工程博弈论-工程优化决策中的博弈思想、原理及应用

实际工程优化决策问题中经常会面临多决策主体、多决策目标以及不确定性等复杂场景,常规的优化决策方法有较大局限性.受钱学森先生名著《工程控制论》的启发,将工程决策问题中应用博弈论基本概念、建模方法、求解算法并考虑复杂工程技术条件进行决策的理论称为“工程博弈论”.本文简要介绍了博弈论的基本理论,并阐释了工程博弈论“以均衡协调冲突”的基本思想.在此基础上分别介绍了不确定性决策问题的非合作工程博弈原理、多目标决策问题的合作工程博弈原理和多主体决策问题的演化工程博弈原理及其在能源电力系统中的部分典型工程应用.本文希望通过对相关进展的介绍可以吸引更多的研究者进入这一领域,共同完善工程博弈论的相关基础理论和方法,使之在更多的领域中得到更广泛的应用.

博弈论视域下体教融合的现实困境、选择逻辑及实施路径

体教融合是促进青少年健康发展的重要途径和历史选择。运用文献资料等方法,梳理出体教融合发展中体育系统和教育系统所处的现实困境,从博弈论的视角分析体教融合合作中“体教双方”的选择逻辑,找到造成体教融合困境的原因,提出解决问题的方法及路径。从博弈论的视域分析,长期以来“体教”融合发展的困境一直未能解决,其成因囿于体育系统和教育系统的利益诉求差异而形成的“非合作博弈(纳什均衡)”。要突破这种困境,需要体教双方从非合作博弈转入合作博弈,从而达到“帕累托最优”解。体教融合的实施路径主要包括:统一思想、调整目标,达成体教融合的最优策略共识;加强顶层设计,形成具有约束力的体教融合合作协议;建构科学的合作利益分配方式,形成体教融合激励相容机制。

基于博弈论与改进CRITIC-AHP的配电网线路脆弱性评估

针对现有配电网线路脆弱性评估指标单一的问题,从配电网结构、运行状态和故障影响等三个方面出发,全面考虑网络拓扑结构、负荷类型、潮流分布、设备参数和线路故障等影响因素,提出了改进的线路介数、改进的线路度数、线路电压稳定性和线路潮流熵等脆弱性评估指标。为解决权重分配过程中出现的权重偏好问题,提出基于博弈论与改进CRITIC-AHP组合赋权法的综合评价模型。最后,通过在IEEE33节点系统上进行仿真,验证了所提方法的有效性。

基于博弈论的课程考核评价体系构建与实践

为合理确定土木工程专业材料力学课程成绩中各项评价指标的权重,应用博弈论方法构建材料力学课程考核评价体系,细化材料力学课程考核评价体系构成指标,定量给出学校、教师和学生对课程各评价指标的权重,实现了材料力学课程考核评价体系权重合理化和评价主体多样化。中美班材料力学课程实践表明,该考核评价体系增强了学生学习材料力学课程的主动性和积极性,提升了学生的综合素质,激发了任课教师的教学热情,材料力学课程不及格率降到了5%以内。

基于改进博弈论组合赋权-模糊集基坑风险评估

为解决基坑坍塌风险评价等级问题,优化模糊综合评价模型以提高基坑风险等级评估的准确性,从而采取有效治理措施控制基坑风险。首先,采用层次模型建立基坑坍塌风险评价指标体系,定性指标采用量化等级进行定量转化,然后引入模糊集理论建立评价指标模糊关系,针对传统层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)不能处理模糊性及不完整性信息的缺点,采用D数理论改进层次法(D-AHP)确定一级指标主观权重,提高了在赋权过程中专家对指标的偏好性;为提高评价体系中风险指标权重的精确性,综合熵权法(entropy weight method,EWM)和指标相关性权重确定法(criteria importance through intercriteria correlation,CRITIC)的赋权优点,利用改进博弈论对熵权法和CRITIC法求出的二级指标权重进行组合赋权,得到二级指标客观权重,线性耦合主客观权重得到最终权重,从而建立基坑坍塌风险评价模型,根据最大隶属度原则确定基坑风险等级;同时,建立基于施工监测数据结合改进博弈论组合赋权的逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to an idea solution,TOPSIS)评价模型进行对比验证。结合昆明5号线某地铁基坑为例进行风险评价,结果表明:模型评价结果与实际工程情况相吻合,验证了改进博弈论组合赋权结合模糊集评价模型的正确性和可靠性,同时验证了组合赋权的合理性,为基坑风险评估提供新的参考方法。

