·126· 智能系统学报 第16卷 通常而言，群体中不同的个体（通常表现为角 等方面的相似性，自然地，可借鉴劳动分工机制 色、体型、年龄等方面的差异)一般会专注于相应 研究复杂任务系统的高效任务分配方法。狼是 的某项任务或任务子集，且能根据环境或任务变 类认知能力强且组织严密的社会性群居动物，凭 化动态调整任务分工或执行不同任务的个体规 借巧妙的劳动分工可以完成复杂的协作捕猎、哺 模，从而在任何时刻这些任务都能被并行地执 育幼崽、领地维系等一系列群体活动。这些群 行，形成一种个体任务均衡分配的稳定模式，这 体活动中，不同角色的狼个体匹配执行不同的任 种现象即为劳动分工1。劳动分工是社会性生 务，内部或环境变化时也能调整自身角色，表现 物群体在面临复杂环境或繁杂任务时依然能够保 出高效、灵活、动态适应等特征。模仿狼群智能 持协调有序的重要因素，也是生物群体千百年进 行为的群智能优化算法不断涌现，如狼群算法 化成果和生态稳定的基础。劳动分工行为也是群 (wolf pack algorithm,WPA)I,灰狼优化(grey wolf 智能(swarm intelligence,SI)的重要表现形式，具 optimizer,.GWO)m,郊狼优化算法(coyote optimiz- 有SI的一般特征，如自组织性、协作性、稳定性、 ation algorithm,COA)]等，无不显示出狼群智能 分布式结构、个体和交互规则简单等。而任务 的巨大魅力和应用价值。然而，一方面这些基于 专业化和行为柔性是劳动分工有别于其他群智能 狼群智能的优化算法通常存在计算复杂、动态环 方法的显著特点，动态适应性则是其突出优势。 境适应性不强等问题，应用于复杂系统任务分配 任务专业化避免个体频繁地在不同任务之间切 时需要设计相应的离散化版本。另一方面，适 换，提高了任务执行效率。行为柔性赋予个体改 合任务分配问题的狼群劳动分工内在机理和形式 变原有行为或任务以适应复杂环境变化的能力， 化模型也尚未见到研究报道。 从而使种群具备从扰动中恢复稳态的巨大潜力， 本文基于对狼群的生物学行为分析，分析了 表现出非常强的动态适应性。 角色-匹配狼群劳动分工的个体角色转换和任务 启发于生物群智能，现实中各种复杂任务系 调整机制，研究了狼群角色-任务匹配的柔性劳 统，如地面群机器人系统、无人机集群系统等，研 动分工机制，建立了狼群劳动分工模型，提出了 究热点之一即是如何通过大量简单个体的局部相 角色-匹配狼群劳动分工方法。最后，通过比较 互作用涌现出复杂的集群行为，并使任务系统可 分析，阐述了狼群角色-匹配、蚁群刺激-响应，蜂 高效完成各种复杂任务。任务分配(task alloca- 群激发-抑制3种群智能劳动分工模型的同根同 tion,TA)是复杂任务系统中的基础问题，指各个 源性和差异性，并展示出角色-匹配的狼群劳动 体如何高效协作以完成一系列约束下的复杂任 务m。目前，典型的有基于市场机制的方法(mar- 分工的广泛应用前景。 ket-based approaches)和基于优化的方法(optimiza- 1狼群生物学行为分析 tion-based approaches)。前者是以协商主义为基 础的分布式任务分配方法，如拍卖算法和合同网 1.1 生物学背景 算法等，适合于确定性环境下中小规模的任务系 狼是一种适应力极强的群居动物，依靠紧密 统的分布式求解，可扩展性和鲁棒性较好，但通 的协作配合实现高效的劳动分工，千百年来一直 信开销和计算代价较大例。后者以一系列群智能 处于食物链顶端。一般而言，每匹狼都拥有与其 启发的最优化算法为代表，如遗传算法(genetic 自身体型、能力等相匹配的某一角色，这造就了 algorithm,GA)o、粒子群算法(particle swarm op- 狼群稳定的社会性组织结构。分工明确、信息共 timization,PSO))、蚁群算法(ant colony optimiza- 享、顺势而动是狼群捕猎的显著特点。分工明确 tion,ACO)2I,狼群算法(wolf pack algorithm, 是指头狼负责发起和指挥整个捕猎行动，其他个 WPA)]等。尽管这些算法某种程度上讲也可求 体根据自身角色执行与之匹配的任务。通常而 得最优分配方案，但其均基于反复迭代的寻优求 言，由最为强健而富有智慧的狼作为头狼，头狼 解思路，在实时性和动态适应性要求较高的作战 拥有繁殖、分配和享用猎物等各项活动的优先 应用场景中表现不佳。 权，是整个捕猎行动的组织者和指挥者。探狼 生物群体的劳动分工本质即是任务分配，鉴 是狼群中的少数精锐，感知敏锐而富有耐力，负 于生物群体与复杂任务系统（诸如地面群机器人 责根据空气中弥留的气味搜寻猎物。猛狼是狼群 系统、无人机集群系统等)在个体的简单性、局部 中的体力担当，冲击力强，负责快速奔袭绞杀猎 交互规则、自组织分布式结构、群智能能力涌现 物。