基于多智能主体系统的工程机械机群智能化研究

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基于多智能主体系统的工程机械机群智能化研究

讨论了基于多智能主体的混杂分层式机群系统结构及机群智能化系统实现的关键问题。

　　关键词: 多智能主体  机群智能化  协同决策  人机共栖

　　现行的筑路工程项目需要多种机械设备的参与,如:摊铺机、压路机、装卸卡车、拌和设备等等同时存在于20～50km的标段上,目前主要靠人工方式进行通信指挥。这种方式存在着如下弊端:

　　(1)资源配置不合理;

　　(2)施工信息交换量少,实时性差;

　　(3)易出现物料断流或积压;

　　(4)能耗大,生产率低。

　　由于以上问题在国内外的工程机械施工中普遍存在,因此机群的智能化已经成为当前工程机械控制技术的前沿课题。该课题国内的研究现状是:经过“八五”“九五”的发展,单机智能化技术已经成熟,机群智能化技术尚未起步。而欧美一些国家已经推出了各自的机群智能化产品,但是它们的开发尚处初期,还有很多不完善的地方。目前,机群智能化已经列为我国863攀登计划的重点研究项目。

　　采用多智能主体(即多Agent)应用于工程机械机群智能化的核心是:每个主体的智能或推理功能都很简单,但是当它们协调工作时,能够完成十分复杂的工作,这与人脑的功能类似。分布式人机共栖的智能系统可以集成人类的智能,充分发挥人和机器在再求解问题方面的特长。系统既包含了计算机支持下的人与人之间的协同工作,也包含了机器与机器之间自动的协同工作以及人与机器之间的联合工作。分布式的多智能体系统能充分体现人类工作方式中的群体性、分布性、交互性和协作性,因而在大规模工程项目的开发、产品设计、军用指挥控制系统等领域有广阔的应用前景。

1 基于多智能主体的混杂分层式机群系统结构

　　系统按照工作层面划分为三个主体:中央控制智能主体,道路成型智能主体,混合料拌和智能主体。图1为系统的混杂分层式的树状结构。中央主体处于最高层,具有最大的权限。道路成型智能主体和混合料拌和智能主体处于第二层,负责各自的专项工作,有相对的局部权限,这是与工程施工中的实际安排相对应的。中央控制智能主体负责监督、协调工程现场,综合现场的各种信息,为高层领导提供决策支持,并负责对高层领导的决策进行解释和任务分配。道路成型智能主体负责道路的摊铺工作,并指挥压路机组辅助摊铺工作。混合料拌和智能主体负责混合料的拌和,并指挥装载机组协同完成工作。中间的自卸卡车组成混合料运输系统,依赖于中央控制主体的优化调度。路面质量检测系统负责反馈路面质量信息给中央主体。各个主体之间由无线微波信道构成通信链路,交换信息、共享信息,构成多智能主体协同工作的机群智能化系统。

　　采用多智能主体设计机群系统的优点是:

　　(1)分布式智能:将一个复杂的筑路任务通过分布式智能主体分解,利用中央主体、拌和主体、摊铺主体这三个主体各自负担有限复杂程度的子任务来实现,充分发挥各个主体的功能与能动性,减轻了中央主体的工作负担与控制的复杂程度,同时各个主体的智能提高了对环境的适应性。在以往的集中控制方式中,中央控制系统由于承担了所有的系统工作,往往功能十分复杂,设计与实施时都需要耗费大量的人力物力,同时系统的风险集中在中央控制系统,可靠性要求高,成本更是成倍增加。通过多智能主体设计,将系统的智能分布到三个主体上,实现了中央控制的简化。

　　(2)容错性:由于各个主体都具有权限不同的决策功能并共享机群系统的信息,单个主体的出错不会造成全局失控。在筑路工程的现场施工中,由于环境恶劣,发生错误在所难免。例如电力故障、通信故障、人为错误等都是施工现场现实存在的问题。当一条错误指令由中央主体下达到下一级主体时,下级主体的决策系统进行判断,综合本地的局部信息和与其他主体的交换信息,排除这个决策错误,并向中央主体报告,处理主体故障。