基于博弈论组合赋权-云模型的消防员训练损伤风险评估

为降低消防员训练损伤发生率,从个人因素、环境因素和组织管理因素3个方面,提出包含19个指标的消防员训练损伤风险评估指标体系;采用Bonferroni有序加权平均算子(BON-OWA算子)修正层次分析法(AHP)的误差,获得各指标的主观权重;引用基于指标相关性的权重确定法(CRITIC)确定各指标的客观权重;基于博弈论组合赋权法确定各指标的组合权重;引入云模型理论,建立消防员训练损伤风险评估模型,并以河南省某消防救援大队消防员的训练为例,验证该模型的科学性。结果表明:训练装备的战技性能状况指标对消防员的训练损伤风险等级影响最大;该风险评估模型通过数据处理,可以确定消防员训练损伤风险等级;案例中,消防员在5种不同情景下的训练损伤风险等级均为一般风险,这与模糊综合评价法所得结果一致。

Q学习博弈论的WSNs混合覆盖漏洞恢复

针对恶劣环境下分布式无线传感器网络,为了降低成本与恢复能力,提出了一种Q学习博弈论的无线传感器网络混合覆盖漏洞恢复方法。首先设计了一种能够以分散、动态和自治的方式缩小覆盖差距的混合算法,该方法利用基于Q学习算法的博弈论概念,融合了节点重新定位和功率传输调整两种覆盖控制方案。对于所制定的潜在博弈论,传感器节点可以仅使用局部熟悉来恢复覆盖漏洞,从而减小覆盖间隙,每个传感器节点选择节点重新定位和调整感知范围。最后仿真结果表明,这里的提出的方法能够在存在连续随机覆盖漏洞条件下保持网络的整体覆盖。

演化博弈论视野中的周礼与暴力——以春秋与东汉为历史切片

西周建立以后,基于宗法的周礼对军事行动合法性的约束曾长期有效,与之对应,《司马法》《六韬》等周礼色彩浓郁的兵法亦强调战争的伦理性质对战争自身胜负的重要影响。但从春秋中晚期开始,周礼对于军事行动的约束作用逐渐衰微,战争中的欺瞒等非伦理行为也日益频繁起来。作为春秋中晚期战争实践学术反思的产物,孙武的《孙子兵法》基本绕开了对于战争伦理性与合法性的讨论,并毫不掩饰地探讨诈谋的使用,最终完成了对基于周礼的西周军事观念的“马基雅维利式转向”。解释这一转向的主要资源将来自演化博弈论。大致而言,周礼在战场上的应用是以基于贵族核心地位的车战为技术载体的,而随着春秋的争霸战争所涉及的地理范围拓展到了不适合车战的中原边缘地区,步兵战法便慢慢淘汰车战,并由此边缘化了贵族的军事—政治地位。而步兵在古典中国语境中的廉价性又降低了每一个普通士兵的博弈权重,由此铺就了通向秦政之路。代秦的两汉虽然在表面上崇周,却已无法恢复周政下的贵族博弈传统。毋宁说,在东汉朝政中进行政争的各种势力——宦官集团、外戚集团与清流集团——都因自身的“祛地域性”而丧失了在必要的博弈缓冲区内长远筹划的能力,而往往本着赢家通吃的妄念而进行不必要的政治冒险。而鼓吹复仇的公羊学又在意识形态上为这种冒险提供了思想助燃剂。汉末大内战的不可避免性,由此便得到了一种基于演化博弈论的说明。

基于博弈论组合赋权TOPSIS法的宁夏中部干旱带枸杞水肥综合评判

为探寻宁夏中部干旱带枸杞最优水肥组合,设置灌水和施肥二因素三水平共9个处理,分析不同水肥交互对枸杞生长、产量、果实品质多个指标的影响.引入层次分析法(analytic hie-rarchy process,AHP)和熵权法对3类因素10个指标进行多层赋权,运用博弈论的组合赋权法获得各单一指标最终权重,基于TOPSIS法构建枸杞生长评价体系,并以高产、优质、高效为目标建立枸杞水肥交互响应数学模型.结果表明,高水对枸杞生长、产量和品质的影响具有统计学意义(P<0.05),各生长指标最优处理均出现在高水处理,中肥和高肥对品质产量影响较大;综合协调各指标,赋权值最高为干重(0.2267),总糖次之(0.1352);多指标综合评价最优水肥处理为高水低肥(W3F1).解析枸杞生长对水肥耦合的响应模型,得到最适灌水和施肥区间分别为灌水量75%~110%ET 0、施肥量(N-P_(2)O_(5)-K_(2)O)为165.0-60.0-105.0 kg/hm^(2)~223.5-79.5-144.0 kg/hm^(2),在此区间利用回归模型Y=-0.0904+0.3706 X_(1)+0.0002 X_(2)2-0.0104 X_(1)X_(2)(综合评分Y、灌水量X_(1)、施肥量X_(2))确定有利于实现枸杞的优质高效生产的最优水肥组合.

