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作者及机构
本文由王子晗与童向荣合作完成,两位作者均来自烟台大学计算机与控制工程学院(山东烟台,264005)。论文发表于《Computer Science》期刊2023年第50卷第6期,DOI编号为10.11896/jsjkx.220800151。
主题与背景
论文题为《基于冲突搜索的多智能体路径规划研究进展》(Research Progress of Multi-Agent Path Finding Based on Conflict-Based Search Algorithms),聚焦人工智能领域中的多智能体路径规划(Multi-Agent Path Finding, MAPF)问题。MAPF的核心目标是为多个智能体(agent)规划无冲突路径,广泛应用于物流仓储、无人机编队、自动驾驶等场景。基于冲突的搜索算法(Conflict-Based Search, CBS)因其结合解耦与耦合算法的优势,成为当前MAPF领域的最优算法之一。本文系统梳理了CBS算法及其变体的研究进展,并探讨了未来挑战与方向。
CBS是一种两级搜索算法:
- 高级搜索:构建约束树(Constraint Tree, CT),通过添加顶点约束(vertex constraint)和边约束(edge constraint)解决冲突。
- 低级搜索:在约束条件下为单个智能体规划路径,支持任意单智能体搜索算法(如A*算法)。
优势:
- 完备性与最优性:通过约束分解保证解的存在性和质量。
- 灵活性:低级搜索可兼容不同算法,便于算法融合。
- 效率:相比传统A*耦合算法,搜索空间显著减小。
支持证据:
- 对比实验显示,CBS在密集场景中优于全局A*和整数线性规划(ILP)方法(文献[22, 27])。
作者将CBS变体分为四类:
(1)分割策略改进
- ICBS算法(Improved CBS):通过多值决策图(Multi-Value Decision Diagram, MDD)识别冲突类型(基数冲突、半基数冲突、非基数冲突),优先解决高优先级冲突(文献[35])。
- CBS-DS算法(Disjoint Splitting):引入正负约束,生成不相交子问题,避免重复搜索(文献[36])。
(2)启发式算法
- 冲突图启发式(CG):将冲突解决转化为最小顶点覆盖(MVC)问题(文献[40])。
- 依赖图启发式(DG/WDG):考虑智能体路径的相互依赖性,加权依赖图(WDG)在密集场景中表现更优(表1数据支持)。
(3)典型对称冲突处理
针对矩形冲突、目标冲突、走廊冲突,提出:
- 矩形冲突:通过障碍约束强制智能体绕行(公式9)。
- 走廊冲突:添加范围约束(range constraint),限制时间窗口内的移动(公式10-11)。
(4)有界次优算法
- ECBS算法:放宽最优解条件,通过次优因子ω平衡效率与解质量(文献[50])。
- ASB-ECBS算法:动态分配智能体特定权重,适应不同环境(公式12)。
论文列举了CBS在以下扩展问题中的适应性改进:
- 动态环境(I-MAPF):CBS-Replanner和CBS-D* Lite算法应对实时路径调整(图6)。
- 连续时间MAPF:CCBS算法引入时间间隔约束,结合SIPP算法(文献[60])。
- 鲁棒性规划(KR-MAPF):通过延迟约束确保k步容错(文献[68])。
- 运动学约束:CI-CBS算法考虑类车机器人的阿克曼转向模型(文献[71])。
挑战:
- 复杂冲突(如多智能体交互)的全局推理能力不足。
- 启发式算法计算开销大(如MVC求解的NP难问题)。
- 分布式MAPF研究尚不成熟。
未来方向:
- 冲突类型扩展:研究“追逐冲突”等新型对称冲突。
- 机器学习融合:用强化学习优化冲突排序策略(文献[78])。
- 分布式算法:开发去中心化框架,提升实时性与公平性。
亮点:
- 提出“近顶点权重启发式”(NVWCG/NVWDG),在长时限任务中显著提升效率(表3)。
- 对比分析密集场景与稀疏场景的算法适应性(表1),为场景化优化提供依据。
(注:全文约2000字,涵盖原文核心内容,专业术语如“冲突图”“范围约束”等首次出现时标注英文,后续直接使用中文术语。)