（产业经济学专业论文）多Agent技术在飞机除冰动态资源调度中的应用研究.pdf

捅要 随着我国民航的快速发展，如何保证飞机的运行安全和效率已经成为我国 民航发展过程中必须解决的关键问题。其中，飞机除冰是影响民航飞机冬季运 行安全和效率的关键因素之一。在冰雪天气中，附着在飞机机身表面的冰、 雪、霜等污染物会直接导致飞机的空气动力学特性的改变，成为造成空难的主 要原因之一。 飞机除冰过程是高度动态环境下具有强耦合的复杂系统，飞机除冰过程调 度问题是一类典型的不完整信息条件下的动态资源调度问题。存在环境变化和 不完整信息条件下的资源调度问题一直是学术界的研究热点，形成了若干理论 研究成果，并有着广泛的应用。而分布式人工智能，尤其是多a g e n t 技术在解 决这方面问题有很大的优越性。 a g e n t 技术是人工智能和计算机科学领域内新兴的研究热点。自治a g e n t 和多a g e n t 系统为复杂系统的分析、设计和实现提供了新的思路。由于多 a g e n t 具有并行性、适应性、开放性等特点，利用多a g e n t 系统的协调理论可 望有效的协调飞机除冰调度中不同a g e n t 的利益冲突，在获得全局最优调度方 案的同时兼顾不同航空公司主体利益。 本文将多a g e n t 理论与技术引入到飞机除冰动态资源调度系统中，首先根 据飞机除冰调度过程的业务特点，采用多a g e n t 技术构建飞机除冰调度模型， 对多a g e n t 个体进行分配与结构设计，明确各个a g e n t 的任务与功能。其次， 由于在多a g e n t 系统中，a g e n t 间的协调是与其他相关研究领域区别开来的关 键性概念之一，因此重点研究了飞机除冰动态资源调度系统中不同a g e n t 之间 的冲突解决与协商机制，并建立协作模型和求解过程，最后选用实际数据进行 仿真实验，与北京首都机场实际的调度系统进行比较，验证协作模型的实际效 果。 关键词：多a g e n t 系统，飞机除冰，动态资源调度，协调 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sc i v i la v i a t i o n , h o wt oe l l s u r ot h es a f e o p e r a t i o na n de f f i c i e n c yo f t h ea i r c r a f th a sb e c o m eak e yp r o b l e mi nt h ed e v e l o p m e n t o fo u rc o u n t r y sc i v i la v i a t i o nt h a tm u s tb ea d d r e s s e d a m o n gt h e m ，t h ea i r c r a f td e - i c i n gi nw i n t e ri so n eo f t h ek e yf a c t o r so fc i v i la i r c r a f to p e r a t i o n a l i nw i n t e r , t h ei c e ， s n o w , f r o s ta n do t h e rp o l l u t a n t sa t t a c h e dt ot h ea i r f r a m es u r f a c ew i l lc a u s ec h a n g e so f t h ea i r c r a f ta e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dl e a dt ot h ec r a s h a i r c r a f td e - i c i n gp r o c e s si sac o m p l e xs y s t e mw i t hh i g h l yd y n a m i ce n v i r o n m e n t a n ds t r o n gc o u p l i n g , m r c r a rd e - i c i n gs c h e d u l i n gi sat y p i c a ld y n a m i cr e s o u r c e s c h e d u l i n gp r o b l e mw i t hi n c o m p l e t ei n f o r m a t i o n d y n a m i cr e s o u r c 宅s c h e d u l i n g p r o b l e m sw i t hu n c e r t a i ne n v i r o n m e n ta n di n c o m p l e t ei n f o r m a t i o nh a sb e e nah o ti n a c a d e m i cr e s e a r c h e s ，a n dh a sc r e a t e ds o m et h e o r e t i c a lr e s e a r c hr e s u l t s ，i ta l s oh a d w i d e s p r e a du s e s d i s t r i b