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基于多智能体技术的水面无人艇测控系统研究

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第30卷第3期 2008年6月 舰船科学技术 Vo1.30,No.3 SHIP SCIENCE AND TECHN0L0GY Jun.,2008 基于多智能体技术的水面无人艇测控系统研究 陈慈发 ,叶祥明 ,宋亚萍 ,葛团伟 (1.三峡大学,湖北宜昌443005;2.中国船舶重工集团公司第七一。研究所,湖北宜昌443003; 3.中国舰船研究院,北京100192) 摘 要: 多智能体技术适合于解决复杂系统的设计。在简要介绍多智能体技术和水面无人艇测控系统的基 础上,分析了将多智能体技术应用于水面无人艇测控系统设计的可行性,提出了水面无人艇多智能体测控系统模型 和架构设计,并探讨了系统的开发方法。 关键词: 智能体;多智能体;水面无人艇;测控系统 中图分类号:TP273 .5;U674.941 文献标识码: A 文章编号: 1672—7649(2008)03—0088—05 DoI:10.3404/j.issn.1672—7649.2008.03.016 USV monitoring system research based on multi-agent technology CHEN Ci.fa ,YE Xiang.ming ,SONG Ya.ping。,GE Tuan.wel‘ (1.Three Gorges University,Yiehang 443005,China;2.The 710 Research Institute of CSIC, Yiehang 443003,China;3.China Ship Research and Development Academy,Beijing 100192,China) Abstract: Multi-agent technology suited to solve complex system design.On the basis of briefly intro- dueing multi-agent technology and USV monitoring system,the feasibility of multi-agent technology for USV is analyzed,the USV multi-agent monitoring system model and architecture design are presented,and the de- velopment method is explored. Key words: agent;multi-agent;USV;monitoring system 0 引 言 多智能体技术是人工智能和软件工程领域中一 统紧密结合,是解决复杂的水面无人艇测控系统设计 的有效方法。 个崭新的研究方向,起步于20世纪90年代,其理论 基础是传统的人工智能(Artiifcial Intelligence,AI)、 1 智能体与多智能体系统概述 1.1 智能体 分布式控制(Distributed Control,DC)和分布式计算 (Distributed Compute,DC),起源于遗传算法创始人 Holland教授创立的复杂适应性系统(CAS)理论,既 关于智能体(Agent),至今还没有一个统一的定 义。一般认为,在没有人的干预下能够自主地完成给 定任务的对象都可以称为智能体,或者说是一种能够 自激运行、自主决策、可与环境(包括其他智能体)交 互的计算实体,通常具有以下一些特征 : 1)自主性。目标导向,自发、自预测行为; 可表示一个结构体系,也可被看作是一种全新的思想 体系。水面无人艇(Unmanned Surface Vessel,USV) 作为未来无人化战场的主要作战单元,具有智能体的 主要特征,可被视为一种智能体…。而其测控系统 通常是由有线网和无线网构成的复杂的计算机网络 系统,具有高度的智能化。将多智能体技术与测控系 收稿日期:2007—08—20 2)反应性。有选择性的感觉和行为能力; 3)适应性。从经验中学习并改进的能力; 4)协作性。与其他智能体协作共同达成目标的 基金项目:三峡大学科学基金资助项目 作者简介:陈慈发(1967一),男,研究员,主要从事遥控反水雷系统研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 陈慈发,等:基于多智能体技术的水面无人艇测控系统研究 ・89・ 能力; 5)推理性。基于任务的抽象叙述行为能力; 6)通信性。基于语言(知识)层级的通信能力, 使用类似人类语言的高层次语言,而不是传统的低层 次符号,与其他智能体通信; 7)拟人性。表现出类似人类性格与行为的能 力; 8)稳定性。长时间身份和状态的持续稳定的能 力。 