宋志強(qiáng),周獻(xiàn)中,王慧平
(1.南京大學(xué)工程管理學(xué)院,南京210008;2.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息技術(shù)學(xué)院,江蘇蘇州215009;3.北方自動控制技術(shù)研究所,太原030006)
網(wǎng)絡(luò)化多平臺協(xié)同控制與決策系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架*
宋志強(qiáng)1,2,周獻(xiàn)中1,王慧平3
(1.南京大學(xué)工程管理學(xué)院,南京210008;2.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息技術(shù)學(xué)院,江蘇蘇州215009;3.北方自動控制技術(shù)研究所,太原030006)
針對單一平臺在探測能力和信息獲取方面的局限性,提出構(gòu)建基于空中、地面、水中平臺的多平臺人機(jī)協(xié)同控制與決策系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),該系統(tǒng)的特點(diǎn)是有人參與決策,可實(shí)現(xiàn)有人平臺和無人平臺的協(xié)同。分析了地面指揮控制與決策中心及各平臺應(yīng)具有的功能,并對人機(jī)交互軟件界面進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。給出了一個典型的應(yīng)用場景,分析了其工作原理及多平臺協(xié)同跟蹤與決策過程,驗(yàn)證了所提系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的靈活性和合理性。
多平臺,協(xié)同控制,決策系統(tǒng),體系結(jié)構(gòu)
無人平臺包括無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)、無人車(Unmanned Ground Vehicle,UGV)、無人潛艇(Unmanned Submarine,US)等。2012年美國空軍學(xué)院已開始進(jìn)行一項(xiàng)“無人系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)”的研究工作,進(jìn)行不同類型多無人平臺協(xié)同目標(biāo)跟蹤的研究,將探索融合無人平臺不同類型傳感器的數(shù)據(jù),以提高地理定位移動目標(biāo)的準(zhǔn)確性,加強(qiáng)作戰(zhàn)優(yōu)勢[1]。無人平臺可代替人類執(zhí)行有風(fēng)險(xiǎn)的任務(wù),如目標(biāo)跟蹤、監(jiān)視、偵察、營救、通信中繼、火力打擊等。在未來戰(zhàn)爭中,自動化的無人平臺將會大量使用,但受限于物理技術(shù)條件,單一平臺在探測能力和信息獲取具有一定的局限,不同平臺之間的協(xié)同可以提升目標(biāo)探測和跟蹤能力。多平臺協(xié)同技術(shù)通過分散部署和協(xié)同工作,可以完成單平臺不能完成的任務(wù),能提高執(zhí)行任務(wù)的精度、可靠性以及容錯能力,比單平臺更具有優(yōu)勢,從而具有更廣泛的軍事應(yīng)用和重要的發(fā)展前景。在民用方面,多平臺系統(tǒng)也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值,如災(zāi)難拯救、智能視頻監(jiān)控、海上搜救、空間探測等。
目前還沒有成熟的多平臺協(xié)同控制與決策系統(tǒng),故研究網(wǎng)絡(luò)化多平臺協(xié)同控制與決策系統(tǒng)是十分必要和迫切的。
本文提出在復(fù)雜情形下,需構(gòu)建以人為中心的控制與決策系統(tǒng)的思想,將人作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的功能部分。有人平臺與無人平臺協(xié)同執(zhí)行任務(wù)時(shí),既可充分利用無人平臺的優(yōu)勢,又可充分利用人在處理復(fù)雜問題方面的智慧,在復(fù)雜環(huán)境下指揮、協(xié)同控制無人平臺完成任務(wù)。多平臺協(xié)同控制與決策系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由地面指揮控制與決策中心、空中平臺群、地面平臺群、水中平臺群、情報(bào)信息系統(tǒng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等組成,空中平臺群由無人機(jī)和空中有人平臺(即有人機(jī))組成,地面平臺群由無人車和地面有人平臺(即有人車)組成,水中平臺群由無人潛艇和水上有人平臺組成,情報(bào)信息系統(tǒng)主要用于搜集有用的情報(bào)信息以供地面指揮控制與決策中心決策,傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成,用于實(shí)時(shí)監(jiān)測目標(biāo),采用文獻(xiàn)[2]的傳感器部署方式部署區(qū)域,使得目標(biāo)在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)活動時(shí)總有傳感器能監(jiān)測到目標(biāo)。