u t e da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，i np a r t i c u l a r , a g e n tt e c h n o l o g yh a s al o to fa d v a n t a g e si ns o l v i n gt h i sp r o b l e m m a si san o wh o ts p o ti nt h er e s e a r c ho fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n dc o m p u t e r s c i e n c e s e l f - g o v e r n i n ga g e n ta n dm u l t i a g e n ts y s t e mp r o v i d ean e ww a y o ft h i n k i n g f o rc o m p l e xs y s t e m sa n a l y s i s ，d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n b e c a u s eo fm a s s p a r a l l e l i s m , a d a p t a b i l i t ya n do p c a m e s sc h a r a c t e r i s t i c sa n dm u l t i - a g e n ts y s t e mi s c o m p o s e do fac o l l e c t i o no fs e l f - g o v e r n m e n ta g e n t , u s i n gm u l t i - a g e n ts y s t e mi s e x p e c t e dt oc o o r d i n a t et h ec o n f l i c t sa m o n gd i f f e r e n ta g e n t si na i r c r a f td e i c i n g , a c c e s s t ot h eg l o b a lo p t i m a ls c h e d u l i n gs c h e m ea n da tt h e 韶l n et i m et a k ei n t oa c c o u n tt h e m a i ni n t e r e s t so fd i f f e r e n ta i r l i n e s i nt h i sa r t i c l e ，t h et h e o r i e sa n dt e c h n i q u e so fm a si si n t r o d u c e di n t od y n a m i c r 啪u r c es c h e d u l i n go fa i r c r a f td e - i c i n gs y s t e m f i r s to fa l l ，a c c o r d i n gt ot h ea i r c r a f t d e - i c i n go p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea c t i v a t i o np r o c e s s ，w cb u i l dt h em r c r a f i d e i c i n gs c h e d u l i n gm o d e lb yu s i n gm u l t i - a g e n tt e c h n o l o g y , a n dd e s i g n e dt h e i n d i v i d u a la g e n t s f u n c t i o nt om a k ec l e a ra l la g e n t sm i s s i o na n df u n c t i o n s e c o n d l y , i nam u l t i - a g e n ts y s t e m ，t h ec o o r d i n a t i o na m o n gd i f f e r e n ta g e n t si sak e yc o n c e p t c o m p a r ew i t l lo t h e rr e l e v a n ta r e a s ，s ow o f o c u s e do nt h ec o n f l i c t s r e s o l v i n g m e c h a n i s m sa n dc o o r d i n a t i o nm e c h a n i s m si nt h ea i r c r a f t d e i c i n gd y n a m i c r e s o u r c e ss c h e d u l i n gs y s t e m f i n a l l y , w es e l e c tt h ea c t u a ld a t aa n dc a r r yo u ta