摘? 要: 討論了基于多智能主體的混雜分層式機群系統結構及機群智能化系統實現的關鍵問題。
關鍵詞: 多智能主體? 機群智能化? 協同決策? 人機共棲
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現行的筑路工程項目需要多種機械設備的參與,如:攤鋪機、壓路機、裝卸卡車、拌和設備等等同時存在于20～50km的標段上,目前主要靠人工方式進行通信指揮。這種方式存在著如下弊端:
(1)資源配置不合理;
(2)施工信息交換量少,實時性差;
(3)易出現物料斷流或積壓;
(4)能耗大,生產率低。
由于以上問題在國內外的工程機械施工中普遍存在,因此機群的智能化已經成為當前工程機械控制技術的前沿課題。該課題國內的研究現狀是:經過“八五”“九五”的發展,單機智能化技術已經成熟,機群智能化技術尚未起步。而歐美一些國家已經推出了各自的機群智能化產品,但是它們的開發尚處初期,還有很多不完善的地方。目前,機群智能化已經列為我國863攀登計劃的重點研究項目。
采用多智能主體(即多Agent)應用于工程機械機群智能化的核心是:每個主體的智能或推理功能都很簡單,但是當它們協調工作時,能夠完成十分復雜的工作,這與人腦的功能類似。分布式人機共棲的智能系統可以集成人類的智能,充分發揮人和機器在再求解問題方面的特長。系統既包含了計算機支持下的人與人之間的協同工作,也包含了機器與機器之間自動的協同工作以及人與機器之間的聯合工作。分布式的多智能體系統能充分體現人類工作方式中的群體性、分布性、交互性和協作性,因而在大規模工程項目的開發、產品設計、軍用指揮控制系統等領域有廣闊的應用前景。
1?基于多智能主體的混雜分層式機群系統結構
系統按照工作層面劃分為三個主體:中央控制智能主體,道路成型智能主體,混合料拌和智能主體。圖1為系統的混雜分層式的樹狀結構。中央主體處于最高層,具有最大的權限。道路成型智能主體和混合料拌和智能主體處于第二層,負責各自的專項工作,有相對的局部權限,這是與工程施工中的實際安排相對應的。中央控制智能主體負責監督、協調工程現場,綜合現場的各種信息,為高層領導提供決策支持,并負責對高層領導的決策進行解釋和任務分配。道路成型智能主體負責道路的攤鋪工作,并指揮壓路機組輔助攤鋪工作。混合料拌和智能主體負責混合料的拌和,并指揮裝載機組協同完成工作。中間的自卸卡車組成混合料運輸系統,依賴于中央控制主體的優化調度。路面質量檢測系統負責反饋路面質量信息給中央主體。各個主體之間由無線微波信道構成通信鏈路,交換信息、共享信息,構成多智能主體協同工作的機群智能化系統。
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采用多智能主體設計機群系統的優點是:
(1)分布式智能:將一個復雜的筑路任務通過分布式智能主體分解,利用中央主體、拌和主體、攤鋪主體這三個主體各自負擔有限復雜程度的子任務來實現,充分發揮各個主體的功能與能動性,減輕了中央主體的工作負擔與控制的復雜程度,同時各個主體的智能提高了對環境的適應性。在以往的集中控制方式中,中央控制系統由于承擔了所有的系統工作,往往功能十分復雜,設計與實施時都需要耗費大量的人力物力,同時系統的風險集中在中央控制系統,可靠性要求高,成本更是成倍增加。通過多智能主體設計,將系統的智能分布到三個主體上,實現了中央控制的簡化。
(2)容錯性:由于各個主體都具有權限不同的決策功能并共享機群系統的信息,單個主體的出錯不會造成全局失控。在筑路工程的現場施工中,由于環境惡劣,發生錯誤在所難免。例如電力故障、通信故障、人為錯誤等都是施工現場現實存在的問題。當一條錯誤指令由中央主體下達到下一級主體時,下級主體的決策系統進行判斷,綜合本地的局部信息和與其他主體的交換信息,排除這個決策錯誤,并向中央主體報告,處理主體故障。
(3)可靠性:由于同時實現了功能的分布化,所以提高了整個機群系統的可靠性。由于機群的各個主體相對獨立,各行其事,單個主體的故障不會造成全局失控。特別是中央主體一旦失效,道路成型智能主體和混合料拌和智能主體可以通過相互間的通信協調,保證施工的進行。這一點,集中控制方式的機群系統是做不到的,因為它的中央控制系統一旦失效就會造成全局癱瘓。
(4)高效率:強調機群系統的交互性和協作性,有利于提高機群系統的工作效率,降低能耗,節省物料,從而降低整個施工的成本。
2?多智能主體機群系統的核心
多智能主體機群系統的核心是基于多智能主體的以物流調度為核心的信息收集與決策系統。多智能主體決策支持系統是一個基于計算機的交互式系統。它分布在三個主體上,利用通信、計算機和決策支持技術支持多智能主體成員對非結構化的決策問題進行定義和求解。通過消除彼此的通信障礙,提供結構化的決策分析技術以及系統地指導多智能主體討論的內容和模式,而且中央控制主體可以改進多智能主體決策過程,提高多智能主體決策效率和質量。
多智能主體決策支持系統中,信息收集是一個重要環節,它為問題定義提供基礎,同時為觀點生成提供依據。其中的信息收集過程及其支持技術的研究,可以促進多智能主體決策者之間的信息共享,提高系統的多智能主體決策質量。
多智能主體的信息收集是一個迭代過程,分為前期、中期、后期三個階段。前期階段中,決策過程開始時,促進者(Facilitator)與決策議題倡導者商討,規范議題范圍,定義環境背景,確定系統功能設置及規程等初始信息,并為決策多智能主體成員提供信息背景。中期階段是指決策過程中,當決策成員發現信息缺乏時,可以通過各個主體獲取信息或與其他成員進行信息交換。后期階段中,決策成員對決策階段性結果進行反思,并觸發信息獲取或信息交換。
