CN113316177B - 一种智能群体的决策通信系统及决策通信方法 - Google Patents

一种智能群体的决策通信系统及决策通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能群体的决策通信系统及决策通信方法，该系统包括网络层、共识层和决策层，网络层是整个系统中的最低层次，由通信硬件和通信算法组成，用于转发数据包，为共识层提供高效通信；共识层是共识算法和时间同步机制组成的核心层次，其向上接收来自决策层的决策，参与区块链共识，向下传递给网络层时间数据和共识数据，保证时间一致性，提供区块链功能；决策层是整个系统中的最高层次，负责群体内部的统一决策，通过智能算法选取最优决策，最后反馈给整体，使整个群体朝着最优方向演化。本发明所公开的系统及方法为大量智能群体的节点通信提供一个高效、可信的网络通信环境，解决已有网络在面对大量通信时，易造成的信道堵塞问题。

Description

一种智能群体的决策通信系统及决策通信方法
技术领域
本发明涉及一种智能群体，特别涉及一种智能群体的决策通信系统及决策通信方法。
背景技术
智能群体是由简单个体组成，通过交互过程突现出智能。群体的控制是分布式的，不存在中心控制，因而它更能够适应当前网络环境下的工作状态，并且具有较强的鲁棒性，即不会由于某一个或几个个体出现故障而影响群体对整个问题的求解。常见的智能群体包括：多机器人集群、无人机集群等。
区块链是一种利用密码学方法、计算机网络和分布式存储等技术综合实现的复合型技术。它能提供或创造一个可信计算或交易环境，其中的数据和针对数据的操作不可被恶意操纵或篡改。区块链系统可保证数据的可追溯性，不可伪造性和不可篡改性，籍此可以实现区块链防伪、存证、追溯、数字资产等新型应用。区块链系统的三个核心组成部分是分布式网络架构、共识算法和分布式账本结构。分布式网络架构是由节点组成的去中心化拓扑结构，为区块链系统运行提供架构基础；区块链的更新由共识算法驱动，保证了账本全局一致性；分布式账本结构设计利用了密码学技术，可以安全存储区块链中的数据。
区块链可以为智能群体构建一个可信的计算环境，保证智能群体的决策安全可信。但是由于群体内部设备计算和存储资源的差异(异构性)会使得个体之间的时钟会产生异步，大量的个体的通信会导致底层网络干扰严重，网络带宽受限。而区块链共识的安全性极易受异步网络的影响，导致整个智能群体的决策变得不可预测、无法信任。而现有发明仅是尝试将区块链引入无人机等机群中但并未解决上述问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种智能群体的决策通信系统及决策通信方法，以达到保证智能群体决策通信的高校、精准、可信和智能的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种智能群体的决策通信系统，包括网络层、共识层和决策层，所述网络层是整个系统中的最低层次，由通信硬件和通信算法组成，用于转发数据包，为共识层提供高效通信；所述共识层是共识算法和时间同步机制组成的一个核心层次，其向上接收来自决策层的决策，参与区块链共识，向下传递给网络层时间数据和共识数据，保证时间一致性，提供区块链功能；所述决策层是整个系统中的最高层次，它负责群体内部的统一决策，通过智能算法选取最优决策，最后反馈给整个整体，使整个群体朝着最优方向演化。
上述方案中，所述通信硬件包含传感器、移动设备、通信卫星。
上述方案中，所述通信算法包括洪泛算法、多跳算法。
上述方案中，所述共识算法包括拜占庭容错算法、权益证明算法。
上述方案中，所述时间同步机制根据场景分为去中心化的时间同步和中心化时间同步。
一种智能群体的决策通信方法，包括如下步骤：
步骤一，智能群体中的各节点完成时间同步初始化和节点区块链模块初始化；
步骤二，智能群体选出一个领导人，作为一段时间内的领导人；
步骤三，智能群体各节点之间相互收集信息，交换信息，领导人在收集到所需的信息之后，做出一个指导智能群体未来发展的决策；
步骤四，领导人将决策下发给共识层，共识层运行其内部的共识算法和时间同步机制，将消息通过网络层传递给各个节点，各个节点对本次共识决策达成一致性结论；
步骤五，智能群体中各个节点按照本次共识的结果，朝着最优方向演化；
步骤六，间隔一段时间后，重新选择领导人，重复步骤三至步骤五。
上述方案中，步骤四中的时间同步机制的运行流程如下：
