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具有通信约束的无线地下传感器网络最佳工作频率选择方法

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自动化与仪器仪表 2024年第1期 206-209,213页

作者：赵绪亮黄欢陈炜智吉祥韦劼郑杰广西电网有限责任公司柳州供电局广西柳州545005

无线地下传感器网络主要应用于地质信息的实时探测,分为地下传感节点和地上接收节点,可以实时地将探测数据传输至网络系统。但其生命周期受电池能量约束,为延长节点的工作时间,增加无线地下传感器网络的使用寿命,研究具有通信约束的无... 详细信息

无线地下传感器网络主要应用于地质信息的实时探测,分为地下传感节点和地上接收节点,可以实时地将探测数据传输至网络系统。但其生命周期受电池能量约束,为延长节点的工作时间,增加无线地下传感器网络的使用寿命,研究具有通信约束的无线地下传感器网络最佳工作频率选择方法。参考无线地下传感器网络工作模式,划分其节点功能能耗分布模块,给定影响模块的能耗参数。采用离散向量构建参照矩阵,基于网络节点运行情况获取相对位置。以通信约束条件量化网络节点分布区间,建立节点运行线性数学模型,预测无线地下传感器网络运行负载。通过波束成形技术转换能量信号,判断上行与下行能量传输协议,选择无线地下传感器网络节点的最佳工作频率,实现方法设计。实验结果表明:在本文方法下能够快速选择出节点的工作频率,且在不同的噪声条件下可以保证设定的数据吞吐量,具有应用价值。

关键词：通信约束无线地下传感器网络最佳工作频率选择方法实时探测

通信受限条件下多无人机协同环境覆盖路径规划

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中国惯性技术学报 2024年第3期32卷 273-281页

作者：陈洋周锐武汉科技大学信息科学与工程学院武汉430081 武汉科技大学冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心武汉430081

多无人机协同覆盖旨在有效分配多个无人机任务,实现给定区域的快速、高效全覆盖。然而,在现实应用场景中常常因为无人机之间距离超出通信范围,信号传输受阻,导致无人机之间的协作和信息交互面临极大挑战。为此,提出一种基于Deep Q Netwo... 详细信息

多无人机协同覆盖旨在有效分配多个无人机任务,实现给定区域的快速、高效全覆盖。然而,在现实应用场景中常常因为无人机之间距离超出通信范围,信号传输受阻,导致无人机之间的协作和信息交互面临极大挑战。为此,提出一种基于Deep Q Networks(DQN)的多无人机路径规划方法。采用通信中断率和最大通信中断时间两个指标来评价路径质量,通过构建与指标相关的奖励函数,实现了无人机团队的自主路径决策。仿真实验表明,所提方法在最短路径上可以与传统优化算法效果保持一致,权衡路径下在增加20%路径长度的情况下可以降低80%通信中断率,在全通信路径下则可以实现100%的全过程连接通信,因此可以根据不同的通信环境生成高效覆盖所有环境节点的路径。

关键词：环境覆盖多无人机通信约束深度Q网络路径规划

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通信约束下多智能体系统的输出调节问题

通信约束下多智能体系统的输出调节问题

作者：许迅博哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

近年来,分布式人工智能领域发展迅速,多智能体系统理论作为其重要分支也逐渐成为热门课题,得到相关领域研究学者们的广泛重视。在实际应用过程中,多智能体系统常常需要考虑跟踪外源信号或抑制一类扰动影响,这一类问题也叫做输出调节问... 详细信息