　　(3)可靠性:由于同时实现了功能的分布化,所以提高了整个机群系统的可靠性。由于机群的各个主体相对独立,各行其事,单个主体的故障不会造成全局失控。特别是中央主体一旦失效,道路成型智能主体和混合料拌和智能主体可以通过相互间的通信协调,保证施工的进行。这一点,集中控制方式的机群系统是做不到的,因为它的中央控制系统一旦失效就会造成全局瘫痪。

(4)高效率:强调机群系统的交互性和协作性,有利于提高机群系统的工作效率,降低能耗,节省物料,从而降低整个施工的成本。

2 多智能主体机群系统的核心

　　多智能主体机群系统的核心是基于多智能主体的以物流调度为核心的信息收集与决策系统。多智能主体决策支持系统是一个基于计算机的交互式系统。它分布在三个主体上,利用通信、计算机和决策支持技术支持多智能主体成员对非结构化的决策问题进行定义和求解。通过消除彼此的通信障碍,提供结构化的决策分析技术以及系统地指导多智能主体讨论的内容和模式,而且中央控制主体可以改进多智能主体决策过程,提高多智能主体决策效率和质量。

　　多智能主体决策支持系统中,信息收集是一个重要环节,它为问题定义提供基础,同时为观点生成提供依据。其中的信息收集过程及其支持技术的研究,可以促进多智能主体决策者之间的信息共享,提高系统的多智能主体决策质量。

　　多智能主体的信息收集是一个迭代过程,分为前期、中期、后期三个阶段。前期阶段中,决策过程开始时,促进者(Facilitator)与决策议题倡导者商讨,规范议题范围,定义环境背景,确定系统功能设置及规程等初始信息,并为决策多智能主体成员提供信息背景。中期阶段是指决策过程中,当决策成员发现信息缺乏时,可以通过各个主体获取信息或与其他成员进行信息交换。后期阶段中,决策成员对决策阶段性结果进行反思,并触发信息获取或信息交换。

　　(1)基于多智能主体的信息收集模型

　　决策科学与人工智能技术的结合一直是决策支持领域研究的热点。智能主体是一种抽象的实体,它能作用于自身和环境,并能对环境做出反应。智能主体具有独立性、自主性和交互性,表现为可以作为独立的行为实体被引用,能根据其他内部状态和外部时间决定和控制自己的行为,成为协同工作系统中自主的行为实体,并可以与其他主体进行有效的系统工作。

　　多智能主体系统中有二类主体:一类是由机器智能构成的machine-based Agent,另一类是人类专家所处的节点Personal Assistant或Human Agent对应计算机环境封装下的人类专家Human agent与众多的计算机Agent组成一个Agent group。因此多智能主体系统是人类指挥和及其智能集成的系统。人类指挥和机器智能解决问题的能力各有所长,在工作中相互激活,形成人机共栖的智能主体模式。

　　多智能主体的机群系统需要采集的信息有:各主体的物料使用状况、工程速度、里程、相对坐标、各主体的负责人对当地施工情况的描述等。

　　(2)多智能主体的协同决策系统的研究

　　协同决策是考虑多个主体参与的决策过程。由于各主体的功能、方案和对象往往存在冲突和矛盾,因此冲突识别和消解是协同设计中所有多智能主体系统的关键问题。

　　常用的冲突消解可分为面向状态的和面向数值的二类。前者设计目标的状态可识别,目标状态是可以达到或是不可以达到,这点可以看成是硬约束。在协同设计领域中,冲突的产生更多是由软约束引起的,软约束可以被放宽以满足其他更重要的设计约束,可用它来表示对某一特定设计属性的重视程度。一般用特定的函数值来衡量这种程度、评价设计状态的优劣。这个函数可以是全局的也可以是局部的。面向数值的方法主要是处理这种软约束引起的冲突。

