对抗交互和攻击作用下异质多智能体系统的分布式控制

The distributed control of multi-agent systems is facing new challenges, due to the rapid development of the wireless sensor network, the more complex task and the diversity of the environment. How to establish the effective interactions between heterogeneous agents? How to describe the antagonistic interactions among the agents? How will the multi-agent system behave collectively with antagonistic interactions? How to build more reliable, flexible and safer multi-agent systems under malicious attacks? All these urgent issues motivate us to come up with this proposal. We are concerned with the distributed control of heterogeneous multi-agent systems with antagonistic interactions and under malicious attacks, respectively. First of all, we choose to describe the antagonistic interactions among the agents as the static or dynamic signed networks. Our aim is to propose proper distributed control protocols which allow the heterogeneous multi-agent systems to achieve bipartite (cluster) tracking and containment control. Secondly, we try to investigate the cooperative and antagonistic interactions between two competitive groups of agents by a game model. Our aim is to give conditions for the equilibrium state of the game. Finally, proper distributed control protocols will be proposed for the distributed resilient tracking control of heterogeneous multi-agent systems under malicious attacks, and the distributed tracking control of heterogeneous multi-agent systems under DoS attack. Moreover, efficient criterion will be introduced to detect and isolate the malicious attacks. And the mechanism for the recovery of the communication topology among the agents will be given as well. The achievements of this project will further develop and enrich the theoretical research on the distributed control of multi-agent systems.

无线传感网络的发展、更加复杂的任务和多样的环境，给多智能体系统的分布式控制带来了新的挑战。如何构建异质个体之间的有效交互；如何刻画个体之间的对抗关系，以及在对抗交互下多智能体系统会呈现出怎样的群体行为；如何构建可靠性更高、适应性更强、安全性更好的多智能体系统是亟待解决的问题。本项目以异质多智能体系统为研究对象，分别研究其在对抗交互和攻击作用下的分布式控制问题。首先，基于静态和动态符号网络，设计适当的分布式控制策略，实现异质多智能体系统的二分（分簇）跟踪和包围控制。其次，针对相互竞争的两组智能体，建立异质多智能体系统在对抗交互下的博弈问题模型，给出博弈达到Nash平衡的条件。最后，设计适当的分布式控制策略，实现异质多智能体系统的分布式弹性跟踪和DoS攻击作用下的分布式跟踪，给出检测攻击的有效判据和智能体通信拓扑重构的机制。本项目的研究将进一步发展和丰富多智能体系统的分布式控制理论研究。

本项目以多个智能体所组成的系统为研究对象，研究分析个体在对抗交互作用下会演化出怎样的群体行为。其中个体之间可以是相互协作的关系，也可以是相互对抗的关系，我们利用符号图的概念来刻画这两种关系，其中正权值的边对应协作关系，负权值的边对应对抗关系。在对符号图以及其上重要性质——结构平衡开展深入研究之后，我们发现该类问题适用于更加广泛的网络系统，比如社会网络（social network），网络中的个体可以是某个人、某个机构、某个组织，在网络中传播的信息可以是对某个事件、产品的评价或偏好，可以统称为观点。协作和对抗的交互关系，在社会网络上可以得到更好的解释，比如“敌人的敌人就是朋友”；或者某个体出于对朋友的信任，会根据其朋友对某件事物的看法改变自己原本的看法等。我们聚焦在如下的问题：观点（信息）是如何在社会网络中传播和演化的？即在社会网络的框架下，研究对抗交互作用下系统状态的演化。我们利用符号网络刻画个体之间的协作与对抗关系，根据个体更新自身观点的不同方式，建立观点（信息）在网络中传播的数学模型，结合图论，矩阵理论，控制理论，博弈论，系统动力学分析等理论知识和工具对所建立模型进行理论分析，并进行数值仿真验证。具体来说，我们研究了符号网络中两个顽固个体之间的竞争问题，其中两个顽固个体都希望最大化采纳自己观点的非顽固个体数的期望值。研究了两个相互竞争的观点在符号网络上的传播问题，其中网络上的个体都以类似于被某种疾病“感染”的方式改变自己的观点。以上成果已在控制领域顶级期刊发表论文2篇，还有部分成果在审稿过程中。参与本项目的2名博士生已获得博士学位，2名硕士生已获得硕士学位，另外1名硕士生继续深造博士学位。本项目的研究为多智能体系统的研究提供了新的思路，尤其丰富和完善了基于符号图的社会网络建模与分析。