近年来,分布式人工智能领域发展迅速,多智能体系统理论作为其重要分支也逐渐成为热门课题,得到相关领域研究学者们的广泛重视。在实际应用过程中,多智能体系统常常需要考虑跟踪外源信号或抑制一类扰动影响,这一类问题也叫做输出调节问题。输出调节问题既是对外源系统的跟踪问题,也是一种扰动抑制问题。输出调节问题在实际工程中应用广泛,因此研究输出调节问题具有十分重要的意义。在多智能体系统的实际应用过程中,由于多智能体系统常常工作于复杂且恶劣的外部环境且每个智能体自身的情况也各不相同,所以常会因为各种因素的影响而造成智能体间的通信产生延迟或智能体发送的数据丢失等情况,这里我们称之为通信约束。通信约束最终可能导致系统的不稳定,因此在理论研究的过程中,不能忽视通信约束的影响。为此,需要设计合适的分布式控制协议来处理这一问题。本文的主要研究如下:首先,针对异构离散多智能体系统,分别假设所有智能体均能估计外源系统和只有一部分智能体能够估计外源系统这样两种情况,给出了系统通信的限制条件。运用网络化预测控制模型,补偿消除了通信约束的影响并获取预测输出信息,设计分布式预测控制协议并给出了解决输出调节问题的充分条件。最后,通过数值仿真验证了每个智能体均可以跟踪上外源信号或抑制这一类外部扰动。其次,解决了分组协同输出调节问题,通过建立网络化预测控制模型,主动补偿通信时滞并解决了数据丢包问题。考虑组内及组间通信并利用预测信息设计了一种分布式预测控制协议,给出了解决分组协同输出调节问题的充分条件,使得每组智能体能够跟踪上不同的外源系统并抑制这类外部扰动的影响,最后通过仿真验证了理论的有效性,并将使用预测模型得到的结论与无预测状态下系统输出情况相比较,证明了预测模型能够有效的减小通信约束的影响。

关键词：多智能体系统通信约束协同输出调节预测控制

通信约束下多智能体系统容错控制及滞后一致性研究

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通信约束下多智能体系统容错控制及滞后一致性研究

作者：刘为哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

随着科技化的全面推进,多智能体系统的应用越来越广泛。一致性问题作为多智能体应用领域中至关重要的研究内容之一,已经引起了各界的广泛关注。在网络化时代,信息传输变得方便又快捷。但由于通信资源有限,通信约束造成的影响不可小视。... 详细信息

随着科技化的全面推进,多智能体系统的应用越来越广泛。一致性问题作为多智能体应用领域中至关重要的研究内容之一,已经引起了各界的广泛关注。在网络化时代,信息传输变得方便又快捷。但由于通信资源有限,通信约束造成的影响不可小视。例如通信时滞会导致个体接收信息慢,数据丢包会使个体接收的信息不完整。而且在当前的实际应用中,由于外界环境中干扰的存在,很难达到理想的工作环境,链路故障的研究也变得不可或缺。链路故障会导致数据传输失败进而影响系统的正常运行。此外,在日常生活中存在很多需要排序合理调度的问题,比如船只进入狭窄港口、车辆的停放顺序,这都表明了滞后一致性的重要性。本文对通信约束下的系统链路故障容错控制及滞后一致性进行了研究。主要内容如下:一方面,研究了存在链路故障和通信约束的离散时间多智能体系统,分别研究了无领导者和有领导者两种情况下的一致性问题。首先,考虑智能体之间存在通信时滞和数据丢包,并用Bernoulli分布刻画链路故障发生的随机性。建立固定拓扑结构下的离散系统动力学模型。其次,通过邻居智能体前一时刻的信息,构造状态观测器补偿通信时滞,设计的控制协议弥补了链路故障产生的影响。基于Lyapunov理论及矩阵论,给出了系统实现一致性以及领导-跟随一致性的充分条件。最后,Matlab仿真表明了所提出控制方法的有效性。另一方面,研究了存在通信约束的二阶以及高阶离散多智能体系统的滞后一致性问题。当系统存在网络通信时滞以及数据丢包时,结合网络化预测方法,设计分布式协议以补偿通信约束。通过引入增广系统,选择合适的Lyapunov函数,给出系统实现滞后一致性的充分条件。Matlab仿真验证了所提出控制方法的有效性。

