[發明專利]一種基于重疊聯盟形成博弈的無人機任務協作方法

有效

• 申請號: 202110939975.0
• 申請日: 2021-08-17
• 公開（公告）號: CN113395676B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 黃贊奇;戚楠;蘇悅悅;王可為;劉一甲;王偉
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H04W4/40
• 分類號: H04W4/40;H04W72/04
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 戴朝榮

1.一種基于重疊聯盟形成博弈的無人機任務協作方法，其特征在于，包括：

步驟1：考慮無人機與任務之間資源屬性的重疊互補關系以及任務的優先級，量化無人機和任務的資源屬性特征，優化重疊聯盟結構下的無人機任務資源分配，將無人機多任務協作問題構建為順序重疊聯盟博弈模型；

步驟2：采用偏向于整個聯盟效用的雙邊互利準則評估無人機對聯盟結構的偏好，各聯盟成員相互合作實現互利，進一步提升整個網絡執行任務的總體效用；

步驟3：根據無人機與具有同一類型資源的任務之間的偏好關系，采用基于偏好引力引導的禁忌算法，優化重疊聯盟結構下的無人機任務資源分配，形成穩定的聯盟結構；

步驟4：基于當前聯盟結構和無人機任務資源分配方案的更新狀態和當前衰落環境對傳輸策略進行優化，以最大限度地提高無人機網絡執行任務的效用；

步驟1所述將無人機多任務協作問題構建為順序重疊聯盟博弈模型，所述順序重疊聯盟博弈模型中，無人機作為參與者，假設無人機分配資源并形成重疊的聯盟以協同完成任務，因此聯盟的數量等于任務的數量；

基于OCF博弈的任務協作模型定義為其中為無人機博弈參與者；U_m為任務點聯盟m的效用函數；為重疊聯盟結構；為第m個任務點投入資源的聯盟無人機成員集，其表達式為為決定任務資源分配的無人機決策向量，每個無人機的資源分配向量定義為

此外，每架無人機從其加入的聯盟中獲得一份收益，利用夏普利值的基本比例公平性，來解決收益共享問題，則無人機n的效用表示為：

其中為投入到任務點聯盟m的無人機資源分配比例，以保證將更多的自身任務資源分配給聯盟的無人機來得到聯盟更多的回報，其表達式為：

其中表示無人機n對任務點聯盟m的貢獻量，其表達式為：

步驟1所述順序重疊聯盟博弈模型中，對于無人機博弈參與者n，給定兩個聯盟結構SC_Q和SC_P，聯盟結構SC_Q優于聯盟結構SC_P被表示為SC_Q＞_nSC_P；

兩個聯盟結構SC_Q＞_nSC_P代表博弈參與者n更傾向于用SC_Q而不是SC_P的聯盟結構來分配它的任務資源投入；

考慮一個聯盟結構對于無人機博弈參與者n的部分資源且滿足條件

交換操作被定義為將部分消耗型任務資源從聯盟交換到聯盟的交換動作，從而形成一個新的聯盟結構其中

對于非消耗型任務資源交換操作被定義為離開或加入一個聯盟的交換動作，從而產生新的聯盟結構其中或而交換之后的兩個聯盟結構必須滿足優選決策，即交換后的聯盟結構必須滿足SC_Q＞_nSC_P；

步驟2所述雙邊互利轉移準則具體為：

對于任意無人機以及任意兩個由交換操作產生的聯盟結構SC_P和SC_Q，其中為無人機n在其他投入資源的任務點聯盟集合；

當無人機n進行資源交換操作時，所提優選決策表明包含無人機n和資源轉移聯盟效用的總聯盟效用，大于資源轉移前；滿足此條件時，交換操作成功，否則操作失?。?/p>

步驟3所述根據無人機與具有同一類型資源的任務之間的偏好關系，采用基于偏好引力引導的禁忌算法，優化重疊聯盟結構下的無人機任務資源分配，形成穩定的聯盟結構，具體包括：

定義無人機n在第k次迭代中對第m個任務點投入資源向量為據此得到第k次迭代中資源分配下聯盟結構為

根據歷史聯盟結構下的資源分配，建立禁忌表其中L_tabu為禁忌長度，代表聯盟結構在禁忌表中的存在時間；

基于剩余未分配資源的任務和剩余未分配資源的無人機，引入偏好引力的概念，定義任務點m剩余需求資源向量為其中和的表達式為：

其隨著無人機資源分配決策變化而變化；

將偏好度看作是任務點所需剩余資源與無人機所載剩余資源之間的偏好程度；

定義無人機n中第z種類型資源對于各個任務偏好引力向量為：其中為對第m個任務點偏好引力，其表達式為：

定義無人機n的第z類資源分配給每個任務的概率向量為：其表達式為：

其中Γ(k)為玻耳茲曼系數，根據偏好引力建立的選擇概率，無人機進行切換操作，如果滿足所提出的優先順序，則無人機進行資源分配的切換操作，從而提高網絡執行任務的總效用，否則無人機在資源分配下保持原有的聯盟結構；

所述步驟3具體包括以下步驟：

a)初始化：設置迭代次數k＝0，記錄每次迭代中資源分配下聯盟結構為建立禁忌表并初始化全為空集，設置禁忌長度為L_tabu，輸入剩余初始攜帶資源得到和

根據將無人機初始攜帶的資源分配到各個任務點，循環步驟b)、c)和d)；

b)令k＝k+1，基于聯盟結構SC^(k-1)，更新向量以及禁忌表Tabu_SC；依據規則Γ(k+1)＝Γ(k)+k(Γ_max-Γ(k))/K_max，更新玻耳茲曼系數；

c)隨機選擇部分消耗型無人機資源或者非消耗型資源以及帶入偏好引力表達式，進而得到然后依據向量無人機n采取交換操作；轉移后的聯盟結構為

如果新的聯盟結構不同于禁忌表Tabu_SC內的任何一個，進入d)，否則，返回b)；

d)無人機n根據下列準則更新聯盟結構：

e)效用在經歷K_stable次迭代效用仍得不到改進或者總迭代次數達到K_max時結束循環，得出最終收斂結構SC^(*)。