多智能体系统教学课件汇总整本书电子教案全套教学教程完整版电子教案(最新).pptx

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1、 第第第第1 1 1 1章章章章 多智能体系统概述多智能体系统概述多智能体系统概述多智能体系统概述1.1 1.1 自然智能和人工智能自然智能和人工智能1.2 1.2 多智能体系统多智能体系统1.3 1.3 多智能体系统的主要技术内容多智能体系统的主要技术内容1.4 Netlogo1.4 Netlogo仿真工具仿真工具 第第第第1 1 1 1章章章章 多智能体系统概述多智能体系统概述多智能体系统概述多智能体系统概述 依赖于表现智能的智能体不同，我们可以简单地把智依赖于表现智能的智能体不同，我们可以简单地把智能分为人工智能和自然智能（非人工智能）。现实中最普能分为人工智能和自然智能（非人工智能）。

2、现实中最普遍存在的就是大自然创造的各种智能体，也就是各种动物遍存在的就是大自然创造的各种智能体，也就是各种动物以及我们人类自己。自然智能特指大自然创造的智能现象。以及我们人类自己。自然智能特指大自然创造的智能现象。人工智能是由机器、设备或软件等人造对象所表现出的智人工智能是由机器、设备或软件等人造对象所表现出的智能。能。1.1.1 1.1.1 自然智能自然智能 自然智能包括：自然智能包括：（1 1）生物个体智能，由有机的生命形态个体所表现出的）生物个体智能，由有机的生命形态个体所表现出的智能。智能。（2 2）人类个体智能，由人类个体所表现出的智能。）人类个体智能，由人类个体所表现出的智能。（3

3、 3）群体智能，由众多智能个体的集合所表现出的智能）群体智能，由众多智能个体的集合所表现出的智能（4 4）系统智能，由多种有机或无机元素组成的复杂系统）系统智能，由多种有机或无机元素组成的复杂系统所表现出的智能。所表现出的智能。1.1.1 1.1.1 自然智能自然智能 定义定义1.11.1生物智能（生物智能（Biological IntelligenceBiological Intelligence，BIBI）就是指各种生物个体所表现出来的，能够自主的对环）就是指各种生物个体所表现出来的，能够自主的对环境做出适应的反应行为。境做出适应的反应行为。1.1.生物个体智能生物个体智能 人类智能（人类

4、智能（human intelligencehuman intelligence）是人类个体所表现）是人类个体所表现出的智能。出的智能。定义定义1.21.2从感觉到记忆到思维这一过程，称为从感觉到记忆到思维这一过程，称为“智慧智慧”，智慧的结果就产生了行为和语言，将行为和语言的表达，智慧的结果就产生了行为和语言，将行为和语言的表达过程称为过程称为“能力能力”，两者合称，两者合称“智能智能”。2.2.人类个体智能人类个体智能 群体智能是由众多智能个体的集合所表现出的智能。群体智能是由众多智能个体的集合所表现出的智能。定义定义1.31.3群体智能（群体智能（Swarm IntelligenceSwa

5、rm Intelligence，SISI）是指在）是指在集体层面表现的分散的、去中心化的自组织行为。集体层面表现的分散的、去中心化的自组织行为。定义定义1.41.4涌现行为在全局状态中是显而易见的，它们没涌现行为在全局状态中是显而易见的，它们没有明确地被编入程序，但它是个人之间局部互动的结果。有明确地被编入程序，但它是个人之间局部互动的结果。根据观察者建立的一些指标，它被认为是有趣的。根据观察者建立的一些指标，它被认为是有趣的。3.3.群体智能群体智能 群体智能群体智能SISI可以视为系统智能（可以视为系统智能（System System IntelligenceIntelligence，SI

6、SI）的一个特殊情况。系统智能可以视为）的一个特殊情况。系统智能可以视为所有智能的根本模式，我们将从系统智能中揭示智能的真所有智能的根本模式，我们将从系统智能中揭示智能的真正来源。正来源。系统智能是由多种有机或无机元素组成的复杂系统所表现系统智能是由多种有机或无机元素组成的复杂系统所表现出的智能。出的智能。4.4.系统智能系统智能 定义定义1.51.5如果一个系统能够独立而有效地解决某种如果一个系统能够独立而有效地解决某种问题，那么这个系统就是智能的。问题，那么这个系统就是智能的。诸如自然界的石、木、山、水等生态系统，乃至一个星球，诸如自然界的石、木、山、水等生态系统，乃至一个星球，它们都可以

