信息与控制杂志

信息与控制杂志2020年第5期

• 事件触发脉冲控制的多智能体系统分群一致性

  柴洁, 过榴晓, 陈良康, 陈晶

  针对多智能体系统的群一致性问题，提出了基于事件触发脉冲控制协议.考虑到系统网络的分群结构，在模型中引入一个非零投影参数，该参数的不同特殊取值可以涵盖多智能体系统完全一致性和竞争与合作分群一致性等情形.协议为不同的群设计了相应的事件触发函数，每个群的智能体只有在相关状态误差超过阈值时，才会更新控制器，控制输入也仅在事件触发脉冲时刻执行，智能体之间不需要持续通信.利用代数图论、李亚普诺夫稳定性和脉冲微分方程理论方法，分析给出多智能体系统在事件触发脉冲协议下达到群一致性的充分条件，且理论证明不存在芝诺现象.最后，数值仿真验证了理论结果的有效性.

• 离散事件系统最小故障诊断基的求解与应用

  刘富春, 曹越, 赵锐, 邓秀勤, 崔洪刚

  针对离散事件系统（DESs）的最小故障故障诊断基（MDB）求解问题，提出了一种基于事件集树的求解算法.首先在诊断器的基础上构建了一种新型测试自动机，并求得离散事件系统可诊断性的充分必要条件，实现了对DESs的故障诊断.在此基础上，提出了通过构造事件集树求解离散事件系统MDB的算法，并对算法的复杂度进行了分析.最后，通过网络系统中关键网路的选取实例对算法进行了分析.与现有算法相比，所提算法不仅复杂度更低，而且可用于在线诊断和离线诊断，适用性更广.

• 网格驱动PHD/CPHD滤波多目标跟踪算法

  张愿, 杨金龙, 徐悦

  针对传统PHD/CPHD（probability hypothesis density/cardinalized probability hypothesis density）滤波在对未知运动参数（如机动参数，过程噪声参数等）及未知新生目标等复杂环境下跟踪多目标时性能低的问题，提出了一种自适应网格驱动PHD/CPHD滤波算法.首先，对跟踪区域进行网格初始划分；然后，根据量测信息进行新生目标识别，并更新网格权重，根据权重进行网格区域收缩以提取目标状态；最后，提出依据目标速度进行网格扩张的方法，以自适应重新划分网格，达到对复杂环境下数目未知的多目标的自适应跟踪.实验结果表明，当新生目标与存活目标在理想距离范围内，所提算法能够实现对未知运动参数及未知新生目标的变数目多目标自适应跟踪，在平均OSPA（optimal sub-pattern assignment）距离和平均目标数估计方面，比传统粒子PHD滤波方法具有更好的跟踪性能.

• 基于自适应平滑尺度粒子滤波的目标快速跟踪

  王科平, 朱朋飞, 费树岷, 杨艺

  针对视频目标跟踪中因目标尺度变化而导致跟踪失败的问题，采用粒子滤波对目标尺度进行估计，提出一种基于粒子滤波的快速自适应平滑尺度跟踪算法.首先，为增强不同候选尺度下同一目标的区分性，构造了一种基于方向梯度特征的概率分布特征；其次，利用先验知识来优化粒子滤波算法中建议密度分布函数，提高算法对尺度估计的准确度；最后，运用合理的尺度约束函数对所估计的目标尺度进行二次优化.另外，运用核相关滤波器对位置预测时，为减少因大幅尺度缩放所带来的干扰问题，通过设置合适的阈值，实现核相关滤波器尺度的自适应更新，有效提高了位置预测的准确度.实验结果表明，在尺度估计方面，所提算法比几种典型的尺度估计算法有所提高且实时性较好.

• 基于超声波声速的流体管道泄漏点定位方法

  郎宪明, 郭颖, 高文帅, 王佳政, 阚哲

  针对采用负压波法进行流体管道泄漏点定位时，泄漏声波到达管道首末站时间差不易准确获取，造成泄漏点定位误差较大的问题，提出了一种基于声速差值的流体管道泄漏点定位无损检测方法.该方法依据流体管道瞬变流动的运动方程和连续性方程，建立泄漏点位置与流体管道首末站超声波声速改变量之间的数学关系式，改进了负压波的泄漏点定位计算方法，使泄漏点定位只与管道首末站超声波声速变化值有关，与负压波法的延估计无关.现场实验表明，该方法的流体管道泄漏点的定位误差最小达到0.245%.

• 无线传感器网络不可靠链路特性

  贾蒙, 巩峰, 陈为刚

  链路特性分析对于无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）协议设计至关重要，但协议设计通常建立链路的二元模型，仅考虑连通和断开两种状态，而忽略中间区域的不可靠链路，这些链路通信性能不稳定、高度动态变化.若协议设计中未考虑此部分链路，将会造成WSN功耗变高、网络延时变长等问题.为解决上述问题，设计了基于LoRa的通信系统，从实地测量出发，研究了陆地和海上两种场景下不可靠链路分布特征，并分析LoRa物理层参数配置对通信性能的影响.具体而言，通过大量陆地和海上的实地测量数据，建立链路质量随接收信号强度指示（received signal strength indicator，RSSI）和信噪比（signal to noise ratio，SNR）变化的关系模型，分析不可靠链路的分布特征，并通过优化扩频因子（spread factor，SF）、带宽（BandWidth，BW）的配置以改善不可靠链路性能.