关键词：多智能体系统通信约束容错控制滞后一致性

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通信约束下联邦学习算法研究

通信约束下联邦学习算法研究

作者：钟小颖武汉工程大学

学位级别：硕士

联邦学习算法由一个中央服务器和多个客户端组成,在不需要交换本地数据的情况下就能共享重要信息,但是,由于客户端与服务器之间需要不断通信以交换大量模型参数,造成了较高的通信成本。因此研究如何降低联邦学习通信成本,对联邦学习的... 详细信息

联邦学习算法由一个中央服务器和多个客户端组成,在不需要交换本地数据的情况下就能共享重要信息,但是,由于客户端与服务器之间需要不断通信以交换大量模型参数,造成了较高的通信成本。因此研究如何降低联邦学习通信成本,对联邦学习的实际应用,尤其是在通信约束下的移动设备上的应用,具有很重要的现实意义。通信成本主要包含两个方面:一是通信数据总量,二是通信轮次。首先,为了减少传输数据所需总比特数,本文提出了一种基于权值量化的联邦平均算法—基于动态量化的联邦平均算法（DQFed Avg）,在客户端向中央服务器上传更新的本地权值之前进行一个量化操作,减少单轮通信回合的通信比特数,由此减少通信成本。其次,为了减少客户端与服务器之间的通信轮次,本文提出了耦合加速的惰性聚合梯度双向量化算法（CT-LAQ）,对于上行链路,客户端通过耦合加速梯度下降法计算梯度,在上传梯度之前再进行量化操作,然后设置一个标准确定选择上传本轮梯度或者跳过本轮上传而重用上一个梯度。对于下行链路,服务器通过聚合更新全局梯度,在广播之前进行量化操作,并选择广播本轮梯度或者跳过本轮广播重用上一个梯度。这样,通过选择跳过上传或者广播的方式,大大减少通信轮次,由此降低通信成本。本文提出的联邦学习算法在充分保证客户端的数据隐私安全的同时,通过加入量化技术和耦合加速梯度下降法,大大减少了通信数据总量和客户端与服务器之间的通信轮次,加速模型收敛,提高训练效率,从而降低系统通信成本。通过大量仿真实验检验了所提算法的有效性。

关键词：联邦学习深度学习量化通信约束

通信约束下UUV-UAV协同目标搜索方法研究

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通信约束下UUV-UAV协同目标搜索方法研究

作者：姜丽媛哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着无人系统的迅速发展,水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)和无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)被广泛应用于海上目标搜索任务中。但海上搜索任务的复杂性给单一搜索平台带来巨大的挑战,跨域异构系统投入搜索可以充... 详细信息

随着无人系统的迅速发展,水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)和无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)被广泛应用于海上目标搜索任务中。但海上搜索任务的复杂性给单一搜索平台带来巨大的挑战,跨域异构系统投入搜索可以充分发挥平台间的互补性,能显著提高任务执行的效率。因此,开展跨域异构平台的协同搜索有着广泛的应用前景。本文为解决面向搜索海上任务区域的动目标的问题,开展了UUV-UAV协同目标搜索算法、通信约束下的UUV与UAV间的交互方法、任务分配方案与动目标趋近策略的研究,主要研究内容如下:首先,分析UUV与UAV协同搜索海上目标的问题,完成了搜索模型的建立,并规定了系统间交互的报文内容。此外,基于栅格法建立了用于对应UUV位置和任务空间的系统水平面模型。其次,把跨域的UUV与UAV系统搜索海上动目标任务划分为:协同目标搜索、任务分配、目标趋近三个关键阶段。在不考虑通信约束的协同搜索阶段,根据任务区域的先验信息完成环境感知地图的构建。在协同目标搜索阶段,首先通过离散动态规划方法为UUV离线的规划出搜索路径点,随后UAV采用粒子群与滚动时域优化相结合的算法,根据UUV的实时位置在线规划自身的搜索决策。仿真实验结果表明,本文提出的异构协同算法在任务区域中可以实现有针对性的搜索效果。再次,针对跨域异构系统不能保持实时通信的问题,研究通信约束下系统间的通信机制,提出一种定期协同的交互方法,UUV为UAV规划通信周期,仿真实验结果表明系统间能够保证协同搜索的一致性。同时针对UUV上浮的不确定性,为UAV寻找与UUV满足通信约束的交会位置,提出回溯法与粒子群算法相结合的方法,仿真实验结果表明定期协同交互方法具有较强的鲁棒性。此外,加入了动态目标对以上搜索方法进行了验证,仿真实验结果表明跨域异构系统能够快速可靠地搜索到目标。最后,在系统探测到动态目标后搜索阶段结束,进入任务分配阶段。针对首先发现目标的平台不同的情况提出了不同的任务分配方案。在UUV趋近目标阶段采用视线导引法为其制定导引策略。仿真实验结果表明,本文提出的策略能在探测到目标后稳定地跟随目标。

