智能群體系統(tǒng)集群行為的動力學(xué)建模與分析及其仿真研究.pdf

1、集群是一種普遍存在的自然現(xiàn)象，是對現(xiàn)實(shí)世界中的群居性生物群體和人工群體所呈現(xiàn)出的有序集群行為的一種高度抽象。群由數(shù)目龐大的相互作用的個體組成，其本質(zhì)特征是其個體具有較少智能或沒有智能，但由于個體之間的交互作用而自底向上涌現(xiàn)出集群智能，體現(xiàn)了生物進(jìn)化及智能體間分布式協(xié)調(diào)合作機(jī)制等的內(nèi)在原因。智能群體系統(tǒng)本質(zhì)上是一種復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)。
　　 集群智能控制研究的是智能群體系統(tǒng)的運(yùn)動行為的軟控制。而由多個智能個體耦合而成的多智能體系統(tǒng)經(jīng)由相

2、互的分布式協(xié)調(diào)合作機(jī)制可實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的控制。多智能體系統(tǒng)的控制問題與智能群體系統(tǒng)的集群運(yùn)動控制問題之間有著天然的內(nèi)在聯(lián)系。多智能體分布式協(xié)調(diào)合作控制問題的目標(biāo)是使多智能體達(dá)到一致，這與集群智能控制系統(tǒng)的研究目標(biāo)相符合。近年來，一致性問題的研究重點(diǎn)在于研究一致性機(jī)制在具體的智能群體工程應(yīng)用中的性質(zhì)，如同步、編隊(duì)、集群、蜂擁、聚集等相關(guān)的一致性問題。
　　 本文針對智能群體系統(tǒng)運(yùn)動行為的軟控制，通過建立反映群居性生物群體集群行為的

3、涌現(xiàn)機(jī)制與一致性問題之間的映射關(guān)系為紐帶，將從前者中抽取的群體運(yùn)動規(guī)律作為智能群體系統(tǒng)的動力學(xué)建模和協(xié)調(diào)行為的軟控制工具，然后結(jié)合一致性機(jī)制應(yīng)用中由遷移、蜂擁行為延伸出的避碰、避障、編隊(duì)、目標(biāo)跟蹤、覆蓋搜索等主要環(huán)節(jié)的需求，進(jìn)行軟控制策略設(shè)計及其仿真研究。圍繞這些內(nèi)容所進(jìn)行的主要工作如下：
　　 (1)借鑒群居性生物的感知能力和交互能力，建立了集群系統(tǒng)運(yùn)動行為分析的基本框架，給出了集群行為動態(tài)特性與一致性問題之間的映射關(guān)系，從而

4、揭示了智能群體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制與一致性應(yīng)用機(jī)制之間的內(nèi)在聯(lián)系。
　　 (2)生物群體的集群行為中蘊(yùn)涵著潛在的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)理。為便于群體系統(tǒng)運(yùn)動規(guī)律的分析，文中采用空間法建模中的拉格朗日框架和歐拉框架，分別構(gòu)建了三種不同類型的智能群體動力學(xué)模型。同時，針對不同的感知環(huán)境，就有限感知、全局感知、各向同性、各向異性、隨機(jī)干擾、有無時延等情形，分別對這三類模型進(jìn)行了細(xì)化和描述。并在對有限感知和指數(shù)型隨機(jī)兩類拉格朗日模型處于不同情形下的控制律

5、進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，就其集群行為進(jìn)行了仿真測試，驗(yàn)證了這兩類模型的正確性和有效性。
　　 (3)從控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析著手，從理論上證明了有限感知、指數(shù)型隨機(jī)和互惠擴(kuò)散三類集群系統(tǒng)模型的聚集性與穩(wěn)定性。并針對智能群體系統(tǒng)協(xié)調(diào)行為的軟控制中涉及到的避障、編隊(duì)、抑噪、目標(biāo)跟蹤、覆蓋搜索等一致性應(yīng)用問題，就有限感知、指數(shù)型隨機(jī)這兩類集群系統(tǒng)模型分別進(jìn)行了檢驗(yàn)其軟控制性能的仿真測試。仿真結(jié)果表明，這兩類智能群體系統(tǒng)模型均具有良好的穩(wěn)定性。