根据这些特性,广义上的智能体是基于网络的、 协作的、自控制的实体,狭义上的智能体是具有类似 人类智能、感觉、理解和情感,有意识和认知能力的实 体。在各种类型的自动控制应用中,智能体都是系统 运行控制的中枢,它接受外界环境信号,作出相应的 反应,将决策过程归纳记忆,并以一定算法进行学习, 从而使其“智力”能力不断提高。其基本模型如图1 所示。 境 环 _-q 事件响应模块 l 一 信 通 模 知 I记忆与决策推理模块l 块 模 块 I f 动作执行模块卜_一 智能体 图1智能体基本模型 Fig.1 Agent basic model 从微观上讲,智能体说到底就是计算机内能够独 立运行,且具有推理记忆功能的程序模块,它采集数 据,经过分析、计算、推理与决策,给出适当的输出,在 统一的时钟推进下步进,具有自身目标且不达目 的不休止;还能与其他智能体通过通信原语进行交 流,向其他智能体发出指令,也能自动响应其他智能 体的请求。智能体结构一般定义为一个八元组: Agent::=<Aid,P,I,A,R ,see,next,action> 1.2多智能体系统 多智能体系统(Multi—Agent System,MAS)的基本 思想是利用组成系统的各智能体属性和行为,模拟组 成系统的个体以及个体之间的作用关系,通过研究个 体之间或个体与环境之间的关系来优化系统运行。 不同的学科有不同的定义,较一般的定义是,多智能 体系统是由多个自治单元组成的系统,且组成系统的 自治单元具有下述性质: 1)每个单元不具有完全解决问题的能力; 2)没有全局系统的控制; 3)数据是分散的; 4)计算是异步的。 因此,多智能体系统是一种高级系统,是由一组在 逻辑上或者物理位置上分布的多个Agent组成的较为 松散的“联邦”,各Agent按预先规定的协议,根据系统 的目标状态及自身的目的、资源和知识,利用通信网 络,相互间通过协商来确定各自的任务,协调行为,协 作完成共同的任务或解决复杂的问题,以达到整体目 标。MAS在表达实际系统时,通过各Agent间的通信、 合作、互解、协调、调度、管理及控制来表达系统的结 构、功能及行为特性。其典型结构如图2所示。 图2典型MAS结构图 Fig.2 Typical MAS structure 交互行为是智能体最重要的特征之一,智能体之 间能周期性地发生相互作用,以共享信息、知识和任 务的交流方式来共同完成特定的目标。其技术基础 是Agent间的通信能力。Agent间的通信通常采用描 述性的KQML语言,即知识提取与操控语言(Knowl— edge Query and Manipulation Language)。KQML语言 由信息格式和支持实时Agent信息共享的处理协议 组成,包括通信层、消息层和数据层。通信层描述低 层的通信参数,消息层解释语法和协议,数据层表示 信息的联系和通信原语的提交。消息(message)是 KQML语言的一个重要概念,其描述格式为: (register//关键字,消息头,表示发送消息的愿 望 :sender agent A//发送消息的智能体 :from agent B//当存在中间智能体时使 用,from original sender表示源智能体 :receiver agent C//接收消息的智能体 :to agent D//当存在中间智能体时使用, to final receiver表示目的智能体 :reply.with message 1//回复消息时的标志 :in—reply.to message 2//触发子任务的标 志 维普资讯 http://www.cqvip.com ・90・ :language common—舰船科学技术 第30卷 language//解释消息内 号均通过总线网传递。通信控制器作为交换机,将水 面无人艇与基站的无线测控网络和本艇局部有线测 控网络连接起来,是实现远程操控的关键。 水面无人艇采用分布式测控系统(Distributed Detecting&Control System)。自动驾驶、动力测控、武 备测控、应急测控等分别由各自的模块化设备完 成,雷达、定位、声呐、图像、测距、瞄准、跟踪、指示等 容的语言 :ontology common—ontology//分辨系统的 本体论,以解释消息帧的具体信息 :content “(ServiceProvision Manufacturing: TaskDecomposition)”//描述消息细节信息 ) 多智能体系统交互行为的设计最后归结为消息 侦测传感设备可直接挂接在总线网上,也可由传感中 的设计。 在分布式测控系统中,1个Agent在群体环境中 具有2个不同的角色:一是作为一个个体(indi- vidua1)存在,它具有完成一定任务的能力并能完成自 己的任务;二是作为合作群体中的一员(team mem- ber),和其他群体成员发生作用,因而决定了Agent 一方面要能直接进行局部问题求解活动,另一方面又 要能和其他Agent产生“三协”(协商、协调、协作)活 动。从而实现群体目标。 2 水面无人艇测控系统 水面无人艇又称无人水面艇,是依靠遥控或自主 方式在水面航行的无人化、智能化作战平台。