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收稿日期:20190402;修回日期:20190519 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61876043,61472089);NSFC广东联合基金资助
项目(U1501254)
作者简介:谢光强(1979),男,广东韶关人,副教授,博士,主要研究方向为多智能体、智能控制;黄驰(1993),男,湖北赤壁人,硕士,主要研究
方向为多智能体、智能控制;李杨(1980),女(通信作者),黑龙江七台河人,副教授,博士,主要研究方向为多智能体、数据可视化、数据挖掘(kitty_
llyy@163.com);蔡松杰(1991),男,广东潮州人,硕士,主要研究方向为多智能体、网络舆情分析.
组合控制协议增强多智能体系统一致性
谢光强,黄 驰,李 杨
,蔡松杰
(广东工业大学 计算机学院,广州 510006)
摘 要:针对离散时间下基于切换拓扑多智能体系统一致性问题,设计出一种基于约束集虚拟邻居选取分布式
一致性协议。该协议中,智能体采用通信扇区机制构造出虚拟邻居作为控制协议输入进行状态演化,并设计智
能体调整因子的取值方式。在此基础上,智能体通过约束集保持初始通信拓扑的连接边来保证系统的连通性。
最后,理论分析与大量仿真实例结合,与经典模型进行比较,验证了新的一致性协议的有效性,表明其可增强系
统一致性,减少系统收敛的簇,并提高系统的一致性收敛速度。
关键词:多智能体系统;一致性协议;切换拓扑;约束集;虚拟邻居
中图分类号:TN915.04 文献标志码:A 文章编号:10013695(2020)08015231505
doi:10.19734/j.issn.10013695.2019.04.0084
Hybridcontrolforenhancingconsensusofmultiagentsystems
XieGuangqiang,HuangChi,LiYang
,CaiSongjie
(SchoolofComputer,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China)
Abstract:AimingatconsensusproblemofdiscretetimeMASunderswitchingtopology,thispaperproposedanewdistributed
consensusprotocolbasedonconnectivitypreservationalgorithm
,whereeachagentevolvedbyonlyreferencetothestateofthe
virtualneighbors.Firstly,itconstructedvirtualneighborsbyequallycommunicationsectorstrategy.Next,itdesignedparameters
affectingtheconvergenceofsystems,onthisbasis,itcombinedwithconnectivitypreservationalgorithm.Therefore,theagents
onlycouldmoveinmotionareatomaintaininitialcommunicationlinksforconnectivitypreservationandconsensus.Finally,
theoreticalanalysiscombinedwithnumeroussimulationstoverifythatthenewprotocolcanenhancetheconsensusofMAS.
Comparedwithclassicalconsensusprotocol
,theresultsofsimulationspointoutthatthenumberofclustersdecreases,conver
gencespeedoftheMASincreases.
Keywords:multiagentsystems(MAS);consensusprotocol;switchingtopology;motionarea;virtualneighbor
0 引言
随着通信、传感、计算机等技术的飞速发展,分布式多智能
体系统(MAS)成为了控制工程与分布式人工智能等新兴领域
的研究热点,获得了广泛的关注
[1~5]
。智能体系统是由多个具
有简单通信、决策能力与执行能力的自主个体组成,个体仅通
过与邻居成员的通信与协作,可增强系统解决复杂问题的能
力,完成单个智能设备难以完成的目标任务。相较于传统带有
中央控制器的集中控制系统,充分体现出多智能体系统的鲁棒
性、灵活性、高效性、低成本等特性,使其在工程领域
[6,7]
有着
广泛的应用前景。一致性问题是多智能体系统研究中的核心
问题:系统通过信息传递,依据实现设计好的一致性协议与邻
居建立协作关系,促使系统所有成员状态值(速度、位置)逐渐
趋于相同
[8~10]
,系统成员状态的一致是完成其他任务的基础。
研究人员在对多智能体系统一致性问题进行研究时,指出具有
切换通信网络拓扑结构系统更契合实际工程应用,因此设计一
个适应具有切换拓扑系统的分布式一致性协议尤为重要。
OlfatiSaber等人
[11]
给出了一致性问题的理论框架,研究
切换拓扑系统的平均一致性问题,并分析了系统收敛到平衡状
态与网络通信拓扑的代数连通度相关。Ren等人
[12]
针对切换
拓扑系统,通过设计拓扑边权系数以确保系统收敛一致,得出
系统收敛一致性必要条件是有向切换拓扑图集包含足够多的
生成树。
Zheng等人
[13]
将经典的基于连续时间与离散时间一
致性协议结合,提出一种切换多智能体系统的线性一致性协
议,基于图论和 Lyapunov理论,证明了在切换拓扑下该系统是
稳定的。Chen等人
[14]
研究了基于切换拓扑有界噪声非线性
系统,利用非光滑 Lyapunov函数证明系统的一致性。Kan等
人
[15]
设计出切换拓扑系统的模型,智能体与邻居通信边的权
重是时变的,系统在预定时间可达成一致。
Qin等人
[16]
设计通
用的线多智能体系统中领导跟随一致性协议。Xu等人
[17]
采
用基于事件触发策略来研究多智能体系统一致性问题。明平松
等人
[18]
综述了切换拓扑下随机多智能体系统一致稳定性分析。
多智能体系统的一个显著特征就是群体成员数量往往达
到成百上千甚至更多。系统演化过程中,智能体需与感知范围
内的所有成员进行实时通信。虽然成员采用简单的分布式一
致性协议,但是对单个智能体存储,计算能力依旧有极高的要
求。Jadbabaie等人
[19]
提出一种选取最近邻居的分布式一致性
控制协议。
Motsch等人
[20]
提出选取差异化较大的邻居有益于
系统收敛到一个簇。自治的智能体通过减少进行协作邻居成
员的数量,增 强 系 统 的 一 致 性,减 少 系 统 收 敛 的 簇。同 时,
Moreau
[21]
观察到一种现象,即智能体间的通信越多,并不会加
快系统的收敛速度,反而可能会导致收敛性能的损失。
多智能体系统中存在的通信冗余制约了系统的收敛一致
的能力和系统收敛一致的速度。本文研究为一致性协议设计
第 37卷第 8期
2020年 8月
计 算 机 应 用 研 究
ApplicationResearchofComputers
Vol37No8
Aug.2020