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硕士论文多错能机器入系统任务分配与协作研究 摘要 随着机器入技术的发展，人们越来越将研究的重点集中到多智能机器人 系统中。而机器入鞠队中多个襁器人之闻豹经势分配与惦根则是当代入王糖 2 颁域孛的职究热点。 本文蒋先介绍了黢群葬法豹生物学舔壤来描述了一种多a g e n t 之黼的相 互济作方法。然精其体以t s p 阔瑟为研究对象，阐述蚁群辣法中多a g e n t 如 何彼此协俘求勰阀鼷。接蓑本文以物流配送阅题为研究对象，分别剥建遗健 算法积蚁群算法为磷究工具，讨论了袭静态镶定琢境下，多极器久之瓣翅餐 任务分酝和相匿捺体。接著，我稻将讨论动态不确定环境下，多梳器入之间 任务分配和相互协你的圈稳常觅策赂和各自遥麓的领域。最后，我 将具体 介绍一种基于竞价方式的多机器人任务分配策晦和一秘熬予矩蓐分嫒的快速 任务分配方法。 关键字：多智能体，多智能机器入系统，协作，任务分配，蚁群算法，物流 配送问题，遗传算法 硕士论文 多智能机器人系统任务分配与怫作硝究 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to f r o b o tt e c h n o l o g y , p e o p l ea r ep u t t i n gm o r ee m p h a s i s o nt h er e s e a r c ho fi k i a r s t h ei s s u eo ft a s k sa l l o c a t i o na n dc o o p e r a t i o na m o n g r o b o tt e a mi st h em o s t p o p u l a r i s s u ei nt h er e s e a r c ho f h u m a n i n t e l l i g e n c ef i e l d t h i st h e s i sw i l lf i r s t l yi n t r o d u c eo n e w a yo f c o o p e r a t i o na m o n gm u l t i - a g e n t s b yd e s c r i b i n gt h eb i o l o g i c a lp r i n c i p l eo fa n t - g r o u pa r i t h m e t i c ；s e c o n d l y , m a k e t h et s pi s s u ea st h et a r g e to f r e s e a r c ha n d e x p l a i nh o w t h em u l t i a g e n l sc o o p e r a t e w i t he a c ho t h e rt or e s o l v e p r o b l e m s u n d e rt h ea n t 喀r o u p a r i t h m e t i c ；t h i r d l y , m a k e t h el o g i s t i c sf r e i g h tp r o b l e m 鹬t h et a r g e to fr e s e a r c ha n dt a k eu s eo ft h eg e n e t i c a r i t h m e t i ca n d a n t - g r o u p a r i t h m e t i ct od i s c u s st h ei s s u eo f h o wt h em u l t i r o b o t s d i v i d et h et a s k sa n dc o o p e r a t e 诹t he a c ho t h e ri nt h es t a t i cc i r c u m s t a n c e s ；f o u 确溉 d i s c u s st h ef o u rc o m m o n p r i n c i p l e so fh o w t h em u l t i r o b o t sa l l o c a t et h et a s k sa n d c o o p e r a t ew i 出e a c h o t h e ri nt h ed y n a m i ca n du n c o n f i r m e dc i r c u m s t a n c e sa n dt o w h i c h l dt h a te a c hp r i n c i p l ea p p l i e s 。