[发明专利]一种基于免疫网络与市场机制的多UUV系统动态协商建模方法

说明书

本发明涉及一种基于免疫网络与市场机制的多UUV系统动态协商建模方法，属于水下无人系统建模与仿真领域。首先，在设计UUV巡逻、探测和趋向目标的基本行为动作的基础上，利用改进的免疫网络实现基本行为动作浓度的变化，以此形成分布式结构的全局网络；其次，利用扩展合同网协议形成分布式结构局部网络，设计约束条件下递阶控制模型和基本行为动作浓度变化决策模型，实现对入侵目标的局部围捕。本发明从全局网络和局部网络的交互通信角度出发，融合免疫网络与市场机制建模优势，不仅可以实现通信量和计算规模的同步减少，而且可以保障协商模型的鲁棒性和健壮性。

技术领域

本发明属于水下无人系统建模与仿真技术领域，具体涉及一种基于免疫网络与市场机制的多UUV系统动态协商建模方法。

背景技术

多UUV系统是由多个无人水下航行器(Unmanned underwater vehicle，UUV)构成，可形成一个具有探测、通信、作战等功能的水下作战信息网络。相比较于单UUV，其具有三个明显的优势：(1)分布性，多UUV可以通过在水下空间、时间、资源和功能上分布性，实现UUV在更深、更广的复杂环境条件下执行各类作业任务；(2)协同性，通过协同化信息共享，实现控制、通讯、信号采集等过程的无缝协作，发挥“狼群”式协同作业，可以提高水下无人系统的作战效能；(3)容错性，多UUV系统中的单个UUV出现故障或失效时，通过多UUV系统内部的协作与协调，形成互补，保证整个系统的可靠性与鲁棒性，正是由于上述3优势，多UUV系统成为水下无人系统研究的重点。

如何实现多UUV之间的协商建模成为决定多UUV系统作战效能的关键问题，一个动态、高效的协商方法对于任务分配、路径规划、规避障碍、协同搜索等所有群体决策的实现具有决定性作用。目前，多UUV系统的协商建模方法主要分为集中式和分布式两类，由于集中式协商方法难以适应动态的水下环境和繁杂的作战使命，分布式方法成为实现多UUV系统协商建模的主流，主要包括行为建模、自组织建模和市场理论建模等，这些方法虽然在具体应用场景中取得了比较丰富的成果，但是一些问题同样不能忽视，例如基于行为建模方法虽然在约束条件下考虑环境信息感知映射到具体行为模式，但是只能应用于UUV规模较小的应用场景，而且无法实现全局最优；基于自组织建模方法可以实现多UUV系统的动态协商与合作，特别是在围捕目标和避障等应用过程中，但是其不具备UUV的退出/加入机制，缺乏容错性；基于市场理论方法主要通过模拟市场经济行为通过拍卖算法和合同网协议实现个体之间的协商，但是由于采用广播通信方式随着规模增大，通信量剧增，影响协商合作的实时性。为了克服以上缺点，因此希望开发出复杂约束条件下具有动态协商效率高的协商建模方法，实现多UUV系统自组织完成对敌方目标的围捕。

发明内容

为了克服现有技术中存在的已有分布式协调模型在多UUV系统围捕敌方目标应用中出现的问题，本发明提出一种基于免疫网络与市场机制的多UUV系统动态协商建模方法，实现对敌方入侵目标的围捕作业。

本发明提出一种基于免疫网络与市场机制的多UUV系统动态协商建模方法，设计UUV巡逻、探测和趋向目标的基本行为动作，利用改进的免疫网络实现基本行为动作浓度的变化，以此形成分布式结构的全局网络；利用扩展合同网协议及其通信动作形成分布式结构的局部网络，根据约束条件下递阶控制模型和基本行为动作浓度变化决策模型，实现多UUV系统对入侵目标的局部围捕。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：一种基于免疫网络与市场机制的多UUV系统动态协商建模方法，包括以下步骤：

步骤1：定义UUV基本行为动作A_i，包括：航行巡逻A₁、感知探测A₂和趋向目标A₃，其中A_i∈[A₁,A₂,A₃],i＝1,2,3；