7、在科学现象的支配下，遵循自然规律，感应外它们都可以在科学现象的支配下，遵循自然规律，感应外界信息，交换物质能量，有序耗散运行。因此，物理实体界信息，交换物质能量，有序耗散运行。因此，物理实体系统也可以定义为是一种原始智能系统。系统也可以定义为是一种原始智能系统。4.4.系统智能系统智能1.1 1.1 自然智能和人工智能自然智能和人工智能1.2 1.2 多智能体系统多智能体系统1.3 1.3 多智能体系统的主要技术内容多智能体系统的主要技术内容1.4 Netlogo1.4 Netlogo仿真工具仿真工具 第第第第1 1 1 1章章章章 多智能体系统概述多智能体系统概述多智能体系统概述多智能体系统

8、概述1.2.1 1.2.1 多智能体系统定义与特点多智能体系统定义与特点1.2.2 1.2.2 多智能体系统的形式化描述多智能体系统的形式化描述1.2.3 1.2.3 多智能体系统理论的发展多智能体系统理论的发展1.2.4 1.2.4 多智能体系统应用多智能体系统应用 1.2 1.2 1.2 1.2 多智能体系统多智能体系统多智能体系统多智能体系统 智能分为自然智能和人工智能，相应地，智能体就分智能分为自然智能和人工智能，相应地，智能体就分为自然智能体和人工智能体。一个自然智能体可以是人群为自然智能体和人工智能体。一个自然智能体可以是人群中的个人、经济系统中的经营者、生态系统中的植物个体、中的

9、个人、经济系统中的经营者、生态系统中的植物个体、动物个体等；人工智能体可以是交通流中的智能汽车，计动物个体等；人工智能体可以是交通流中的智能汽车，计算网络中的计算机，无人机等。算网络中的计算机，无人机等。1.1.智能体智能体 定义定义1.71.7任何可以被看作是通过传感器感知环境并且任何可以被看作是通过传感器感知环境并且通过执行器作用于环境的实体都被称为智能体（通过执行器作用于环境的实体都被称为智能体（AgentAgent）。）。1.1.智能体智能体 定义定义1.81.8智能体的感知序列是该智能体所接收的所有智能体的感知序列是该智能体所接收的所有数据完整的历史。数据完整的历史。感知信息做为智能

10、体的感知输入，而感知序列是感知信息感知信息做为智能体的感知输入，而感知序列是感知信息的集合。一般而言，智能体在任何给定时刻的行动选择取的集合。一般而言，智能体在任何给定时刻的行动选择取决于到那个时刻为止智能体的整个感知序列。决于到那个时刻为止智能体的整个感知序列。1.1.智能体智能体 定义定义1.91.9把任意给定感知序列集合到执行动作集合的把任意给定感知序列集合到执行动作集合的映射称为智能体函数。映射称为智能体函数。定义定义1.101.10智能体程序是在物理实体上运行的智能体智能体程序是在物理实体上运行的智能体函数的具体实现。函数的具体实现。1.1.智能体智能体 下面给出智能体程序的伪码表示

11、：下面给出智能体程序的伪码表示：function TABLE-DRIVEN-AGENT(percept)returns an actionfunction TABLE-DRIVEN-AGENT(percept)returns an action static static：perceptspercepts，一个序列，初始为空；一个序列，初始为空；table:table:动作列表，以感知序列为索引，初始完全指定；动作列表，以感知序列为索引，初始完全指定；将将perceptpercept加入到加入到perceptspercepts中；中；action-LOOKUP(percepts,table)a

12、ction-LOOKUP(percepts,table)；return action return action；1.1.智能体智能体 定义定义1.111.11智能化智能体（智能化智能体（Intelligent AgentIntelligent Agent，IAIA）是这样一种智能个体，对于任意感知序列，智能体能够根是这样一种智能个体，对于任意感知序列，智能体能够根据接收到的感知序列和对环境的先验知识选择使性能度量据接收到的感知序列和对环境的先验知识选择使性能度量期望最大化的行动。期望最大化的行动。智能化智能体（智能化智能体（IAIA）既强调它的智能性（）既强调它的智能性（Intelligen

13、tIntelligent），），也表明其代理能力（也表明其代理能力（AgentAgent）。智能性是指应用系统使用）。智能性是指应用系统使用推理、学习和其他技术来分析解释它接触过的或刚提供给推理、学习和其他技术来分析解释它接触过的或刚提供给它的各种信息和知识的能力，智能可以由一些方法，函数，它的各种信息和知识的能力，智能可以由一些方法，函数，过程，搜索算法或加强学习来实现。过程，搜索算法或加强学习来实现。1.1.智能体智能体 （2 2）感知智能）感知智能 第二个是感知智能，涉及机器的视觉、听觉、触觉等第二个是感知智能，涉及机器的视觉、听觉、触觉等感知能力，即机器可以通过各种类型的传感器对周围的