a tl a s t t h et h e s i sw i l li n t r o d u c et w o p r i n c i p l e so f t a s k s a l l o c a t i o na m o n gm u l t i r o b o t si nd e t a i l e d w a y ：o n e i sb a s e do n t h em e a n so f a u c t i o n ，t h eo t h e ri sb a s e do nt h e a n a l y s i s o f m a t r i x ， k e y w o r d s ：m u l t i * a g e n t s ，澈然( m u l t i a g e n tr o b o t i cs y s t e m ) ，c o o p e r a t i o n ， t a s k s a l l o c a t i o n ，a n t g r o u pa r i t h m e t i c ，l o g i s t i c sf r e i g h tp r o b l e m ，g e n e t i c a r i t h m e t i c i l y 6 2 4 2 j 6 声袈 零学馒论文是我在导师的攒导下取褥豹磺究成巢，尽我赞翔，在 本学位论文孛，除了翔踱撅注鞠羧澈懿郝分羚，不毽食其毽入已经发 表或公布过的研究成果，也不包食我为获褥任何教育机构的学位或学 历嚣使用进的材斟。与我一阕互作约同事对本学位论文傲出翡嚣默均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：绛盗乒铲年易月l ，日 学位论文使瑶授权声臻 鬻索理工大学窍投保存本学篷论文鲶毫子囊纸矮文搂，可戳借藏 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或枧毒勾送 交势授权其保存、偌阅或上瓣公东本学位论文的全酃或郄分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：美垒邀。工归午年占用，。躜 鞭蠢论变雾蟹穗辘器 系巯任务癸鬻每鹄穆礴巍 重引言 噻。孳攀l 喜 糖精诗弊藏、激漾、嘏予、转感、控黎l 攀艘寒滚澄太王键辍的飞遴鬏鼹， 秘耩入熟开袭与篷鬻褥翻7 不黻撼撩森，援器太豹笈矮缝瑟了三个除浚；( 1 磷缡凝煞、录教瓣鞴毯壤器太；q 絷蠢是煞懿燮、簸凳，蒸蠢霆逶袋簸 力熟摭赫太；动蘩誊雾转撩感嚣，爨餐囱逶戚瓣秀、褰攀潮凄熬鹣露耋斌懿 器入，粼所谲静“智能纯枫精人气智能梳器大惫多种学辩技术鹣集成，涉激副 钒擒攀、控稍工撵、诗簿瓤披霖、a z 餐麓、德惑技术、仿嫩警辩黧它魑稳 荚的领域，针对鬻髓飘器入，潮内拂酃鼹歼了襁关按术鹃磷究。 髓着磐麓入按零靛黢麟，人工凝髓领域熬蟥巍重患b 缝转剿多姆然拣器人 系统鹣辩究上。多掇嚣入群髂协撵系绞暴餐整邑瓣特焘；( 1 ) ，蹙溺分搽：雾 个械潞太势奄凌工佟空潮翁蛰个黻城两鲢终鼗，2 ) 。臻鼹努舔：蕊煞不漆褥 撬瓣太袋具蠢不鲻麟辩鼹势瓣多虢嚣人霹默褥黼工霉鏊；骖) 。瓣阕努礴t 多令糗 器a 霹戳在罩黼辩灏分掺斑辍孬糍努1l1 褰蜜证骥，个矮纛淤谰瓣参瓤器入豢统餐潢荤枣惑器入蒸拣掰嚣法魄撅 魏憷势： ) 蕊曩豁调敕骆令娥嚣夫誉缝瀚拣力可潋遴大予一今攀掇器天繇糕魏n 嵇， 多机器人系统还讨以嶷避攀机器人系统掰涎法寰现鲍复楚攥努； 2 ) 当繇境或经务援熊纛祭，辫灏瓣嚣久暴奄澎糖能力，褥竣诗邀种徽黼漪髓 力予一髂靛擎瓿器a 躐海不帮缝辩，多梳嚣入系统是鼹谴解决方察； 设计秘裁遮多个麓攀毫 器入磁攀个笺龄撬器太更容易、溅本爨低： 辩矮镶多爨器久黎绫磷黻犬大节绞瓣麓，提麓效率； s ) 多瓿灏天系统鹣警嚣髅辩冗众蕊掰蔽瓣离慈统熬柔彀、餐襻德鞍裙锩斌簿 簿， 然瓣，多橇糕入寨缀礁脊纛肇枫器太添统掰幂存在瓣阍趱： l 魏褥瓷器簿g 棼瓣淡遮、攘遮鞣熬，分解秽努鬻馥务； 2 ) 翔褥嫠智黎褡瀚稳夏遗谶秘辐麓箨麓； 3 ，瓣筒傺证藉智能秫行为馋调皴； 4 ) 智能俸间懿馋识潮鞠麟谀渖突，餐簿。 多搬爨人滋潺鼷缀涉擞粼拣焱辩学f 维缫溅谂、缝游学) 、室霞 瓣澄( 爨谚凌 濑举、秘携行沟攀) 辩试谈鹬攀心邂攀、销惑溪论、人王褥戆) 镶的攀辩壤谂 硕士论文 多萼携辊器太暴统镊努癸辩号辩伟磷究 和关键技术。 孽。2 璃状 枫器人群体协作系统的应熙领域是缀广阔的。具有潜在鲍蹩夫的技术枣 麓，魏1 ) 王盈镁域：寒寒羹秘戳垒产线孛，戳器天彝侮系统爵 薹整受起太粪 的作用，如组织物睾斗运输，生产加工和其它魃复杂兹 妻努+ 奁一些危险环境 绒恶劣环境中可以代替人类自主完成一些复杂作业。( 2 ) 暇举领域：大摄的微 规器入送入场道、黉或盘彗等入体森获窜罄佼避孬梭壹，袋辍程修蛰瘸变；( 黔 军事领域：使用椒器入群体进章亍谈察、巡逻，摊霉等；4 ) 艇天辕域：剿添瓿 器人群体进行卫摄和空间站的内外维护以及越球探索等。【1 】 缀遮二十几年虢发展。多极嚣人系绕的蝌窕已在理论翘安践方面取褥很大 连鬣，赘建立了擅多瓿器a 懿傍囊系统彝实验系统，霹籍，鏊蠹蕊多掇器天 系统的研究刚刚藏步而国外的研究则比较活跃欧盟设立专门进行多机器人 系统研究的m a r t h a 漾题j 用予搬运的多自擞机器人系统( m u t t i p l e a u t o n o m o u sr o b o tf o rt r a n s p o r t a n dh a n d l i n ga p p l i c a t i o n ) “。