内容简介

形成海洋区域信息化、精细化、立体化管理，提高我国海洋安全保障、应急处置、环境监测和海上智能化作业能力，是实现海上丝绸之路经济繁荣稳定的重要保障，是我国建设成为海洋强国，提升负责任大国形象的强大助力。本书是编者在多年从事多智能体协同控制和海洋通信技术研究基础上整理而成，重点介绍了临近海面空间内多智能体通信组网优化方法以及临近海面空间内多智能体协同任务规划方法，为相关领域研究者提供理论指导。

作者简介

任佳简介：男 汉族 34岁，中共党员。海南大学副教授，博士生导师。长期在电子与通信工程领域从事教学和科研工作。主要研究方向包括人工智能技术和海洋通信技术。研究成果获得海南省科技进步二等奖1次，发表论文25篇，SCI/EI索引16篇，出版专著2部，申报国家发明专利10项，软件著作权4项。目前承担国家科技合作专项1项、国家自然科学基金2项。

目录

目 录
目 录 I
图目录 I
表目录 I
第1章 临近海面空间多智能体协同技术 1
1．1 海洋智能装备应用前景 1
1．2 多智能体协同技术研究进展 3
1．2．1 海洋智能装备 3
1．2．2 多智能体协同任务规划 6
1．2．3 多智能体通信组网优化 12
1．3 临近海面空间内多智能体协同关键问题 13
1．4 本书主要内容 16
1．4．1 海上多智能体编队编成 16
1．4．2 海上多智能体通信网络拓扑优化控制 16
1．4．3 基于时间窗口机制的集中式任务规划 17
1．4．4 基于任务一致性的分布式任务规划 17
1．5 本书组织结构 18
第2章 无人水面艇技术 20
2．1 引言 20
2．2 早期USV的应用 20
2．3 现代USV的原型-猫头鹰系列 23
2．4 现代USV技术发展 25
2．4．1 军用USV技术发展 25
2．4．2 民用USV技术发展 37
2．5 本章小结 42
第3章 海上多智能体编队编成 43
3．1 引言 43
3．2 编队编成问题描述 43
3．2．1 编队编成基本原则 43
3．2．2 编队编成问题描述 44
3．3 海上多智能体编队编成模型 44
3．3．1 编队任务执行效能 44
3．3．2 编队编成模型 47
3．4 基于DNBPSO的海上多智能体编队编成算法 48
3．4．1 粒子群优化算法描述 48
3．4．2 DNBPSO算法描述 51
3．4．3 基于DNBPSO的海上多智能体编队编成算法描述 53
3．4．4 基于DNBPSO的海上多智能体编队编成算法实现 55
3．5 仿真实验与分析 56
3．5．1 实验环境与条件假设 56
3．5．2 仿真实验与结果分析 58
3．6 本章小结 60
第4章 海上多智能体通信网络拓扑优化控制 61
4．1 引言 61
4．2 海上无线电波传播模型 61
4．2．1 海上无线电波传播环境 62
4．2．2 海上无线电波传播损耗预测模型 62
4．3 网络拓扑优化控制模型 65
4．3．1 链路通信质量模型 66
4．3．2 网络连接收益模型 66
4．3．3 网络连接成本模型 67
4．4 基于DPSO的海上多智能体通信网络拓扑优化控制算法 68
4．4．1 基于DPSO的海上多智能体通信网络拓扑优化控制算法描述 68
4．4．2 基于DPSO的海上多智能体通信网络拓扑优化控制算法实现 70
4．5 基于EM-DPSO的海上多智能体通信网络拓扑优化控制算法 72
4．5．1 基于EM-DPSO的海上多智能体通信网络拓扑优化控制算法描述 72
4．5．2 基于EM-DPSO的海上多智能体通信网络拓扑优化控制算法实现 74
4．5．3 基于EM-DPSO的海上多智能体通信网络拓扑优化控制算法复杂度分析 76
4．6 仿真实验与分析 77
4．6．1 实验环境与条件假设 77
4．6．2 仿真实验与结果分析 78
4．7 本章小结 81
第5章 海上多智能体协同打击时敏目标集中式任务规划 82
5．1 引言 82
5．2 协同打击时敏目标问题描述 82
5．3 协同打击时敏目标集中式任务规划算法 83
5．3．1 集中式任务分配 83
5．3．2 在线路径规划 87
5．3．3 集中式任务规划算法实现 89
5．4 仿真实验与分析 91
5．4．1 实验环境与条件假设 91
5．4．2 仿真与分析 92
5．5 本章小结 97
第6章 海上多智能体协同目标跟踪分布式任务规划 98
6．1 引言 98
6．2 协同目标跟踪问题描述 99
6．2．1 通信决策 99
6．2．2 动态任务分配 100
6．2．3 跟踪路径规划 100
6．3 通信决策机制 100
6．4 协同目标跟踪分布式任务规划算法 101
6．4．1 分布式动态任务分配 101
6．4．2 跟踪路径在线规划 104
6．4．3 分布式任务规划算法实现 105
6．5 仿真实验与分析 107
6．5．1 实验环境与条件假设 107
6．5．2 仿真与分析 107
6．6 本章小结 115
参考文献 117

