西北工業(yè)大學特任研究員倪駿康：通信限制下多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制

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摘要
本文介紹了多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制的概念及應用，通信限制下實際多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制問題，給出了帶寬限制下的事件觸發(fā)/自觸發(fā)協(xié)同控制、傳輸比特率限制下基于量化通信的協(xié)同控制、數(shù)據(jù)丟包和通信延時下基于預測補償?shù)膮f(xié)同控制這些常見的協(xié)同控制方法解決通信限制下多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制問題。最后，對通信限制下多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制未來的研究方向進行了展望。

關鍵詞

通信受限，多智能體系統(tǒng)，協(xié)同控制，事件觸發(fā)控制，自觸發(fā)控制，量化通信，數(shù)據(jù)丟包，通信延時，預測補償控制

01引言

多智能體系統(tǒng)是由一定傳感、計算、執(zhí)行和通訊能力的個體組成，各個單元通過網(wǎng)絡傳遞信息，互相協(xié)作完成任務。多智能體系統(tǒng)的應用研究非?；钴S，其涉及領域較寬，這主要是由于系統(tǒng)的自主性、分布性、實時性等特點所決定的。多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制已經(jīng)成為控制學科的一個重要的研究熱點，其研究包括編隊、包圍、蜂擁和群集、跟蹤、一致等多個方面。多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制已經(jīng)應用于集群機器人、編隊飛行、智能電網(wǎng)、協(xié)同作戰(zhàn)、醫(yī)療診斷、協(xié)同制造、智能物流、無人艇編隊等各個領域，如圖1所示。

圖1多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制應用領域

多智能體系統(tǒng)將通信、控制和計算與物理系統(tǒng)深度融合，是一種典型的信息物理系統(tǒng)。在多智能體系統(tǒng)中，通信網(wǎng)絡的傳輸比特率、通信帶寬、網(wǎng)絡資源等有限，隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大，網(wǎng)絡中傳輸?shù)男畔⒘恳矔黾樱瑢е孪到y(tǒng)中容易出現(xiàn)通信延時、數(shù)據(jù)丟包等不良現(xiàn)象，這些不良網(wǎng)絡化現(xiàn)象導致接收信息不及時、不連續(xù)、缺失和不準確，降低了協(xié)同控制性能，甚至導致多智能體系統(tǒng)失穩(wěn)，無法完成指定的任務。既然通信限制給多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制帶來這么大的不利影響，如何從控制的角度克服通信限制帶來的不利影響？

圖2 常見的不良網(wǎng)絡化現(xiàn)象(a)數(shù)據(jù)丟包(b)通信時延[1]

02 通信限制下多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制

下面將給出幾種常見的協(xié)同控制方法解決通信限制下多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制問題：

2.1帶寬限制下的事件觸發(fā)/自觸發(fā)協(xié)同控制

事件觸發(fā)/自觸發(fā)控制只有當測量誤差超過指定閾值時，才觸發(fā)通信和控制更新，能夠有效降低通信和控制更新頻率，降低資源消耗和控制開銷，避免了連續(xù)頻繁通信造成的通信帶寬緊張，適合于通信帶寬有限的通信環(huán)境下多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制。此外，事件觸發(fā)/自觸發(fā)控制能給多智能體系統(tǒng)控制帶來如下好處：首先，智能體中配備的測量模塊、通信模塊、微處理器、執(zhí)行器模塊、驅(qū)動模塊等模塊消耗大量的能量，而給智能體提供的能量有限，使用事件觸發(fā)/自觸發(fā)控制能夠降低系統(tǒng)能量消耗，延長任務執(zhí)行時間和系統(tǒng)壽命；其次，智能體的通信模塊、微處理器、執(zhí)行器模塊具有有限的通信、計算和執(zhí)行能力，事件觸發(fā)/自觸發(fā)控制能夠降低通信和計算量，降低控制開銷，使得智能體能夠執(zhí)行所設計的控制方案；最后，當系統(tǒng)運行在穩(wěn)態(tài)并且不受到干擾影響時，無需實時監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)、與鄰居智能體通信、以連續(xù)方式執(zhí)行控制指令，事件觸發(fā)/自觸發(fā)控制可以節(jié)約通信資源，提升通信效率。我們在前期工作[2-3]給出了多智能體系統(tǒng)固定時事件觸發(fā)控制方案。典型的事件觸發(fā)控制方案如圖3所示[4]。

圖3典型的事件觸發(fā)控制方案[4]

2.2傳輸比特率限制下基于量化通信的協(xié)同控制

實際的多智能體系統(tǒng)通信網(wǎng)絡受到傳輸比特率的限制，無法傳輸實值信息。在受到傳輸比特率限制的多智能體系統(tǒng)通信網(wǎng)絡中，通常采用量化通信的方式傳遞信息，在發(fā)送端將實值信息量化為有限符號并進行編碼，以數(shù)字信號的形式傳輸信息，在發(fā)送端進行解碼，得到實值信息。這種通信方式具有強的反擁塞能力、高的安全性、易于實施和維護、強的魯棒性和遠距離傳輸?shù)葍?yōu)點。然而，由于量化造成的不精確信息給協(xié)同控制協(xié)議的設計帶來了困難。我們在前期工作[5]中克服了這一困難，提出了基于量化通信的固定時一致性控制方法，實現(xiàn)了傳輸比特率限制下多智能體系統(tǒng)固定時一致性跟蹤，所設計的基于量化通信的控制方案如圖4所示。