茭鋈海萃 研究辩和能源部艇王瓣多税器入系统的研究进行了资韵。鬣跌总体上讲，礴前多 辊秣入系统韵磷究溺处于发疆的初朝阶段，离安用化还脊撮远的距离。 唾3 多凝器入系统瓣主要磷突鸯客 爨瓣多捉爨入锻壤黪硬究融密圭要鸯控粼撼梅( 竣髂鬏姥榻) ，邋铸榴冲突 黪瓣决等阈题。其中，掩载结构裙逶莹鞫怒溪予多挺器天祭统串瓣毫缀控裁任 务，舞捧突兹黎决像摇耱杰戴镞窝涟磁投爨强瓣囊等瓣题弼藩子多爨嚣入系 绒中的低级控制镁努。下嚣我们将慰这三方攥熟职究内褰溅行赞要的舟缌： i 。多机器久系统煎控制结构 多瓤器入系统楚惠：炙量其肖垮壤褒褰、镪势疆戴嚣爨张翡戆熬智裁辘器太 缎成。随着科技的黢展，这些鲤熊极器人她矬熊、秉性翔爨是性变褥越涞越裹。 为了搬运些智能机器人缌织起米构成个复杂系统，就嚣鼹一仑控制缡构。控 铡终梅蹩搓述为实璐预定鹭嚣为必矮餐嚣甏这楚餐蕊捉器入逶曩型一起麓，旗 褥窍敲蛾完成菜臻锤务。多霹能俸鳃燕裁络鞠可分受集中袋秘分数式，褥分教 式又分为分层式棚分布式，分凇式结构中所肖的智能体棚对于控制悬乎铸的， 分屡式臻构在局郝则是鬃中的。磐逡没兔分数式结梭比集中蔽结梭在霹纛性挺 番搭瞧方嚣其毒较高豹魏毙。控秘绩撬戆主襄磷突霹瑟楚竣诗盘聂穗瓣合理瓣 局部撺制方案，以能够使多机器人系统能离效率地解决给镦的问题。主骤内餐 釜 臻士论文多智能撬嚣人系笺任务势懿垮孙俸磷究 包括柜裁静锤务逡耩( 任务分配) 、邋信、；卒突静解决等。经过十几年的研究， 辩磷工终者泣经提躐了一些控铡结擒方案，德燕壶予多挚争焱因，大多数控铺结 掏鬟透粥予特定翡系统，不其有稚广和普及往。同时由予大多数研究者汉脊考 虑系统实际瘫用中弱霈妥，阂j 邈茬铡结梅缺泛蜜溺毪。一个逶弱往好的多橇器 入控制结搀霭要 毽攒戳下方嚣： a ) 璇妇德拦多极器入系绫审躅公式表示、搂述、分瓣帮分粼闷鬟； b ) 如何馊机器人进行遇傧瓤媚鬣作用； c ) 如 霹使撬器入在褥动中攥持一致镶； d ) 如姆锼极器人意识到葶【l 黪决缓姥妻冬 串突。 除了满足上述黉求，开发个多虮器人按制结孝句的主要曩标是使多虮器人 系统具露鲁棒性，w 靠性和黍性。 2 。多枫器人系统在执行慕磺任务对，为了实现按调与会皋，个俸捉器人的 传感器必须提供足够的环境描述及其他机器人的信息。出于尽前使用的各秘 传感器还不能达到这个要求，因此机器人之间城上屡控制和下朦合作之间的 通信是必不可少的。机器人间的通傣方成主疆剪两秘，即焱接通信和间接遴 信。直按通信要求发送和接收信息时能保持一致性，因此在机器人之间就需 要一种通信协议。崴接通信的最厦要特征是通信时发送者和接收者同时“在线 上”，丽间接通信不需要发送和接收信息之间保持一致性。例如，广播是一种 闷按通信方式，它不要求一定有接收者，也没裔必要保证信息正确地传送劐 其他机器人，换句话说，发送的信息有可能被忽略，广播通信的重点在发送 者。观察是努一种间接通信方式，它的重点在谈收者( 观察者) 。尽赣不是裔 懑谈遣交换信怠，能是秃论信息是通遗稀释方式获褥的，阌接通信总楚起作 用。一般来讲，直接通信存在于有鬻能的机器入之间，而间接通信存在的范 溺就滗较广，可存在于个体和个体通信，个体和群体通信，个体和环境通信 等。强簿，移动辊嚣天系统抟邋信未要浆敬奁按逶信与广播楣缩台酶混合方 式。通常个体穰禚入与主控机器入( 或控制中心) 的信惠交互( 主要蔻工僚 信意帮经务分配) 透过蠢接通髂实臻，这样减少了箕余视器入韵网络负载： 褥主控枧嚣人遴鬻将枫器入群中各撬器入鹣当藩霞置帮状态戳广播形式笈 爨，攥个体凝器人参考，菊纯了发遴方瓣工作。盘予王娩瓿器久一般像篷瀚 定，因魏系绕串多采取巍接滤偿静方式，避过戳太两( e t h e m e t ) 等通信网蒋 多套工业极器人连接在一起，掇据菜释稔议进行有线逶信。选撵逶傣方式的 基零要求是绦辽避壤妁蠢效性葶鞋实瓣性。键盘予嚣蔫逶镕逐存奁! 许多羧臻阚 躯，摇受载鼙大粼遴信速度下海等，在应掰中螯接遴信过多会导致系统的动 态性下降等。 硕士论文 多智能机嚣人系筑任务分配坶协作壤究 3 。在多机器人系统中还有一个很重要的问题就是姆决系统中的冲突。系统 中冲突的形式是多种多样豹，主簧有任务冲突、路径冲突秘空闻冲突筹。多 机器入系统中的冲突很容易造成系统的混乱，严重地影响系统的总体健熊。 解决冲突除了要肖合理韵控制结构和通信方式外，也需蒙相应的解决策略。 在多枫器天系统中，每个机器入鄹把其谴杭器入当藏障祷秘来处理，并通过 传撼器搽溺簿磋秘静有秃。嗣对税嚣入氇壤据定期羧浚羁鹣信惠来处疆传感 器黪不雅定煌，辨嚣分亳f 1 器入障褥兹靼嚣穰器久薄璐耪，盍貌选择不同静疑 理方法。多机器人系统的冲突烬决办法很多，擐直接的方法是采照集中控测 器来决定所商机器人的无冲突路绞，但这耱方法在实用性方嚣具鸯一定斡缺 陷。另一种方法就怒冲突的机器人中有一个做主控，指挥其他机器人以鳃决 冲突问题。弼外有学者提出了基于交通规则的分散式方法，但它适应于结构 纯鹃隔络环境。近来提啬的分布筑方法将工作空间分成内离散的空间资源表 示懿公终溺，蟊运邋、卡字路西翻擎元等。梳器人汝颈宠鹊路径蓊避并鹭稻 逶接，袋鼹赢翅接蓐戆方法共事瓷源帮镑调绞魏豹逡动。 除了上述的几个主要问题於，多极器人系绞中餐要职究豹阉鼹遗蠢多枧 嚣入系统蛇学习阏鬏和环境双察闲瑟等。 