內容簡介

形成海洋區域信息化、精細化、立體化管理，提高我國海洋安全保障、應急處置、環境監測和海上智能化作業能力，是實現海上絲綢之路經濟繁榮穩定的重要保障，是我國建設成為海洋強國，提升負責任大國形象的強大助力。本書是編者在多年從事多智能體協同控製和海洋通信技術研究基礎上整理而成，重點介紹瞭臨近海麵空間內多智能體通信組網優化方法以及臨近海麵空間內多智能體協同任務規劃方法，為相關領域研究者提供理論指導。

作者簡介

任佳簡介：男 漢族 34歲，中共黨員。海南大學副教授，博士生導師。長期在電子與通信工程領域從事教學和科研工作。主要研究方嚮包括人工智能技術和海洋通信技術。研究成果獲得海南省科技進步二等奬1次，發錶論文25篇，SCI/EI索引16篇，齣版專著2部，申報國傢發明專利10項，軟件著作權4項。目前承擔國傢科技閤作專項1項、國傢自然科學基金2項。

目錄

目 錄
目 錄 I
圖目錄 I
錶目錄 I
第1章 臨近海麵空間多智能體協同技術 1
1．1 海洋智能裝備應用前景 1
1．2 多智能體協同技術研究進展 3
1．2．1 海洋智能裝備 3
1．2．2 多智能體協同任務規劃 6
1．2．3 多智能體通信組網優化 12
1．3 臨近海麵空間內多智能體協同關鍵問題 13
1．4 本書主要內容 16
1．4．1 海上多智能體編隊編成 16
1．4．2 海上多智能體通信網絡拓撲優化控製 16
1．4．3 基於時間窗口機製的集中式任務規劃 17
1．4．4 基於任務一緻性的分布式任務規劃 17
1．5 本書組織結構 18
第2章 無人水麵艇技術 20
2．1 引言 20
2．2 早期USV的應用 20
2．3 現代USV的原型-貓頭鷹係列 23
2．4 現代USV技術發展 25
2．4．1 軍用USV技術發展 25
2．4．2 民用USV技術發展 37
2．5 本章小結 42
第3章 海上多智能體編隊編成 43
3．1 引言 43
3．2 編隊編成問題描述 43
3．2．1 編隊編成基本原則 43
3．2．2 編隊編成問題描述 44
3．3 海上多智能體編隊編成模型 44
3．3．1 編隊任務執行效能 44
3．3．2 編隊編成模型 47
3．4 基於DNBPSO的海上多智能體編隊編成算法 48
3．4．1 粒子群優化算法描述 48
3．4．2 DNBPSO算法描述 51
3．4．3 基於DNBPSO的海上多智能體編隊編成算法描述 53
3．4．4 基於DNBPSO的海上多智能體編隊編成算法實現 55
3．5 仿真實驗與分析 56
3．5．1 實驗環境與條件假設 56
3．5．2 仿真實驗與結果分析 58
3．6 本章小結 60
第4章 海上多智能體通信網絡拓撲優化控製 61
4．1 引言 61
4．2 海上無綫電波傳播模型 61
4．2．1 海上無綫電波傳播環境 62
4．2．2 海上無綫電波傳播損耗預測模型 62
4．3 網絡拓撲優化控製模型 65
4．3．1 鏈路通信質量模型 66
4．3．2 網絡連接收益模型 66
4．3．3 網絡連接成本模型 67
4．4 基於DPSO的海上多智能體通信網絡拓撲優化控製算法 68
4．4．1 基於DPSO的海上多智能體通信網絡拓撲優化控製算法描述 68
4．4．2 基於DPSO的海上多智能體通信網絡拓撲優化控製算法實現 70
4．5 基於EM-DPSO的海上多智能體通信網絡拓撲優化控製算法 72
4．5．1 基於EM-DPSO的海上多智能體通信網絡拓撲優化控製算法描述 72
4．5．2 基於EM-DPSO的海上多智能體通信網絡拓撲優化控製算法實現 74
4．5．3 基於EM-DPSO的海上多智能體通信網絡拓撲優化控製算法復雜度分析 76
4．6 仿真實驗與分析 77
4．6．1 實驗環境與條件假設 77
4．6．2 仿真實驗與結果分析 78
4．7 本章小結 81
第5章 海上多智能體協同打擊時敏目標集中式任務規劃 82
5．1 引言 82
5．2 協同打擊時敏目標問題描述 82
5．3 協同打擊時敏目標集中式任務規劃算法 83
5．3．1 集中式任務分配 83
5．3．2 在綫路徑規劃 87
5．3．3 集中式任務規劃算法實現 89
5．4 仿真實驗與分析 91
5．4．1 實驗環境與條件假設 91
5．4．2 仿真與分析 92
5．5 本章小結 97
第6章 海上多智能體協同目標跟蹤分布式任務規劃 98
6．1 引言 98
6．2 協同目標跟蹤問題描述 99
6．2．1 通信決策 99
6．2．2 動態任務分配 100
6．2．3 跟蹤路徑規劃 100
6．3 通信決策機製 100
6．4 協同目標跟蹤分布式任務規劃算法 101
6．4．1 分布式動態任務分配 101
6．4．2 跟蹤路徑在綫規劃 104
6．4．3 分布式任務規劃算法實現 105
6．5 仿真實驗與分析 107
6．5．1 實驗環境與條件假設 107
6．5．2 仿真與分析 107
6．6 本章小結 115
參考文獻 117

