群智能在多智能体系统中的应用研究进展
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Ｒｅｃｅｎｔ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｗａｒｍ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｉｎ Ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ
ＤＵＡＮ Ｊｕｎ－ｈｕａ ＺＨＵ Ｙｉ－ａｎ ＺＨＯＮＧ Ｄｏｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）
更强的抗扰动能力以及动态适应工作环境的能力。研究生 物 体组成的。如何让这 些 非 群 体 的、异 构 的 系 统 能 像 生 物 系 统
群体的社会行为，促使人们设计出高效优化算法和聚类算 法。 那 样 具 有 高 度 的 鲁 棒 性 和 自 适 应 性 ，是 一 个 值 得 深 入 研 究 的
例如，Ｋｅｎｎｅｄｙ［３］对鸟 群 飞 行 术 的 仿 真 研 究 导 致 了 粒 子 群 优 化算法；Ｄｏｒｉｇｏ［４］对蚂 蚁 的 觅 食 行 为 的 研 究 得 出 了 蚁 群 优 化 算法；Ｂｏｎａｂｅａｕ等人［５］根据蚁群的劳 动 分 工 机 制 开 发 了 基 于 响应阈值的任务分 配 模 型；Ｄｅｎｅｕｂｏｕｒｇ［６］等 人 根 据 蚂 蚁 在 构 建墓地时搬运死去蚂蚁尸体的行为提出了一种聚类模型。研
·６·
宙空间，采用模仿群 智 能 的 宇 宙 飞 船 来 探 测 火 星 等［８］。 欧 共 体 连 续 多 年 分 别 资 助 了 ＳＷＡＲＭ－ＢＯＴＳ、ＡＮＴＳ、Ｖｉｒｔｕａｌ Ｓｗａｒｍａｎｏｉｄ、Ｓｗａｒｍａｎｏｉｄ 等 项 目［９］来 研 究 群 智 能、群 体 机 器 人及其 应 用。 我 国 现 在 也 非 常 关 注 群 智 能 的 研 究，分 别 于 ２０１０年和２０１１年召开了两届 Ｓｗａｒｍ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ［１０］会议（ＩＣ－ ＳＩ２０１０和ＩＣＳＩ２０１１），许 多 与 智 能 相 关 的 会 议 中 大 多 涉 及 群 智 能 的 专 题 。中 国 科 技 大 学［１１］、哈 尔 滨 工 程 大 学［１２］、吉 林 大 学［１３］、武 汉 理 工 大 学 等 ［１４］ 高 校 都 开 展 了 基 于 群 智 能 的 研 究 工作。
群智能 （Ｓｗａｒｍ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ［１］，ＳＩ）是 人 工 智 能 界 近 两 年 发 展 比 较 快 的 一 个 学 术 分 支 ，它 主 要 研 究 具 有 分 布 式 控 制 、自
统中的诸多问题，提 高 系 统 的 灵 活 性、鲁 棒 性 和 自 适 应 性，是 当前多智能体系统研究面临的问题。
第 ３９ 卷 第 ６ 期 ２０１２ 年 ６ 月
计算机科学 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．６ Ｊｕｎｅ ２０１２
群智能在多智能体系统中的应用研究进展
段俊花 朱怡安 钟 冬 （西 北 工 业 大 学 计 算 机 学 院 西 安 ７１００７２）
摘 要 群智能算法是受群居性昆虫群体的集体行为启发而设计的分布式问题求解方法，将它应用到多智能体 系 统， 旨在提高系统的鲁棒性、灵活性和自适 应 性。 以 群 智 能 在 多 智 能 体 系 统 中 的 应 用 为 线 索 ，首 先 介 绍 群 智 能 的 核 心 机 制，然后从多智能体系统通信机制、协作技术、学习问题及体 系 结 构 建 立 这 几 个 方 面 总 结 群 智 能 理 论 在 多 智 能 体 系 统 中 的 已 有 工 作 。 最 后 分 析 和 讨 论 了 群 智 能 方 法 在 多 智 能 体 系 统 应 用 中 存 在 的 问 题 ，并 提 出 今 后 的 工 作 展 望 。 关 键 词 群 智 能 ，多 智 能 体 系 统 ，Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ，分 布 式 协 作 ，多 智 能 体 学 习 中 图 法 分 类 号 ＴＰ１８ 文 献 标 识 码 Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｓｗａｒｍ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｆ ｓｏｃｉａｌ ｉｎ－ ｓｅｃｔｓ．Ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｉｍｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ，ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ａｐ－ ｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｗａｒｍ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｉｎ ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｓ ｍａｓｔｅｒｓｔｒｏｋｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｓｗａｒｍ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔｕｄｙ ｗｏｒｋｓ ｏｆ ｓｗａｒｍ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ ｌｅａｒｎｉｎｇ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ
组织和涌现 的 行 为。群 体 智 能 源 于 对 成 群 社 会 生 物 体 的 研
群智能给多智能体 系 统 设 计 注 入 了 更 多 新 的 理 念 ，将 群
究。自然界中，蚂蚁、黄 蜂、蜜 蜂 等 社 会 性 昆 虫 都 激 发 人 类 令 智能理论应用到多智能体系统的研究便是当今的一个研究 热
关 于 介 绍 群 智 能 相 关 算 法 的 文 献 已 ［１５－１７］ 经 有 很 多 ，这 里 不 再 赘 述，本 文 重 点 介 绍 群 智 能 理 论 中 目 前 应 用 到 多 智 能 体 系统设计的几个重要方面。 １．１ Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ 机 制
在研究群智能的 时 候，首 先 要 关 注 的 一 个 名 词，即 “Ｓｔｉｇ－ ｍｅｒｇｙ”。“Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ”这 个 词 由 Ｇｒａｓｓｅ［４］提 出，原 始 定 义 是 ： “Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｏｒｋｅｒｓ ｂｙ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｈｅｙ ｈａｖｅ ａ－ ｃｈｉｅｖｅｄ”。Ｇｒａｓｓｅ提出这个 词 最 初 是 用 来 描 述 白 蚁 的 筑 巢 行 为，但 后 来 这 个 词 被 许 多 昆 虫 研 究 者 用 来 描 述 动 物 之 间 的 间 接通信机制。
人 惊 叹 的 灵 感，这 些 生 物 群 体 显 示 如 何 将 大wk.baidu.com量 简 单 的 个 体 通 点。然而许多现实应用的多智能体系统并不像昆虫社会那 样
过交互产生集体的 智 能［２］。 这 些 自 然 群 体 具 有 高 度 冗 余 性 、 由 大 量 简 单 个 体 组 成 ，有 的 是 由 许 多 功 能 或 行 为 上 异 构 的 个
ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｓｏｍｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｓｈｏｗｅｄ ｓｏｍｅ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｐｏｉｎｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｓｗａｒｍ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，Ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ，Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ，Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ，Ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ ｌｅａｒｎｉｎｇ
究 显 示，在 社 会 性 昆 虫 同 步 控 制 的 背 后 并 不 存 在 中 心 协 调 机
课题。
１ 群 体 智 能 理 论 介 绍
Ｓｗａｒｍ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ 这 个 词 首 先 由 Ｂｅｎｉ ａｎｄ Ｗａｎｇ［１］ （１９８９）在元胞机器人系统中提 出。１９９９ 年，Ｂｏｎａｂｅａｕ，Ｄｏｒｉｇｏ 和 Ｔｈｅｒａｕｌａｚ［７］在“Ｓｗａｒｍ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ：Ｆｒｏｍ Ｎａｔｕｒａｌ ｔｏ Ａｒｔｉｆｉ－