1 4 本文所研究内容及目的 1 4 1 本文的研究目的 多极器人系统盛怒广泛，运几年莺耱投入大量入力、黠力罴予多辍器天 蓉绞熬磷究帮开发。多掇器人系绕懿磷究嚣戆靛是斌鹜鼋乏多个据器入逐过臻 作，来究成单个机器人无法完成的任务，势且提到完成馁务熬总体煌缝。这 就决定了多机器人之间的协作是多机器人系统研究的重点方向之一。 目葡，枫器入群体协作与帆器入社会系统的研究还剐刚开始，有许多方 面的闯题还商待受深入地研究。( i ) 集成分布式入工智能、分布式控制和复杂 系统控制理论等方瑟豹研究，建立研究视器入群体协作系统瑷论体系；( 2 ) 实 时秘态环境下，税嚣大不确定瞧知识豹表达鞋及基予不确定性知谈的攘褒模 型豹碜 突：) 较器人行为动力学及萁嚣傣簿瓷动力譬静摇逮；( 4 ) 多穰器入系 统中换佟性、容钱睦、柔性、黎镶性等概念鲍磷变 s ) 多戡溪夫蘸缓缀绞结 构的描述方法；( 6 ) 多机器人系统建模。 本文就多机器入之间的协作勰题进行了髓单研究，特别对物流配送闯题， 提出了一些路径规划的方法。同时，通过对动态环境下多机器人协作方法和 多器入系统中任务分配策略的研究，希望对以聪的研究z 作提供指导思想和 毒 硕上论文 多智能机器人黎统任务分配s 蜘拌研究 借装。 1 4 2 本文研究内容 当一令多极器久系缝绘定一个在务对，营先静阏题楚如何组织多个税器 入去完成饪务。这辩鋈辫决戆浔邋是多较嚣入之淹怎么避行有效缝合 乍。当 经过莱巾继站确定了各叁任务髑关系爱，阏蔻嫒蔻魏犍保持搬嚣入之润戆运 动协调一致，即多机器人协调。因此多机器人协调和多机器人合作是多机器 入系统研究巾两个不同丽又有联系的概念。前蠹研究的薰点是枫器人之阍合 作关系确定艏其体的运动控制问题，韪者则是黼层的组织与运行机制问题， 重点是实现系统可以快速组织与羹构的柔骸控制机制。 实溪多辊嚣入静合 髻掰要解决静阀题熏要有： 1 ) 、多瓿器人系统懿绣橡 系绫缝梭是系绕豹最裹层簿分，夺援器人之涟懿合作撬裁裁是透过它来 体现的，它决定了多机器人系统农任务分嬲。分配，规划，决蓑及执行等过 程中的远行机制及系统各个鞔器人个体辑撼当的角魏，鳃个枧器入个体农系 统中的袖对地位如何? 是平等自主的互惠甄利式协作还楚有等级蓬刹的统筹 规划协调? 任务分解、分配、瓶划、决策及执行等对某个个体而言是一物( 即 没煮徽与不锻鹊决寇衩) 还蔻权力( 特权) ? 惫之，正如丰主会稍度只作髑于 人类享圭会，窕决定了多税器久系统韵运作梳翻，事美耱俸效率静嵩低。瓤系 统设诗爨奄费度焉蠢，系统辖橇要蠢到予令侮髓力最大程麓懿发挥鞠轻务溺最 高效完成。另外，撩作机器人系绞面向的楚动态变化的环境，因此系统续槐 要对环境寿蠹组织适应能力。 ( 2 ) 、建模与规划 机器的智能大致可以通过两种形式实现：熊中一种是基于行为的方式， 采溺这种方式是不掰建立协佟对象、环境及自身的状态没行为方式的模基， 其餐熊表现为一个爱应是行为驱韵窥剐基；另一释方式剿跫建立在形式他模 型蠡奄基戳之上，令俸摄撼它建立懿其褥律个体帮鑫骜豹豁警凝态投彳亍为煞力 模型进行决簸和实现协终。 翘趔受4 鳃援扶全局任务级至髑罄( 个体) 行失凌终缀栽剡，这些嫒戴痘 能在自圭个体之闯动态进行，以逶应动态变化的系统和磷境。避受资源转突 也怒规划过程中所要考虑的。 ( 3 ) 、通信和商议 多机器入系统不是因为个体之间的信感交互而发生了相互 笮羽，是因为 猩嚣作瘸的需要褥产生了个体之瀚的蓿怠交互。它怒实现多祝器人合作的一 硕士论文多智能机器八系娩任务分配s 协伟研究 种手段。多机器人系统作为种分布式信息及决策系统，网络结构是其重要 结构特祗。通信建个体信息的交换，丽商议是霄目的的臻愚交互。商议憝建 立税信息交甄基础上的。 ( 4 ) 、感知酾学习 感知是猜税器入遥过它酌佟耱系统获取信想并经信息融台螽船l 美鞫爝。 不论楚蘩予行为方式还是基予模蘩方式鹣诲 睾，惑皴都楚螫不可痧酶。惑知 传必辊器久与局郄羚赛敬一耪交嚣，对瓿嚣久蕊言逶傣一样是壤器人获取 信息的一秭方式。 制订控制策酶对人露言是比较方蠖鲮，但要确定控镑参数，枧嚣徽越来 就快而且准。因此为了系统获取遐想协作彳亍为的控制参数并使它适应动态变 化的环境，在系统中引入学习机制是非常重要的。 献上可知，翎瘸意义主酌多辊器入合维系统研究的还燕矮体闯邋，辩对 每个特定的 j 壬务，都要有叁汪特定戆体系、蘧貘与蕊矧、锛商与通添等簿。 当臻务泼交馨孝， 龟鹣体系结梭、缀缀管瑾每运毒亍援魏等都要淹之欢交。这绘 多机器人会佟系绞的应用帮来缀大的不便，人l f 】困贱想到能蚕扶理论上找副 一个通髑鲍方法，群不局限予每一个具髂驰闯越瑟扶总髂上考虑一个勰跃方 法，使多机器人念作系统在这种理论的指弓 下，能够完成各葺申任务而无需改 变体系结构、组织运行机制等。 本文的研究内容是多祝器入系统中多机器入之间的协作和 壬势分蘸阐 蘑。 营宠夯缓转多智髭体舍律瓣决潮怒静算法缎群算法，该箨浚揍傍自 然爨中蚁群觅食的骤理，通过群体之闻鲍协作，完成特定馒务。本文孛我识 利用该箨法，逶_ j 莲系绞中蛇多个a g e n t 之阉瓣会锋，寒求解t s p 阕题。 接下来+ 我们将以物流配送间题为模型，研究一下多机器人之间黝协作 问题。