还有部分巨狼埋伏在猎物逃窜的路线待命增通常而言，群体中不同的个体 (通常表现为角 色、体型、年龄等方面的差异) 一般会专注于相应 的某项任务或任务子集，且能根据环境或任务变 化动态调整任务分工或执行不同任务的个体规 模，从而在任何时刻这些任务都能被并行地执 行，形成一种个体任务均衡分配的稳定模式，这 种现象即为劳动分工[2-3]。劳动分工是社会性生 物群体在面临复杂环境或繁杂任务时依然能够保 持协调有序的重要因素，也是生物群体千百年进 化成果和生态稳定的基础。劳动分工行为也是群 智能 (swarm intelligence, SI) 的重要表现形式，具 有 SI 的一般特征，如自组织性、协作性、稳定性、 分布式结构、个体和交互规则简单等[4]。而任务 专业化和行为柔性是劳动分工有别于其他群智能 方法的显著特点，动态适应性则是其突出优势。 任务专业化避免个体频繁地在不同任务之间切 换，提高了任务执行效率。行为柔性赋予个体改 变原有行为或任务以适应复杂环境变化的能力， 从而使种群具备从扰动中恢复稳态的巨大潜力， 表现出非常强的动态适应性[5]。 启发于生物群智能，现实中各种复杂任务系 统，如地面群机器人系统、无人机集群系统等，研 究热点之一即是如何通过大量简单个体的局部相 互作用涌现出复杂的集群行为，并使任务系统可 高效完成各种复杂任务[6]。任务分配 (task alloca￾tion, TA) 是复杂任务系统中的基础问题，指各个 体如何高效协作以完成一系列约束下的复杂任 务 [7]。目前，典型的有基于市场机制的方法 (mar￾ket-based approaches) 和基于优化的方法 (optimiza￾tion-based approaches)[8]。前者是以协商主义为基 础的分布式任务分配方法，如拍卖算法和合同网 算法等，适合于确定性环境下中小规模的任务系 统的分布式求解，可扩展性和鲁棒性较好，但通 信开销和计算代价较大[9]。后者以一系列群智能 启发的最优化算法为代表，如遗传算法 (genetic algorithm, GA)[10] 、粒子群算法 (particle swarm op￾timization, PSO)[11] 、蚁群算法 (ant colony optimiza￾tion, ACO)[ 1 2 ] , 狼群算法 (wolf pack algorithm, WPA)[13] 等。尽管这些算法某种程度上讲也可求 得最优分配方案，但其均基于反复迭代的寻优求 解思路，在实时性和动态适应性要求较高的作战 应用场景中表现不佳。 生物群体的劳动分工本质即是任务分配，鉴 于生物群体与复杂任务系统 (诸如地面群机器人 系统、无人机集群系统等) 在个体的简单性、局部 交互规则、自组织分布式结构、群智能能力涌现 等方面的相似性[14] ，自然地，可借鉴劳动分工机制 研究复杂任务系统的高效任务分配方法。狼是一 类认知能力强且组织严密的社会性群居动物，凭 借巧妙的劳动分工可以完成复杂的协作捕猎、哺 育幼崽、领地维系等一系列群体活动[15]。这些群 体活动中，不同角色的狼个体匹配执行不同的任 务，内部或环境变化时也能调整自身角色，表现 出高效、灵活、动态适应等特征。模仿狼群智能 行为的群智能优化算法不断涌现，如狼群算法 (wolf pack algorithm, WPA)[16] , 灰狼优化 (grey wolf optimizer，GWO)[17] , 郊狼优化算法 (coyote optimiz￾ation algorithm，COA)[18] 等，无不显示出狼群智能 的巨大魅力和应用价值。然而，一方面这些基于 狼群智能的优化算法通常存在计算复杂、动态环 境适应性不强等问题，应用于复杂系统任务分配 时需要设计相应的离散化版本[19]。另一方面，适 合任务分配问题的狼群劳动分工内在机理和形式 化模型也尚未见到研究报道。 本文基于对狼群的生物学行为分析，分析了 角色−匹配狼群劳动分工的个体角色转换和任务 调整机制，研究了狼群角色−任务匹配的柔性劳 动分工机制，建立了狼群劳动分工模型，提出了 角色−匹配狼群劳动分工方法。最后，通过比较 分析，阐述了狼群角色−匹配、蚁群刺激−响应，蜂 群激发−抑制 3 种群智能劳动分工模型的同根同 源性和差异性，并展示出角色−匹配的狼群劳动 分工的广泛应用前景。 1 狼群生物学行为分析 1.1 生物学背景 狼是一种适应力极强的群居动物，依靠紧密 的协作配合实现高效的劳动分工，千百年来一直 处于食物链顶端。一般而言，每匹狼都拥有与其 自身体型、能力等相匹配的某一角色，这造就了 狼群稳定的社会性组织结构。分工明确、信息共 享、顺势而动是狼群捕猎的显著特点。分工明确 是指头狼负责发起和指挥整个捕猎行动，其他个 体根据自身角色执行与之匹配的任务。通常而 言，由最为强健而富有智慧的狼作为头狼，头狼 拥有繁殖、分配和享用猎物等各项活动的优先 权，是整个捕猎行动的组织者和指挥者 [14]。探狼 是狼群中的少数精锐，感知敏锐而富有耐力，负 责根据空气中弥留的气味搜寻猎物。猛狼是狼群 中的体力担当，冲击力强，负责快速奔袭绞杀猎 物。还有部分巨狼埋伏在猎物逃窜的路线待命增 ·126· 智 能 系 统 学 报 第 16 卷