李 云,宋運(yùn)忠
(河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,河南 焦作 454000)
復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)廣泛存在于自然界和社會(huì)中,物流網(wǎng)絡(luò)、交通運(yùn)輸網(wǎng)、電力傳輸網(wǎng)、基因網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)以及通信網(wǎng)絡(luò)等都屬于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[1-6]。現(xiàn)實(shí)中,許多復(fù)雜系統(tǒng)可以看作是由多個(gè)相互作用的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是復(fù)雜系統(tǒng)的一種抽象,以抽象的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)來(lái)研究復(fù)雜系統(tǒng),不僅可以深入了解復(fù)雜系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),還可以深入研究復(fù)雜系統(tǒng)的集體動(dòng)力學(xué)行為,這對(duì)認(rèn)識(shí)以及研究社會(huì)和自然界中的各種復(fù)雜系統(tǒng)具有非常重要的意義。同步現(xiàn)象作為復(fù)雜系統(tǒng)集體動(dòng)力學(xué)行為中一種特殊的表現(xiàn)形式,廣泛存在于各類復(fù)雜系統(tǒng)中[7-8],而且系統(tǒng)不同,同步的意義也會(huì)有所不同,有的同步對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生積極的影響,而有的同步則對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生消極的影響。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)同步特性有很大的影響[9-16],所以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的同步特性與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系的研究也引起了廣大學(xué)者的關(guān)注。
研究發(fā)現(xiàn)許多實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)度分布函數(shù)具有冪律形式,這類網(wǎng)絡(luò)被稱為無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)锽A無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的泛在性,它的同步現(xiàn)象引起學(xué)者們極大的興趣[17-23]。文獻(xiàn)[24]基于同步判據(jù)研究了BBV加權(quán)網(wǎng)絡(luò)的度分布異質(zhì)性、連接密度和網(wǎng)絡(luò)同步能力之間的關(guān)系,給出了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)新的測(cè)度——連接密度。文獻(xiàn)[25]運(yùn)用非線性系統(tǒng)理論、穩(wěn)定性理論等研究了無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的同步過(guò)程,在網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上引入非線性動(dòng)態(tài)方程,從而判斷節(jié)點(diǎn)是否能同步,研究結(jié)果表明,度的不均勻分布性不僅導(dǎo)致無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的同步性能下降,而且使得它的同步過(guò)程具有分層過(guò)渡的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[26]研究了連續(xù)時(shí)間動(dòng)態(tài)無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的同步問題,提出了最優(yōu)同步的拓?fù)淠P汀?/p>
復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的同步研究和多智能體系統(tǒng)一致性研究幾乎同步開展,兩者相互促進(jìn)。文獻(xiàn)[27]引入了一個(gè)新的概念,以統(tǒng)一的方式解決了多智能體系統(tǒng)的一致性和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的同步問題。文獻(xiàn)[28]研究了集群網(wǎng)絡(luò)的一致性問題,運(yùn)用圖論,線性矩陣不等式,李雅普諾夫函數(shù)討論了系統(tǒng)的線性一致協(xié)議,給出了系統(tǒng)達(dá)到一致的充要條件,并分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,收斂速度,衰減率。文獻(xiàn)[29]研究了一類多智能體系統(tǒng)在牽制控制下的群一致性問題,提出了融合群內(nèi)信息交互、群間信息交互和牽制控制器的一致性協(xié)議。對(duì)固定拓?fù)湎碌亩航M智能體系統(tǒng)和切換拓?fù)湎碌亩嗳航M智能體系統(tǒng),利用穩(wěn)定性理論和圖論分別給出了適用于任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的充要條件,使得智能體系統(tǒng)在所提協(xié)議和牽制控制器的聯(lián)合作用下實(shí)現(xiàn)預(yù)期的群一致。受以上文獻(xiàn)的啟發(fā),本文擬將文獻(xiàn)[28]中多智能體的復(fù)位算法用于BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的同步研究。在本文中把BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分成多個(gè)集群,每個(gè)集群中都有一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn),被稱作領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn),其它節(jié)點(diǎn)均為跟隨節(jié)點(diǎn)。定義第一個(gè)集群內(nèi)有且僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn),且只與其它集群的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行群間信息交互,故稱其為虛擬領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn),命名為0號(hào)虛擬領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn);除第一個(gè)集群外,其它集群內(nèi)均包含多個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)集群的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)不僅與其它集群的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行群間信息交互還與該集群的跟隨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行群內(nèi)信息交互,故稱之為實(shí)體領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。