Ｈａｄｅｌｉ［２］指出，应用到多智能体协作的 Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ机制 有 两 种：Ｓｅｍａｔｅｃｔｏｎｉｃ Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ 和 Ｓｉｇｎ－ｂａｓｅｄ Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ。 其 中，Ｓｅｍａｔｅｃｔｏｎｉｃ Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ机制是指 环 境 中 发 生 一 些 物 理 改 变则会相应 地 刺 激 昆 虫 个 体 采 取 某 些 行 动 ，如 筑 巢、搬 运 尸 体、打扫巢穴等，而这 些 个 体 的 行 动 也 同 样 改 变 了 环 境 ，进 一 步促 使 更 多 的 个 体 行 动，从 而 最 终 完 成 任 务。Ｓｉｇｎ－ｂａｓｅｄ Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ机制是一种昆虫个体间进行协作的信号机制，蚂 蚁 的觅食行为便是基于该机制的。目前研究较成熟的蚁群算法 也是在此基础上得出的。 １．２ 社 会 分 工 和 任 务 分 配
Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ机制是指个 体 把 信 息 素 （希 腊 语 叫 ｓｔｉｇｍａ）留 在环境中，这些信息 素 对 其 同 伴 的 行 为 有 影 响 作 用 。 多 智 能 体 需 要 交 互 时 便 会 产 生 协 作 ，这 些 协 作 可 以 是 直 接 的 或 间 接 的 。Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ 机 制 就 属 于 间 接 交 互 类 。
庭 医 疗 护 理 和 物 联 网 等 应 用 不 断 涌 现 ，这 些 系 统 都 面 临 着 操 作 中 的 动 态 不 确 定 性、环 境 异 构 性 以 及 诸 多 突 发 事 件 的 发 生
ＩＥＥＥ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ 自 ２００３ 年 以 来 都设有专门的议题用以讨论蚁群优化和粒子群优化等群集智
制 ，然 而 从 系 统 级 层 面 看 却 是 鲁 棒 、柔 性 、高 度 自 适 应 的 。
ｃｉａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ”中 对 群 智 能 进 行 了 详 细 的 论 述 和 分 析，给 出 了
多智能体系统（Ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ，ＭＡＳ）由 于 具 有 自 主 群 智 能 的 一 种 不 严 格 定 义 ：任 何 一 种 由 昆 虫 群 体 或 其 它 动 物
性和灵活性，已经被 人 们 广 泛 应 用 于 各 种 复 杂 系 统 中 。 随 着 社会行为机制而激发设计出的算法或分布式解决问题的策 略
Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的 飞 速 发 展 以 及 无 线 通 讯 技 术 的 进 步 ，普 适 计 算、家 均属于 群 智 能。 群 智 能 的 研 究 受 到 当 今 学 者 的 高 度 重 视，
等问题。如何应用多智能体系统来解决当前动态不确定性 系 能方法及其 应 用。 美 国 宇 航 局 启 动 了 ＮＡＳＡ 计 划 来 探 索 宇
到 稿 日 期 ：２０１１－０７－２０ 返 修 日 期 ：２０１１－１０－１８ 本 文 受 国 家 航 空 科 学 基 金 项 目 （２０１００７５３０２２），校 基 础 研 究 基 金 （ＪＣ２０１１２１）资 助 。 段俊花（１９７９－），女，博士生，讲师，ＣＣＦ 会员，主要研究领域为人工智能、多 Ａｇｅｎｔ系统，Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｕａｎｊｈ＠ｎｗｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ；朱 怡 安（１９６１－），男，博 士 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，主 要 研 究 领 域 为 并 行 计 算 、嵌 入 式 计 算 ；钟 冬 （１９７９－ ），男 ，博 士 ，讲 师 ，主 要 研 究 领 域 为 服 务 计 算 、物 联 网 。
劳动分工是许多社会性昆虫的群体生活中一个重要而广
泛的特征。在 这 些 昆 虫 群 落 中 ，完 成 了 一 系 列 任 务，包 括 繁 殖、育雏、觅食、墓地组织、废物处理以及防御。而昆虫群 落 的 任 务 分 配 与 合 作 在 大 多 数 情 况 下 并 不 受 中 央 控 制 ，尤 其 是 对 于大的群落来说。人 们 在 研 究 中 发 现，社 会 性 昆 虫 群 体 具 有 严 格 的 分 工 ，但 这 种 分 工 却 并 非 一 成 不 变 。 ［１８］ 有 的 分 工 基 于 年龄，如年幼的昆虫在巢穴内执行一些任务，年长的昆虫在 外 面执行觅食或防御 工 作。 有 的 分 工 与 昆 虫 的 行 为 有 关，如 有 外 敌 入 侵 时，在 巢 穴 内 执 行 清 扫 任 务 的 蚂 蚁 会 根 据 同 伴 的 求 救信号去执行御敌 任 务。 还 有 许 多 任 务 分 工 现 象，如 年 龄 相 同的蚂蚁，有的去执行防御或觅食任务，有的去执行食物加 工 和 存 储 工 作 等 。 而 它 们 是 如 何 分 工 的 ，人 类 还 没 有 彻 底 了 解 。
