内容简介

译者序

最近十几年来，随着无人机技术的不断发展，使无人机在军民用领域都发挥着越来越重要的作用。群智能不同于传统人工智能中的符号主义和联结主义，是一条全新的研究路线。它由大量简单智能体组成集群，通过相互作用机制涌现出强大的群体智慧，从而解决复杂的问题，为无人机集群作战等应用奠定了坚实基础。Yaniv Altshuler 和 Alex Pentland 以其多年的工作经验，用简洁明了的语言编写了 Swarms and Network Intelligence in Search（《基于集群智能网络的协同搜索》）一书。本书简明地对集群搜索做了介绍，全面分析了为设计协作巡逻无人机群而开发高效和强大的基础架构所需的理论和工具，重点介绍了其在战术情报无人机方面的应用。以协同清理问题为例，深入探讨了可以使集群以高稳健性且接近最优的方式，在尽可能短的时间内实现对目标预定义 “搜索区域” 的扫描，同时保证探测到该区域内的所有目标。书中还讨论了这种系统的理论局限性，以及系统各种经济和运行参数之间的平衡关系。本书非常适用于人工智能、无人机类专业的读者，可作为本科生、研究生教材或学习参考用书。当然，对于其他专业的读者，本书也可以作为参考书阅读。本书要求一定的群智能算法知识和数学基础。在本书的写作上，作者先对理论之所以正确给出启发性的解释，之后再给出证明的细节。这样既可以帮助读者从直观上理解这些理论又不失数学上的严谨，由此兼顾不同读者的需求。本书的另一个特点是它以解决实际案例为出发点，介绍了自己在这个领域的理论和算法研究的新成果。需要说明的是，原书的不同章节介绍了不同研究重点的集群协同搜索算法，原作者编写的不同章节的部分内容是非常类似，甚至完全一样的，译者考虑再三，为保证原书内容的连贯性，未对完全一样的内容进行删减。另外原书中的一些编辑错误和不当之处在翻译过程中也做了修订。限于译者的水平，本书肯定还会存在各种问题和不当之处，敬请读者批评指正。在翻译本书的过程中，我们得到了很多人的帮助，在此表示衷心的感谢。感谢林一星、王韧、莫新禹同志帮助校对，借此机会，我们特别感谢一直默默支持我们的家人，没有他们的关心和帮助，本书的翻译出版不可能完成。译者2024 年 10 月

目录

第 1 章 集群搜索简介

1.1 回顾

1.2 群智能

1.3 使用非智能无人机构建智能集群

1.4 本书架构

1.5 结论

参考文献

第 2 章 静止域内的协同式 “集群清理”

2.1 引言

2.2 协同清洁者问题

2.3 相关工作

2.4 清洁协议

2.4.1 清洁协议 —— 定义与需求

2.4.2 SWEEP 协议

2.4.3 轴心点

2.4.4 信号传递

2.4.5 保持连通性

2.4.6 智能体同步

2.4.7 聚类问题

2.4.8 任务终止

2.5 分析

2.5.1 定义

2.5.2 正确性

2.5.3 详细分析

2.5.4 稳健性

2.5.5 与现有工作的比较

2.6 存在障碍的区域

2.7 实验结果

2.8 结论

参考文献

第 3 章 网格中扩展区域的集群搜索：下限

3.1 引言

3.2 动态 “协作清理者” 问题

3.3 与协议无关的清理时间下限

3.4 不可能的结果

3.5 清理协议

3.6 实验结果

3.7 网格上的等周不等式

3.8 分析与结论

3.9 附录 —— 定义

参考文献

第 4 章 网格中扩展区域内的集群搜索：上限

4.1 引言

4.2 动态 “协作清理者” 问题

4.3 清理协议

4.4 递归上边界

4.5 直接上限

4.6 简化定理 2

4.7 k 的上界

4.8 分析与结论

4.9 附录 —— 定义

参考文献

第 5 章 扩展 Z² 网格区域中集群协同的搜索复杂度

5.1 引言

5.2 相关工作

5.3 动态 “协作清理者” 问题

5.4 网格覆盖 —— 分析

5.5 作为协作猎人的动态清理者

5.6 结论

参考文献

第 6 章 随机扩展环境中的协同巡逻集群

6.1 引言

6.2 相关工作

6.3 定义

6.4 下边界

6.4.1 直接边界

6.4.2 使用边界

6.4.3 参数选择

6.5 下边界 —— 马尔可夫模型

6.6 不可能的结果

6.6.1 直接结果

6.6.2 马尔可夫模型

6.7 实验结果

6.8 结论

参考文献

第 7 章 合作猎手 —— 高效和可扩展的无人机集群多目标检测

7.1 引言

7.2 相关工作

7.3 合作猎手问题

7.3.1 目标

7.3.2 无人机和传感器

7.3.3 搜索区域

7.3.4 目的

7.4 前期成果

7.5 改进的几何飞行航线

7.5.1 算法描述

7.5.2 算法分析

7.5.3 无人机数量的下界–最优性证明

7.6 结论

参考文献

第 8 章 大规模侦察无人机集群实现最优动态覆盖的基础架构

8.1 引言

8.2 相关工作

8.3 巡逻系统优化 —— 问题定义

8.4 监控单元的最优数量

8.5 使用哪种无人机？优化无人机的成本

8.6 案例研究 Ⅰ—— 理论分析

8.7 案例研究 Ⅱ—— 真实世界的交通网络监控

8.7.1 介数中心度与交通流量的相关性

8.7.2 基于起点–终点的介数中心度

8.7.3 利用旅行属性提高介数中心度

8.7.4 优化监控和监测站的位置

8.7.5 将各种部署方案建模为 Gompertz 函数

8.8 交通网络数据集

8.8.1 网络结构

8.8.2 拥堵

8.8.3 流量

8.9 结论

参考文献