也就是說(shuō),我們?cè)O(shè)計(jì)了混合模式的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)來(lái)共同解決BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的同步問題。假設(shè)該BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是固定不變的(至少BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)會(huì)在一個(gè)確定的時(shí)間段內(nèi)保持一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),進(jìn)而對(duì)應(yīng)確定的功能,故該種假設(shè)是有意義的),用實(shí)數(shù)值表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài),每個(gè)集群內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)之間以相同的權(quán)重相互作用,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)值連續(xù)不斷地變化,設(shè)計(jì)準(zhǔn)周期的離散控制器對(duì)所有的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)位,并假設(shè)復(fù)位行為發(fā)生在特殊的時(shí)刻,多個(gè)時(shí)刻則構(gòu)成了準(zhǔn)周期復(fù)位序列。在復(fù)位時(shí)刻,由領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)完成群間信息交互,并更新各領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)值;在非復(fù)位時(shí)刻,同一個(gè)集群內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行群內(nèi)信息交互,并逐漸達(dá)到集群內(nèi)部的同步,不斷重復(fù)這個(gè)過(guò)程,最終BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)達(dá)到同步,且網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)同步后的狀態(tài)值只與各個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)值和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)。本文中的準(zhǔn)周期離散控制器與文獻(xiàn)[29]中的牽制控制器是不同的,本文中對(duì)領(lǐng)導(dǎo)者的復(fù)位作用只發(fā)生在復(fù)位時(shí)刻瞬間,該作用是準(zhǔn)周期離散的,而文獻(xiàn)[29]中對(duì)部分節(jié)點(diǎn)施加的控制作用持續(xù)在整個(gè)一致性過(guò)程中。相較于文獻(xiàn)[29],本文中控制器的優(yōu)點(diǎn)在于:可以更加節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源以及能量;同時(shí),由于減少了一部分節(jié)點(diǎn)之間的通訊量,所以在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性。
BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)廣泛存在于社會(huì)和自然界中,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的嚴(yán)重不均勻分布性影響著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的集體動(dòng)力學(xué)行為。有很多實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)背景與BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)相對(duì)應(yīng),因此對(duì)它的研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。
用有向圖G=(V,E)描述BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),頂點(diǎn)集V表示一組節(jié)點(diǎn),邊集E?V×V表示它們之間的相互作用關(guān)系。如果圖G中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間至少存在一條路徑,那么就稱該圖是強(qiáng)連通圖。
本文主要研究基于混合模式的BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的同步問題。把BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分成m+1個(gè)強(qiáng)連通集群β0,β1,…βm,并假設(shè)集群β0中有且僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn),且定義為0號(hào)領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)l0。每個(gè)集群都有一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn),被稱作領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn),在下文中用li∈βi,?i∈{0,1,…,m}表示,剩余的節(jié)點(diǎn)稱作跟隨節(jié)點(diǎn),用fj表示。領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的集合為L(zhǎng)={l0,l1,…,lm},其中l(wèi)0只與其它的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)之間有信息交互,故稱其為虛擬領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn);tk,k≥1不僅與集群的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)之間有信息交互,還與該集群的跟隨節(jié)點(diǎn)有信息交互,故稱之為實(shí)體領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn);即運(yùn)用了混合模式的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)研究了無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的同步問題。在規(guī)定的時(shí)刻瞬間tk,k≥1(稱之為復(fù)位時(shí)刻),多個(gè)領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)按照預(yù)先設(shè)定的相互關(guān)系圖El?L×L相互作用。為了表達(dá)簡(jiǎn)潔清晰,我們認(rèn)為領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)是集群的第一個(gè)元素,具體表示方法如下:
β0={l0}
βi={li,fmi-1+2,…,fmi},?i∈{1,…,m}
(1)
其中,m0=0,mm=n。上述的表示方法可以簡(jiǎn)潔明了地看出該網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)為n+1。
例1 舉例說(shuō)明式(1),一個(gè)簡(jiǎn)單BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)有4個(gè)節(jié)點(diǎn),其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示,從圖中可以看出β0中有且只有一個(gè)節(jié)點(diǎn),β1中有3個(gè)節(jié)點(diǎn),表示為:β0={l0},β1={l1,f2,f3}。其中l(wèi)0、l1為領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn),f2、f3為跟隨節(jié)點(diǎn),具體分類如表1所示。由圖1可看出群內(nèi)信息交互和群間信息交互的方式是不同的,在非復(fù)位時(shí)刻,集群β1,…βm內(nèi)的節(jié)點(diǎn)在拉普拉斯矩陣L的作用下進(jìn)行群內(nèi)信息交互,并逐漸達(dá)到集群內(nèi)部的同步,在復(fù)位時(shí)刻,隨機(jī)矩陣Pl對(duì)所有的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)復(fù)位,以此來(lái)完成群間信息交互。
圖1 示例網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
虛擬領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)實(shí)體領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)跟隨節(jié)點(diǎn)l0l1f2 f3
用線性復(fù)位系統(tǒng)描述全部的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài):
(2)
(3)
(4)
其中,L(i,j)用來(lái)表示集群內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)之間相互作用時(shí),節(jié)點(diǎn)i狀態(tài)修正過(guò)程中對(duì)節(jié)點(diǎn)j的狀態(tài)作用的權(quán)重。Pl (i,j)用來(lái)表示所有的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)之間相互作用時(shí),節(jié)點(diǎn)i狀態(tài)修正過(guò)程中對(duì)節(jié)點(diǎn)j的狀態(tài)作用的權(quán)重。
而且拉普拉斯矩陣L具有以下對(duì)角矩陣的結(jié)構(gòu):
(5)
其中,Li1(n+1)i=0(n+1)i且Pl1m+1=1m+1。由于βi,i=0,1,…,m和Gl是強(qiáng)連通的,0和1分別是每一個(gè)Li和Pl的簡(jiǎn)單特征值。
假設(shè)該類BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定不變,且集群內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)之間相互作用的權(quán)值固定為1,用一個(gè)實(shí)數(shù)值表示網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài),設(shè)計(jì)合理的控制法則,使BA網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)狀態(tài)都達(dá)到同步。
介紹以下兩個(gè)向量:
(6)
(7)
其中,x*(t)是時(shí)變的階躍函數(shù),x*(t)=x*(k) ?t∈(tk,tk+1)。
命題1系統(tǒng)(2)的L和pl分別由(3)(4)定義,故:
uTx*(t)=uTx*(0), ?t∈R+
(8)
說(shuō)明:
x*(t)=Wx(t) ?t∈R+
(9)
既然wi=(wil,wif),在此定義一個(gè)置換矩陣T,且WTT=U=(U1,U2)。矩陣U1是相當(dāng)于領(lǐng)導(dǎo)者wi,l的對(duì)角矩陣,矩陣U2是相當(dāng)于跟隨節(jié)點(diǎn)wi,f的塊對(duì)角矩陣,即:
(10)
(11)
故式(9)可以寫成
x*(t)=WTTx(t)=U·(xl(t),xf(t))
(12)
故
(13)
公式(13)左右兩邊同時(shí)乘t∈(tk,tk+1),由uTU1=vT和vTPl=vT得到:
(14)
由注釋1可知對(duì)?t∈(tk,tk+1),x*(t)都保持穩(wěn)定,有:
uTx*(t)=uTx*(0) ?t∈R+
(15)
推論1系統(tǒng)(2)的L和Pl分別由(3)、(4)定義,假設(shè)BA網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)都達(dá)到同步,且所有節(jié)點(diǎn)同步后的最終狀態(tài)是:
(16)
注釋2網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)同步后的最終狀態(tài)僅與系統(tǒng)矩陣的L,Pl相關(guān),與復(fù)位序列Τ無(wú)關(guān)。
假設(shè)一個(gè)BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò),共有11個(gè)節(jié)點(diǎn),分為兩個(gè)集群β0、β1,集群β0內(nèi)有且僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn),集群β1中有十個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的度,可以把集群β1中的節(jié)點(diǎn)分為4類:度為1的節(jié)點(diǎn):①;度為3的節(jié)點(diǎn):⑧、⑨、⑩;度為4的節(jié)點(diǎn):②、③、⑥、⑦;度為8的節(jié)點(diǎn):④、⑤。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示,其中圖a中假設(shè)①號(hào)節(jié)點(diǎn)為集群β1的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)且其度為1;圖b中假設(shè)⑧號(hào)節(jié)點(diǎn)為集群β1的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)且其度為3;圖c中假設(shè)②號(hào)節(jié)點(diǎn)為集群β1的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)且其度為4;圖d中假設(shè)④號(hào)節(jié)點(diǎn)為集群β1的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)且其度為8。圖2中四種情況對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)分類如表2所示。