14、环感知能力，即机器可以通过各种类型的传感器对周围的环境信息进行捕捉和分析，并在处理后根据要求作出合乎理境信息进行捕捉和分析，并在处理后根据要求作出合乎理性的应答与反应。性的应答与反应。感知智能，让机器能听懂我们的语言、看懂世界万物。感知智能，让机器能听懂我们的语言、看懂世界万物。1.1.智能体智能体 1.1.智能体智能体 定义定义1.121.12多智能体系统是由一定数量的智能个体通多智能体系统是由一定数量的智能个体通过相互合作和自组织，在集体层面上呈现出有序的协同运过相互合作和自组织，在集体层面上呈现出有序的协同运动和行为。动和行为。2.2.多智能体系统多智能体系统 每个智能体仅拥有不完全的信

15、息和问题求解能力；不每个智能体仅拥有不完全的信息和问题求解能力；不存在全局控制，而采用分布式控制策略。存在全局控制，而采用分布式控制策略。3.3.多智能体系统特点多智能体系统特点 （2 2）系统中每个智能体都具有相对简单的功能及有限）系统中每个智能体都具有相对简单的功能及有限的信息采集、处理、通讯能力，然而经过局部个体之间的的信息采集、处理、通讯能力，然而经过局部个体之间的信息传递和交互作用后，整个系统往往在群体层面上表现信息传递和交互作用后，整个系统往往在群体层面上表现出高效的协同合作能力及高级智能水平，从而实现单个智出高效的协同合作能力及高级智能水平，从而实现单个智能体所不能完成的各种艰巨

16、、复杂、精度要求高的任务。能体所不能完成的各种艰巨、复杂、精度要求高的任务。3.3.多智能体系统特点多智能体系统特点 （4 4）多智能体运行的特点是协同协作规则。在物联网）多智能体运行的特点是协同协作规则。在物联网背景下，每个物体会发展成一个智能体，实体交互不仅仅背景下，每个物体会发展成一个智能体，实体交互不仅仅在两个物体之间发生，而是每一个智能体可以和任何一个在两个物体之间发生，而是每一个智能体可以和任何一个其他的智能体进行交互。多智能体之间的交互，其实就是其他的智能体进行交互。多智能体之间的交互，其实就是在定义协同协作规则，智能体之间的行为交互方式或者交在定义协同协作规则，智能体之间的行为

17、交互方式或者交互模式。互模式。3.3.多智能体系统特点多智能体系统特点1.2.1 1.2.1 多智能体系统定义与特点多智能体系统定义与特点1.2.2 1.2.2 多智能体系统的形式化描述多智能体系统的形式化描述1.2.3 1.2.3 多智能体系统理论的发展多智能体系统理论的发展1.2.4 1.2.4 多智能体系统应用多智能体系统应用 1.2 1.2 1.2 1.2 多智能体系统多智能体系统多智能体系统多智能体系统 定义定义 1.13 1.13 一个智能体是一个自我管理，自我决策，一个智能体是一个自我管理，自我决策，自我控制及自我学习的个体，有自己的行为和内部状态，自我控制及自我学习的个体，有自

18、己的行为和内部状态，免受其它智能体的明确控制。免受其它智能体的明确控制。1.1.智能体数学模型智能体数学模型 智能体智能体e e是一个七元组是一个七元组，其中，其中S S描述了智能体描述了智能体e e的当前状态；的当前状态；B B是动作；是动作；SeeSee是感知是感知器部件；器部件；ChooseChoose是决策器部件；是决策器部件；ChangeChange是智能体动作的执是智能体动作的执行对环境状态的影响；行对环境状态的影响；F F是一个评估函数；是一个评估函数；G G是智能体是智能体e e的的目标集。目标集。1.1.智能体数学模型智能体数学模型 定义定义 1.14 1.14 智能体智能体

19、e e的状态的状态S S被一组静态或动态属性刻被一组静态或动态属性刻画，即，画，即，S=S1,SNS=S1,SN。例如，在交通网中，研究智能例如，在交通网中，研究智能体的状态属性和环境的状态，智能体的状态属性包括智能体的状态属性和环境的状态，智能体的状态属性包括智能体的位置、速度、运行方向、源地址、目的地址、下一步、体的位置、速度、运行方向、源地址、目的地址、下一步、智能体之间的动态关系等等动态属性；智能体之间的动态关系等等动态属性；定义定义 1.15 1.15 智能体智能体e e的本地有穷动作集合是的本地有穷动作集合是B=b1,bkB=b1,bk。1.1.智能体数学模型智能体数学模型 定义定