s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n dc o m p a r e dw i mt h ep r a c t i c a ls c h e d u l i n gs y s t e mi nc a p i t a l a i r p o r tt ov c = r i f yt h ea c t u a le f f e c to f c o l l a b o r a t i o nm o d e l k e y w o r d s ：m a s ，a i r c r a f td e - i c i n g ，d y n a m i er e s o u r c e ss c h e d u l i n g ， c o o r d i n a t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解对外经济贸易大学关于收集、保存、使用学位 论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的 印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版， 并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有 权提供目录检索以及提供本学位论文全文或部分的阅览服务；学 校有权按照有关规定向国家有关部门或者机构送交论文；在以不 以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内 容用于学术活动。保密的学位论文在解密后遵守此规定。 力。1 年乡月陟e l 卅年岁月。日 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文所涉及的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本 人承担。 特此声明 学位论文作者签名：7 触角 孙7 年箩月拶日 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 随着我国民航的快速发展，如何保证飞机的运行安全和效率已经成为我国 民航发展过程中必须解决的关键问题。其中，飞机除冰是影响民航飞机冬季运 行安全和效率的关键因素之一。飞机除冰是指去除飞机大翼及机身表面的冰、 雪、霜的过程。由于附着在飞机表面的冰雪霜等污染物会直接导致飞机的空气 动力学特性的改变，如升力下降、失速迎角改变等，这种动力学特性的改变也 是造成空难的主要原因之一。此外，聚集在飞机表面的冰块在飞机起飞后容易 脱落并吸入发动机，造成发动机损坏，从而引发空难。据统计，在过去2 5 年 里，由于飞机除冰问题已经造成了1 8 起空难，其中包括我国包头“1 1 2 l 一空 难、美国“1 1 2 9 ”科多拉州空难、英国“1 4 伯明翰空难等，导致千余人罹 难。因此，冬季飞机除冰问题已经成为影响飞机飞行安全的隐患之一。同时， 飞机除冰问题也是造成冬季冰雪天气条件下航班大面积延误的主要原因之一， 特别是对大型枢纽机场的影响尤为严重。近几年，我国的北京首都国际机场、 上海虹桥机场均发生过由于飞机除冰导致的航班大面积延误，由此影响到全国 航班的正常运行，造成巨额的经济损失。 增加现有飞机除冰装备的数量、改进除冰装备的性能是提高飞机除冰质量 和除冰效率的途径之一。为此，2 0 0 5 年，民航总局对全国机场的飞机除冰雪状 况进行了调研，并根据各机场的情况进行了设备的更新和改进，在大型枢纽机 场建立飞机集中除冰系统，以最大程度提高飞机除冰质量和效率。在飞机除冰 设备改造更新完成后，如何对飞机除冰过程进行科学合理的调度和规划则成为 提高飞机除冰质量和效率的关键问题，研究面向高效、安全的飞机除冰过程调 度与过程控制的理论和方法也成为我国民航机场未来提高冰雪天气飞机运行安 全和运行效率的重要途径之一。 飞机除冰过程是高度动态环境下具有强耦合复杂系统。飞机除冰过程环境 的动态性和系统的耦合性表现在以下几个方面：l 、冰雪霜天气具备一定的偶然 性和突发性，多数条件下飞机除冰过程并非机场正常运行规划调度的组成部 分，飞机除冰环节的介入，离港、空管等其他部门的运行调度也需要根据天气 情况进行短期的动态调整；2 、冰雪天气条件下，机场整体的运行能力会大幅降 低，而飞机除冰过程具有一定的时效性，时效性的原因在于目前国际上普遍使 用的除冰液都具有一定的保持时间，根据天气情况的不同，其保持时间会有所 变化，根据飞机除冰液标准，最长的保持时间不超过1 8 分钟，超过保持时间， 会增加已完成除冰飞机的二次结冰概率，从而给飞行安全带来隐患，而不同类 型的飞机除冰过程时间也在很大范围内变化，因此，飞机除冰过程表现为一定 程度的不确定性，需要机场其他系统根据飞机除冰过程要求进行动态的调整和 调度；3 、机场内运行的飞机隶属于多家航空公司，每个飞机个体代表着本公司 的利益，在冰雪天气条件下，单体飞机均以减少延误，减少公司运行损失为目 的，在飞机除冰过程中，整体表现具有趋同性，在某一时间段内，也会给除冰 过程带来很大的不确定性和动态性。因此，飞机除冰过程调度问题是一类典型 的不完整信息条件下动态资源调度问题。 