系統(tǒng)采用混合式的控制結(jié)構(gòu),地面指揮控制與決策中心具有最高優(yōu)先級,空中有人平臺、地面有人平臺、水上有人平臺優(yōu)先級次之且三者優(yōu)先級相同,三者作為局部控制與決策中心管理和監(jiān)控各自的無人平臺群。同一個群的無人平臺之間是分布式的結(jié)構(gòu),各無人平臺之間可以相互通信,協(xié)同完成跟蹤、監(jiān)測、搜尋等任務(wù)。系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行裁剪,可按實(shí)際情況決定采用空地協(xié)同、地水協(xié)同、空水協(xié)同或者空地水三者協(xié)同等方式。由于同一個群中的無人平臺是分布式的結(jié)構(gòu),故系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性。
空中有人平臺、地面有人平臺、水上有人平臺在接到地面指揮控制與決策中心的指令后,可負(fù)責(zé)任務(wù)的發(fā)起、任務(wù)的執(zhí)行以及和地面指揮控制與決策中心的通信等??罩衅脚_群主要功能是在空中有人平臺的監(jiān)督、指揮和控制下,實(shí)現(xiàn)多UAV系統(tǒng)對指定區(qū)域的偵察、監(jiān)視、目標(biāo)搜索、目標(biāo)跟蹤等任務(wù),將獲取的目標(biāo)信息和區(qū)域信息通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給地面指揮控制與決策中心,同時(shí)空中有人平臺接收地面指揮控制與決策中心的控制指令;另外空中有人平臺還可與地面有人平臺、水上有人平臺通信,協(xié)同完成相關(guān)任務(wù)。地面平臺群和水上平臺群具有和空中平臺群相似的功能。
圖1 多平臺協(xié)同控制與決策系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖
2.1系統(tǒng)功能分析
UAV具有大面積搜索能力和對目標(biāo)的全局視野,但對于目標(biāo)定位的準(zhǔn)確性卻受到其速度、高度、機(jī)載傳感器分辨率、環(huán)境擾動等因素的限制[3]。另一方面,UGV可精確地定位地面目標(biāo),但其缺點(diǎn)為UGV行進(jìn)速度較慢,且UGV的可觀測距離通常小于UAV,并且容易受到周圍障礙的阻礙。UAV和UGV協(xié)同作業(yè)可在感知能力方面互補(bǔ),UAV可通過自身攜帶的攝像機(jī)或其他傳感器獲得被跟蹤目標(biāo)的圖像,UAV可以飛過UGV前方障礙,為跟蹤目標(biāo)的UGV提供全局圖像和定位信息,UAV與UGV協(xié)同作業(yè)可以有效解決地圖構(gòu)建問題[4]。US可深入到深水區(qū),可以完成UAV、UGV無法完成的水下作業(yè)。總體而言,目前國內(nèi)外多平臺協(xié)同的系統(tǒng)還比較少,對于不確定事件的感知及處理能力相對欠缺,其無人系統(tǒng)只能在相對確定的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自主或者半自主控制。目前還不能實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜多變的不確定環(huán)境下多平臺系統(tǒng)的完全自主控制,只是實(shí)現(xiàn)“人在回路”(human-in-the-loop)的監(jiān)督控制[5]。為實(shí)現(xiàn)有人平臺指揮控制無人平臺協(xié)同完成任務(wù),需要在有人平臺控制端和無人平臺間通過通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)以下主要功能:
(1)時(shí)空協(xié)同。
(2)高效、保密的通信鏈路。
(3)有人平臺具有智能人機(jī)接口。
(4)信息的智能顯示。
2.2界面總體設(shè)計(jì)
本文提出有人平臺的人機(jī)界面顯示基于圖形的協(xié)同監(jiān)測顯示,其允許操作員可視化無人平臺之間的協(xié)同,即它們之間的相互狀態(tài)。通過這種方式,操作員可以獲知無人平臺之間的協(xié)同關(guān)系,判斷是否需要對它們之間的協(xié)同進(jìn)行干預(yù)。有人平臺人機(jī)界面的一大挑戰(zhàn)是如何在界面上簡潔地顯示多個無人平臺的相互協(xié)同關(guān)系,以便實(shí)現(xiàn)一對多的控制,提出基于多模態(tài)的人機(jī)交互方式,以便操作員根據(jù)自己的偏好選擇不同的交互方式。有人平臺人機(jī)界面可集成語言、觸屏、操作桿等多種人機(jī)交互方式,以便操作員可以選擇一種自己熟悉的操作方式。為使操作員能夠控制多個平臺,人機(jī)協(xié)同的軟件需解決以下問題:
1)有人系統(tǒng)的人機(jī)交互模塊是實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同的重要模塊,它不僅要實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)硬件設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控,還要完成數(shù)據(jù)接收和處理、實(shí)時(shí)顯示無人平臺及目標(biāo)運(yùn)動軌跡,同時(shí)要在界面上顯示其他平臺的應(yīng)答信息。
2)軟件具有較高的智能,它能根據(jù)實(shí)際情況人機(jī)協(xié)同的自動化等級來決定是否需要人的參與或者是人機(jī)協(xié)同完成任務(wù)的執(zhí)行。
3)多種“指令”輸入設(shè)備的管理:為使操作員和系統(tǒng)的交流方式更加自然化,除使用鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等傳統(tǒng)工具外,還需要配備耳麥(作為語音輸入設(shè)備)、觸摸屏、操縱桿等設(shè)備,因此,需要解決多種輸入設(shè)備的管理問題,使多種設(shè)備能夠協(xié)同工作、更好地幫助操作員完成任務(wù)。
人機(jī)交互界面主要是地面指揮控制與決策中心及有人平臺上的軟件界面,以簡潔、方便、易操作等原則設(shè)計(jì)軟件界面。操作員可以創(chuàng)建任務(wù),建立、拆除與各無人平臺的連接,實(shí)時(shí)顯示操作信息、無人平臺工作狀況等信息。通過2D/3D地圖還可以實(shí)時(shí)顯示各平臺及目標(biāo)的當(dāng)前位置;能夠方便、快捷地接收用戶的輸入操作。有人平臺系統(tǒng)軟件界面布局示意圖如圖2所示。界面最上方為菜單欄,主要提供傳統(tǒng)的菜單操作功能,菜單欄下方較大的區(qū)域?yàn)槎嗥脚_及目標(biāo)顯示區(qū)域,可以根據(jù)需要顯示二維或三維環(huán)境下平臺及目標(biāo)的運(yùn)動情況。此區(qū)域?yàn)檐浖缑嫔献畲蟮囊粔K區(qū)域,可以給操作員提供關(guān)于多平臺的最直觀的狀態(tài)顯示,如多平臺間的協(xié)同情況。
多平臺及目標(biāo)顯示區(qū)域左下方為多平臺狀態(tài)信息顯示區(qū),可較詳細(xì)地顯示平臺的運(yùn)動參數(shù)、位置等信息。為有效利用界面空間,在多平臺狀態(tài)信息顯示區(qū)上放置PageControl(頁控制)控件,根據(jù)需要指揮控制的平臺數(shù)量在PageControl控件上添加相應(yīng)數(shù)目的TabSheet(標(biāo)簽頁)控件,以實(shí)現(xiàn)操作員需要查看指定平臺信息時(shí)切換到相應(yīng)的標(biāo)簽頁。多平臺及目標(biāo)顯示區(qū)下方為命令控制區(qū),用于實(shí)現(xiàn)操作員對指定平臺的控制,命令控制區(qū)可以使得操作員通過傳統(tǒng)的鍵盤或鼠標(biāo)輸入控制指令。為達(dá)到有效利用界面空間的目的,采用和多平臺狀態(tài)信息顯示區(qū)相同的設(shè)計(jì)思想。多平臺及目標(biāo)顯示區(qū)域右下方為指令發(fā)送、響應(yīng)等信息顯示區(qū),主要用于顯示指令的發(fā)送情況及響應(yīng)等信息,同時(shí)為方便操作員獲取這些信息,可同時(shí)采用語音播報(bào)的方式將這些信息傳遞給操作員。界面最下方一欄為報(bào)警提示及操作區(qū)。若遇系統(tǒng)認(rèn)為的緊急情況,系統(tǒng)會在報(bào)警提示及操作區(qū)給出相應(yīng)的報(bào)警提示及相應(yīng)的操作建議,供操作員決策時(shí)參考。為了方便操作員以自然的方式給無人平臺下達(dá)指令,軟件設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)先定義“起飛”、“降落”、“返航”、“直飛”、“盤旋”、“偵察”、“規(guī)避”、“跟蹤”等標(biāo)準(zhǔn)化語言命令集。有人機(jī)軟件通過語音命令識別模塊將語音命令轉(zhuǎn)化為指令數(shù)據(jù)幀。目前語音識別技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入商用階段,文獻(xiàn)[6]將微軟語音開發(fā)包(Microsoft Speech SDK)應(yīng)用于智能機(jī)器人語音遠(yuǎn)程控制,采用成熟的微軟語音開發(fā)包可進(jìn)行快速地二次開發(fā),構(gòu)建語音命令識別模塊,將語音命令轉(zhuǎn)化為指令數(shù)據(jù),操作員在給出預(yù)先定義好的語音命令時(shí),給出關(guān)鍵參數(shù)作為命令參數(shù),軟件將操作員的語音命令打包成指令數(shù)據(jù)幀后發(fā)送給相應(yīng)的平臺。
圖2 有人平臺軟件界面布局示意圖
3.1空地協(xié)同跟蹤地面目標(biāo)問題描述