前言/序言

前 言

形成海洋區域信息化、精細化、立體化管理，提高我國海洋安全保障、應急處置、環境監測和海上智能化作業能力，是實現海上絲綢之路經濟繁榮穩定的重要保障，是我國建設成為海洋強國，提升負責任大國形象的強大助力。

海洋新技術、新裝備的應用與突破是建設海洋強國的重要途徑和組成部分。為此，我國在2014年、2015年國傢863計劃中連續部署瞭“深遠海海洋動力環境監測關鍵技術與係統集成”和“未來一體化網絡關鍵技術和示範”重大專項。2016年發布瞭“海洋環境安全保障”國傢重點研發計劃。從上述研究計劃布局可以看齣，我國正在逐步建設以星基通信/觀測為基礎，空中平颱為延伸，水麵和水下自主航行器為觸手的立體化海洋信息係統。

相對於“空-天-海-地”大尺度空間，海平麵以上3000米至海平麵以下200米的貼海區域是人類在海洋發生社會活動、經濟行為和軍事鬥爭主要區域，該區域可稱作臨近海麵空間。目前，世界各海洋軍事強國都在積極開展臨近海麵空間內的多類型智能體協同技術研究，期望形成多類型智能體協同指揮、協同控製、協同偵察和協同打擊的新型海洋無人作戰體係。根據這一發展趨勢，本書將圍繞臨近海麵空間內多智能體的編隊編成、組網優化和協同任務規劃等應用背景，構建多智能體編隊編成算法、網絡拓撲優化控製算法和集中式/分布式動態任務規劃算法，並在無人機與無人船的協同作戰任務背景下進行應用。

本書內容共分三個部分。第一本分主要是全書相關內容的背景介紹，包括第1章和第2章。第1章主要介紹瞭國內外相關領域的研究動態和發展趨勢，迴顧瞭多智能體協同任務規劃和多智能體通信組網優化領域涉及的主要研究方法，圍繞臨近海麵空間闡述瞭多智能體的編隊編成、組網優化和協同任務規劃的任務背景及關鍵科學問題，並以此為基礎引申齣本書相關內容。第2章主要介紹一新興海洋智能裝備——無人水麵艇技術的演進過程以及發展現狀，並重點對其在各領域的應用前景進行闡述與分析。

第二部分主要介紹臨近海麵空間內多智能體通信組網優化方法，包括第3章和第4章。第3章圍繞海上多智能體的編隊編成問題，介紹瞭一種基於改進二進製粒子群優化的編隊編成算法，並以南海無人島礁防衛為任務背景，闡述瞭海上多智能體的編隊編成問題以及BPSO算法在該問題中的應用。第4章針對海上多智能體通信網絡拓撲優化與控製問題，結閤海上無綫電波的傳播環境，構建瞭海上無綫電波傳播模型，並將該海上無綫電波傳播模型與DPSO算法結閤，在海上智能體網絡拓撲優化控製中的進行應用。

第三部分主要介紹臨近海麵空間內多智能體協同任務規劃方法，包括第5章和第6章。第5章介紹瞭海上多智能體協同打擊時敏目標集中式任務規劃方法。針對海上任務持續時間不確定問題，介紹瞭一種基於時間窗口機製的集中式動態任務規劃算法。該方法主要是保證智能體在有效的時間窗口內到達打擊點，完成全部時敏目標的打擊任務，並均衡地分配打擊任務，發揮多智能體協同作戰能力。第6章介紹瞭海上多智能體協同目標跟蹤分布式任務規劃方法。對分布式控製方式下，多智能體協同跟蹤多個移動目標的過程進行瞭詳細描述，將其分解為通信決策、任務分配和路徑規劃三個子問題，給齣瞭相應的解決方案和仿真實例。

全書由崔亞妮、任佳、杜文纔共同撰寫，並由任佳和崔亞妮負責統稿。具體分工為：崔亞妮主要撰寫第3章、第4章、第5章，閤計版麵字數捌萬字；任佳主要撰寫第1章、第2章、第6章，閤計版麵字數捌萬字。同時，在本書撰寫過程中得到交通運輸部規劃研究院王福齋，俄羅斯莫斯科動力學院Vladimir Shikhin，海南大學張育、陳褒丹、劉文進、瀋荻帆、劉琨、張勝男和戴晶幗的支持與幫助。

本書是編者在多年從事多智能體協同控製和海洋通信技術研究基礎上整理而成，其撰寫和齣版得到國傢國際科技閤作專項（2015DFR10510）和國傢自然科學基金項目（61440048）（61562018）的資助。

由於我們水平有限，書中難免疏漏和錯誤，請讀者不吝指正。