存在环境变化和不完整信息条件下的资源调度问题一直是学术界的研究热 点，形成了若干理论研究成果，并在生产过程、医疗、港口和机场资源调度等 领域有着广泛的应用。目前关于动态调度的研究主要是采用集中调度的方法来 进行研究，而且在很多领域取得了不错的效果，但是对于除冰调度这种多个利 益主体( 机场、航空公司和除冰服务部门) 的情况，集中调度方案显然有其局 限性，而分布式人工智能，尤其是多a g e n t 技术在这方面却有很大的优越性。 随着多a g e n t 技术的日益发展成熟，该技术已被广泛应用于各个领域，并 被认为是研究分布式智能系统的最重要的方法。目前，相当多的研究人员将该 技术应用于制造业和现代服务业的各个方面，如制造企业集成，供应链管理， 制造规划、调度及控制，物料管理及应急响应等等。本论文的工作正是基于这 样一个背景展开的，本文旨在对存在环境变化和不完整信息条件下的动态资源 调度问题一飞机除冰调度问题进行研究，以北京首都国际机场飞机除冰为背 景，利用现有的飞机集中除冰系统装备，采用多a g e n t 技术，对飞机除冰的调 度和过程控制进行深入的理论研究，以期最大程度提高机场飞机除冰的质量和 效率。 1 2 课题研究现状 多a g e n t 技术的应用研究开始于2 0 世纪8 0 年代中期，由于网络和计算机 科学技术的快速发展，其应用研究近几年呈明显增长的趋势，而a g e n t 和m a s 的理论和技术与许多其他领域相互借鉴和融合，也使其得到了广泛的应用，并 成为人工智能甚至计算机科学的研究热点，在具体的应用中涉及领域较宽。在 电力系统中，多a g e n t 技术已开始参与电力系统计算和设计中，文献基于 a g e n t 的电力系统控制协调的智能体构架通过m a s 来完成电力系统中各控制 系统之间的协调问题，并构建了电力系统的多控制器系统( m u l t i c o n t r o l l e r s y s t e m ，m c s ) 的模型和它的智能体系结构；m a s 在交通控制领域的应用已成 为一个日趋成熟的方向。特别是在空中交通控制方面，结合对策论和优化理论 的m a s 技术，目前已提出一个空中交通管理系统( a i rt r a 伍cm a n a g es y s t e m , a t m s ) 的构建模型；m a s 技术的应用已深入到军事系统仿真研究中，在坦克 分队作战仿真系统研制中也在不断运用a g e n t 相关理论，李永强等充分利用 2 a g e n t 建模与仿真技术的优势，在分析了坦克分队计算机生成兵力( c o m p u t e r g e n e r a t e df o r c e s ，c g f ) c g f 通讯系统所应具有的层次结构和通讯仿真需求的基 础上，提出了利用a g e n t 的( k q m l ，k n o w l e d g eq u e r ya n dm a n i p u l a t i o nl a n g u a g e ) 通信语言实现坦克分队c g f 中各种实体之间的交互通信与信息传递，构建了一 种对话模式的坦克智能体之间的通讯机制，提高了坦克分队c g f 仿真开发中通 讯机制的有效性、可靠性、透明性；在分布式地理信息系统( g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m , g i s ) 方面，a g e n t 技术为分布式g i s 带来新的技术发展。将 a g e n t 技术引入分布式g i s 领域，解决了存在于多服务站点协同工作问题，为 分布式g i s 的建设及应用提供了一个全新的概念和方法，有着重要的应用意 义。 在解决多利益主体构成的资源动态优化调度问题方面，多a g e n t 思想也得 到广泛应用，v e r m e u l e n 等针对医院患者排队问题，提出了基于多a g e n t 的优化 调度方案，并对协调优化机制进行了探索性研究。l i u & s y e a r a 研究开发了针 对j o bs h o p 的多a g e n t 优化调度方案，提出了标准的作业程序和协调机制，但 是在协调机制设计中并未考虑a g e n t 个体的竞争性和私利性。杨神化等采用多 a g e n t 模型对港口交通进行智能模拟等。但在飞机除冰调度这一领域，采用多 a g e n t 技术进行资源调度的研究则是刚刚起步，相关文献也比较少。飞机除冰 调度与过程控制是指在机场资源有限的条件下，对除冰设备设施进行优化调度 与控制，以最大程度提高除冰效率和除冰质量，飞机除冰问题涉及因素较多且 多具有多利益主体并存、偶然性和动态性的特点。x i a o y um a o 将协调和竞争机 制引入到飞机除冰优化调度中，提出基于多a g e n t 的飞机除冰调度模型，并采 用神经进化算法提高调度过程的效率和公平性。a d r i a a n 等提出了基于多a g e n t 的飞机除冰调度方案，并对其协调机制进行了深入研究。 目前，虽然对多a g e n t 技术的研究非常活跃，涉及到许多领域，包括远程 通信、网络管理、机器人、电子商务、知识表示、问题求解、规划、预测决 策、人机界面等，对多a g e n t 系统的研究也已经取得了一定进展，但是，要实 现多智能系统的设计和建造是非常困难的，尤其是如何实现a g e n t 之间的灵活 复杂的交互，还需要进一步研究。