在需要對地面目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)不間斷跟蹤的場景中,需要多平臺協(xié)同工作。盡管UGV在準(zhǔn)確跟蹤、定位目標(biāo)方面具有優(yōu)勢,但由于UGV上的傳感器受限于轉(zhuǎn)動速度及安裝高度,使其在定位地面特征等方面有所欠缺,另外由于UGV受制于運(yùn)動速度、以及不能“看透”如樓宇、圍墻等障礙物,因此,有必要采用有人機(jī)、UAV、有人車、UGV、專家等相結(jié)合的人機(jī)協(xié)同的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)。無人平臺可充分利用其不受高危區(qū)域影響的優(yōu)勢,在可能危及人員生命的環(huán)境下跟蹤目標(biāo),而有人平臺可以充分利用人的經(jīng)驗(yàn)和智慧,排除干擾,在極為復(fù)雜的環(huán)境下自行操作平臺執(zhí)行跟蹤等任務(wù)。將有人平臺和無人平臺結(jié)合在一起,可以彌補(bǔ)當(dāng)前無人平臺智能化水平不足以獨(dú)立完成復(fù)雜任務(wù)的不足。為闡述系統(tǒng)協(xié)同控制和決策問題,現(xiàn)將系統(tǒng)簡化為由1架有人機(jī)、2架UAV、1個地面有人平臺、1個UGV及指揮控制與決策中心組成,以在復(fù)雜環(huán)境中執(zhí)行協(xié)同偵察、跟蹤任務(wù)為背景,詳細(xì)論述系統(tǒng)協(xié)同控制和決策過程,應(yīng)用場景示意圖如圖3所示,地面指揮控制與決策中心、有人平臺既可以通過傳統(tǒng)的“按鈕”方式發(fā)送指令,也可以通過語言命令給系統(tǒng)中的平臺發(fā)布指令,通過高效的人機(jī)交互接口,將“按鈕”指令直接給平臺發(fā)送任務(wù)指令或?qū)⒄Z音命令轉(zhuǎn)化為平臺能夠執(zhí)行的指令。
圖3 典型應(yīng)用場景示意圖
3.2系統(tǒng)工作原理
空中平臺與地面平臺協(xié)同工作原理如圖4所示,該系統(tǒng)的主要標(biāo)志是人在環(huán)內(nèi),且地面指揮控制與決策中心的指揮員處于環(huán)內(nèi)最高層,通過無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)施指令控制。
圖4 空中平臺與地面平臺協(xié)同跟蹤原理圖
有人平臺(包括地面指揮控制與決策中心)和無人平臺在執(zhí)行跟蹤任務(wù)中各自承擔(dān)不同的職責(zé),通過彼此的信息交換,協(xié)同完成跟蹤任務(wù)。地面指揮控制與決策中心需要將指揮控制信息及時(shí)發(fā)送到空中有人平臺或地面有人平臺,而空中有人平臺和地面有人平臺需要接收來自地面指揮控制中心的命令,空中有人平臺和地面有人車不僅要接收來自地面的指揮控制命令、執(zhí)行本機(jī)任務(wù)、依據(jù)實(shí)際情況指揮控制多UAV或UGV。簡潔、高效的有人平臺之間、有人平臺與無人平臺之間的交互方式,可確保跟蹤任務(wù)的順利完成。對于該系統(tǒng)可采用語音、文本、圖像等多種方式相結(jié)合,并定義一套指令集,以便平臺彼此之間能夠識別、理解并執(zhí)行。指令集包含以下3個方面的內(nèi)容:有人平臺任務(wù)命令集、無人平臺指令集以及指令編碼。指令集設(shè)計(jì)應(yīng)滿足:完備、簡約、規(guī)范的要求,為實(shí)現(xiàn)有人平臺/無人平臺之間簡便、快捷的交互奠定基礎(chǔ)[7]。
3.3多平臺協(xié)同跟蹤與決策過程
在如圖3所示的場景中,當(dāng)空中有人平臺在接收到地面指揮控制與決策中心的指揮員下達(dá)的協(xié)同跟蹤指令后,基于有人機(jī)的飛行員的專家經(jīng)驗(yàn)將協(xié)同跟蹤任務(wù)分解為對目標(biāo)的搜索、定位、跟蹤,并指定UAV 1、UAV 2協(xié)作有人平臺完成跟蹤,即UAV 1、UAV 2可在有人機(jī)的引導(dǎo)下完成協(xié)同跟蹤,此時(shí)有人機(jī)也可切換至自動駕駛模式,有3個平臺通過平臺間通信以完成協(xié)同跟蹤,此時(shí)有人機(jī)的飛行員起到監(jiān)督、控制有人機(jī)及UAV的作用,一旦發(fā)生緊急情況,則飛行員可實(shí)現(xiàn)對突發(fā)事件的快速干預(yù)。各空中平臺發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、并對目標(biāo)定位及跟蹤后,有人機(jī)的飛行員可將目標(biāo)的位置等信息告知地面有人車,地面有人車在接收到有人機(jī)的信息后,可和UGV對目標(biāo)尾隨跟蹤。跟蹤過程中,有人機(jī)及地面有人車分別將空中平臺、地面平臺的狀態(tài)信息發(fā)送給地面指揮控制中心。
在跟蹤過程中,若遇目標(biāo)丟失,則由有人平臺的人機(jī)界面根據(jù)實(shí)際情況分別給出不同的操作建議,供操作員決策;若目標(biāo)丟失時(shí)間達(dá)到指定閾值,則由操作員作出決策。在跟蹤過程中,空中平臺還需實(shí)時(shí)監(jiān)測自身的燃油量,若燃油量不足以完成跟蹤任務(wù),則需提前告知地面指揮控制與決策中心,以便地面指揮中心繼續(xù)指派其他空中平臺來完成跟蹤任務(wù)或指派加油機(jī)前往空中平臺所在空域完成空中加油。