20、义 1.16 1.16 智能体感知部件的功能是智能体感知部件的功能是See:SSee:S一一P P，其中，其中，S=S=s0,s1,.,sms0,s1,.,sm是环境状态集合。该函数将智能体所是环境状态集合。该函数将智能体所在的环境状态映射为感知输入。在的环境状态映射为感知输入。定义定义 1.17 1.17 智能体动作决策部件的功能是智能体动作决策部件的功能是Choose:Choose:PBPB，该函数刻画了它根据感知信息的状态序列确定智能，该函数刻画了它根据感知信息的状态序列确定智能体待实施的本地动作体待实施的本地动作bibi。定义定义 1.18 1.18智能体动作的执行对环境状态的影响是智

21、能体动作的执行对环境状态的影响是ChangeChange：SXA P(S)SXA P(S)，其中，其中P P是幂集符号。是幂集符号。1.1.智能体数学模型智能体数学模型 定义定义 1.19 1.19一个智能体通过使用一个评估函数一个智能体通过使用一个评估函数F F进行进行条件的评价。条件的评价。例如，在交通网中，评估函数包括速度、方向、是否例如，在交通网中，评估函数包括速度、方向、是否到达目的地等。到达目的地等。定义定义 1.20 1.20 智能体智能体e e可以有一组目标，记作可以有一组目标，记作G=G=g1g1，gNgN。每个目标。每个目标gigi是要取得一个状态是要取得一个状态SS，满足

22、评估函，满足评估函数数F F取得某个预定义的值取得某个预定义的值，即，即gi=S|F(.)=gi=S|F(.)=，其中，其中是一个常量。是一个常量。1.1.智能体数学模型智能体数学模型 定义定义 1.21 1.21 一个多智能体系统是三元组一个多智能体系统是三元组IA ，符号，符号 IA IA 用来表示多智能体集（用来表示多智能体集（Intelligent AgentIntelligent Agent，IAIA），），E E 是是 IA IA 驻留的环境，驻留的环境，是系统目标函数，通常是是系统目标函数，通常是智能体状态的非线性函数。智能体状态的非线性函数。2.2.多智能体系统数学模型多智能体

23、系统数学模型 定义定义 1.22 1.22 环境环境E=E=es1,es2,esNes1,es2,esN，其中每个，其中每个esi esi 对应于一个静态或动态属性，对应于一个静态或动态属性，N N为属性个数。为属性个数。2.2.多智能体系统数学模型多智能体系统数学模型 作为一个多智能体系统中的主要构件之一，一个环境作为一个多智能体系统中的主要构件之一，一个环境E E通常起着通常起着三个作用。首先，它作为智能体可以活动的范围。这是环境的静态三个作用。首先，它作为智能体可以活动的范围。这是环境的静态观点。例如对于交通网，交通环境是以道路为中心的物的环境；第观点。例如对于交通网，交通环境是以道路为

24、中心的物的环境；第二，环境作为布告牌，其中智能体可以读取或发布它们的信息。在二，环境作为布告牌，其中智能体可以读取或发布它们的信息。在这种动态观点下，环境始终在改变。在这个意义上，环境可以被看这种动态观点下，环境始终在改变。在这个意义上，环境可以被看作一个智能体之间的间接的通信媒介。对于交通网环境如交通安全作一个智能体之间的间接的通信媒介。对于交通网环境如交通安全设施、交通信号、交通标线和路面交通标示等意义性交通环境；第设施、交通信号、交通标线和路面交通标示等意义性交通环境；第三，环境保持一个中央时钟，如果必要的话，有助于所有智能体的三，环境保持一个中央时钟，如果必要的话，有助于所有智能体的行

25、为。行为。2.2.多智能体系统数学模型多智能体系统数学模型 是自组织系统目标函数，是智能体状态的非线性函是自组织系统目标函数，是智能体状态的非线性函数。在交通网研究中，目标函数可以是交通网的最短路径。数。在交通网研究中，目标函数可以是交通网的最短路径。而涌现行为是智能体之间、智能体和环境之间的交互产生而涌现行为是智能体之间、智能体和环境之间的交互产生的，在宏观层面上呈现出整体协调一致的运动效果。的，在宏观层面上呈现出整体协调一致的运动效果。2.2.多智能体系统数学模型多智能体系统数学模型1.2.1 1.2.1 多智能体系统定义与特点多智能体系统定义与特点1.2.2 1.2.2 多智能体系统的形

