復雜網(wǎng)絡建模與一致性及在多移動智能體中的應用.pdf

1、自1998年的Watts和Strogatz 提出“小世界”網(wǎng)絡模型，1999年Barabàsi和Albert提出“無標度”網(wǎng)絡演化模型以來，復雜網(wǎng)絡的研究在實證分析、網(wǎng)絡的演化模型、網(wǎng)絡的動力學行為和復雜網(wǎng)絡理論的應用這四個方面取得了驚人的進展。在機器人及人工智能領域，多移動智能體的協(xié)調控制是當前的一個熱點問題。受到當前復雜動態(tài)網(wǎng)絡理論迅速發(fā)展的啟發(fā)，將多移動智能體系統(tǒng)看成一個復雜動態(tài)網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中的節(jié)點表示智能體，兩個節(jié)點之間的邊表示兩

2、智能體之間的協(xié)作關系(比如感應關系、通信關系等)，節(jié)點的動力學特性則表示智能體群運動特性。本文以多移動智能體系統(tǒng)為研究背景，以復雜網(wǎng)絡理論為工具，在網(wǎng)絡建模、網(wǎng)絡的一致性問題等方面展開了研究，本文主要工作如下：
　　 受多移動智能體通信網(wǎng)絡的啟發(fā)，提出了一類基于物理位置近鄰的演化網(wǎng)絡模型。在這些模型的基礎上，對這些模型生成的網(wǎng)絡的聚類系數(shù)、平均路徑長度、度分布、對網(wǎng)絡延時的魯棒性和達到一致性所需要的時間等在不同的演化參數(shù)下不同的

3、特性作了深入研究。研究表明，隨著近鄰節(jié)點數(shù)M的增大，這5個模型產(chǎn)生的網(wǎng)絡的聚類系數(shù)都急劇減小、一致性問題收斂時間都會變短；對于模型4，它對網(wǎng)絡延時的魯棒性是最差，當 M 由小變大時，其度分布由指數(shù)分布到冪律分布過渡，BA無標度模型僅僅是它的一種特殊(極限)情況。
　　 研究了幾種不同拓撲結構的網(wǎng)絡對節(jié)點失效和邊失效的魯棒性、對網(wǎng)絡延時的魯棒性以及一致性問題的收斂速度等方面的特性，這些網(wǎng)絡包括小世界網(wǎng)絡、無標度網(wǎng)絡、最臨近耦合網(wǎng)絡

4、、星網(wǎng)絡和全耦合網(wǎng)絡等。通過研究發(fā)現(xiàn)，第一，星網(wǎng)絡作為一個邊較少的網(wǎng)絡，卻具有很快的一致性問題收斂速度，其收斂速度要比和它具有相同節(jié)點數(shù)和節(jié)點平均度的小世界網(wǎng)絡和無標度網(wǎng)絡都要快，但星網(wǎng)絡對網(wǎng)絡延時的魯棒性很弱；第二，小世界網(wǎng)絡和無標度網(wǎng)絡在相同平均度和節(jié)點數(shù)的情況下，其一致性問題的收斂速度相差不大，但它們要比和它們具有相同平均度和節(jié)點數(shù)的最鄰近耦合網(wǎng)絡的收斂速度快很多倍；第三，全耦合網(wǎng)絡是所有網(wǎng)絡中一致性收斂速度最快的，但其對網(wǎng)絡延時

5、的魯棒性很弱；第四，網(wǎng)絡節(jié)點最大度和網(wǎng)絡的延時魯棒性有近似的線性關系，因此網(wǎng)絡節(jié)點的最大度可以用來對網(wǎng)絡延時魯棒性進行預測；最后，對無標度網(wǎng)絡而言，通過對網(wǎng)絡中很小一部分邊進行解耦，可以顯著提高網(wǎng)絡對延時的魯棒性。
　　 提出了設計一致性速度優(yōu)化的小世界網(wǎng)絡的兩種方法。一種基于NW小世界網(wǎng)絡模型(由Newman和Watts 提出)和遺傳算法，另一種是基于WS小世界模型(由Watts和Staogtz 提出)和長程節(jié)點優(yōu)先連接。研究

6、表明，當使用NW 模型來構建節(jié)點數(shù)不多、長程連接數(shù)固定的小世界網(wǎng)絡時，可以使用遺傳算法來優(yōu)化選擇長程連接的連接圖，以獲得小世界網(wǎng)絡更快的一致性收斂速度；當使用WS 模型來構建小世界網(wǎng)絡，在斷邊重連的每一步，當重連的另一個節(jié)點選擇和固定節(jié)點距離最長的節(jié)點時，所形成的小世界網(wǎng)絡的一致性收斂速度會明顯加快。
　　 受復雜動態(tài)網(wǎng)絡一致性理論的啟發(fā)，提出了一個簡單新穎的、適用固定和動態(tài)變化兩種通信拓撲的多移動智能體系統(tǒng)的隊形控制和群運動控

7、制模型。在該模型的基礎上，使用復雜網(wǎng)絡的一致性理論，給出和證明了兩個關于系統(tǒng)在固定和動態(tài)變化通信拓撲下的系統(tǒng)穩(wěn)定性的兩個定理。
　　 受復雜動態(tài)網(wǎng)絡的同步理論的啟發(fā)，提出了另一個多移動智能體系統(tǒng)的隊形控制和群運動控制的控制器設計方案，并為系統(tǒng)給出了一個新穎的控制模型。在該模型的基礎上，研究了每一個智能體的控制器的具體設計方案，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了分析和證明。該方案更適用于智能體運動特性特別復雜的情況。
　　 群集運動控制