本文對如何構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化多平臺協(xié)同控制與決策系統(tǒng)進(jìn)行了研究,給出了一種基于人機(jī)協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)化多平臺協(xié)同控制與決策系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),分析了指揮控制與決策中心、有人平臺、無人平臺應(yīng)具有的功能。對有人平臺的軟件系統(tǒng)界面作了總體設(shè)計(jì)。基于典型的協(xié)同跟蹤地面目標(biāo)的場景,論證了所提系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的有效性和多平臺協(xié)同跟蹤與決策過程的合理性,該體系結(jié)構(gòu)相比于全無人平臺系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),能夠發(fā)揮人機(jī)各自的優(yōu)勢,處理更復(fù)雜的問題。后期工作將是設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)化多平臺協(xié)同控制與決策原型系統(tǒng)并展開試驗(yàn)驗(yàn)證。
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Research on Overall Design Framework of Networked Multi-vheicle Cooperative Control and Decision-making System
SONG Zhi-qiang1,2,ZHOU Xian-zhong1,WANG Hui-ping3
(1.School of Management and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210008,China;2.Institute of Electrical and Information Technology,Suzhou Institute of Trade&Commerce,Suzhou 215009,China;3.North Automatica Control Technology Institute,Taiyuan 030006,China)
For the limitations of detecting ability and information retrieval of the single platform,a human-machine coordinated control and decision-making system architecture is proposed based on multiple vehicles,which are composed of the air,ground,water vehicles.The system is characterized by someone to participate in decision-making,which can realize some synergy between manned vehicles and unmanned vehicles.The functions of the ground command,control and decision center and vehicles are analyzed and the overall design of the human-machine interaction software interface is addressed. A typical application scenario is showed and its working principle and multi-vehicle coordinated tracking and decision-making process is analyzed.The flexibility and rationality of the proposed system architecture are verified.
multiplevehicles,cooperativecontrol,decision-makingsystem,architecture
TP11;F204
A
1002-0640(2016)06-0121-04
2015-05-10
2015-06-06
裝備預(yù)研基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(9140A06050213BQX)
宋志強(qiáng)(1977-),男,江蘇張家港人,副教授,博士研究生。研究方向:網(wǎng)絡(luò)化群智能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與控制。