• 基于改进局部线性模型树的航空发动机过渡态非线性辨识

  王伟, 李建锋, 刘帅

  为了解决在采用局部线性模型树（LOcal Linear MOdel Tree，LOLIMOT）辨识发动机非线性系统时，出现的辨识网络复杂和模型精度问题，提出一种将非线性自回归滑动平均模型（NARMAX）和LOLIMOT网络融合的改进神经网络结构.基于非线性自回归滑动平均模型NARMAX的思想，将原始局部子模型的线性函数替换为非线性多项式函数，并基于AIC（Akaike information criterion）显著性准则的前向选择法对非线性项按照重要性程度进行选择，将简化后的非线性函数用于构建原始LOLIMOT模型局部子模型，形成一种改进LOLIMOT网络模型.通过某航空发动机过渡态下的辨识实验表明，改进算法能够将原LOLIMOT模型复杂度降低46%左右，相对预测精度提高50%以上，验证了在对发动机模型复杂度和精度要求较高的领域，改进模型是一种更加有效的网络结构.

• 基于立体视觉和扩展卡尔曼滤波器的运动估计

  胡福志, 黄影平, 魏宏建, 胡兴

  针对智能汽车避障问题，提出了一种相机自身运动情况下，基于双目立体视觉和扩展卡尔曼滤波器（EKF）的运动估计方法.检测阶段，借助立体视觉的三维重建能力依据目标位置分割目标获得感兴趣区域（ROI）.跟踪阶段，通过光流法跟踪ROI内的边缘点，建立EKF预测与测量模型将自车运动、光流及视差融合在一起，更新获得优化的目标位置和速度信息.该方法针对自车运动平台，建立自车和目标相对运动模型，采用边缘点跟踪约束和随机采样一致性算法（RANSAC）剔除不可靠的跟踪点.以KITTI公共数据集提供的交通场景为测试对象，验证了方法的有效性.

• 基于超螺旋滑模的欠驱动船舶航迹跟踪控制

  刘彦呈, 许晨, 赵友涛, 刘厶源, 梁晓玲

  以欠驱动船舶为研究对象，针对滑模控制在欠驱动船舶航迹跟踪控制应用中存在的抖振问题，提出一种基于超螺旋滑模控制的航迹跟踪控制方法.在该方法中为实现对给定航迹的跟踪控制，首先利用反步法根据位置偏差设计虚拟控制律，然后再将虚拟控制律作为新的跟踪目标，采用超螺旋控制方法设计出实际控制律，以实现对欠驱动船舶的跟踪控制.最后对本文所提控制策略进行了仿真验证，仿真结果表明该控制方法可有效抑制抖振现象，并提高系统控制精度.

• 基于李群的视觉/惯性自适应组合导航算法

  廖涛涛, 敬忠良, 李旻哲, 潘汉

  为了改善数据突变情况下视觉/惯性组合导航中系统的估计精度及稳定性，本文提出了一种基于李群的自适应无迹卡尔曼滤波组合导航算法：基于李群/李代数对位姿和运动状态进行建模，并采用无迹卡尔曼滤波对位姿状态进行估计；在滤波过程中，引入了渐消因子，自适应地修正位姿和状态估计的协方差，提高了数据突变条件下组合导航算法的鲁棒性.同时为了保证滤波过程中的数值稳定性，本文给出了所提出算法基于平方根无迹卡尔曼滤波的实现方式.对比仿真结果证明了本文所提出算法的有效性和优越性.

• 符号图下多智能体系统事件驱动二分一致性

  杨思凡, 谢广明, 罗文广, 徐鹏, 文家燕

  为减少对网络带宽、通信成本及智能体自身能量等有限资源的不必要消耗，研究了无向符号图拓扑结构下事件驱动的一阶多智能体系统二分一致性问题.根据符号图的特性，设计了协作和竞争交互关系并存的二分一致性控制协议，使得多智能体系统收敛到两个模值相同但符号不同的状态；利用代数图论和矩阵论，分析并得到了多智能体系统实现二分一致性的充分条件，同时得到智能体最终一致性值.在二分一致性研究中，典型的控制方法是假定周期采样控制，这将会造成能耗增加、带宽占用高等问题.引入事件驱动控制，即构建事件驱动函数，当某个智能体状态测量偏差满足驱动函数时，该智能体触发事件，且所有智能体更新控制输入.智能体之间无需连续通信，实现降低能耗、提高资源利用率的目的.最后，仿真验证了所提理论算法的有效性.