基于博弈论的入侵检测与响应优化综述

当前网络规模急剧增加,各类入侵过程也逐渐向复杂化、多样化的趋势发展。网络攻击带来的损失越来越严重,针对各类安全事件的检测发现以及查处响应也变得日益困难。为了快速识别各类网络安全事件并做出相应的响应,入侵检测与响应技术变得越来越重要。入侵检测系统(IDS)能否识别复杂的攻击模式以及分析大量的网络流量主要取决于其精度和配置,这使得入侵检测与响应的优化问题成为网络与系统安全的重要需求,并且成为一个活跃的研究主题。现有的研究成果已经提出了很多可以优化入侵检测和响应效率的方法,其中,将博弈论应用在入侵检测与响应的研究日益增多。博弈论提供了一种框架去捕获攻击者和防御者的交互,采用了一种定量的方法评估系统的安全性。本文在分析了入侵检测与响应系统和博弈论的基本原理的基础上,介绍了当前基于博弈论的入侵检测与响应优化问题的现有解决方案,并且讨论了这些解决方案的局限性以及给出了未来的研究方向。首先,详细介绍了入侵检测与博弈论的背景知识,回顾了常用的入侵检测系统基本原理,评估方法,常用的数据集以及经典的安全领域中的博弈论模型。其次,按照基于博弈论的入侵检测与响应优化问题的类型进行了分类介绍,根据攻击的先后顺序对网络安全架构优化、IDS配置与效率优化、IDS的自动化响应优化以及分布式入侵检测架构优化等技术的研究现状进行归纳、分析、总结,并分析了现有方案的优缺点,进而分析可能的解决方案。然后针对将博弈论应用于入侵检测与响应中面临的挑战进行了分析与讨论。最后展望了未来的研究方向以及发展趋势。

基于博弈论的蒙古国经济社会-生态环境耦合协调度驱动因素及其特征研究

蒙古国生态环境持续恶化及中蒙边境生态屏障薄弱是2国面临的共同发展问题,但目前全国尺度下综合性、多要素的经济社会与生态环境耦合协调发展类型、特征及驱动因素等尚缺乏定量评估,影响了中蒙双方共建“一带一路”绿色发展格局的统筹推进.本文总结了蒙古国经济社会及生态环境发展现状,采用AHP-CRITIC-博弈论法计算指标要素主客观组合权重,综合评价了蒙古国经济社会-生态环境发展的耦合协调度.结果表明,2005−2021年蒙古国经济社会-生态环境耦合协调度呈现波动上升趋势,耦合协调度类型始终属于严重失调类型,生态环境发展滞后是目前发展阶段的特征.社会发展水平和生态环境禀赋是经济社会子系统和生态环境子系统的主要驱动因素.皮尔逊相关性分析表明,水域面积和森林资源减少、水质恶化以及沙尘天气等灾害/事故响应增加与经济社会稳步发展的不匹配可能是导致该特征形成且耦合协调度始终较低的原因.为推动双边绿色发展战略深化对接,中蒙2国应在促进经济社会发展交流的同时,深化加强生态环境保护修复力度以恢复生态环境禀赋的交流合作.

基于博弈论组合赋权和改进优劣解距离法的输变电工程建设时序规划

针对输变电工程建设时序有待优化的问题,对输变电工程建设优先级评价方法进行了研究。首先,从必要性、经济性、效率性、环保性4个维度出发,构建输变电工程建设优先级评价指标体系;然后,基于博弈论的思想将分别通过序关系分析法和指标相关性权重确定法求得的主客观权重进行结合,引入灰色关联分析法对基于组合赋权的优劣解距离法进行改进,构建输变电工程建设优先级评价模型;最后,对某省电网规划项目库中4个拟建220 kV输变电工程进行建设优先级评价并展开建设时序规划。结果表明:所提出的评价方法适用性较强,能够有效辅助电网基建规划。

基于博弈论的异构无人集群协同编队避障控制

针对多无人机、无人车异构无人集群系统编队避障控制问题,对其利用博弈论方法进行了研究。不同于目前大多数只考虑群体编队目标的多智能体编队控制方案,允许每个智能体都具有个体目标,其中个体目标包含个体跟踪目标和避障目标。使异构无人集群系统在完成协同编队的同时,每个智能体还需根据其自身利益跟踪目标点并实时避障。由于智能体的个体目标和群体目标之间可能会产生冲突,将异构无人集群编队问题转化为智能体之间的非合作博弈问题。通过在代价函数中加入基于人工势场函数设计的避障项实现实时避障,并基于寻求纳什均衡方法设计了控制器,使异构无人集群系统可实现个体目标和群体目标平衡的编队模式。最后通过仿真实验验证了理论结果的正确性。采用该方法可使异构无人集群系统实现编队运动并实时避障。