26、式化描述多智能体系统的形式化描述1.2.3 1.2.3 多智能体系统理论的发展多智能体系统理论的发展1.2.4 1.2.4 多智能体系统应用多智能体系统应用 1.2 1.2 1.2 1.2 多智能体系统多智能体系统多智能体系统多智能体系统 1 1、在该方面的研究早期，大量的工作集中在对自然界在该方面的研究早期，大量的工作集中在对自然界生物群体建模仿真上。生物群体建模仿真上。2 2、对多智能体系统的研究进入、对多智能体系统的研究进入“网络化系统与图论描网络化系统与图论描述述”阶段。阶段。3 3、针对多智能体系统理论的研究进入实际应用阶段。、针对多智能体系统理论的研究进入实际应用阶段。1.2.1

27、1.2.1 多智能体系统定义与特点多智能体系统定义与特点1.2.2 1.2.2 多智能体系统的形式化描述多智能体系统的形式化描述1.2.3 1.2.3 多智能体系统理论的发展多智能体系统理论的发展1.2.4 1.2.4 多智能体系统应用多智能体系统应用 1.2 1.2 1.2 1.2 多智能体系统多智能体系统多智能体系统多智能体系统1.1.智能机器人智能机器人2.2.智能交通智能交通3.3.柔性制造柔性制造4.4.分布式预测、监控及诊断分布式预测、监控及诊断 5.5.虚拟现实虚拟现实 6.6.无线传感器网络应用无线传感器网络应用1.1 1.1 自然智能和人工智能自然智能和人工智能1.2 1.2

28、 多智能体系统多智能体系统1.3 1.3 多智能体系统的主要技术内容多智能体系统的主要技术内容1.4 Netlogo1.4 Netlogo仿真工具仿真工具 第第第第1 1 1 1章章章章 多智能体系统概述多智能体系统概述多智能体系统概述多智能体系统概述 AI AI的重要任务就是实现智能体程序，智能体程序是运的重要任务就是实现智能体程序，智能体程序是运行在一定的体系结构上。这里的体系结构是指智能体的感行在一定的体系结构上。这里的体系结构是指智能体的感知器、执行器和承载这些机构的结构。知器、执行器和承载这些机构的结构。智能体智能体=智能体程序智能体程序+智能体体系结构智能体体系结构 1.1.多智能

29、体及环境建模多智能体及环境建模 AI AI的重要任务就是实现智能体程序，智能体程序是运的重要任务就是实现智能体程序，智能体程序是运行在一定的体系结构上。这里的体系结构是指智能体的感行在一定的体系结构上。这里的体系结构是指智能体的感知器、执行器和承载这些机构的结构。知器、执行器和承载这些机构的结构。智能体智能体=智能体程序智能体程序+智能体体系结构智能体体系结构 1.1.多智能体及环境建模多智能体及环境建模 AI AI的重要任务就是实现智能体程序，智能体程序是运的重要任务就是实现智能体程序，智能体程序是运行在一定的体系结构上。这里的体系结构是指智能体的感行在一定的体系结构上。这里的体系结构是指智

30、能体的感知器、执行器和承载这些机构的结构。知器、执行器和承载这些机构的结构。智能体智能体=智能体程序智能体程序+智能体体系结构智能体体系结构 1.1.多智能体及环境建模多智能体及环境建模 （1 1）智能体体系结构）智能体体系结构 智能体体系结构研究在理论体系的基础上如何设计内智能体体系结构研究在理论体系的基础上如何设计内部模块以及它们之间的关系，从而使系统具备各种属性。部模块以及它们之间的关系，从而使系统具备各种属性。体系结构为程序提供来自传感器的感知信息，运行程序，体系结构为程序提供来自传感器的感知信息，运行程序，并且把程序产生的行动选择传送给执行器。并且把程序产生的行动选择传送给执行器。1

31、.1.多智能体及环境建模多智能体及环境建模 智能体的结构需要解决以下问题：智能体的结构需要解决以下问题：AgentAgent由哪些模块由哪些模块组成；这些模块之间如何交互信息；组成；这些模块之间如何交互信息；AgentAgent感知的信息如感知的信息如何影响它的行为和内部状态；如何将这些模块用软件或硬何影响它的行为和内部状态；如何将这些模块用软件或硬件的方式组合起来形成一个有机的整体。件的方式组合起来形成一个有机的整体。1.1.多智能体及环境建模多智能体及环境建模 （2 2）各种智能体的体系结构）各种智能体的体系结构人们提出了各种智能体的理论。大致可以分成三类：反应人们提出了各种智能体的理论。

32、大致可以分成三类：反应型智能体、慎思型智能体和混合型智能体。型智能体、慎思型智能体和混合型智能体。1.1.多智能体及环境建模多智能体及环境建模（1 1）蜂拥问题（）蜂拥问题（flockingflockingProblemProblem）（2 2）编队控制问题（）编队控制问题（Formation Control ProblemFormation Control Problem）（3 3）聚集问题（）聚集问题（Rendezvous ProblemRendezvous Problem）（4 4）同步问题（）同步问题（SynchronizationSynchronizationProblemProbl