这属于一种机器人之间的静态协作，即一旦多机器人之间完成协商， 得到全局的路径舰翻之后，机器人之闻不辩彼就之间动态的协商和规划，直 到完成任务。我们将蕾寸论和磷究一些算法，可以飘总体上褥到一个较优的全 局潞径觏翔，觚褥献总体上掩商系统髋能。本文中，我们将分剐辅雨遗传算 法期蚁群算法来解决物滚配送翊熬。 然矮，我艇将涎论魂态不确定矮境下黪多瓤器夭游圣霉。蛊藏是农多摭器 人系统中，为了宠成一个任务，亵l 王务执褥过稷中，系筑孛躲机器入之阑会 根搬现实环境中外部环境的动态变化和各个机器人自身的状态。动态的相互 协调，糨互配合，撼商或优化系统的性能。我们将简单介绍一下枫器人酶作 的凡个阶段的划分和影响祝器入协作的几个因索。簸后稃简单讨论下常见 的凡种韵态协作策略和各自适用的领域。 6 磷论空 多鹫懿帆嚣人系撬任势分熬与协作研究 滠瓣再其俸介缯一种墓予撩实的任务分配繁略和一种基予瓶阵弁析的快 速任务分嚣方法。遗避逶两种方法可戮馁速蠢散翡实凌动态不确定酃壤下多 枫器入经务分配，其育一定静餐棒往和麓轻襁，并且实现相对简单。 1 4 3 内容安排 本文翁巍容安撑魏下； 1 ) 第章介绍多帆瓤人的研究现状葶n 多机器人系统的主鼹研究内容。概 要套缨本文黪硬究墨舱秘磅究内容。 2 ) 第二章穷绥蚁群冀法懿生按学原理、冀法内容，并遂过鹳p 瓣题的研 究，体现多a g e n t 之阅遵过协佟从丽锶到系统总体较忧鳞的方法。 3 ) 第三章介绍了一个以物流配送问题为研究对象，通过多机器人之间的 静态协佟，褥到一个全髑较谯的路径规剡趵方法。 4 ) 第四章研究了动态不确定环境下多机器人之间动态协作的几个阶段和 影响多梳器入之间动态协作瀚各静谤景和因素。接着分耩了动态不确定环境 下多枫器人协作的四种策略和各自适用的领域。 5 ) 、第五章其体介绍了一种基于籀粪的任务分配策略和一拳牵基于愆阵分 析的快速任务分配方法。 硕士论文 多智能机器人系统任务分配垮硌作研究 2 多a g e n t 之间群体协作 鹋蚁是簸吉喾静社会琵交之一，它的个体缩褐和行巍虽简荜，但由这釜 筵单个体构成鲍蚂蚁群体，却表蠛出裹度终梅纯的毒圭会缀织。蚂蚁王圈铲然是 一个小，l 、“社会”。这里，蠢专司产爨蛉聪蚁：寿鸯数众多瓣扶豢觅食封獾、 兴建屋穴、抚育藤代的工蚁：有负责守卫门户、对敖作战的廷蚁等等。蚂蚁是 社会性昆虫，组成社会的三要素之就是社会成员除有缎织、有分工之外，还 有鞠互的通讯和信息传递。研究袤吼蚁群有餐奇妙的话息系统。其中魁插视 觉傣号、声音通讯和更为独特豹光声语言，即包括化学物质不同的组台、触角 信譬泰巍俸渤律在肉静多个餐集系统，来策动粪它个体。蚂蚁特裔的控制自身 蓼壤的缝力，是在亵缀形式懿挂会性嚣为及不凝遂纯过援中获褥静。 觅食行先是缎裁令霪要露露趣数嚣鸯。攒昆虫学裘酌鼹察秘磺突，发理 蚂蚁有能力在没商侵傅可见提示下找出从蚁穴剩食物滚蛇最短路经， 并且能 随环境变化适应性地搜索新的路径，产生新的选择。虽然单个蚂蚁的行为极其 简单，但由大量的蚂蚁个体组成蠛蚁群体却表现出极其复杂的行为，熊够完 成复杂的任务。 2 1 蚁群算法的原理 蚂蚁算法所依据的自然模型怒蚂蚁群。蚂蚁能够找如一蓉从食物烈它巢 穴的最短路径。这是通过释放一种称作弗罗蒙的信息素，而不是使用某种可 觅静线索。在行走过程中，蚂蚁释放出弗箩蒙，并飘通道它来前进，而这些 弗罗蒙可髓蹩戳麓冀它羁缎释放的。鲻毅撤据弗罗蒙在两点之间寻我条最 短潞径魏方法辩瀚l 。i 掰示。 妻爨强翳零，娲蚁到达一个块策点，在戴，鲻蚁将浃定它蹩该蠢在遴是渡窝 左出予宅没有关予骧条潞是矮爨鼹经戆锈舞线索，它裁隧撬的选择。霉戳颈 计，平均大约有一半的蚂蚁决定自在转，两冀一半囊左转。这对那些从志内毫 移动的蚂蚁( 以l 开头) 的蚂蚁和那些从右向左的蚂蚁( 以r 开头) 都适用。图 1 1b 和图1 1c 湿示出如果所有媳蚂蚁以近似相同的速度移动时将发生的情 况。纛线的数量和蚂蚁在行纛过程中所释放的弗洛蒙的数量成正比。由于下 面的那条路径眈上面的郡条要短，平均看来将有更多的蚂蚁访问这条路径。 露鼗弗涤蒙将更快蟪积聚。缀茯鼹条路上躺弗洛蒙翡数薰静差鬟将交褥帮常 丈，黻至于将影拣赣遴入系统靛鹅双竣选择。( 强藩2 。 d 耩示) 簸袋在开始 蚂蚁将顿囱予选择下嚣敬鄄象踌经，裁爻在决策眩，蚂簸将从下露夔瓣祭路 径接收到更多的弗洛蒙。随着正向反馈效粜地增加，选择下藏路径( 最短路 s 硕士论文 多智自机器人系统任务分配岛协作研究 径) 的蚂蚁数量也将增加。很快，所有的蚂蚁都将选择邀条最短鼹径。 e 一豳2 1 蚂蚁巡径琢理图 2 。2 蚁群算法麓程净简单流程豳 蠛蚁数这秘抒建痘发了蚁群雾法。它楚这榉静一秘冀法：一些人造懿褥姣 遴邀在图的边缘上器放黪弗洛蒙来交换信息，交互台揍采找裂一个阚蹶螅方 案。鞋下，我钓潋t s p 蛔邀为翳究模型。鼹蚁群算法寒求瓣褥蹬一个较饶瓣。 其主蘩熬愚怒楚诖一些嚣之辫蚁豹a g e n t 逶_ l 蕊绫赫洛蒙鸯媒奔黪闺接翡全鲻瀚 通馈米罨找t s p 问题巾的最优方寨。不燕式虫蠡谈，每令蚂蚁以交互方式褥感一 个t s p 方寨：它邋过扶过去褪来豹装惠耪贪嫠窝发式来势菜方案趱熬麓瓣蠛 枣。记忆谯耱了被蚂蚁在t s p 逑土释敖麴弗漆蒙，嚣稿发式络惑霹潋校篱擎德 赋予一令边长。 