基于博弈论组合赋权云物元模型的城市道路交通系统风险评价

为保障城市道路交通系统安全运行,降低城市交通事故发生概率,提出了一种基于博弈论组合赋权云物元城市道路交通系统风险评价模型。从城市道路交通系统风险因素出发,结合《城市道路交通管理评价指标体系》,选取实习期驾驶员比例等15个风险评价指标,构建“人-车-道-环”评价指标体系。基于云物元模型,解决评价指标中存在模糊性与随机性的问题,同时采用博弈论将C-OWA有序加权算子处理的专家打分值和改进熵权法求出的权重进行组合优化,围绕待评物元与风险等级之间的隶属度,计算得出风险等级。将该模型应用于中国西部某城市A道路交通系统,展开风险评价,同时将该模型的评价结果与C-OWA云物元模型和熵权云物元模型的评价结果进行对比。结果表明:该模型得出城市A道路交通系统中各指标风险评价结果与实地走访调研结果及实际情况基本一致,且博弈论组合赋权云物元城市道路交通系统风险评价模型更加具有实用性和有效性,可为城市道路交通系统风险评价提供新思路。

基于博弈论的负荷重分配攻击风险评估模型

为了评估网络攻击风险,基于博弈论的方法构建负荷重分配攻击风险的双层评估模型。对虚假数据攻击和负荷重分配攻击进行介绍,并基于博弈论的方法构建负荷重分配攻击风险的双层优化模型。采用KKT条件将双层优化模型转化为单层线性规划模型,并在IEEE 14节点系统和IEEE 30节点系统上进行仿真实验分析,以评估电力系统负荷重分配攻击风险。最后就如何预防和抵御负荷再分配攻击提供了建议。

博弈论在计算机科学中的案例库建设研究

博弈论虽诞生于经济学领域,是用于研究理性主体之间战略互动的数学模型,目前在计算机科学中同样发挥着越来越重要的作用,已用于人工智能、网络安全、云计算、推荐系统和无人机系统等众多领域。因此,近年来众多高校的计算机相关学院陆续将其纳入教学课程之中。然而,博弈论在计算机科学中的案例库建设仍然不尽如人意。案例库建设有助于博弈论理论与计算机科学的交叉融合,于教学中激发学生的学习兴趣,使其加深理解并开拓思维。

利用异速生长模型和博弈论解析藏川杨主干动态生长的遗传调控机制

【目的】高度与直径是树木生命历程中的2个重要生长性状,本文通过量化藏川杨主干高度和直径之间的相互作用,探究这2个性状的生长过程和生长模式,揭示藏川杨主干动态生长的遗传调控机制。【方法】基于异速生长模型和博弈论构建藏川杨高度与直径性状的动态生长互作微分方程,利用系统作图构建藏川杨主干生长遗传解析的统计模型。进一步以藏川杨自然群体作为研究材料,调查其在温室内的生长动态数据,结合本群体的高通量分子标记数据,开展藏川杨的全基因组基因定位工作。【结果】藏川杨主干高度和直径的整体生长曲线符合Logistic生长曲线,拆分整体生长曲线发现,藏川杨主干的直径生长对高度生长具有抑制作用,而高度生长对直径生长具有促进作用。所有藏川杨高度和直径的个体拟合优度> 0.90,且2个性状拟合的残差均服从随机分布,说明使用广义Lotka-Volterra微分方程来拟合藏川杨高度和直径效果很好。基于功能作图方法共定位到78个显著位点,可注释到52个候选基因。以2号染色体上最显著的SNP为例,对藏川杨高度和直径进行遗传解析,发现该SNP的3种基因型(AA、AC、CC)具有相似的高度–直径相互作用模式。该SNP对整体生长、独立生长和依赖生长发挥了不同方式的遗传效应。对定位到的显著位点进行功能注释,可将这些位点所在的基因分为:与木质素/细胞壁合成相关基因、与生长发育相关基因、与抗病抗逆性相关基因、与光合作用相关基因这4类。【结论】结合异速生长模型和博弈理论的基因定位模型,可检测基因如何通过合作或竞争策略来调控藏川杨主干的大小,识别树干动态生长的过程和模式,相关模型也可为其他物种重要性状之间的深层次遗传解析提供借鉴。