ＤＵＡＮ Ｊｕｎ－ｈｕａ ＺＨＵ Ｙｉ－ａｎ ＺＨＯＮＧ Ｄｏｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）
更强的抗扰动能力以及动态适应工作环境的能力。研究生 物 体组成的。如何让这 些 非 群 体 的、异 构 的 系 统 能 像 生 物 系 统
群体的社会行为，促使人们设计出高效优化算法和聚类算 法。 那 样 具 有 高 度 的 鲁 棒 性 和 自 适 应 性 ，是 一 个 值 得 深 入 研 究 的
例如，Ｋｅｎｎｅｄｙ［３］对鸟 群 飞 行 术 的 仿 真 研 究 导 致 了 粒 子 群 优 化算法；Ｄｏｒｉｇｏ［４］对蚂 蚁 的 觅 食 行 为 的 研 究 得 出 了 蚁 群 优 化 算法；Ｂｏｎａｂｅａｕ等人［５］根据蚁群的劳 动 分 工 机 制 开 发 了 基 于 响应阈值的任务分 配 模 型；Ｄｅｎｅｕｂｏｕｒｇ［６］等 人 根 据 蚂 蚁 在 构 建墓地时搬运死去蚂蚁尸体的行为提出了一种聚类模型。研
·６·
宙空间，采用模仿群 智 能 的 宇 宙 飞 船 来 探 测 火 星 等［８］。 欧 共 体 连 续 多 年 分 别 资 助 了 ＳＷＡＲＭ－ＢＯＴＳ、ＡＮＴＳ、Ｖｉｒｔｕａｌ Ｓｗａｒｍａｎｏｉｄ、Ｓｗａｒｍａｎｏｉｄ 等 项 目［９］来 研 究 群 智 能、群 体 机 器 人及其 应 用。 我 国 现 在 也 非 常 关 注 群 智 能 的 研 究，分 别 于 ２０１０年和２０１１年召开了两届 Ｓｗａｒｍ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ［１０］会议（ＩＣ－ ＳＩ２０１０和ＩＣＳＩ２０１１），许 多 与 智 能 相 关 的 会 议 中 大 多 涉 及 群 智 能 的 专 题 。中 国 科 技 大 学［１１］、哈 尔 滨 工 程 大 学［１２］、吉 林 大 学［１３］、武 汉 理 工 大 学 等 ［１４］ 高 校 都 开 展 了 基 于 群 智 能 的 研 究 工作。
群智能 （Ｓｗａｒｍ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ［１］，ＳＩ）是 人 工 智 能 界 近 两 年 发 展 比 较 快 的 一 个 学 术 分 支 ，它 主 要 研 究 具 有 分 布 式 控 制 、自
统中的诸多问题，提 高 系 统 的 灵 活 性、鲁 棒 性 和 自 适 应 性，是 当前多智能体系统研究面临的问题。
第 ３９ 卷 第 ６ 期 ２０１２ 年 ６ 月
计算机科学 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．６ Ｊｕｎｅ ２０１２
群智能在多智能体系统中的应用研究进展
段俊花 朱怡安 钟 冬 （西 北 工 业 大 学 计 算 机 学 院 西 安 ７１００７２）
摘 要 群智能算法是受群居性昆虫群体的集体行为启发而设计的分布式问题求解方法，将它应用到多智能体 系 统， 旨在提高系统的鲁棒性、灵活性和自适 应 性。 以 群 智 能 在 多 智 能 体 系 统 中 的 应 用 为 线 索 ，首 先 介 绍 群 智 能 的 核 心 机 制，然后从多智能体系统通信机制、协作技术、学习问题及体 系 结 构 建 立 这 几 个 方 面 总 结 群 智 能 理 论 在 多 智 能 体 系 统 中 的 已 有 工 作 。 最 后 分 析 和 讨 论 了 群 智 能 方 法 在 多 智 能 体 系 统 应 用 中 存 在 的 问 题 ，并 提 出 今 后 的 工 作 展 望 。 关 键 词 群 智 能 ，多 智 能 体 系 统 ，Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ，分 布 式 协 作 ，多 智 能 体 学 习 中 图 法 分 类 号 ＴＰ１８ 文 献 标 识 码 Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｓｗａｒｍ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｆ ｓｏｃｉａｌ ｉｎ－ ｓｅｃｔｓ．Ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｉｍｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ，ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ａｐ－ ｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｗａｒｍ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｉｎ ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｓ ｍａｓｔｅｒｓｔｒｏｋｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｓｗａｒｍ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔｕｄｙ ｗｏｒｋｓ ｏｆ ｓｗａｒｍ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ ｌｅａｒｎｉｎｇ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ
组织和涌现 的 行 为。群 体 智 能 源 于 对 成 群 社 会 生 物 体 的 研
群智能给多智能体 系 统 设 计 注 入 了 更 多 新 的 理 念 ，将 群
究。自然界中，蚂蚁、黄 蜂、蜜 蜂 等 社 会 性 昆 虫 都 激 发 人 类 令 智能理论应用到多智能体系统的研究便是当今的一个研究 热
关 于 介 绍 群 智 能 相 关 算 法 的 文 献 已 ［１５－１７］ 经 有 很 多 ，这 里 不 再 赘 述，本 文 重 点 介 绍 群 智 能 理 论 中 目 前 应 用 到 多 智 能 体 系统设计的几个重要方面。 １．１ Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ 机 制
在研究群智能的 时 候，首 先 要 关 注 的 一 个 名 词，即 “Ｓｔｉｇ－ ｍｅｒｇｙ”。“Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ”这 个 词 由 Ｇｒａｓｓｅ［４］提 出，原 始 定 义 是 ： “Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｏｒｋｅｒｓ ｂｙ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｈｅｙ ｈａｖｅ ａ－ ｃｈｉｅｖｅｄ”。Ｇｒａｓｓｅ提出这个 词 最 初 是 用 来 描 述 白 蚁 的 筑 巢 行 为，但 后 来 这 个 词 被 许 多 昆 虫 研 究 者 用 来 描 述 动 物 之 间 的 间 接通信机制。
人 惊 叹 的 灵 感，这 些 生 物 群 体 显 示 如 何 将 大wk.baidu.com量 简 单 的 个 体 通 点。然而许多现实应用的多智能体系统并不像昆虫社会那 样
过交互产生集体的 智 能［２］。 这 些 自 然 群 体 具 有 高 度 冗 余 性 、 由 大 量 简 单 个 体 组 成 ，有 的 是 由 许 多 功 能 或 行 为 上 异 构 的 个
ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｓｏｍｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｓｈｏｗｅｄ ｓｏｍｅ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｐｏｉｎｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｓｗａｒｍ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，Ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ，Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ，Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ，Ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ ｌｅａｒｎｉｎｇ
究 显 示，在 社 会 性 昆 虫 同 步 控 制 的 背 后 并 不 存 在 中 心 协 调 机
课题。
１ 群 体 智 能 理 论 介 绍
Ｓｗａｒｍ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ 这 个 词 首 先 由 Ｂｅｎｉ ａｎｄ Ｗａｎｇ［１］ （１９８９）在元胞机器人系统中提 出。１９９９ 年，Ｂｏｎａｂｅａｕ，Ｄｏｒｉｇｏ 和 Ｔｈｅｒａｕｌａｚ［７］在“Ｓｗａｒｍ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ：Ｆｒｏｍ Ｎａｔｕｒａｌ ｔｏ Ａｒｔｉｆｉ－