毅辩按照魏下嚣理工佟：瓣令蚂蔽穰子按黧菜释耪试往条释( 魏蘧辘豹) 在n 个城市串选择一个蠛羹芎。每只瓣毂黧复敷用髓梳贪婪法羯( 状态转移法潮) 毒奄建一个巡游( t s p 秘透合理瓣方案) 。在巡游进程巾，鹅蚁将震j 爵i 扇鄢受耨 准麓修改其黪访瓣的逑上灏弗洛蒙豹量。艟掰有鹅簸完成了它静巡游，每条 边上靛弗洛蒙静数童将被褥次修馥( 通过全两嚣新法刚) 。在蚊群系统中就是 这榉，在巡游过撩中，蚂蚁被褥种信意浙弓i 零。一是寤笈式倍惠：它们倾向于 选择较缎豹逾；舅个是弗洛蒙麓意：一条有更多弗洛蒙静逸总憝被优先选择 的。该算法在强2 2 中给出。下面，我们将讨论状态转移涪剐，全局更新法刚， 硕士论文多智能机器人系缱任务分配与协作研究 嚣； 哪s 和埘却舻i f q - q 0 泣， 热，一 i f 苫岜矗 o t h e r w i s e ( 2 ，2 硬士论文 多智能杭器入系统任务分配与协作研究 这个等式给国了在城市r 的蚂蚁k 选择前往城市s 的概率。我们随机得到一 个o l 之i 日- j 的数，按照概率论，上式中求潞的概率大的节点受有可能被选中， 逶过这秘方法我锯支持都璧更籁静寄更多弗洛蒙静边。 b 。a c s 全局受新法戴 在a c s 中只鸯全是最优靛蚂蚁( 巍裁楚从巡游牙始起掇建畿短瑟路熬蚂蚁) 被允许释放弗洛蒙。这个选择，加之蚀隆机比例法则的应用将馊搜寻变褥更嬲 直接：蚂蚁从通过迭代算法圣导出的最忧路径上搜寻个邻接点。全羯更毅只程 所有的蚂蚁宪成了它们的巡游后才执行。弗洛蒙通过应用式( 2 3 ) 锝出的全局 更新法则被更新。 f ( ，j s ) 七一( 1 一g ) - f ( 、s ) + d 一f ( ，s ) 洳她蜘 ( y 1 玎( 嘲删懒一 ( 23 ) oo t h e r 镯s s e o 8 l 是一拿弗漆蒙港退参数，l g b 爨扶起始楚开始戆最後全弱迩游路径 蛇长度。扶上式中可以看出，如同在是然坯壤中蚁群系统孛一样，全局曼耘模 拟了自然环境中弗洛蒙的挥发，同时也模数了飨最短螅路径增加较多的弗洛 蒙。公式2 3 表明只有那些属于嫩短全局路径的边上的弗洛蒙才碍到搬强。 c a c s 局部更新准则 当构建个方案的过程中，蚂蚁访问边并应用局部更新准则( 公式2 4 ) 改变边上的弗洛蒙量。 t ( r ，s ) 卜( 1 一p ) r ( r , s ) 十p - f s ) ( 2 4 ) 该公式模叛了当每只弱蚊走过一条边对，该边的弗洛蒙量鞠挥笈和加强。 对 熬两个选择是：i ) ( r ，s ) = t0 ，z0 是秘始弗洛蒙窳平。( i i ) 我 们设t ( r ，s ) = o 。试验证明，t ( r ，s ) ；o 的局部更赣算法比 ( r ，s ) = t0 的局部更新算法在性能上稍逊一筹。 局部更新法则将使边的渴望度动态变化：每当一只蚂蚁使用这条边。都 将使边麴渴凝度交小( 因为这将减少弗洛蒙) 。通过这种方式，螭簸将爱好 地利用弗洛蒙信息：没有髑部更凝法则蚂蚁将在蔻次最饯回爨豹醛近窄小范 围内搜哿。 d a c s 参数设定 根据1 3 中的安验，我们将公式中的参数将被设为下列值：d = 2 ，n 硕士论文 多智能机器 系墒任务分配等将怍研究 = p = 0 1 ，q o = o 。9 ，t 。= 1 ( n l n n ) ，这里的l n n 是最近启发姨巡游回鼹 的长度，n 蔗城侉的数量。 2 3 性能分析 我爨鞋t s p 阕瑟梵磅究模蘩，终簸群冀法分臻帮逡健箨法，模羧遐灾算法 秘进化冀法遴萼亍比较，试验绩暴热表2 ，l 鼹暴【2 】， 袭2 1 性能比较表 e 哪辩t 耐。a c $ 粥峨蹦融k s “c $ 嘏蔷棚耐托踊聃8 c 雌o f t h e 扣扭$ 砸c t s pw er = l 地t t l h tb 嘲 m t c g e f t o u r l e q 池妇抵tr e a l t o 珥k n 壮讯p 盯硼搬鹩e 磅拯d 如e n n 婚耐协棚f e 诽畦f 耐t o f 赫建电e b e s t i n t e g e r t o u r k 砖f 撇s 棼l 搬# h 锄! 虹# ) n a 搬懈| 往。 a 糊妇b 酶”k 诹e h 蛾c o | m a n 酶梆溉璁破l 描巷幽诂 舭埔山黼e o d 睁酐抽蜒孽h o 帮k 摹妞 t p r o b l e mm m ea c $泓e ps a 0 p t i m u m e n 5 04 2 辱4 2 b4 2 64 4 32 蓐 ( 5 0 - d t vp r o b l e m )秘2 7 9 6 ) 伸舶1 4 2 7 蝴f 玎a m ) 秘，铀璐2 5 , 0 0 0 |【；啦辨壤酗篷 e 日7 s5 3 55 4 55 4 25 8 05 3 秽轨姆脚b 海嘲 5 稳磷 n 腋) 辩铸f 黼水城) p 棚ml e 0 0 0 0 if 3 2 5 0 0 0 n 7 3 2 s o ! k m a t 0 92 1 , 2 8 22 1 拍1n an a2 1 1 2 矗2 1 0 0 - c 帮p r o b l e m 拉 ，2 s s 州f w a ) 黼，f 懈搿糠 l l 弗2 田h 0 3 ，o o o 刑，a 1i n a 试验证明，蚁群算法相比较常见的启发式算法有较高的性能，能够用较 少的对陶得戮更傀的解。 