基于博弈论与强化学习的多智能体路径规划算法

针对平面上多个智能体构成的路径规划求解算法普遍存在的速度慢效率低等问题进行研究,将多智能体路径规划问题归结为非零和随机博弈,使用多智能体强化学习算法赢或快速学习-策略爬山(win or learn fast-policy hill-climbing,WoLF-PHC)得到纳什均衡策略,为各智能体做出无冲突的最优路径决策,提出能够快速自适应的WoLF-PHC(fast adaptive WoLF-PHC,FA-WoLF-PHC)算法,通过构建目标函数,使用梯度下降对学习率进行自适应更新.在猜硬币和自定义收益矩阵2个博弈场景中使用FA-WoLF-PHC,并与策略爬山(policy hill-climbing,PHC)算法和Wolf-PHC算法进行比较.结果表明,FA-WoLF-PHC算法的学习速度较WoLF-PHC算法有所提升,并有效减小了WoLF-PHC算法和PHC算法在学习过程中出现的振荡现象.在多智能体路径规划问题中,FA-WoLF-PHC算法的学习速度比WoLF-PHC算法提高了16.01%.将路径规划问题的环境栅格地图扩大为6×6,智能体数量增加为3个时,FA-WoLF-PHC、WoLF-PSP和多头绒泡菌-人工势场Sarsa(physarum polycephalum-artificial potential state-action-reward-state-action,PP-AP Sarsa)算法在10次实验中学习到最终策略需要的平均时间分别为16.30、20.59和17.72 s.在多智能体路径规划问题中,FA-WoLF-PHC算法能够得到各智能体的纳什均衡策略,学习速度较WoLF-PSP和PP-AP Sarsa算法有显著提高.FA-WoLF-PHC算法在常见的博弈场景中能够快速获得纳什策略,在多智能体路径规划问题中可为多个智能体生成无冲突的最优路径,并且在学习速度等方面较其他算法有显著提高.

基于博弈论和云模型的滑坡危险性评价

针对铁路沿线滑坡危险性评价过程中的不确定性问题,引入博弈论和云模型评价方法,同时采用汉明距离验证相似度比较结果,对铁路沿线上某一滑坡进行滑坡危险性评价。首先选取降雨、地层岩性和土地利用类型等12项评价指标建立危险性评价指标体系,其次采用改进CRITIC法、变异系数法、G1法和优序图法确定基础权重,然后引入博弈论思想计算最优权重,并根据各评价指标的云模型和最优权重确定综合评价云,最后采用汉明距离验证综合评价云与评价标准云的相似度对比结果,根据最大相似度原则确定滑坡危险性等级,基于ArcGIS生成研究区滑坡危险性分布图。结果表明:滑坡危险性等级为四级,与实际情况基本一致,基于博弈论和云模型的滑坡危险性评价模型能够准确反映滑坡的等级;利用云模型实现定性与定量问题的转换,使滑坡危险性等级更直观,对滑坡灾害风险管理具有一定的参考价值。

基于博弈论和后悔理论的城市洪涝灾害韧性评价:以西安市为例

【目的】为缩小单一赋权方法结果差异性,解决评价过程专家规避后悔心理造成评价结果失真的问题,采用博弈论和后悔理论评价城市洪涝灾害韧性。【方法】从城市洪涝灾害韧性属性和韧性维度2个方面构建22个评价指标;运用博弈论集合OWA(Ordered Weighted Average operator)算子和改进CRITIC(Criteria Importance Though Intercrieria Correlation)法,充分考虑主客观因素对权重的作用,得到指标综合权重;引入有限理性的后悔理论,通过构建效用值、后悔-欣喜值、感知效用值矩阵评价西安市主城区洪涝灾害韧性等级,并将评价结果与模糊层次分析法、OWA算子和后悔理论法,改进CRITIC和后悔理论法、后悔理论4种方法的结果进行对比,验证所采用方法的可靠性和有效性。【结果】结果表明:西安市主城区洪涝灾害韧性评价值为4.62,韧性等级为Ⅲ级,属于中等韧性。其中灞桥区为Ⅳ级,新城区和未央区为Ⅲ级,碑林区、莲湖区和雁塔区为Ⅱ级,呈现东北区域韧性强于西南区域的特点。【结论】根据博弈论赋权结果可知:透水面积占比、汛期单日最大降雨量、互联网覆盖率、排水管网密度、主城区道路易积水点数量和植被覆盖率6个指标是影响西安市主城区洪涝灾害韧性的主要指标,为城市洪涝灾害韧性管理提供参考。