Ｈａｄｅｌｉ［２］指出，应用到多智能体协作的 Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ机制 有 两 种：Ｓｅｍａｔｅｃｔｏｎｉｃ Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ 和 Ｓｉｇｎ－ｂａｓｅｄ Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ。 其 中，Ｓｅｍａｔｅｃｔｏｎｉｃ Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ机制是指 环 境 中 发 生 一 些 物 理 改 变则会相应 地 刺 激 昆 虫 个 体 采 取 某 些 行 动 ，如 筑 巢、搬 运 尸 体、打扫巢穴等，而这 些 个 体 的 行 动 也 同 样 改 变 了 环 境 ，进 一 步促 使 更 多 的 个 体 行 动，从 而 最 终 完 成 任 务。Ｓｉｇｎ－ｂａｓｅｄ Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ机制是一种昆虫个体间进行协作的信号机制，蚂 蚁 的觅食行为便是基于该机制的。目前研究较成熟的蚁群算法 也是在此基础上得出的。 １．２ 社 会 分 工 和 任 务 分 配
Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ机制是指个 体 把 信 息 素 （希 腊 语 叫 ｓｔｉｇｍａ）留 在环境中，这些信息 素 对 其 同 伴 的 行 为 有 影 响 作 用 。 多 智 能 体 需 要 交 互 时 便 会 产 生 协 作 ，这 些 协 作 可 以 是 直 接 的 或 间 接 的 。Ｓｔｉｇｍｅｒｇｙ 机 制 就 属 于 间 接 交 互 类 。
庭 医 疗 护 理 和 物 联 网 等 应 用 不 断 涌 现 ，这 些 系 统 都 面 临 着 操 作 中 的 动 态 不 确 定 性、环 境 异 构 性 以 及 诸 多 突 发 事 件 的 发 生
ＩＥＥＥ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ 自 ２００３ 年 以 来 都设有专门的议题用以讨论蚁群优化和粒子群优化等群集智
制 ，然 而 从 系 统 级 层 面 看 却 是 鲁 棒 、柔 性 、高 度 自 适 应 的 。
ｃｉａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ”中 对 群 智 能 进 行 了 详 细 的 论 述 和 分 析，给 出 了
多智能体系统（Ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ，ＭＡＳ）由 于 具 有 自 主 群 智 能 的 一 种 不 严 格 定 义 ：任 何 一 种 由 昆 虫 群 体 或 其 它 动 物
性和灵活性，已经被 人 们 广 泛 应 用 于 各 种 复 杂 系 统 中 。 随 着 社会行为机制而激发设计出的算法或分布式解决问题的策 略
Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的 飞 速 发 展 以 及 无 线 通 讯 技 术 的 进 步 ，普 适 计 算、家 均属于 群 智 能。 群 智 能 的 研 究 受 到 当 今 学 者 的 高 度 重 视，
等问题。如何应用多智能体系统来解决当前动态不确定性 系 能方法及其 应 用。 美 国 宇 航 局 启 动 了 ＮＡＳＡ 计 划 来 探 索 宇
到 稿 日 期 ：２０１１－０７－２０ 返 修 日 期 ：２０１１－１０－１８ 本 文 受 国 家 航 空 科 学 基 金 项 目 （２０１００７５３０２２），校 基 础 研 究 基 金 （ＪＣ２０１１２１）资 助 。 段俊花（１９７９－），女，博士生，讲师，ＣＣＦ 会员，主要研究领域为人工智能、多 Ａｇｅｎｔ系统，Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｕａｎｊｈ＠ｎｗｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ；朱 怡 安（１９６１－），男，博 士 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，主 要 研 究 领 域 为 并 行 计 算 、嵌 入 式 计 算 ；钟 冬 （１９７９－ ），男 ，博 士 ，讲 师 ，主 要 研 究 领 域 为 服 务 计 算 、物 联 网 。
劳动分工是许多社会性昆虫的群体生活中一个重要而广
泛的特征。在 这 些 昆 虫 群 落 中 ，完 成 了 一 系 列 任 务，包 括 繁 殖、育雏、觅食、墓地组织、废物处理以及防御。而昆虫群 落 的 任 务 分 配 与 合 作 在 大 多 数 情 况 下 并 不 受 中 央 控 制 ，尤 其 是 对 于大的群落来说。人 们 在 研 究 中 发 现，社 会 性 昆 虫 群 体 具 有 严 格 的 分 工 ，但 这 种 分 工 却 并 非 一 成 不 变 。 ［１８］ 有 的 分 工 基 于 年龄，如年幼的昆虫在巢穴内执行一些任务，年长的昆虫在 外 面执行觅食或防御 工 作。 有 的 分 工 与 昆 虫 的 行 为 有 关，如 有 外 敌 入 侵 时，在 巢 穴 内 执 行 清 扫 任 务 的 蚂 蚁 会 根 据 同 伴 的 求 救信号去执行御敌 任 务。 还 有 许 多 任 务 分 工 现 象，如 年 龄 相 同的蚂蚁，有的去执行防御或觅食任务，有的去执行食物加 工 和 存 储 工 作 等 。 而 它 们 是 如 何 分 工 的 ，人 类 还 没 有 彻 底 了 解 。