多智能体分布式协同控制的虚拟仿真实验系统

In recent years, with the rapid development of control discipline, computer science and artificial intelligence, multi-agent cooperative control has become an important direction of control discipline in the future. Under the situation of "New Discipline" and modernization of education, higher education lacks the necessary simulation experimental means for training talents in this field. In order to research the virtual simulation system of multi-agent cooperative control experiment for graduate students and senior undergraduates, the project starts with the modeling of "Agent-Environment-Task", and carries out the research of agent local perception fusion method and agent communication capability modeling. The framework of simulation system is built based on HLA distributed simulation technology. In order to improve the simulation efficiency, time management of simulation system is studied by combining logical grouping method with combination of multiple propulsion and event-driven propulsion. Cooperative graph, sequence graph, activity graph and the Petri nets converted by certain algorithms of the three kinds of graphs are presented to realize the visualization in the simulation process. Fuzzy cognitive map is used to realize the intelligent information push of friendly human-computer interaction. Finally, a universal, modular and configurable virtual simulation experiment system with strong operability and friendly human-computer interaction is realized, which provides a reliable and effective experimental environment and means for the experimental teaching of multi-agent cooperative control.

近年来，控制学科、计算机学科、人工智能技术快速发展，多智能体的协同控制成为未来发展的一个重要方向。在“新工科”及教育现代化建设形势下，高等教育缺乏对该方面人才培养的必要仿真实验手段。为研究适合研究生以及本科高年级学生开展多智能体协同控制实验的虚拟仿真系统，从“智能体-环境-任务”的建模入手，对智能体局部感知融合方法及智能体的通信能力建模开展研究。构建基于HLA分布式仿真技术的仿真系统框架，为了提高仿真效率，采用基于逻辑分组与多种推进方式相结合的方法以及基于事件驱动的推进方式对仿真系统的时间管理开展研究。提出应用将协作图、顺序图、活动图以及这三图经过一定算法转化的Petri网来实现仿真过程中的可视化，并通过模糊认知图实现友好人机交互的智能信息推送。最终实现一个可操作性强、具有友好人机交互的通用化、模块化、可配置的虚拟仿真实验系统，为多智能体协同控制的实验教学提供可靠有效的实验环境和手段。

本项目针对多智能体分布式协同控制的虚拟仿真系统开展研究，建立了“智能体-环境-任务”三要素的模块化、可组合的通用模型，设计了一个分布式仿真框架结构，最终构建了一个可操作性强、能够提供友好人机交互的通用化、模块化、可配置的虚拟仿真实验系统，为多智能体分布式协同控制的实验教学环节提供了可靠有效的实验环境和手段。该系统针对多智能体系统中的环境态势理解与任务理解、任务分配与路径规划、实时定位与地图构建等热点问题提供了新理论与新方法，并为这些理论与方法的仿真实验提供了相应的接口与实验平台，便于多智能体系统相关的实验教学。主要研究成果包括：基于智能体的能力特点构建了智能体模型；基于地理环境、天气环境和电磁环境三方面建立环境模型；基于任务分解原理，从元任务、子任务角度出发构建任务模型；基于硬件在环仿真的仿真系统硬件体系结构设计；基于分层递阶控制结构的仿真系统软件体系结构设计；基于极限学习机和聚类算法设计多智能体层次型态势理解框架构建和算法，构建多智能体态势理解与任务理解仿真实验平台，实现多层次态势信息的实时展示和基于任务理解的人机交互；面向多点动态集结任务设计多智能体两阶段分布式任务规划算法，实现对任务可行解的构造与动态优化，构建分布式多智能体协同任务规划仿真实验平台，实现多智能体协同任务分配与路径规划的实时展示和人机交互；基于启发式方法设计多智能体协同全覆盖路径规划算法，实现分布式多智能体对未知环境的高效协同覆盖，构建震后救援环境下的智能体协同控制仿真实验平台，实现多智能体协同控制的实时展示和人机交互。目前，本项目支持下的研究总计发表国内外学术期刊论文3篇、会议论文3篇，且被国内外学术期刊录用论文4篇；形成一套可视化良好、具有友好人机交互的多智能体分布式协同控制的虚拟仿真实验系统软件；授权国内发明专利4项，受理国内发明专利3项，登记软件著作权2项；培养研究生5名，顺利完成了项目目标和指标。