由于多a g e n t 系统的提出是为了解决复杂 的、开放的分布式问题，因此还必须进行应用研究，在解决实际问题的过程 中，逐步地发展和完善多a g e n t 技术和理论。 1 3 本文的主要研究内容和创新点 1 3 1 研究内容和章节安排 本文的主要研究内容是根据飞机除冰调度过程的业务特点( 以北京首都国 际机场飞机除冰为背景) ，采用多a g e n t 技术构建飞机除冰调度模型，并重点研 3 究多a g e n t 之间的协调与协作模式。整个论文分为“导论”、“多a g e n t 模型建 立”和“飞机除冰动态资源调度系统的协商策略研究 三部分。 第一部分“导论 由论文的第一章“绪论”和第二章“多a g e n t 相关理论 与技术 构成。对相关的研究工作、理论和技术作了分析与介绍，对课题提出 的背景、目的和意义做了概述。 第二部分建立基于多a g e n t 的飞机除冰调度模型，由第三章构成。在本部 分中，对机场飞机除冰的调度业务进行分析、描述并建立系统框架结构，并对 多a g e n t 个体进行分配与结构设计，明确各个a g e n t 的任务与功能。 第三部分由第四章“飞机除冰动态资源调度系统的协商策略研究 构成。 在本部分中，以机场飞机除冰业务为背景，根据第三章建立的多a g e n t 系统模 型以及个体a g e n t 的任务分配，进一步研究不同a g e n t 之间的冲突解决与协商 机制，通过在拍卖报价协调策略中引进违约惩罚机制，在保证调度策略优化的 同时兼顾不同航空公司之间公平。最后进行仿真实验，以验证协作模型的实际 效果。 1 3 2 论文创新点 目前国内在理论方面还没有基于多a g e n t 技术的飞机除冰调度研究，国外 的研究虽然取得了一定的成果，但是只是通过一个理想的简化模型对飞机除冰 问题进行了初步研究。 本论文主要的创新之处在于构建了基于多a g e n t 技术的飞机除冰调度模 型，建立了更加明晰的各利益主体，在协调调度策略方面采用引进违约惩罚机 制的拍卖报价方式，综合考虑飞机除冰调度中各不同利益主体，在讲究效率的 同时兼顾不同航空公司的利益。 4 第2 章多a g e n t 相关理论与技术 2 1a g e n t 的相关概念及结构 2 1 1a g e n t 的定义 关于a g e n t ，目前学术界并没有一个确切统一的定义。w o o l d r i d g 和j e n n i n g 对“a g e n t 的不同定义进行了总结，给出了现在基本上被学术界公认的定义。 他们认为“a g e n t 按其用法可分为两种，也就是“a g e n t ”的两种定义：弱定 义和强定义1 。 “a g e n t 的弱定义： 1 、自主性：这是一个a g e n t 的基本特性，即可以控制它自身的行为和内部 的状态。 2 、社会性：可以通过a g e n t 通讯语言与其它的a g e n t 进行交互。 3 、反应性：a g e n t 能够感知其所处的环境( 可能是物理世界，或操作人机 界面的用户，或与它进行交互和通信的其它a g e n t 等) ，并及时迅速地对之做出 反应，以适应环境的变化。 4 、能动性：a g e n t 可以主动采取行动，以显示其具有面向目标的特性。 5 、时间连续性：又称为长寿性。传统的程序由用户在需要时激活，不需要 时或运算结束后终止。a g e n t 与之不同，它可以至少在“相当长一的时间内连 续运行。 符合强定义的a g e n t ，除了具有弱定义中的特性以外，通常还具有以下的 一种或几种特性： 1 、移动性：指a g e n t 能在计算机网络上“移动 。 2 、诚实性：指a g e n t 都是诚实的，即它们不会故意的向外界传递假信息。 3 、慈善性：指假设群体a g e n t 之间的目标没有冲突，因此，a g e n t 不会拒 绝其它a g e n t 对它的请求，它会尽力把委托给它的任务完成。 4 、理性：指a g e n t 都是理性的，即它的行为都是以其目标为出发点。它的 任何行为就算没有对实现目标做出贡献，起码不会阻碍目标的实现。 有些学者认为a g e n t 就是对象，实际上a g e n t 与对象既有相同之处，又有 很大的不同。a g e n t 和对象一样具有标识、状态、行为和接口。但a g e n t 和对 象相比也有一些差异，主要有以下差异2 ： l 、与对象相比a g e n t 包含有更强的自治性的概念，特别是它们自己决定是 否接受其它a g e n t 的请求执行一个动作。 2 、a g e n t 具有灵活的( 反应的、预动的、社会的) 行为能力，标准的对象模 1 w o o l d r i g em j ，j e n n i n g sn ，i n t e l l i g e n ta g e n t ：t h e o r ya dp l a c t i c e k n o w l e d g ee n g i n e e r i n gr e v i e w s ，1 9 9 5 2 王红卫，建模与仿真，科学出版社，2 0 0 3 5 型根本没有这种行为能力。 3 、多a g e n t 系统本质上是多线程的，其中每个a g e n t 至少有一个控制线 程。a g e n t 本身可以通过面向对象技术来实现，而且目前大多数a g e n t 都采用 了面向对象技术。 