多智能体系统分布式协同控制

2016年教育部自然科学奖推荐项目公示材料

1、项目名称：多智能体系统分布式协同控制

2、推荐奖种：自然科学奖

3、推荐单位:东南大学

4、项目简介:

多智能体系统是20世纪末至21世纪初分布式人工智能领域的国际前沿研究课题，其核心支撑理论是人工智能、分布式控制和分布式计算。进入21世纪，人们在解决大型、复杂的工程问题时，发现单个智能体的能力已经无法胜任，需要多个智能体在网络环境下以信息通讯的方式组成多智能体系统协同地解决工程问题。典型的多智能体系统包括多机器人系统，多无人机系统，智能电网和分布式卫星系统等。本项目系统深入研究了多智能体系统协同控制的共性问题、网络结构控制、通讯受限等关键科学问题，取得的重要科学发现如下：

(1)通过引入一致性区域的概念，把二阶和高阶系统一致性问题转化为研究一致性区域的稳定性范围，给出了具有固定网络拓扑的多智能体线性系统二阶和高阶一致性的充分必要条件，解决了长期困惑研究者的多智能体系统协同控制器设计的本质问题；提出有向网络的广义代数连通度作为有向网络收敛判别的基本依据，推广了无向网络的代数连通度。

(2)给出了牵制控制无向网络实现同步的一般条件；克服非对称网络拓扑结构的本质困难，解决了有向网络同步牵制控制的挑战问题；采用图分解引入匹配割点和割集，完善了矩阵分解的谱理论，解决网络牵制控制一个结点的最优控制的关键难题。

(3)利用非奇异M矩阵理论和切换系统稳定性分析方法，突破了通过求解闭环系统的解曲线，然后再进行稳定分析的技术性瓶颈，发现了具有间歇信息通讯的二阶多智能体系统一致性的实现与降阶后的低维切换系统全局稳定性的内在本质联系，解决了切换有向拓扑下多智能体系统的协同一致性的难题。

项目组近年来在IEEE、Automatica、SIAM等本领域著名期刊上发表多智能体系统协同控制SCI论文110篇。10篇代表性论文SCI他引1159次，WOS 他引1433次，Google Scholar他引2165次，全部为ESI工程领域前1%高被引论文，9篇论文Google Scholar他引超过100次，6篇论文发表至今在所在期刊的SCI引用排名居于前2位，被38位院士和IEEE Fellow在Nature、Nature Physics、IEEE汇刊等正面评价，相关成果获亚洲控制会议最佳论文奖、IEEE 电路与系统协会神经系统与应用技术委员会最佳理论论文奖、全国复杂网络学术会议最佳学生论文奖、IEEE国际电路与系统会议最佳学生论文奖提名等。

《多智能体系统分布式协同控制》专著获得国家科学技术学术著作出版基金资助。

项目三位完成人2014和2015年均入选汤森路透全球“高被引科学家”(21个学科中国学者入选134和148人)，分别入选工程、计算机科学、数学和物理四个领域。第一完成人关于多智能体系统的研究获国家优秀青年科学基金和万人计划青年拔尖人才资助、Scopus“青年科学之星”信息科学领域金奖。第二完成人由于在网络分析的贡献当选IEEE Fellow。第四完成人由于在网络科学的贡献当选欧洲科学院院士和第三世界科学院院士，并应Science编辑 A. Cho邀请对Nature封面论文做专题评述。项目组完成人曾任信息工程技术领域IEEE自动控制、电路与系统I和II、神经网络与学习系统、控制论5个汇刊的编委。

5、主要完成人情况表

(1)虞文武，排名1，教授，工作单位：东南大学，完成单位：东南大学

对本项目技术创造性贡献：

1.通过引入一致性区域的概念，给出了具有固定网络拓扑的多智能体线性系统二阶和高阶一致性的充分必要条件；提出有向网络的广义代数连通度作为有向网络收敛判别的基本依据，属重要科学发现1；

2.给出了牵制控制无向网络实现同步的一般条件；克服非对称网络拓扑结构的本质困难，解决了有向网络同步牵制控制的挑战问题，属重要科学发现2；

3. 利用非奇异M矩阵理论和切换系统稳定性分析方法，并给出了多智能体系统实现一致性的判别准则，提出了一类拓扑依赖的切换Lyapunov函数构造方式，解决了切换有向拓扑下多智能体系统的协同一致性的难题，属重要科学发现3。

本人是全部10篇代表性论文的作者之一（7篇第一作者，8篇通信作者）。

曾获国家科技奖励情况：无

(2)曹进德，排名2，教授，工作单位：东南大学，完成单位：东南大学

对本项目技术创造性贡献：

1. 通过创造性地将基于连续相对位置信息的连续控制器和基于采样相对位置信息的非连续控制进行有效结合，给出了相对速度信息的估计，进而给出了闭环多智能体系统实现一致性的充分必要条件；利用非奇异M矩阵理论和切换系统稳定性分析方法，解决了切换有向拓扑下多智能体系统的协同一致性的难题，属重要科学发现3。

本人是代表性论文5、10的作者之一。

曾获国家科技奖励情况：无

(3)温广辉，排名3，讲师，工作单位：东南大学，完成单位：东南大学

对本项目技术创造性贡献：

1.利用非奇异M矩阵理论和切换系统稳定性分析方法，提出了研究切换有向拓扑下具有Lipschitz型非线性特性的多智能体系统一致性问题的一般性理论框架。突破了通过求解闭环系统的解曲线，然后再进行稳定分析的技术性瓶颈；通过深入分析闭环多智能体系统的动力学结构性质，提出了一类拓扑依

赖的切换Lyapunov函数构造方式，解决了切换有向拓扑下多智能体系统的协同一致性的难题，属重要科学发现3。

本人是代表性论文8、9的作者之一。

曾获国家科技奖励情况：无

(4)陈关荣，排名4，教授，工作单位：香港城市大学，完成单位：香港城市大

学大学

对本项目技术创造性贡献：

1.通过引入一致性区域的概念，给出了具有固定网络拓扑的多智能体线性系统二阶和高阶一致性的充分必要条件；提出有向网络的广义代数连通度作为有向网络收敛判别的基本依据，属重要科学发现1；

2.给出了牵制控制实现同步的一般条件；研究了一般有向网络同步的牵制控制策略这样一个挑战问题，克服上述非对称网络拓扑结构的本质困难，属重要科学发现2；

3. 提出了一类拓扑依赖的切换Lyapunov函数构造方式，解决了切换有向拓扑下多智能体系统的协同一致性的难题，属重要科学发现3。