作为无 人化战场中的一个重要作战单元,水面无人艇与无人 机、无人潜器、陆战机器人等并称无人化战场的“四 大金刚”,近些年逐渐得到世界各国的重视与发展。 水面无人艇从功能上可分为3部分:运载平台、 测控平台与武器平台。运载平台即艇体,通常包括 船、机、电;武器平台即配载的各种武器装备,一般具 有模块化的结构特点,可“即插即用(Plug and play)”;测控平台是“中枢神经系统”,是实现真正无 人化的关键。 典型的水面无人艇测控系统模型如图3所示。 图3中双线表示总线(BUS),可由RS485、CAN 或以太网等构成测控网络,所有指令、数据、状态等信 自动驾驶J I动力测控l l应急测控 传感中继I l武备测控1{I武备测控2 I...1武备测控Ⅳ f If 雾j 霉f}曩fJ萎『』 f蓁I』萋f耋J… 图3 USV测控系统模型 Fig.3 USV monitoring system model 继设备进行中继。所有测控设备必须具有相同的总 线网络接口,并按统一的通信协议进行会话,包括有 线网和无线网。 3 多智能体测控系统设计 3.1可行性 从Agent特性角度分析,MAS适合应用于具有下 列特征的系统: 1)各Agent自然分布,主体自治,地理位置分 散,数据分布; 2)各Agent间有灵活性交互需求; 3)各Agent必须应对动态变化的环境; 4)系统复杂,依靠单个Agent难以完成任务,或 虽有多个Agent,但彼此无法发挥整体性能。 显然,水面无人艇测控系统符合MAS系统的主 要特征。 1)模块化的结构设计是水面无人艇的主要特 征,也是必然要求。艇上通信控制器、自动驾驶仪、武 备系统、动力系统、传感器系统等均是以计算机为核 心的可电控装置,符合智能体的基本特性,换句话说, 每个模块都是一个智能体,整个无人艇就是一个多智 能体系统。 2)水面无人艇上各模块各就其位,灵活配置,通 过总线网络连接在一起,既可完成自己的任务, 又能通过网络与其他模块交互。 3)水面无人艇“同一平台、多种配置”的“即插 即用”发展模式决定了平台必须适应配置的变化。 每次执行不同的任务,都需要搭载不同的武器装备和 传感器,快速、自动、灵活的自适应能力是水面无人艇 测控系统必须具备的。 4)水面无人艇作为一个整体,其所要完成的任 务往往需要多个模块(智能体)的合作才能达成,只 有充分的协调、协商与协作,各模块有条不紊、按部就 班的工作,才能使水面无人艇这一复杂的系统正常运 行,而这些正是多智能体技术能够解决的问题。可 维普资讯 http://www.cqvip.com

第3期 陈慈发,等:基于多智能体技术的水面无人艇测控系统研究 ・91・ 见,将多智能体技术应用于水面无人艇测控系统,不 仅是可行的,而且能够发挥多智能体技术的优势,使 水面无人艇更加智能化。 3.2架构设计 抽象为上层的多层次结构体系,是设计多智能体系统 的重要技术手段。底层封装智能体的基本功能(包 括通信机制、事件响应、数据处理等)和消息数据结 构,提供一个通用的易扩展的支持平台,以方便、快捷 地构造不同的智能体。显然,采用面向对象的程序设 计(OOP)方法是必然选择。 建立面向多智能体的水面无人艇测控系统模型 和架构是首要任务,基本原则是将多智能体系统的技 术优势和USV测控系统的功能需求结合起来。目 基于上述思想,USV多智能体测控系统模型可 前,MAS系统的体系结构并无公认的定义标准,其原 因可能是由于设计MAS系统的具体项目时,必须首 先满足项目的实际需求,需求不同导致对系统结构的 定义的理解不同。虽然对于单个项目,使用特定的符 合实际需求的结构框架更加便捷,但结果是要想在其 他系统中使用这个系统的架构却很困难。 对于USV的MAS测控系统的架构设计,应从硬 件和软件2个层面来考虑,并注意以下技术要点 : 1)网络平台的统一性。USV上的智能体品种繁 多,生产厂家不同,采用的技术不同,功能不同,但必 须具有相同的网络接口,包括硬件上的机械、电气性 能接口和软件上的各层通信协议,这是实现多智能体 系统的基本前提,必须从总体上把握这一点。常用的 网络接口有RS485、CAN、以太网等,以CAN现场总 线网较为适用。 2)会话的性。智能体的协作性特征决定了 USV上的各智能体间必然要进行交互、会话,会话的 过程就是各智能体间消息的发送、接收、处理的过程, 应具有的线程或进程。由于各个智能体地 并行运行,智能体中的会话也必须具有并行处理能 力。这要求各智能体计算机的操作系统必须支持多 进程与多线程的工作方式。 3)通信的可靠性与安全性。各智能体间的通信 必须受到严格的保护,以保障智能体之间可靠、安全 的信息交互。在安全性方面,尽管一个智能体发生故 障时整个系统有能力提供解决方案,但是一个故障智 能体发出的错误请求,可能造成其他智能体的故障。 因此,需要对多智能体系统的通信进行保护。网络通 信过程中与多智能体通信无关的通信故障,也可能对 多智能体通信造成致命的影响,因此多智能体系统在 保证自己通信安全的情况下,也要能够对网络的故障 有一定的容错性。 4)功能的抽象性。