(1)初始化：整个智能群体在开始运行之初，将所有节点的时间初始化为一个相同的全局时间，并设定广播间隔时间T，节点权重W；
(2)每次间隔时间T，每个节点广播本地时间消息，并接收来自其他节点的时间消息；
(3)每个节点从收集到的其他节点的时间消息中选择时间增长速率最稳定的前2/3个节点；
(4)每个节点依照上一轮的全局时间和节点权重，再根据步骤(3)选取的节点，依照权重计算出本次同步的全局时间；
(5)节点依照步骤(4)计算出的全局时间和上一轮时间同步的节点权重，根据本轮收集到的来自其他节点的时间消息，计算本次同步之后的各个节点权重；
(6)重复步骤(2)至步骤(5)。
通过上述技术方案，本发明提供的智能群体的决策通信系统及决策通信方法具有如下有益效果：
1、本发明为智能群体提供了一个可信的计算环境，保证智能群体决策的安全可信，支持智能群体决策通信系统的高效构建，模块化决策层、共识层和网络层。
2、本发明为大量智能群体的节点通信提供一个高效、可信的网络通信环境，解决已有网络在面对大量通信时，易造成的信道堵塞问题。
3、本发明的网络层提供高效可靠的通信链路(高效)，共识层提供时间同步机制(精准)与区块链保护的可信决策机制(可信)，决策层提供人工智能算法(智能)，同时保证了智能群体的“高效、精准、可信、智能”四类重要特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种智能群体的决策通信系统示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种智能群体的决策通信系统，包括网络层、共识层和决策层。
一、网络层
网络层是由通信硬件和通信算法组成的基本网络，用于转发数据包。其中，通信硬件包含传感器、移动设备、通信卫星等可通信设备，支持现有的通信技术，例如以太网，无线网等，支持新一代移动通信技术(5/6G)。通信算法包括现有的洪泛算法、多跳算法等。在数据转发过程中，共识层负责数据的生成和传递，网络层负责生成对应的数据包，并将数据包转发到对应的目的地。在网络层，通过通信硬件和通信软件的结合，硬件和软件相互优化，提供了高效可靠的通信链路，解决了现有通信过于兼容，不能保证高效通信的问题，保证了在智能群体中存在大量节点通信时，节点之间仍可以稳定和高效的通信，为共识层提供高效的通信，降低了通信延迟所带来的影响。
二、共识层
共识层是共识算法和时间同步机制组成的一个核心层次，向上接收来自决策层的决策和传递共识结果，向下传递给网络层时间数据和共识数据，起着承上启下的关键作用。共识算法是，例如实用拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT)，权益证明(proof-of-state，PoS)等共识算法，时间同步机制根据场景可以分为去中心化的时间同步和中心化时间同步。在共识层，个体之间通过时间同步机制和其他个体的时间达成一致，并对来自决策层的决策共识，得出一致性的结论。这其中可能存在一些拜占庭节点(恶意节点)，他们会恶意传播不正确的时间，当共识层检测到拜占庭节点的时，就会在时间同步时剔除拜占庭节点传播的时间，保证时间的精确性。在系统中群体的时间精确，则会使整个种群的行为变得更加精确。共识算法则保证了来自决策层的决策被接收以后，可以在智能群体之间达成一个一致性的结果，用于群体的演化，由区块链保证的决策更具有可信，且不被篡改，在种群演化的过程中可追溯，这进而保证了整个系统的可信。
三、决策层
决策层负责简单个体适应了当前网络环境之后，收集来自周围环境的数据。简单个体的智能度很低，在环境中收集数据并向其他个体传递数据，它们之间通过人工智能算法不断学习进化，整体朝着一个最优方向演化。在智能群体的演化过程中，需要领导人去产生决策，这个领导人并不是唯一的，其可以随着时间的改变而不断改变。例如：我们可以采用随机方法选取领导人，每隔一定的时间随机更换领导人；也可以采用权重的方法更换领导人，初始时刻所有人的权重相同，随机选取一位领导人，若是领导人所提出的决策被采纳，则增加对应领导人的权重，并在下一次领导人选取过程中，增加其概率；当领导人产生后，由领导人产生决策，向下传播给共识层，通过共识层的共识算法：PBFT、PoS等共识算法，使决策在整个系统中达成一致，整个智能群体可以朝着同一个方向演化。例如：在支持智能群体的无人机群中，领导人需要提出决策确定机群飞行方向和距离，则可以通过随机选取一架无人机做为领导人，在领导人确定好飞行方向和距离之后，将决策传播给共识层，共识层运行PBFT共识算法，在整个机群中达成一致，并反馈给决策层，最后全部机群按照同一个方向和距离飞行。群体中智能度较低的个体，选出领导人，并在整个群体中收集信息，通过智能算法，产生决策，最后反馈给整个群体，这样整个群体便可以通过智能算法使群体相互协作，产生智能行为，群体朝着智能的方向而演化。
