多智能體系統(tǒng)一致性問題概述

多智能體一致性問題綜述一致性理論發(fā)展趨勢展望一致性理論應(yīng)用領(lǐng)域一致性協(xié)議一致性問題描述多智能體系統(tǒng)多智能體系統(tǒng)定義:

多智能體系統(tǒng)是由多個可計算的智能體組成的集合，其中每一個智能體是一個物理或抽象的實體，并能通過感應(yīng)器感知周圍的環(huán)境，效應(yīng)器作用于自身，并能與其他智能體進行通訊的實體研究多智能體系統(tǒng)的主要目的期望通過大規(guī)模的智能體之間的合作協(xié)調(diào)來代替昂貴的單個系統(tǒng)（衛(wèi)星、機器人、無人駕駛飛行器、自治水下潛艇等）完成復(fù)雜的任務(wù)。

在合作控制問題中，智能體之間通過無線網(wǎng)絡(luò)或者在初始時刻預(yù)輸入來共享信息，這些信息包括相同的控制算法，共同的目標，或者相對的位置信息。一致性問題描述在自然界中，很多群體活動的生物在遷徙，覓食等活動中，往往會以一定的規(guī)則活動。比如說大雁在遷徙過程中往往以一致的速度排列成“人”字型飛行；又如海洋中的魚群以一致的角速度結(jié)群活動。一致性問題描述一致性問題主要是研究如何基于多智能體系統(tǒng)中個體之間有限的信息交換，來設(shè)計算法，使得所有智能體的某一個狀態(tài)量或是所有狀態(tài)量趨于相等。

一致性一致性協(xié)議問題作為智能體之間相互作用、傳遞信息的規(guī)則，它描述了每個智能體和與其相鄰的智能體的信息交換過程。一致性問題描述一致性理論研究的三個階段第三階段（2004-）第二階段(1995-2004)第一階段(1987-1995)生物群體機制模擬階段:主要模擬自然界群體一致性現(xiàn)象以Boid模型和Vicsek模型為代表理論探索研究階段：Jadbabaie等人對Vicsek模型的一致性行為給出了理論證明，開辟了多智能體一致性理論研究的探索之路。理論日臻完善階段：逐漸探索并完善了一致性理論在有向/無向通信網(wǎng)絡(luò)、固定/動態(tài)拓撲、時滯系統(tǒng)、信息不確定以及異步通信中的相關(guān)問題，已形成了相對完善的系統(tǒng)理論一致性協(xié)議圖論是一致性問題分析的重要工具。對于一個多智能體系統(tǒng)，很自然的會想到用圖論來表示智能體之間信息交換的過程。下面是在一致性問題研究中要用到的圖論知識的總結(jié)。圖論基礎(chǔ)

一致性協(xié)議圖論基礎(chǔ)一致性協(xié)議矩陣論基礎(chǔ)為了描述節(jié)點與邊之間的關(guān)系，我們引入鄰接矩陣A,A中元素取值如下：拉普拉斯矩陣L是另一種描述點與邊之間關(guān)系的矩陣，它的取值如下：

對于無向圖，其拉普拉斯矩陣L是對稱矩陣。對于有向圖，如果有一個節(jié)點的信息能傳遞到系統(tǒng)中的任意節(jié)點，則這個有向圖含有一個有向生成樹。一致性協(xié)議矩陣論基礎(chǔ)下圖是含有七個節(jié)點的有向圖，并給出了其相應(yīng)的鄰接矩陣A和拉普拉斯矩陣L。一致性協(xié)議一致性問題的數(shù)學(xué)模型則稱多智能體系統(tǒng)實現(xiàn)一致性。一致性協(xié)議一階一致性

在早期關(guān)于一致性問題的研究中，絕大多數(shù)研究工作針對智能體為一階智能體的情形，分析不同網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)下實現(xiàn)一致性需要滿足的條件和一致性實現(xiàn)時的收斂值。一致性協(xié)議二階一致性對于n個智能體組成的系統(tǒng)，每一智能體的二階動態(tài)模型為：采用如下二階多智能體系統(tǒng)一致性算法：一致性協(xié)議高階一致性協(xié)議近來，許多研究人員對多智能體系統(tǒng)一致性問題的研究轉(zhuǎn)移到了智能體為n階智能體的情況，并以線性矩陣不等式形式給出系統(tǒng)一致性需要滿足的條件，在一定假設(shè)下分析給出線性矩陣不等式的可解性，并通過實例驗證了算法的有效性議。一致性理論應(yīng)用領(lǐng)域編隊控制多平臺編隊控制是一致性策略的應(yīng)用典型領(lǐng)域之一，基于相應(yīng)的一致性協(xié)議，研究無人機等多智能體系統(tǒng)中高度保持，編隊穩(wěn)定等性能蜂擁問題在多智能體蜂擁(Flocking)算法應(yīng)用中，一致性算法主要用于實現(xiàn)多智能體間的速度匹配，在以相同速度運動的前提下，多智能體間保持一定的距離以避免相互碰撞。聚集問題聚集問題(RendezvousProblem)是指一群移動的智能體，通過設(shè)計局部控制策略使得所有的智能體最后能夠同時在指定位置聚集一致性理論應(yīng)用領(lǐng)域融合估計相關(guān)文獻中采用分布式Kalman濾波器來解決這一問題，并將其分解為兩個動態(tài)一致性子問題：加權(quán)測量和逆協(xié)方差矩陣計算。協(xié)同決策針對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下訂單購買(代理/決策)問題，相關(guān)文獻引入分布式一致性協(xié)議來協(xié)調(diào)訂單價格。每個買家指定不同的閾值策略，并按此下訂單。證明了分布式協(xié)議可以取得如集中式?jīng)Q策相同協(xié)調(diào)效果。耦合振子系統(tǒng)同步生物學(xué)家Winfree指出耦合振子(CoupledOscillators)系統(tǒng)同步問題可以簡化為研究相位變化問題。相關(guān)文獻中分析了非線性耦合振子系統(tǒng)Kuramoto模型的穩(wěn)定性，基于一致性理論，得到了確定和不確定振蕩頻率情況下振子系統(tǒng)取得同步的結(jié)論。發(fā)展趨勢展望BECDA弱連通(WeaklyConnected)條件下的多智能體一致性理論具有不對稱時變時延的多智能體