基于极值搜索的多智能体分布式优化与博弈求解方法研究

Distributed optimization and noncooperative games in multi-agent systems are currently two of the hot research topics for researchers in the system and control society. Based on the observation that in many practical situations, it’s challenging to get explicit model information or the exact system parameters, this project aims to develop extremum-seeking-based approaches to solve distributed optimization problems and noncooperative games in multi-agent systems without using explicit model information. More specifically, this project focuses on addressing the disturbed dynamical constraints in the distributed optimization problems and noncooperative games as well as solving the noncooperative games subject to global coupling constraints. The methods to improve the properties of the proposed algorithms (e.g., the scalability, the communication burden and the convergence speed) will be investigated. Applications of the proposed methods in the mobile sensor networks (e.g., coverage control or source seeking) will be considered to validate the effectiveness of the proposed methods. The project will not only promote the theoretical developments of distributed optimization methods, the Nash equilibrium seeking algorithms and the design of extremum seeking controllers, but also show its practical relevance in mobile sensor networks.

多智能体分布式优化与非合作博弈是当今系统与控制科学研究的热点之一。本项目针对很多实际应用中很难得到精确系统模型或存在系统参数未知的情况，采用极值搜索控制，研究不依赖于具体模型信息的多智能体优化方法及其在移动传感器网络寻源或覆盖控制中的应用。具体研究内容包括:针对智能体动力学方程中含有扰动、不确定项的动态多智能体系统中的分布式优化问题和非合作博弈问题以及带全局耦合约束的非合作博弈问题，设计基于极值搜索控制的分布式优化方法和纳什均衡搜索算法，分别求解分布式优化问题和非合作博弈问题，探讨算法性能（例如可伸缩性、通信量以及收敛速度等）的影响因素，明确提高算法性能的方法，并在移动传感器网络寻源或覆盖控制中验证算法的有效性。本项目的开展不仅对促进分布式优化、非合作博弈以及极值搜索控制理论的发展具有重要的意义，而且将在移动传动器网络中体现重要的实际价值。

多智能体系统分布式优化与博弈问题在智能电网、无线网络、机器学习等领域具有广泛的应用，是当前的研究热点。本项目针对多智能体系统分布式优化与博弈问题开展研究。提出了多簇博弈模型及其求解方法；设计了分布式非凸优化问题的全局寻优方法；研究了多种扰动观测与抑制方法，并基于扰动观测器等实现了分布式鲁棒纳什均衡搜索；针对有界控制输入系统、混杂系统中的决策问题开展研究，提出了针对网络耦合系统优化与博弈问题的隐私保护方案，并将所提出的方法应用于移动传感器网络连通控制问题中。在本项目资助下，项目组发表（含在线发表）论文19篇，其中在控制理论顶级期刊IEEE Transactions on Automatic Control及Automatica上发表论文共7篇，在其他IEEE汇刊上发表论文4篇，在自动化学报英文版上发表论文1篇，在International Journal of Robust and Nonlinear Control（IJRNC）上发表论文1篇。此外，发表EI会议论文6篇。获得2019年IEEE控制与自动化国际会议最佳论文奖（独立）；2019年宁夏自然科学优秀学术论文一等奖（排名第二）；发表在IJRNC上的论文被评选为封面论文。培养研究生9人次，其中新增就业1人次，并多次参加国内外学术会议，加强了国内外合作交流。