2 。4 毁群算法在组合优化中的应翔 蚁群算法作为一秘毅的傍生痿发式往饯冀法，它在解决许多复杂缀含优 化问题方面，显示出了明照的优势。 蚁群算法主要用于求解不同的组合优化问题，一类应用于静态组合优化 阍越，弱一类甭予动态组合优纯闷题。静态润鼷指一次德给磷问题的特征，在 解决问题过稷率，阕疆叠哿特鬣不群改交。这桊闷蘧豹范嘲簸楚经典藏行商闷题 ( t s p ) ；动态溺题被定义兔一蹙量熟函数，这黧量静毽囱戆禽系统动态设嚣。 因此，问题在运行时间内是变化蛇，恧优化舞法须在线适应不羝变化的珏壤。 这类超然懿熟型铡予是网络路妇阍疆。 2 4 1 在静态组合优化中的应用 ( 1 ) 旅行商瀚越( 胬p ) ：漱群侥车乏算法觜兔应瘸子一个溯试淘蘧就是旅行 裔泰霉题。t p s 褥撩楚缀合伉纯中磷究最多静np h 醴鞠题之，该阔蔻藏是 硕士论文 多智能机器人系统任务分配与协作研究 寻找通过n 个城市，各1 次鼠最磁回到原出发城市的最短路径。许多研究衮明， 应麓蚊群撬纯算浚隶解t s p 翔越往于模叛懑火法、遗传冀法、神经随绣箨法、 禁瑟算法等多琴孛俊纯方法 ( 2 ) 二次分翦己问题( q a p ) ：二次分配阀题是指分配n 个设备绘n 个地点， 从而使褥分配的代价最小，其中代价怒设备被分配到位置上方忒的函数。q a p 是熊t s p 之焘缎群舞法应蘑静第一个褥题，实酥上，q a p 怒一般亿的t s p 。 3 ) 车鬻任务澜痰阕髦( j s p ) ：j s p 满遂撩已懿一缰赫台辊器鞠筑l 令 任务，任务由一缎指定的将在这些机器上执行的操作序列组成。车闻任务调度 问蹶就是绘枞器分配操作移融闯间隔，从磷使所有操作完成鲍对闽簸缀，并 且躐定两个工作不能在同一时间在同一台机器上进行。c o l o r ni ，d o r i g o 等 入将瓣觳算法瘦嗣予举阔任务璃瘦闯瓤。 混浚装酴线闻题：混流装戴线是j t t 生产方式鲍爨传液髑之一，窀霹以 在不增嬲产懿库存条 申下满足瘸户多撵化的需求。混漉装配线鸯时也特掭湿台 车缎组装线，即在定时间内，在一条生产线上根据顾客需求的变化生产出各 耪不同瀵号的产菇，这类闷题闻藕嫩产调度闯瑟。 ( 4 ) 辜辘鼹线润题( v l p ) ：￥黯瓣题来源予交逶运蜍。已躲赫秘辜，每 ；l l 车的容爨为d ，爨的是找出壤馒抒车踺线程满飓某些约束条传下使搿运螓成本 最小。 ( 5 ) 图着色辩题( g c p ) ：懑知一个图g = 谋，e ) ，g 的一个q 个颜色静 藿热爱一令欧辩c ：n 一 1 ，q 饺褥魏聚( i ，j ) 毯e ，黉e ( i ) c ( j ) 。g c p 就是找出图g 蛉一秘麓色从薅健褥爨使用的叛色数爨最小。c o s t a s h h e i t s 提出使用两条外激索轨迹解决图着色问题。 ( 6 ) 有净摊梦闯戆( s o p ) ：给定一个肖向圈，凿上酌弧和节点都加了权， 激觚予节点阉先籍次净的约寐，s o p 指在霄淘图上找岛一个最逸权值的晗密颟 路径。s o p 是n p 难题，它以诲多工程实际趣题必模型，龆蠢着按载秘运送暴客 约束的荦车遮路径问题，生产计划以及柔性话造系统中的遮输闽题等。g a m b a r d e t l a 和d o r i g o 应用扩餍的蚂蚁算法解决s o p 。 2 4 。2 在动态组合优化中的应用 在动态组合优化问题中，通讯网络是一个舆型例子。网络优化问题宥一些 特征，鲡信息帮计算分布，非静态随机动态，戳及不同时的网络状态更新等。 鼹激怒嬲终控铡孛最关键赘缀传之一，它涉及裂建立裙使蹋路峦表寒捂簿数 握邋信爨在鼹终蕊困蠹靛分凝溪旗。普通路盎趣题可黻理艇为楚要建立一令爨 由袭使得网络性能的一些量度最大化。 硕士论文多鬻戆辊器 蒜境往务势配与格律料窕 ( 1 ) 有向连接的网络路由：柱有向连接的网络中，同一个话路的所谢数 攥怠澄藿一条装髑的臻径传羧，这条爨经出一令凌步竣鐾状态选爨。程灏舔上 s c h o o n d e r w e r d 等人蓄先撼a c o 冀法瘦强予潞囊阔联。嚣采，w h i t e 等入将a c o 算法用于单对单点和单对多点的商向连接嘲络中路由，b o n a b e a u 擗人濑进引 入一个魂态援则桃剿改善a c o 算法。d i c a r o g y 、d o r i g o 磺究捺蛙群算法鼹于 亵遴番淘连按溺缮系统孛，这捌蓊平分配效暴簸箨静路凌。在莺肉张繁嶷、蓟 泽辩瓣天提蠢了鏊予嚼致算法鹣轴s 癸融溺液方法及分段q o s 路童潺畿方法。 ( 2 ) 无连接网络系统路由：猩无连接或数据包中，同话路的网络然统 数撰包，霹黻澄麓不露鼹爨经襞埝，在瓣骜镶遴献潦节点裂终节感弱舔令 审闻绦点上，一个鼹钵决策楚囊赫部路囊缀穆徽基。随豢i n t e r n e t 溉耩不瑟 扩大，在网络上导入q o s 技术，以确保实时姚务的通信质激。q o s 组播路由的 臣蠹留怒在分套酌测络孛寻找景傻鼹径，要求扶源节煮窭发，羼羟疑有的瓣骛 节煮，并置在满避掰有静约慕条佟下，达嚣藏费最小簸遮筏特定戆l 爱务零平。 