点的语音呼叫。3.2.1.6组呼迟入某个组呼建立后至结束之前,控制信道冑期广播该组呼的建立信息,以保证刚开机或刚从其他基站漫游到该基站或刚从其他通话组释放出来的移动台能参与这个尚未结束的组呼。3.2.1.7组呼并入个组呼建立后至结束之前,某移动台呼叫这个已经建立的通话组,系统将该移动台作为被叫并入到已经建立的组呼。3.2.1.8广播呼叫播呼叫是一种特殊的语音组呼,呼叫建立后在业务信道上只有主叫具备发射权限,被叫用户只有接收权限,可以有效防止被叫用户干扰主叫的发射过程。3.2.1.9紧急呼叫紧急呼叫是用户在紧急情况下发起的一种特殊呼叫,具有最髙优先级,当无信道资源时,系统会释放其他低级别呼叫的信道资源来给紧急呼叫使用。3.2.1.10优先呼叫优先呼叫是指系统繁忙时优先获取资源的呼叫,获取资源的方式可以是抢占低优先级呼叫的信道,也可以是在排队队列中插队3.2.1.11报警报警是在紧急情况下用户通过操作移动台设备上的特姝按钮,在系统控制信道上向预先设冒的目的(移动台或者调度台)发送预定义的状杰消息,通知其他移动台或者调度台,该用户正处于紧急危险的状态。3.2.1.12环境侦听环境侦听是调度台向移动台发起的一种特姝呼叫,用于监听移动台周边的环境声音。被叫移动台在系统指定的业务信道上自动打开发射机和MIC,将环境声音发送给调度台。在整个环境侦听过程中(侦听建立、侦听发射、侦听结朿),移动台的显示、扬声器、提示音、指小灯等人杋芥面状态应与空闲待机时完全相冋。环境侦听过程中,如果移动台用户进行呼岀操作(包括发短消息等),环境侦听都应自动结束,)返冋控制信道。调度台可以随时结宋·个由其建立的环境侦听呼叫3.2.1.13监听监听是指授权用户终端获取指定的移动台、通话组或者信道上的语音的过程。3.2.1.14插话插话是指调度台在监听或参与语音通话的过程中,强制中断正在进行的讲话,夺取话权进行讲话;3.2.1.15强拆强拆是指系统强制中断正在进行的呼叫并释放所占的相应资源的过程3.2.1.16越区切换越区切换是指移动台在语吝通话的过程中切换基站而不闩断止在进行的业务的过程3.2.1.17通话限时通话限时是系统控制用户进行语音呼叫时允许的最大持续时间的功能,包括单次按讲限时和单次呼叫总时长限时3.2.1.18讲话方身份识别讲话方身份识别是指在语音呼叫的过程中,语音接听方利用随路信令或者嵌入信令识别当前讲话方身份的功能3.2.1.19PTT授权PTˆ授权是为了避免语音碰撞而规定的讲话权申请、分配控制过稈,只有获得讲话权的移动台才能发射语音。3.2.1.20遥毙遥毙是系统利用空∏信令禁用移动台的过程,被遥毙的移动台将失去所有操作功能,只有利用授权的编稈设备才能将被遥毙的移动台激活3.2.1.21遥晕遥晕是利用空口信令禁用移动台的过程,授权的网管终端或调度台可将目标移动台遥晕。被遥晕的移动台不能发起或者接收仼何网络的服务(包括各类呼叫、短消息等业务),但应保留登记、去登记、鉴权、复活和数据上拉服务(如玊星定位信息上拉服务等),用来帮助寻找丢失移动台。被遥晕的移动台可以通过空凵复活。3.2.1.22复活复活是利用空∏信令解禁被遥晕移动台的过程,授杖网管终端或调度台可以进行复活操作,使移动台恢复到正常工作状态3.2.1.23动态重组动态重组是授权网管终端或调度台利用空口信令向目标移动台临时增加通话组(动态组)的过程,移动台新增加的动态组在收到删除该动态组的信令前一直有效。授权的网管终端或调度台也可以利用空口信令将日标移动台中的动态组删除。3.2.1.24呼叫限制呼叫限制是系统对移动台的呼叫权限的控制,通过设置,限制其呼叫功能。移动台只能进行权限范围内的呼叫,超过权限范围的呼叫将被系统拒绝。3.2.1.25状态消息状态消息是指移动台之间或者移动台与调度台之间,利用控制信道传递7比特消息编码的过程。状态消息可以是点到点的单呼,也可以是点对多点的组呼。3.2.1.26短消息短消息是移动台之间或移动台与调庋台之间,利用控制信道传递有限长度消息的过程短消息可以是点到点的单呼,也可以是点对多点的组呼。PDT系统中,单条短消息的长度为23个汉字。3.2.1.27卫星定位信息传输卫星定位信息传输是指移动台利用空∏信令上传该移动台卫星定位信息的过程。3.2.1.28网络管理网络管理是为了保证系统的正常运行而进行的一些参数配置、运行状态监控、用户档案管理等操作。网络管理至少应具备用户管理、配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能集。3.2.1.29安全功能安全功能包括鉴权、端到端加密和空口加密3.2.1.30PDT系统之间的互联PDT系统之闫的互联是利用规定的互联协议完成PD交换控制中心之间的信息交互,实现系统间漫游及呼叫控制等功能。3.2.1.31有线电话呼叫有线电话呼叫是移动台利用空口及系统网关设备与PAB、PSTN等有线电话之问进行的呼3.2.1.32功率控制系统利用空口信令调整移动台的发射功牽,达到保障通信效果和降低移动台功耗日的。3.2.1.33包容呼叫包容呼叫是移动台在已经建立呼叫的业务信道上发起的,将其他目标移动台拉入当前业务信道通话的呼叫。3.2.1.34呼叫转移呼叫转移是指把来电转栘到预先设定的其他号码上的业务。呼叫转移叮由自身或第三方设置和取消,转移的条件分为无条件转移和有条件转移。3.2.1.35繁忙排队繁忙排队是当系统业务信道资源全忙时,系统将新发起的呼叫排入呼叫等待队列,待系统有空闲资源时对等待队列中的呼叫进行处理的过程。3.2.1.36分组数据分组数据是利用系统的业务信道,遵循分组数据传输协议实现多用户共享业务信道,进行数据传输的业务过程。3.2.1.37空口加密空∏加密是对移动台与基站之问空∏信令和语音、数据等业务信息的加密。3.2.1.38限定基站呼叫限定基站呼叫是指系统可以利用参数配置限定呼叫参与基站的范围,配置范围外的基站不参与该呼叫。3.2.2PDT设备主要功能要求PDT设备主要功能要求见表1。表1PDT设备主要功能要求编号功能网络基础设备移动台调度台1登记、去登记、鉴权、漫游单呼组呼4组呼迟入组呼并入6广播呼叫紧急呼叫789报警环境侦听监听、插话、强拆越区切换12通话限时13讲话方身份识别14PTT授权遥毙16遥晕、复活
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