• 仿生机器人拍翼非定常水动力特性

  马影, 陈丽, 张宇

  本文参照蝠鲼推进过程，以二维Clark Y翼型近似代表蝠鲼鳍的剖面形状，对拍翼的非定常水动力特性进行了模拟.采取动态混合网格对计算域进行离散，使用高效的Delaunay映射方法进行流场更新，避免了传统动网格方法易产生负体积的缺点.由计算流体力学（CFD）方法得到了不同上区比例（p）和最大俯仰角度下的升阻力结果，提炼了不同p值对平均升阻力的影响规律，并针对合适的p值，比较了不同最大俯仰角度对升阻力的影响.结果表明：平均推力关于p值对称，且标准的正弦拍动过程（p=0.5）能使蝠鲼运动产生最大的平均推力，瞬时最大推力在等效迎角为8.6°时取得；在p=0.5时，最大拍动角不易过大，取为5°可使平均推力与升力达到最优状态，对应拍动效率为65.1%.

• 一种三维群无人机并行式多目标搜索协调控制策略

  何昕杰, 周少武, 张红强, 周游

  针对未知环境下三维群无人机多目标搜索问题，本文提出了一种三维群无人机并行式多目标搜索协调控制策略.首先，在基于目标响应阈值多目标分配模型（TRT）上，引入了闭环调节和合作协同的策略，提出了一种改进响应阈值多目标任务分配模型（ITRT），有效解决了群无人机子群分布不均匀问题，提高了群无人机并行式搜索的效率.其次，将二维扩展式微粒群（EPSO）的群机器人协调控制算法引入到三维群无人机上，并将一种改进自适应惯性权重的方法与三维扩展式粒子群相结合，提出了一种改进自适应惯性权重的三维扩展式微粒群算法（IAEPSO），有效解决了微粒易陷入局部最优点和搜索效率过低的问题.最后，将两种改进的方法（ITRT+IAEPSO）相结合实现群无人机并行式搜索.相比于传统并行式多目标搜索的扩展式粒子群算法（TRT+EPSO），本方法的系统能耗和搜索耗时大大减少，数值仿真验证了该方法的有效性.

• 连续汽油调和调度问题的建模与优化

  伍青青, 程辉

  汽油占炼油厂收益的60%~70%，因此对汽油调和调度问题进行优化引起了工业与学术界的广泛关注.汽油调和调度问题是一个带有复杂约束的混合整数非线性规划问题（mixed integer nonlinear programming，MINLP）.本文提出了一种新的建模和优化方法用于处理连续汽油调和过程的调度问题.首先，建立一个产量核算非线性规划（nonlinear programming，NLP）模型，目的是验证初始生产计划能否完成.然后，本文建立了配方优化NLP模型，并考虑组分油的属性波动，用于各产品油的调和配方的优化.最后，建立一个生产调度MINLP模型用于调度计划的优化.此外，本文还提出了一种批次滚动优化求解策略来求解所建立的三层模型.在案例分析中，求解结果显示本文提出的建模和优化方法适合于连续汽油调和过程，并能为炼油厂提供合理的生产计划.

• 基于邻域保持嵌入—支持向量数据描述的过程监控算法及其应用

  谢彦红, 贾冬妮, 张成, 戴絮年, 李元

  针对非线性、多模态间歇过程的故障检测问题，提出一种基于邻域保持嵌入的支持向量数据描述（support vector data description based on neighborhood preserving embedding，NPE-SVDD）故障检测策略.首先，利用NPE算法将原始数据降维到特征空间.接下来，在特征空间建立SVDD模型，计算超球体的球心O和半径R.对于测试样本，计算其到球心的距离D，对比D与R的大小确定样本状态.检测样本状态后，应用距离贡献图法进行故障变量定位分析.NPE算法可以保留原始数据的局部信息；并通过结合SVDD分类规则代替原始NPE算法的T2和SPE统计量，消除了数据服从高斯分布的限制，提高了故障检测率.利用数值模拟过程和半导体蚀刻过程仿真，将实验结果与主元分析（principal component analysis，PCA）、NPE、SVDD等方法进行对比分析，验证了NPE-SVDD方法的有效性.

• 基于在线估计的桥式吊车反演控制设计

  黄静雯, 杨俊, 吕展坤, 孙建桥

  针对桥式吊车模型不确定性问题，研究了一类基于在线估计的反演控制设计方法.相比其它常规桥式吊车控制方案，它不需要具体的系统数学模型，不需要对系统进行解耦或线性化处理，仅利用系统实时测量数据，在线估计模型信息，结合反演控制设计方法将系统分为全驱动和欠驱动两个子系统，分别进行估计和控制设计.该方法一方面能够解决吊车负载质量变化、系统摩擦力和状态耦合等模型不确定性问题；另一方面，通过李亚普诺夫函数保证了系统的控制稳定性.仿真和物理实验验证了本方法的可行性和有效性.