关键词：水下无人航行器无人机通信约束协同目标搜索

通信约束下的多智能体分布式能源调控一致性研究

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通信约束下的多智能体分布式能源调控一致性研究

作者：张倩华北电力大学

学位级别：硕士

气候变化和环境问题使得分布式能源在电力系统中得到了越来越多的关注,但其分布广、规模小、数量多,因此很难利用传统电网的集中式控制对其进行调控。分布式能源系统在某种程度上可视为多智能体系统,各发电单元可建模为智能体,因而可以... 详细信息

气候变化和环境问题使得分布式能源在电力系统中得到了越来越多的关注,但其分布广、规模小、数量多,因此很难利用传统电网的集中式控制对其进行调控。分布式能源系统在某种程度上可视为多智能体系统,各发电单元可建模为智能体,因而可以借助多智能体系统的分布式优化算法来实现分布式能源系统的协调优化运行。此外,由于实际系统中通信环境的复杂性以及各分布式发电单元计算能力的有限性,设计一种能够适应复杂通信环境、降低各发电单元通信压力的分布式调控策略对分布式能源系统的优化运行具有启发价值和实际意义。本文主要针对通信约束下的分布式能源系统一致性调控进行研究,具体完成工作如下:首先,针对分布式能源系统的经济调控问题,以燃料成本和环境成本最小化为目标,在满足供需平衡和输出功率约束的条件下,采用各发电单元的增量成本作为一致性变量,设计了一种可以在有限时间内收敛的一致性算法。其次,在实际的通信过程中,考虑到分布式发电单元在传输信息时会出现通信时延,因此研究了通信时延影响下分布式能源系统的经济调控模型。按有无领导者分别对Leader-Follower算法和完全分布式算法展开讨论,通过多种仿真场景,比较了两种算法在收敛速度以及鲁棒性方面的差异。最后,当发电单元之间的信息交互既受到时延又受到噪声影响时,提出了一种鲁棒一致性算法,通过引入一致性增益函数抑制了时延和噪声对经济调控的影响。为了度量非理想通信环境下不同网络拓扑的鲁棒性,引入了鲁棒性度量指标H范数的平方,建立了通信拓扑与鲁棒性度量指标的直接联系,并通过仿真分析比较了典型通信拓扑的鲁棒性。本文通过MATLAB仿真分析实现了对分布式能源系统各项分布式一致性调控策略研究的验证。通过算例仿真验证了理想通信环境下的有限时间一致性调控算法、通信时延影响下的分布式调控算法、时延噪声联合影响下的鲁棒一致性算法以及鲁棒性度量指标的准确性及有效性。

关键词：多智能体一致性通信约束分布式能源分布式调控

复杂通信约束下网络化多智能体系统的时变编队控制

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控制与决策 2023年

作者：郑长兵庞中华董燕飞司文杰河南城建学院电气与控制工程学院北方工业大学电气与控制工程学院

针对二阶网络化多智能体系统中前向通道、反馈通道和智能体之间通道同时存在通信约束(网络诱导时延和丢包)问题,提出了一种基于网络化预测控制方法和时滞系统方法的新型解决方案.首先,基于智能体自身滞后的位置和速度信息,通过迭代预测... 详细信息