33、em）2.2.一致性问题（一致性问题（ConsensusConsensus或或AgreememtAgreememt）（1 1）群集问题（）群集问题（Swarming ProblemSwarming Problem）群集（群集（SwarmSwarm）是指在一个共同的环境中，以一种连贯和）是指在一个共同的环境中，以一种连贯和协调的方式运行的大量、独立的异质或同质智能体集合。协调的方式运行的大量、独立的异质或同质智能体集合。群集架构（群集架构（Swarm architecturesSwarm architectures）促进了分散和自组织，）促进了分散和自组织，这通常会导致涌现行为（这通常会导致涌现

34、行为（Emergent behaviourEmergent behaviour）。群体的）。群体的涌现行为是群体与其环境（或同伴）相互作用的结果，而涌现行为是群体与其环境（或同伴）相互作用的结果，而不是设计的直接结果。不是设计的直接结果。3.3.群体智能问题群体智能问题 （2 2）群体智能的概念和特点）群体智能的概念和特点群体智能（群体智能（Swarm IntelligenceSwarm Intelligence）是指）是指“具有一定自治能具有一定自治能力的个体通过合作行为表现出复杂的智能行为特性力的个体通过合作行为表现出复杂的智能行为特性”。群。群体智能中的群体是指一组可以（通过改变局部环境

35、）进行体智能中的群体是指一组可以（通过改变局部环境）进行相互通信或间接通信的个体，这些个体通过合作可以进行相互通信或间接通信的个体，这些个体通过合作可以进行分布问题的求解，而这些个体则只具有较为简单的能力或分布问题的求解，而这些个体则只具有较为简单的能力或智能。智能。3.3.群体智能问题群体智能问题 （3 3）群体智能研究方向和主要方法）群体智能研究方向和主要方法群体智能的研究方向主要有以下几个方面：群体智能的研究方向主要有以下几个方面：群体协作搬运物体行为的研究，模拟建立巢穴的行为和自行装群体协作搬运物体行为的研究，模拟建立巢穴的行为和自行装配行为的研究，蚁群觅食过程的研究，群体任务分配行为

36、和分工的配行为的研究，蚁群觅食过程的研究，群体任务分配行为和分工的研究，群体自组织行为及群体分类行为的研究等。研究，群体自组织行为及群体分类行为的研究等。研究的主要方法有：多机器人合作搬运算法、模拟建巢算法、研究的主要方法有：多机器人合作搬运算法、模拟建巢算法、蚁群组合优化算法和网络路由控制算法、多机器人任务分配算法、蚁群组合优化算法和网络路由控制算法、多机器人任务分配算法、数据分析和图的分割算法等。数据分析和图的分割算法等。3.3.群体智能问题群体智能问题 （1 1）协同任务分配问题研究）协同任务分配问题研究 （2 2）路径规划算法研究）路径规划算法研究 4.4.认知智能体认知智能体 多智能

37、体系统学习大致分为以下三个阶段：多智能体系统学习大致分为以下三个阶段：A.A.在学习开始之前收集数据阶段；在学习开始之前收集数据阶段；B.B.单个智能体对局部信息的学习，通过通信将自己学单个智能体对局部信息的学习，通过通信将自己学习的部分与其他机器进行交互，从而实现共享信息；习的部分与其他机器进行交互，从而实现共享信息；C.C.各个智能体综合所学习和共享获得的信息。各个智能体综合所学习和共享获得的信息。5.5.多智能体学习多智能体学习（1 1）通信决策）通信决策（2 2）通信的代价）通信的代价（3 3）通信失败与恢复）通信失败与恢复（4 4）通信语言）通信语言 6.6.多智能体通信多智能体通信

38、 多智能体系统在表达实际系统时，通过各智能体间的多智能体系统在表达实际系统时，通过各智能体间的通讯、合作、互解、协调、调度、管理及控制来表达系统通讯、合作、互解、协调、调度、管理及控制来表达系统的结构、功能及行为特性。的结构、功能及行为特性。7.7.多多AgentAgent协作协作 要研究的要研究的AgentAgent，不仅仅具有个体理性，而且具有集，不仅仅具有个体理性，而且具有集体理性。由这种智能体组成的多体理性。由这种智能体组成的多AgentAgent系统，可以达到一系统，可以达到一种平衡的协作状态，从而是整个系统达到动态稳定和优化。种平衡的协作状态，从而是整个系统达到动态稳定和优化。7.