前言/序言

前 言

形成海洋区域信息化、精细化、立体化管理，提高我国海洋安全保障、应急处置、环境监测和海上智能化作业能力，是实现海上丝绸之路经济繁荣稳定的重要保障，是我国建设成为海洋强国，提升负责任大国形象的强大助力。

海洋新技术、新装备的应用与突破是建设海洋强国的重要途径和组成部分。为此，我国在2014年、2015年国家863计划中连续部署了“深远海海洋动力环境监测关键技术与系统集成”和“未来一体化网络关键技术和示范”重大专项。2016年发布了“海洋环境安全保障”国家重点研发计划。从上述研究计划布局可以看出，我国正在逐步建设以星基通信/观测为基础，空中平台为延伸，水面和水下自主航行器为触手的立体化海洋信息系统。

相对于“空-天-海-地”大尺度空间，海平面以上3000米至海平面以下200米的贴海区域是人类在海洋发生社会活动、经济行为和军事斗争主要区域，该区域可称作临近海面空间。目前，世界各海洋军事强国都在积极开展临近海面空间内的多类型智能体协同技术研究，期望形成多类型智能体协同指挥、协同控制、协同侦察和协同打击的新型海洋无人作战体系。根据这一发展趋势，本书将围绕临近海面空间内多智能体的编队编成、组网优化和协同任务规划等应用背景，构建多智能体编队编成算法、网络拓扑优化控制算法和集中式/分布式动态任务规划算法，并在无人机与无人船的协同作战任务背景下进行应用。

本书内容共分三个部分。第一本分主要是全书相关内容的背景介绍，包括第1章和第2章。第1章主要介绍了国内外相关领域的研究动态和发展趋势，回顾了多智能体协同任务规划和多智能体通信组网优化领域涉及的主要研究方法，围绕临近海面空间阐述了多智能体的编队编成、组网优化和协同任务规划的任务背景及关键科学问题，并以此为基础引申出本书相关内容。第2章主要介绍一新兴海洋智能装备——无人水面艇技术的演进过程以及发展现状，并重点对其在各领域的应用前景进行阐述与分析。

第二部分主要介绍临近海面空间内多智能体通信组网优化方法，包括第3章和第4章。第3章围绕海上多智能体的编队编成问题，介绍了一种基于改进二进制粒子群优化的编队编成算法，并以南海无人岛礁防卫为任务背景，阐述了海上多智能体的编队编成问题以及BPSO算法在该问题中的应用。第4章针对海上多智能体通信网络拓扑优化与控制问题，结合海上无线电波的传播环境，构建了海上无线电波传播模型，并将该海上无线电波传播模型与DPSO算法结合，在海上智能体网络拓扑优化控制中的进行应用。

第三部分主要介绍临近海面空间内多智能体协同任务规划方法，包括第5章和第6章。第5章介绍了海上多智能体协同打击时敏目标集中式任务规划方法。针对海上任务持续时间不确定问题，介绍了一种基于时间窗口机制的集中式动态任务规划算法。该方法主要是保证智能体在有效的时间窗口内到达打击点，完成全部时敏目标的打击任务，并均衡地分配打击任务，发挥多智能体协同作战能力。第6章介绍了海上多智能体协同目标跟踪分布式任务规划方法。对分布式控制方式下，多智能体协同跟踪多个移动目标的过程进行了详细描述，将其分解为通信决策、任务分配和路径规划三个子问题，给出了相应的解决方案和仿真实例。

全书由崔亚妮、任佳、杜文才共同撰写，并由任佳和崔亚妮负责统稿。具体分工为：崔亚妮主要撰写第3章、第4章、第5章，合计版面字数捌万字；任佳主要撰写第1章、第2章、第6章，合计版面字数捌万字。同时，在本书撰写过程中得到交通运输部规划研究院王福斋，俄罗斯莫斯科动力学院Vladimir Shikhin，海南大学张育、陈褒丹、刘文进、沈荻帆、刘琨、张胜男和戴晶帼的支持与帮助。

本书是编者在多年从事多智能体协同控制和海洋通信技术研究基础上整理而成，其撰写和出版得到国家国际科技合作专项（2015DFR10510）和国家自然科学基金项目（61440048）（61562018）的资助。

由于我们水平有限，书中难免疏漏和错误，请读者不吝指正。