针对二阶网络化多智能体系统中前向通道、反馈通道和智能体之间通道同时存在通信约束(网络诱导时延和丢包)问题,提出了一种基于网络化预测控制方法和时滞系统方法的新型解决方案.首先,基于智能体自身滞后的位置和速度信息,通过迭代预测得到智能体当前时刻的位置和速度预测值.然后,考虑到智能体之间通道的通信约束,设计了基于邻居智能体滞后信息的时变编队控制协议.进而,推导出了包含前向通道和智能体之间通道通信约束的闭环时滞系统,并利用李雅普诺夫方法给出了闭环系统稳定的充分条件.最后,通过对比仿真验证了所提方法的有效性,以及网络化预测控制方法在主动补偿通信约束方面的优势.

关键词：网络化多智能体系统通信约束网络化预测控制时滞系统时变编队李雅普诺夫方法

通信约束下网络化直驱运动系统跟踪控制策略研究

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通信约束下网络化直驱运动系统跟踪控制策略研究

作者：戴龙成深圳大学

学位级别：硕士

网络化控制系统(NCS)是一种具备地理空间分布的智能化、网络化系统,控制信号和测量信号在通信网络中高速传输,实现对被控对象高效、稳定的控制与检测。尽管NCS已被应用于智能电网、远程教育、远程医疗及工业生产等领域,却仍面临网络层... 详细信息

网络化控制系统(NCS)是一种具备地理空间分布的智能化、网络化系统,控制信号和测量信号在通信网络中高速传输,实现对被控对象高效、稳定的控制与检测。尽管NCS已被应用于智能电网、远程教育、远程医疗及工业生产等领域,却仍面临网络层的诱导时延、数据丢包以及网络安全等通信约束问题。而结合当下供给侧生产的高质量需求,被控对象的多样性和复杂性也值得关注。因此本文研究具有通信约束的网络化直驱运动系统,针对时延、拒绝服务(Denial of Service,DoS)攻击和通信拓扑问题,以状态反馈控制和模型预测控制(MPC)为主要控制策略,实现直驱运动系统跟踪性能进一步优化。本文研究分为以下4个内容:1.选用直线开关磁阻电机(LSRM)作为本文研究的被控对象,构建LSRM运动学模型。针对双信道时延对网络化LSRM系统跟踪精度影响,构建具有Markov性质的时延模型。基于线性矩阵不等式(LMI)和随机稳定性理论,提出该系统的随机稳定性条件和具有时延补偿的状态反馈控制方法。根据单台LSRM系统在仿真和实验中的跟踪结果,该方法的有效性得以验证。2.针对双信道时延和拓扑切换对多LSRMs系统跟踪精度影响,构建具有随机时延和随机拓扑切换的网络化多LSRMs系统模型。时延和拓扑切换分别建模为Markov模型和Semi-Markov模型,即是一种具有随机时延的子系统间跳变系统。结合LMI技术和δ-误差均方稳定性理论,提出δ-误差均方稳定性条件,设计双模态补偿的状态反馈控制器。利用仿真环境中多台LSRMs系统,验证该方法的有效性。3.考虑网络化直驱运动系统中控制器与执行器(C-A)信道的DoS攻击问题,构建DoS攻击的约束模型。为减少单台LSRM系统跟踪性能受DoS攻击的影响,设计具有缓存的无约束MPC,并在该控制方法下进行系统渐进稳定性分析。通过仿真和实验验证单台LSRM系统在该控制策略下的有效性。4.同时考虑C-A信道的DoS攻击和双信道的时变时延对网络化直驱运动系统跟踪精度影响,设计动态预测时域和变量约束,提出具有缓存和补偿的约束MPC。结合MPC算法的递归可行性和全局渐进稳定性理论,提出系统全局渐进稳定性定理。同时该控制策略可分别应用于单台LSRM系统和不同拓扑结构的多台LSRMs系统,并在仿真和实验平台上验证该控制策略对直驱运动系统跟踪性能优化的有效性。

关键词：网络化控制系统直线开关磁阻电机控制策略通信约束稳定性分析