39、7.多多AgentAgent协作协作1.1 1.1 自然智能和人工智能自然智能和人工智能1.2 1.2 多智能体系统多智能体系统1.3 1.3 多智能体系统的主要技术内容多智能体系统的主要技术内容1.4 Ne1.4 Netlogotlogo仿真工具仿真工具 第第第第1 1 1 1章章章章 多智能体系统概述多智能体系统概述多智能体系统概述多智能体系统概述 NetLogo NetLogo的第一个实现是用的第一个实现是用LISPLISP（列表处理语言）编（列表处理语言）编写的，并于写的，并于19671967年发布。最初的设计目的是向孩子们介绍年发布。最初的设计目的是向孩子们介绍编程的概念，从而发展更

40、好的思维能力，并将其转移到其编程的概念，从而发展更好的思维能力，并将其转移到其他环境中。它的目标是使初学者能够轻松进入，同时满足他环境中。它的目标是使初学者能够轻松进入，同时满足高级用户的需求。最著名的标志环境涉及到海龟。海龟最高级用户的需求。最著名的标志环境涉及到海龟。海龟最初是一种坐在地板上的虚拟生物，通过接收用户或程序员初是一种坐在地板上的虚拟生物，通过接收用户或程序员的指令，它可以被引导四处移动。海龟被用来画形状、图的指令，它可以被引导四处移动。海龟被用来画形状、图案和图画。案和图画。NetLogo NetLogo是由是由WilenskyWilensky在在19991999年编写并发布

41、的。它最年编写并发布的。它最初是由美国西北大学的连接学习和计算机建模中心开发的，初是由美国西北大学的连接学习和计算机建模中心开发的，目前正在该大学的连接学习和计算机建模中心进行持续开目前正在该大学的连接学习和计算机建模中心进行持续开发。发。NetLogoNetLogo非常适合于对时间依赖的复杂系统进行建模，非常适合于对时间依赖的复杂系统进行建模，并且允许用户向并发操作的成百上千个独立智能体发送指并且允许用户向并发操作的成百上千个独立智能体发送指令。这使得我们有可能探索微观层面的个人行为与来自个令。这使得我们有可能探索微观层面的个人行为与来自个体互动的宏观层面模式之间的联系。体互动的宏观层面模式

42、之间的联系。下课了下课了 第第第第2 2 2 2章章章章 反应智能体反应智能体反应智能体反应智能体2.1 2.1 复杂自组织系统复杂自组织系统2.2 2.2 反应智能体建模反应智能体建模2.3 2.3 扫地机器人反应行为模型扫地机器人反应行为模型2.4 2.4 城市森林公园火灾扑救反应行为模型城市森林公园火灾扑救反应行为模型 第第第第2 2 2 2章章章章 反应智能体反应智能体反应智能体反应智能体 复杂系统呈现出高度的非线性、多态稳定性、时间不复杂系统呈现出高度的非线性、多态稳定性、时间不可逆性、分岔、突变、混沌、自组织、自适应、高度不确可逆性、分岔、突变、混沌、自组织、自适应、高度不确定性和

43、实时性等特征，采用经典系统科学的理论和方法难定性和实时性等特征，采用经典系统科学的理论和方法难以分析解释，由此诞生的一门科学称之为复杂性系统科学，以分析解释，由此诞生的一门科学称之为复杂性系统科学，简称复杂性科学。简称复杂性科学。1.1.复杂性科学复杂性科学 复杂性科学，是以研究自然、社会的复杂性及复杂系复杂性科学，是以研究自然、社会的复杂性及复杂系统为核心，揭示其运作演变规律的科学，体现出非线性、统为核心，揭示其运作演变规律的科学，体现出非线性、生成性、自组织性等特点，以及能够帮助我们对各种复杂生成性、自组织性等特点，以及能够帮助我们对各种复杂现象取得更好理解以便加以控制的理论和方法的科学，

44、被现象取得更好理解以便加以控制的理论和方法的科学，被誉为誉为“21“21世纪的科学世纪的科学”。1.1.复杂性科学复杂性科学 定义定义2.12.1复杂系统是由大量组分组成的网络，不存复杂系统是由大量组分组成的网络，不存在中央控制，通过简单运作规则产生出复杂的集体行为和在中央控制，通过简单运作规则产生出复杂的集体行为和复杂的信息处理，并通过学习和进化产生适应性。复杂的信息处理，并通过学习和进化产生适应性。2.2.复杂系统复杂系统 如果系统有组织的行为不存在内部和外部的控制者或如果系统有组织的行为不存在内部和外部的控制者或领导者，则称之为自组织（领导者，则称之为自组织（Self-organizin