(1)基于多智能主體的信息收集模型
決策科學與人工智能技術的結合一直是決策支持領域研究的熱點。智能主體是一種抽象的實體,它能作用于自身和環境,并能對環境做出反應。智能主體具有獨立性、自主性和交互性,表現為可以作為獨立的行為實體被引用,能根據其他內部狀態和外部時間決定和控制自己的行為,成為協同工作系統中自主的行為實體,并可以與其他主體進行有效的系統工作。
多智能主體系統中有二類主體:一類是由機器智能構成的machine-based Agent,另一類是人類專家所處的節點Personal Assistant或Human Agent對應計算機環境封裝下的人類專家Human agent與眾多的計算機Agent組成一個Agent group。因此多智能主體系統是人類指揮和及其智能集成的系統。人類指揮和機器智能解決問題的能力各有所長,在工作中相互激活,形成人機共棲的智能主體模式。
多智能主體的機群系統需要采集的信息有:各主體的物料使用狀況、工程速度、里程、相對坐標、各主體的負責人對當地施工情況的描述等。
(2)多智能主體的協同決策系統的研究
協同決策是考慮多個主體參與的決策過程。由于各主體的功能、方案和對象往往存在沖突和矛盾,因此沖突識別和消解是協同設計中所有多智能主體系統的關鍵問題。
常用的沖突消解可分為面向狀態的和面向數值的二類。前者設計目標的狀態可識別,目標狀態是可以達到或是不可以達到,這點可以看成是硬約束。在協同設計領域中,沖突的產生更多是由軟約束引起的,軟約束可以被放寬以滿足其他更重要的設計約束,可用它來表示對某一特定設計屬性的重視程度。一般用特定的函數值來衡量這種程度、評價設計狀態的優劣。這個函數可以是全局的也可以是局部的。面向數值的方法主要是處理這種軟約束引起的沖突。
在沖突消解過程中,根據不同的沖突情況可以采用多種解決策略,策略的選取不是簡單過程,其本身就可以看作是基于知識的問題。在協同設計中,由于各主體的能力、作用、目標等不同,所以當一種沖突消解策略達不到滿意的效果時,系統必須有一定機制來采取其他更理想的策略。
對于本系統,由于現場的環境較差,操作員的熟練程度與人為的出錯概率,以及一些不可預見的因素,使得信息沖突必然存在。如果事先不考慮解決方案,則可能引起系統的運行出現堵塞。這在施工中也是經常出現的。
3?系統實現的關鍵問題
基于多智能主體模型的筑路機械機群智能化系統的實現分為二個部分。
(1)多智能主體的機群系統的實現
①各主體間的通信網絡。通信網絡的實施是主體間信息共享與交換的基礎。物理實現以無線通信為主,采用自建的微波通信系統,保證各主體間信道的暢通。網絡拓撲采用網狀結構。本系統的三個主體之間均存在獨立的數據鏈路,以實現信息的交換與共享。
②各智能主體的決策推理機設計與功能定義。包括多主體的協同決策模式研究,各智能體的決策規則與互鎖機制,中央主體、道路成型主體、混合料拌和主體三者在決策樹中所處的地位以及各自的權限分配。
③基于多智能主體的管理層指令的分布式計算求解的算法。該算法是把一個筑路任務分解并分配給相應的機械主體,形成任務調度的序列,由中央主體居中協調,共同完成施工任務,實現施工調度的優化。
④多智能主體的信息處理與融合算法。機群調度決策系統信息綜合(含機群多智能主體狀態參數、故障參數,環境參量與突發事件)研究。其中包含了一個基于專家知識庫的故障診斷系統,如圖2所示。
(2)各單機智能主體的實現
本系統主要采用人機共棲模式的智能主體形式,如圖3所示,核心是研究人機協調決策的方法。由于各機種的自動化程度不同,人在決策中參與的程度也就有所區別,最終目的是建立各智能主體的智能決策控制體系。實現的要點是:
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①主體對象的定義:包括單機的功能、屬性、需要檢測的信息等;②主體的定位方式:本系統中采用GPS定位、主體通信方式與其內部異構通信協議的集成,包括主體間的通信方式、主體內部各子系統的通信以及二者間的交互;③對應于各機種的知識庫,以確定最優工藝路線與參數,集成于各智能主體。
4 技術實施路線
當前,國內外的工程機械廠商已經推出了全系列的智能化的單機,單機智能化的技術已經成熟。但是,這樣的智能單機還不能直接應用到智能化的機群之中,需要添加通信設備與智能主體控制裝置。因此,實施基于多智能主體的機群系統的最好方式是:充分利用國內外現有工程機械智能化單機先進技術,將機群智能化技術作為獨立的專有技術開發,單機的智能主體可以兼容國內外主要廠商的產品。
本系統的實施中,采用開放式的開發方式,成立機群智能化的標準化組織,定義當前的智能單機實現智能主體所需提供的外部接口,由各個廠商作為組織成員提供所需設備與配件。這樣既保護了各自的知識產權,又帶動了我國工程機械行業的科技進步,有利于使機群智能化標準成為在我國實現的國際工程技術標準。
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參考文獻
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.智能主體及其應用.北京:科學出版社,2000