　　在冲突消解过程中,根据不同的冲突情况可以采用多种解决策略,策略的选取不是简单过程,其本身就可以看作是基于知识的问题。在协同设计中,由于各主体的能力、作用、目标等不同,所以当一种冲突消解策略达不到满意的效果时,系统必须有一定机制来采取其他更理想的策略。

　　对于本系统,由于现场的环境较差,操作员的熟练程度与人为的出错概率,以及一些不可预见的因素,使得信息冲突必然存在。如果事先不考虑解决方案,则可能引起系统的运行出现堵塞。这在施工中也是经常出现的。

3 系统实现的关键问题

　　基于多智能主体模型的筑路机械机群智能化系统的实现分为二个部分。

　　(1)多智能主体的机群系统的实现

　　①各主体间的通信网络。通信网络的实施是主体间信息共享与交换的基础。物理实现以无线通信为主,采用自建的微波通信系统,保证各主体间信道的畅通。网络拓扑采用网状结构。本系统的三个主体之间均存在独立的数据链路,以实现信息的交换与共享。

　　②各智能主体的决策推理机设计与功能定义。包括多主体的协同决策模式研究,各智能体的决策规则与互锁机制,中央主体、道路成型主体、混合料拌和主体三者在决策树中所处的地位以及各自的权限分配。

　　③基于多智能主体的管理层指令的分布式计算求解的算法。该算法是把一个筑路任务分解并分配给相应的机械主体,形成任务调度的序列,由中央主体居中协调,共同完成施工任务,实现施工调度的优化。

　　④多智能主体的信息处理与融合算法。机群调度决策系统信息综合(含机群多智能主体状态参数、故障参数,环境参量与突发事件)研究。其中包含了一个基于专家知识库的故障诊断系统,如图2所示。

　　(2)各单机智能主体的实现

　　本系统主要采用人机共栖模式的智能主体形式,如图3所示,核心是研究人机协调决策的方法。由于各机种的自动化程度不同,人在决策中参与的程度也就有所区别,最终目的是建立各智能主体的智能决策控制体系。实现的要点是:

　　①主体对象的定义:包括单机的功能、属性、需要检测的信息等;②主体的定位方式:本系统中采用GPS定位、主体通信方式与其内部异构通信协议的集成,包括主体间的通信方式、主体内部各子系统的通信以及二者间的交互;③对应于各机种的知识库,以确定最优工艺路线与参数,集成于各智能主体。

4 技术实施路线

　　当前,国内外的工程机械厂商已经推出了全系列的智能化的单机,单机智能化的技术已经成熟。但是,这样的智能单机还不能直接应用到智能化的机群之中,需要添加通信设备与智能主体控制装置。因此,实施基于多智能主体的机群系统的最好方式是:充分利用国内外现有工程机械智能化单机先进技术,将机群智能化技术作为独立的专有技术开发,单机的智能主体可以兼容国内外主要厂商的产品。

　　本系统的实施中,采用开放式的开发方式,成立机群智能化的标准化组织,定义当前的智能单机实现智能主体所需提供的外部接口,由各个厂商作为组织成员提供所需设备与配件。这样既保护了各自的知识产权,又带动了我国工程机械行业的科技进步,有利于使机群智能化标准成为在我国实现的国际工程技术标准。

参考文献

1 Manuela,Veloso.The CMUnited97 Robotic Soccer Team:Perception and multi-agent Control.Robotics and Autonomous Systems,1999;(29)

2 Arkin R C,Balch T R.Aura:principles and practice in review.Journal of Experimental and Theoretical Artificial Intelligence,1997;9(2)

3 Parker L.Designing Control Laws for Cooperative agent teams,the Proceedings of the 1993 IEEE International Conference on Robotics and Automation,1993

4 史忠植.智能主体及其应用.北京:科学出版社,2000

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