各智能体在功能上虽然千差 万别,但由于都具有自主性、协作性、适应性、反应性、 智能性等智能体的基本特性。因此,采用分层结构的 实现方法,将智能体基本功能抽象为底层,特殊功能 构造成如图4所示。 蒌f f萋 If量}f蓁 fi蓁I i季l”f霉f f翠[ fI BUS2 BUS2 图4 USV多智能体测控系统模型 Fig.4 USV MAS monitoring system model 从图4可以看出,多智能体测控模型更加简单, 呈“梯”形,BUS1和BUS2是两根网络总线,所有智能 体都挂接在两根总线上。正常情况下,BUS1作为控 制总线,传送指令、消息、请求等,BUS2作为数据总 线,传送检测的各智能体数据、状态等。当有一根总 线出现故障时,另外一根可既作为控制总线,又作为 数据总线,进而形成具有容错功能的双总线备份系 统。同时,双总线网络上的节点数最大可达255个, 完全满足USV的测控要求。对于各智能体的设计, 只要具有双总线网络接口,并有自己的识别地址,就 能自由在测控网络上进出,具有高度的模块化、灵活 性和可配置性。 3.3开发方法 由于MAS系统尚处于发展阶段,面向Agent的 系统工程方法也是多种多样,主要存在3种方法 : 1)Gaia方法。该方法将系统视为一个由不同 “角色(Role)”构成的“社会”或“组织”,通过对“角 色”属性及其相互关系的定义来描述系统模型,系统 模型又分为成员结构、成员社会职责和成员关系等3 个子模型,“角色”属性主要有: ——职责:“角色”的功能; ——权限:使用资源的权利; ——活动:自主进行的运算; ——协议:成员的交互方式,包括目的、发起人、 响应者、输入、输出、处理等。 2)MAS.common KADS方法。该方法将系统分 析分为2个阶段:概念描述阶段和需求定义阶段。概 维普资讯 http://www.cqvip.com ・92・ 舰船科学技术 第30卷 念描述阶段使用用例图(Use Case Chart)获取用户初 能,侧重于硬件实现; 3)会话基类。建立各Agent间会话的基本过 程; 始需求,根据用例图生成消息顺序图(Message Se— quenee Chart),然后从消息顺序图中识别“角色”及其 交互关系。 4)会话规则基类。建立各Agent间会话的规 则; 3)BDI建模方法。该方法将Agent视为理性 Agent,并将信念(Agent具有的关于环境信息、其他 Agent信念和自身信息的集合)、愿望(Agent希望达 到或保持的状态)和意图(Agent承诺的愿望)作为 5)消息类。建立各Agent间消息传递的数据结 构; 6)测量类。建立Agent环境感知、信息采集的 Agent的3种基本精神状态来对Agent的行为进行描 述。BDI模型是一个概念和逻辑上的、更拟人的理论 模型,适合于Agent理性和推理机制研究。 上述第1种和第2种方法的联合使用较适于 USV的多智能体测控系统开发,这2种方法都是基于 软件工程的基本思想,采用UML来进行系统建模是 一个较佳的方案。事实上,USV测控系统硬件平台 一旦固化,面向MAS的测控系统开发就是软件的开 发,智能体就是软件。基于智能体的特性,采用面向 对象的开发平台,开发语言可选择c++或Java,开发 流程如图5所示。 图5 MAS系统开发流程 Fig.5 MAS development flowchart 按照Agent功能的抽象性,采用分层结构设计, USV的MAS系统的最底层至少应具有以下8类: 1)智能体基类。建立基本的智能体数据结构; 2)通信基类。建立各Agent间通信的基本功 基本功能; 7)控制类。建立Agent输出指令、切换状态、动 作执行的基本功能; 8)万能智能体。用于MAS系统的Agent仿真、 调试,具有USV上所有Agent的功能。 MAS测控系统的其他功能可在此基础上逐层抽 象并实现,从而逐步开发出USV的MAS测控系统。 4 结 语 多智能体技术目前仍处于不断发展与完善过程 中,在人工智能、软件工程、复杂系统设计等方面已经 显示出很大的优势。水面无人艇作为未来信息化战 场的主要作战单元,其测控系统的能力决定了它的价 值,也是它能否真正走向实用化的关键环节。将多智 能体技术应用于水面无人艇测控系统的设计,不仅可 行,而且能够充分发挥多智能体系统的技术优势,使 测控系统由传统的分布式迈向网络化的多智能体系 统,从而使水面无人艇也成为一个真正的智能体。 参考文献: [1] 康晓予,李伟,赵晓哲.多智能体技术与未来无人舰艇编 队[J].飞航导弹,2006(2):27—29. [2] 朱建伟,陈建.多智能体系统技术概论[J].机电设备, 2004(3):25—28. [3] 冯大可,王云莉,段广洪.实现多智能体系统的关键技术 与应用[J].计算机集成制造系统CIMS,2001(7):1—6. [4] 刘丹,谢益武.面向智能体的信息系统开发方法研究 [J].计算机技术与发展,2006(3):101—103. 

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