圖4基于量化通信的協(xié)同控制方案

2.3數(shù)據(jù)丟包和通信延時下基于預測補償?shù)膮f(xié)同控制

實際的多智能體系統(tǒng)中，由于過飽和的通信連接、信道衰減、噪聲干擾、發(fā)射器和接收器之間過遠的距離、執(zhí)行器故障、傳感器故障和網(wǎng)絡攻擊，容易發(fā)生數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象。數(shù)據(jù)丟包隨機改變通信拓撲，引入?yún)f(xié)同控制誤差，降低控制性能，甚至造成系統(tǒng)失穩(wěn)。此外，在實際多智能體系統(tǒng)中，由于有限的通信容量和通信帶寬，當大量信息頻繁通過通信連接交互時，容易導致信息碰撞和信息重傳，進而導致通信延時。通信延時降低協(xié)同控制性能，甚至破壞多智能體系統(tǒng)穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)丟包和通信延時導致智能體無法及時收到實時信息，這給協(xié)同控制協(xié)議的設計帶來困難。針對網(wǎng)絡中出現(xiàn)的通信延時和數(shù)據(jù)丟包，我們在前期工作[6-7]中設計了一種預測器，預測在數(shù)據(jù)丟包和通信延時發(fā)生后，當前時刻鄰居智能體的狀態(tài)，設計了一種基于預測補償?shù)膮f(xié)同控制方案，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)丟包和通信延時下多智能體系統(tǒng)固定時一致性跟蹤，所設計的數(shù)據(jù)丟包和通信延時下基于預測補償?shù)目刂品桨溉鐖D5所示。

圖5數(shù)據(jù)丟包和通信延時下基于預測補償?shù)目刂品桨?/p>

03結論與展望

本文介紹了多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制的概念及應用，通信限制下實際多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制問題，給出了帶寬受限下的事件觸發(fā)/自觸發(fā)控制、傳輸比特率限制下基于量化通信的控制、數(shù)據(jù)丟包和通信延時下基于預測補償?shù)目刂七@些常見的協(xié)同控制方法解決通信限制下多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制問題。通信限制下多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制還有很多值得研究的方向，例如，基于編碼器-解碼器的動態(tài)事件觸發(fā)協(xié)同控制、隨機丟包環(huán)境下事件觸發(fā)協(xié)同控制、通信延時下量化協(xié)同控制、其他通信限制下多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制。

04參考文獻

[1]https://blog.csdn.net/dragon11123123/article/details/114853412

[2] J. K. Ni, P. Shi, Y. Zhao, Q. Pan and S. Y. Wang, “Fixed-time event-triggered output consensus tracking of high-order multiagent systems under directed interaction graphs,” IEEE Trans. Cybern., vol. 52, no. 7, pp. 6391-6405, Jul. 2022

[3] J. K. Ni, F. Y. Duan, P. Shi, “Fixed-time consensus tracking of multiagent system under DOS attack with event-triggered mechanism,”IEEE Trans. Circuits Syst. I, Reg. Papers, vol. 69, no. 12, pp. 5286-5299, Dec. 2022

[4] L. Ding, Q.-L. Han, X. H. Ge and X.-M. Zhang, “An overview of recent advances in event-triggered consensus of multiagent systems,” IEEE Trans. Cybern., vol. 48, no. 4, pp. 1110-1123, Apr. 2018

[5] J. K. Ni, C. Y. Wen and Y. Zhao, “Fixed-time leader-follower quantized output consensus of high-order multi-agent systems over digraph,” Inf. Sci., vol. 587, pp. 408-434, Mar. 2022

[6] J. K. Ni, P. Shi, Y. Zhao and Z. H. Wu, “Fixed-time output consensus tracking for high-order multi-agent systems with directed network topology and packet dropout,” IEEE/CAA J. Autom. Sinica, vol. 8, no. 4, pp. 817-836, Apr. 2021

[7] J. K. Ni, Y. Zhao, J. D. Cao and W. L. Li, “Fixed-time practical consensus tracking of multi-agent systems with communication delay,”IEEE Trans. Netw. Sci. Eng., vol. 9, no. 3, pp. 1319-1334, May/Jun. 2022

作者簡介

倪駿康，西北工業(yè)大學特任研究員，博士生導師。主要從事多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制、信息物理系統(tǒng)容錯控制、固定時控制理論及應用等領域的研究。主持國家自然科學基金面上項目、國家自然科學青年基金、第八屆中國科協(xié)青年托舉工程項目、陜西省自然科學基金、裝備預研航天聯(lián)合基金等項目，在IEEE TCYB、IEEE TSMCA、IEEE TIE、ACC、IFAC World Congress等期刊和會議上發(fā)表論文50余篇，ESI高被引6篇，擔任CCC、IECON等多個國際會議執(zhí)行主席、分會主席，擔任全國集群智能與協(xié)同控制大會、CSIS-IAC等會議的程序委員會委員。授權發(fā)明專利7項，軟件著作權2項，獲2021陜西省高等學?？茖W技術研究優(yōu)秀成果二等獎，擔任中科院一區(qū)TOP期刊IEEE/CAA JAS青年編委，中國自動化學會和指揮與控制學會高級會員，擔任IFAC Technical Committee on Large Scale Complex Systems委員，擔任中國指揮與控制學會青工委委員、智能控制與系統(tǒng)專委會委員，擔任Automatica、IEEE TCYB、IEEE TSMCA、IEEE TFS、IEEE TIE等40余個高水平期刊審稿人，入選第八屆中國自動化學會青年人才托舉工程。