復(fù)位序列由δ= 0.5,δ'k在Δ=[0,0.2]上任意選取給定。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的初始條件為x(0)=[2,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]。
圖2 11個(gè)節(jié)點(diǎn)的BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
虛擬領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)實(shí)體領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)跟隨節(jié)點(diǎn)012 3 4 5 6 7 8 9 10
b 實(shí)體領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)為⑧號(hào)節(jié)點(diǎn)
c 實(shí)體領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)為②號(hào)節(jié)點(diǎn)
d 實(shí)體領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)為④號(hào)節(jié)點(diǎn)
由于BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定不變,且集群內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間相互作用的權(quán)值相同,所以定義系統(tǒng)(2)中的L、Pl為以下值:
(17)
圖3 BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)同步過(guò)程圖
網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的同步過(guò)程如圖3所示,領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)分為虛擬領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)(Virtual Leader)和實(shí)體領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)(Entity Leader),由圖中可以看出在復(fù)位時(shí)刻,虛擬領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)和實(shí)體領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行群間信息交互,領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)均發(fā)生了狀態(tài)轉(zhuǎn)移即進(jìn)行了復(fù)位,且該行為是間斷的;當(dāng)不在復(fù)位時(shí)刻時(shí),集群內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行群內(nèi)信息交互,且該行為是持續(xù)的。其中圖3a中①號(hào)節(jié)點(diǎn)為集群β1的實(shí)體領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)的度為1;圖3b中⑧號(hào)節(jié)點(diǎn)為集群β1的實(shí)體領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)的度為3;圖3c中②號(hào)節(jié)點(diǎn)為集群β1的實(shí)體領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)的度為4;圖3d中④號(hào)節(jié)點(diǎn)為集群β1的實(shí)體領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)的度為8;對(duì)比以上4張圖可以看出,BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的同步速度與實(shí)體領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的度有關(guān),從仿真結(jié)果來(lái)看,實(shí)體領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的度越高其同步速度越快。
本文根據(jù)代數(shù)圖論和控制理論研究了基于混合模式的BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的同步問題。首先,用集群網(wǎng)絡(luò)表示BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò),把BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)劃分成幾個(gè)相互之間不連通的集群,每個(gè)集群內(nèi)部都有一個(gè)受外界控制的節(jié)點(diǎn),被稱為領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn),領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)從形式上分為虛擬領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)和實(shí)體領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn),提出了混合模式領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的概念。然后,運(yùn)用圖論中的有向圖描述了BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),用實(shí)數(shù)值表示網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài),并給出了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一階動(dòng)力學(xué)模型,設(shè)計(jì)了準(zhǔn)周期的離散控制器,控制BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的同步過(guò)程。最后,用11個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,闡釋了同步理論的正確性,并分析了網(wǎng)絡(luò)的同步速度與實(shí)體領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)度之間的關(guān)系,從仿真結(jié)果來(lái)看,實(shí)體領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的度越高其同步速度越快。
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