45、gSelf-organizing）。）。自组织是一个系统在内在机制的驱动下，自行从简单自组织是一个系统在内在机制的驱动下，自行从简单向复杂、从粗糙向细致方向发展，不断提高自身复杂度和向复杂、从粗糙向细致方向发展，不断提高自身复杂度和精细度的过程。精细度的过程。在自组织系统中，微观层次上一个相当简单的行为会导致在自组织系统中，微观层次上一个相当简单的行为会导致整个系统很复杂的组织。这种由于简单规则以难以预测的整个系统很复杂的组织。这种由于简单规则以难以预测的方式产生出系统的宏观行为现象叫做涌现行为（方式产生出系统的宏观行为现象叫做涌现行为（Emergent Emergent BehaviorBe

46、havior）。）。2.2.复杂系统复杂系统 人们每时每刻都处在并能看到许许多多的复杂系统，人们每时每刻都处在并能看到许许多多的复杂系统，如蚁群、生态、胚胎、神经网络、人体免疫系统、计算机如蚁群、生态、胚胎、神经网络、人体免疫系统、计算机网络和全球经济系统。所有这些系统中，网络和全球经济系统。所有这些系统中，众多独立的要众多独立的要素在许多方面进行着相互作用。在每种情况下，素在许多方面进行着相互作用。在每种情况下，这些无这些无穷无尽的相互作用使每个复杂系统作为一个整体产生了自穷无尽的相互作用使每个复杂系统作为一个整体产生了自发性的自组织。霍兰把这类复杂系统称为复杂适应系统。发性的自组织。霍兰把

47、这类复杂系统称为复杂适应系统。3.3.复杂适应系统复杂适应系统 定义定义2.22.2在系统范围内具有适应能力的结构，并且在系统范围内具有适应能力的结构，并且智能体间具有简单的局部交互的功能，这样的系统可以称智能体间具有简单的局部交互的功能，这样的系统可以称作自组织系统。作自组织系统。自组织系统是一类复杂系统。复杂自组织系统具有不同于自组织系统是一类复杂系统。复杂自组织系统具有不同于传统确定性系统的特点，如大规模、分布式、异构、动态传统确定性系统的特点，如大规模、分布式、异构、动态以及开放等。以及开放等。4.4.自组织系统自组织系统 自组织系统一般具有以下复杂性特点。自组织系统一般具有以下复杂性

48、特点。（1 1）驻留环境的开放性）驻留环境的开放性自组织系统通常驻留在开放的环境中，环境的变化不受系统控制并同时对系统的演化产生影响，系统自组织系统通常驻留在开放的环境中，环境的变化不受系统控制并同时对系统的演化产生影响，系统需要通过不断调整和组织以适应环境变化。需要通过不断调整和组织以适应环境变化。（2 2）系统演化的适应性）系统演化的适应性系统总是向适应环境变化的方向调整，即演化的方向总是向系统适应环境变化而拥有的一种时间、空系统总是向适应环境变化的方向调整，即演化的方向总是向系统适应环境变化而拥有的一种时间、空间、功能上的格局。间、功能上的格局。（3 3）系统个体自治性，无集中控制）系统

49、个体自治性，无集中控制系统中的个体都是自治的，不受其他个体控制。系统中的个体都是自治的，不受其他个体控制。（4 4）涌现性）涌现性它是指系统通过内部元素的交互在系统整体上产生了新的属性、特征、性质、结构等等。这些新特性它是指系统通过内部元素的交互在系统整体上产生了新的属性、特征、性质、结构等等。这些新特性无法从单个元素中体现。无法从单个元素中体现。4.4.自组织系统自组织系统 定义定义2.22.2在系统范围内具有适应能力的结构，并且在系统范围内具有适应能力的结构，并且智能体间具有简单的局部交互的功能，这样的系统可以称智能体间具有简单的局部交互的功能，这样的系统可以称作自组织系统。作自组织系统。

50、自组织系统是一类复杂系统。复杂自组织系统具有不同于自组织系统是一类复杂系统。复杂自组织系统具有不同于传统确定性系统的特点，如大规模、分布式、异构、动态传统确定性系统的特点，如大规模、分布式、异构、动态以及开放等。以及开放等。4.4.自组织系统自组织系统2.1 2.1 复杂自组织系统复杂自组织系统2.2 2.2 反应智能体建模反应智能体建模2.3 2.3 扫地机器人反应行为模型扫地机器人反应行为模型2.4 2.4 城市森林公园火灾扑救反应行为模型城市森林公园火灾扑救反应行为模型 第第第第2 2 2 2章章章章 反应智能体反应智能体反应智能体反应智能体 最基本的最基本的AIAI系统是纯反应型的，它