一种智能群体的决策通信方法，包括如下步骤：
步骤一，智能群体中的各节点完成时间同步初始化和节点区块链模块初始化；
步骤二，智能群体选出一个领导人，作为一段时间内的领导人；
步骤三，智能群体各节点之间相互收集信息，交换信息，领导人在收集到所需的信息之后，做出一个指导智能群体未来发展的决策；
步骤四，领导人将决策下发给共识层，共识层运行其内部的共识算法和时间同步机制，将消息通过网络层传递给各个节点，各个节点对本次共识决策达成一致性结论；
步骤五，智能群体中各个节点按照本次共识的结果，朝着最优方向演化；
步骤六，间隔一段时间后，重新选择领导人，重复步骤三至步骤五。
步骤四中的时间同步机制的运行流程如下：
(1)初始化：整个智能群体在开始运行之初，将所有节点的时间初始化为一个相同的全局时间，并设定广播间隔时间T，节点权重W；
(2)每次间隔时间T，每个节点广播本地时间消息，并接收来自其他节点的时间消息；
(3)每个节点从收集到的其他节点的时间消息中选择时间增长速率最稳定的前2/3个节点；
(4)每个节点依照上一轮的全局时间和节点权重，再根据步骤(3)选取的节点，依照权重计算出本次同步的全局时间；
(5)节点依照步骤(4)计算出的全局时间和上一轮时间同步的节点权重，根据本轮收集到的来自其他节点的时间消息，计算本次同步之后的各个节点权重；
(6)重复步骤(2)至步骤(5)。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种智能群体的决策通信方法，采用一种智能群体的决策通信系统，其特征在于，该决策通信系统包括网络层、共识层和决策层，所述网络层是整个系统中的最低层次，由通信硬件和通信算法组成，用于转发数据包，为共识层提供高效通信；所述共识层是共识算法和时间同步机制组成的一个核心层次，其向上接收来自决策层的决策，参与区块链共识，向下传递给网络层时间数据和共识数据，保证时间一致性，提供区块链功能；所述决策层是整个系统中的最高层次，它负责群体内部的统一决策，通过智能算法选取最优决策，最后反馈给整个整体，使整个群体朝着最优方向演化；
决策通信方法包括如下步骤：
步骤一，智能群体中的各节点完成时间同步初始化和节点区块链模块初始化；
步骤二，智能群体选出一个领导人，作为一段时间内的领导人；
步骤三，智能群体各节点之间相互收集信息，交换信息，领导人在收集到所需的信息之后，做出一个指导智能群体未来发展的决策；
步骤四，领导人将决策下发给共识层，共识层运行其内部的共识算法和时间同步机制，将消息通过网络层传递给各个节点，各个节点对本次共识决策达成一致性结论；
步骤五，智能群体中各个节点按照本次共识的结果，朝着最优方向演化；
步骤六，间隔一段时间后，重新选择领导人，重复步骤三至步骤五。
2.根据权利要求1所述的一种智能群体的决策通信方法，其特征在于，所述通信硬件包含传感器、移动设备、通信卫星。
3.根据权利要求1所述的一种智能群体的决策通信方法，其特征在于，所述通信算法包括洪泛算法、多跳算法。
4.根据权利要求1所述的一种智能群体的决策通信方法，其特征在于，所述共识算法包括拜占庭容错算法、权益证明算法。
5.根据权利要求1所述的一种智能群体的决策通信方法，其特征在于，所述时间同步机制根据场景分为去中心化的时间同步和中心化时间同步。
6.根据权利要求1所述的一种智能群体的决策通信方法，其特征在于，步骤四中的时间同步机制的运行流程如下：
（1）初始化：整个智能群体在开始运行之初，将所有节点的时间初始化为一个相同的全局时间，并设定广播间隔时间T，节点权重W；
（2）每次间隔时间T，每个节点广播本地时间消息，并接收来自其他节点的时间消息；
（3）每个节点从收集到的其他节点的时间消息中选择时间增长速率最稳定的前2/3个节点；
（4）每个节点依照上一轮的全局时间和节点权重，再根据步骤（3）选取的节点，依照权重计算出本次同步的全局时间；
（5）节点依照步骤（4）计算出的全局时间和上一轮时间同步的节点权重，根据本轮收集到的来自其他节点的时间消息，计算本次同步之后的各个节点权重；
（6）重复步骤（2）至步骤（5）。
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