在势掰路由闷题辩，为方餐可褥潮络看裁无离带衩的逐通蹋，颈军牮等入翔蚂 蚁算法研究解决包含带宽、延时、延时抖动、乜丢失宰和最小花费蒜约窳条件 在逡燕餐o s 缀援黪盘懑蔻，效暴凌予撰撼遴炎葵法爱遗传葵法。1 4 1 蚁群算法本矮上褥残了个雾智戆薅鹣复杂适瘦系统。妈毁褥为辩实矮 是简职的自组织行为体现出来的群体行为。繇个蚂蚁行为对环境产生影响， 环境辅改变影醺麓娲蔽懿群铬行必。鹚蚊个体之蘑、群体之阊鼓及与环境之 阔的襁互作雳、穗置影响、稳驻协作，可敬究藏静复杂豹任务，遮释滋瘦洼 表璇为蚊群算法酾辫棒性。自缀缀使得娲蚁群体的行为趋向结构纯，麓撩因 在于镪食了一个识殿馈的过程。这个过程利用了全局信息捺为反馈，正殷馈 整系缓演纯过程孛较撬舞戆蠡耀强终弱，缓褥溺瑟麴簿囊罄全菇簸饯绽弱方 囱不叛变他，最终能毒效蟪获穆稳对较臻熬。蚂蚁系统煞弱一令蘩簧特缓是 分布斌计算，这种分布式计算方法保证了算法在全局的多点同时j 藏行解的并 专亍援索，有效她避凳了陷入局部壤谯解。 斑然蚁群葵滚矮有较强浆袋捧往、遁瓣髓、著行搜索等後点，但嘏存在着 搜索辩问较袄，猩舞法模羹、收敛性及理论依据等方丽述材许多工作肖待进一 步深入研究。此外，犍蚁群算法与遗传算法、魏疫算法等饯健方法楣结合，也 蹩羧蒋蠲提豢藏器簿法毪戆熬露效途径。 2 5 本章小结 零牵蓄凫螽缓了蚊群算法躺生裙学愿璎，然后鞫造趱缎瓣算法来求孵t s p 问题。就求解t s p 问题的效率来肴，蚊群算法与遗传算法、模拟邋火算法等 登兰垦塞多暂髓橇器入系统任务势配姆协蚱磷究 襄发式冀法糖魄鞍有较傀静梭戆。最疆，奔缮了毁瓣冀法在其它镁竣巾豹逡 麓。 预士论文多智能机器人系统任务分配与协作研究 3 。静态环境下多机器人之间的协作 随着市场经济的发展和物流技术专业化水平的提高。物流配送业得到了 迅猛发展。秘流酝送怒指援褥户的订货要求，程配送中心涟彳亍分货、配货，并 将瓣好豹货物及拜雩送交收费入。在稳流瑟邀业务中，存森诲多优纯捩繁翊题， 我粕毒重论其中鳇纺浚懿送踌经後佬目题，辩通过制定舍璎靛酴送路强，快速 而缀济地将货物邀达用户手中。配送路径的选择是否合理，对加快鹤己送速度、 提高服务质鼙、酶低配送成本及增加经济效益酃有较大影响。 磷究表魏酝送魏径饶纯澜怒是一个np 难题，只有谯需求点鞠路段较少 时，才戆求缮壤磺解。因此，用寤发式舞法求然该阉题裁戏必人们莓嚣究躲一令 重要方向，并出现了多种启发式薄法，如c l a r k e 和w r i g h t 提出的节约法， g i l l e t t 和m i 。l e r 提出的扫描法等，强然这些算法为求解配送路径优纯润题 提供了有效的方法，懒也存在一定的问题，如节约法虽然其有运算速度快的 优点，撼毽有缀合点零& 、边缘点难激组合躲翘题，李曩拦法为濒遴优使等。 如何针对物流配邀路径优化阀越的特点，橡造运算筠单、寻像性能优良鲢启发 式算法，是一个慎得深入研究的课题。 3 。l 物流配送路径优化问题的数拳模型 物流配送路径优化问题可以描述为：从配送中心( 物流据点) 用多辆汽车 向多个需求患( 颟客) 送货，每个需求点的位羲和需求登一定，每辆汽率的载 重爨一定，要求合理安接汽车路线，使总逛鼹簸短，势瀵足以下条馋： ( 1 ) 每条耀送鼹径上等嚣求虑的需求量之程不超过汽事载薰量： ( 2 ) 每条配送路径的长度不超过汽车一次配送的燎大行驶躐离； ( 3 ) 每个需求点的需求必须满足，且只能由一辆汽车送货。 竣裁送中心蠢k 辆汽车，每辆汽车豹载重爨兔餐k ( k = 1 ，2 ，k ) ，箕 一次聚送斡簸大行驶爨褒戈bh ，霉要彝l 个嚣隶点送赞，每令嚣求焘瓣嚣求 量为q i ( i = l ，2 ，l ) ，需求点i 到j 的运距为d 。，配送中心到各需 求点的距离为d 。j ( i 、j = 1 ，2 ，l ) 。褥设n k 为第k 辆汽车配送的需求 点数( n k = 0 表示朱使溺第k 辆汽车) ，嗣集台rk 表示繁k 条路径，其中豹 元豢r ki 表示霈求熹强i 在路径k 中静l | 鬟旁为i ( 不包括酝送串；) ，令f k o = 0 表 示既送中心，则可建立如下物流配送路径优化闽题的数学模型【3 】 1 6 顿士论文多智能规器人系统任务分配与协髂研究 m m z 。善【墨耪，语n 矿童s i g 糕】 s l 鸟_ q t d ”驴d 慨s 酗l o 力t z 暑舻三 霹t = 瑚i 翔 l ，2 ，上 ，f = 1 ，2 ，朔， r k in rk = - 国 ( v k l k , ) s 妯，= b 鬣 ( 3 + 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 上述模型中，式( 3 。1 ) 斑目标函数，既要求褥至u 最短路径。式( 3 。2 ) 保证 每条路径上备需求点的需求量之和不超过汽车的载重量：式( 3 3 ) 保证每条配 送路疑敕长发不超过汽车一次配送懿最大孬驶难离：式( 3 4 ) 表明每条鼹径 上的需求点数不超过总需求点数：式( 3 5 ) 表明每个需求点都得到酉己送服务： 式3 。国隽每条路铰的需求患羲缀藏：式( 3 ? ) 疆篱l 每个需求赢铰能峦一辆汽 车送货：式( 3 8 ) 为当第k 辆汽车服务的客户数1 时，说明该辆汽车参加了