2 1 2a g e n t 的特性 从a g e n t 的定义可知，a g e n t 首先是智能的，它应对环境有响应性、自主 性和能动性等；同时，a g e n t 是具有社会性的3 。 自主性：一个a g e n t 在没有与环境的相互作用或来自环境的命令的情况下 自主执行任务。这是a g e n t 区别于普通软件程序的基本属性。 响应性：a g e n t 必须对来自环境的影响和信息做出适当的响应。 能动性：a g e n t 不仅对环境变化做出反应，而又在特定情况下采取主动行 动，这种自身采取主动的能力需要a g e n t 有严格定义的目标。 社会性：它也称为协作性，能够通过某种a g e n t 通讯语言与人或其他 a g e n t 相互作用。 推理学习自适应能力：a g e n t 的智能由三个主要部件来完成，即内部知识 库、学习或自适应能力以及基于知识库内容的推理能力。 2 1 3a g e n t 的结构 从建造a g e n t 的角度出发，单个a g e n t 的结构通常分为思考型a g e n t 、反 应型a g e n t 和混合型a g e n t 4 。 1 、思考型 将a g e n t 看作是一种意识系统。即通过符号a i 的方法来实现a g e n t 的表 示和推理。这种体系结构存在的问题是：将现实世界翻译成准确、合适的符号 以及对这些信息进行推理和决策的实现都很困难，见图2 1 。 图2 1 思考型a g e n t 资料来源：多a g e n t 技术研究与应用；本研究整理 3 周立柱、赵洪彪，( a g e n t 行为及其新的服务方式，计算机科学，1 9 9 9 年第3 期，第5 1 5 4 页 4 李微、张凤鸣，多a g e n t 技术研究与应用，微计算机信息 ，2 0 0 6 年第2 2 卷第8 3 期，第2 9 3 - 2 9 4 页 6 2 、反应型 在此结构中，a g e n t 不需要知识，不需要表示，也不需要推理，可以像人类 一样逐步进化，a g e n t 的行为只能在现实世界与周围环境的交互作用中表现出 来。但是，当a g e n t 需要那些通过推理或记忆才能获得的知识时，此种结构便 面临着难以解决的问题，见图2 2 。 图2 2 反应型a g e n t 资料来源：多a g e n t 技术研究与应用；本研究整理 3 、混合型 通常包括如下两部分的层次：高层是一个包含符号世界模型的意识层，它 用传统符号灿的方式处理规划和进行决策；低层是一个能快速响应和处理环 境中突发事件的反应层，它不使用任何符号表示和推理系统。混合型a g e n t 综 合了前两者的优点，具有较强的灵活性和快速响应性，见图2 3 。 图2 3 混合型a g e n t 资料来源：多a g e n t 技术研究与应用；本研究整理 从当前的研究和应用现状来看，思考型a g e n t 占据主导地位，因为多数研 究和开发者都喜欢使用自己已经较为熟悉的符号灿技术和方法；反应型a g e n t 的研究和应用目前尚处于初级阶段；混合型a g e n t 由于集中了上述两种a g e n t 的优点而成为当前的研究热点。 7 2 2 多a g e n t 系统的主要理论及结构 2 2 1 多a g e n t 系统概念 当前多a g e n t 系统也没有统一的定义，所谓多a g e n t 系统5 是指由多个 a g e n t 组成的系统，它是为了解决单个a g e n t 不能够解决的复杂问题，由多个 a g e n t 协调合作形成的问题求解网络。为了使a g e n t 之间能够合理高效地进行 协作，a g e n t 之间的协调机制成为多a g e n t 系统研究的重点问题。一般地，每 个a g e n t 被认为是一个物理的或者抽象的实体，能够作用于自身和周围环境， 并与其他a g e n t 通信。实际上，多a g e n t 系统的研究方法是用模拟人类社会系 统的运作机制来提高计算机系统解决复杂问题的能力的。如同一个人无法完成 许多复杂和巨大型的任务一样，单个a g e m 也无法设计成有足够的能力来解决 面临的许多问题，因此，采用多个a g e n t 进行协作，通过任务分解和任务协调 提高整个系统的能力是一个可行的途径。另外通过多a g e n t 之间的合作还可以 克服单个a g e n t 知识不完全，处理的信息不确定等缺点。 多a g e n t 理论的研究实质上是分布式人工智能d a i ( d i s t r i b u t e da r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ) 的- - 个分支。分布式人工智能侧重于对计算机制的研究，如对分布 的传感器数据的分析、组织结构和协调协议等的研究。这方面的研究已经开展 了近二十年，逐步走向成熟。但是，随着传统的人工智能研究的深入，出现了 协商理论、分布推理、a g e n t 间的学习和通讯语言等新兴的研究领域。这些研 究工作的深入，也使得d a i 的研究重点逐渐转向以多个具有智能和自主性的 a g e n t 为主体对象的多a g e n t 理论研究。 2 2 2 多a g e n t 系统的特点 基于多a g e n t 的系统是由多个a g e n t 基于一定的协调机制组成的自组织系 统。a g e n t 的自主性和系统的协调机制使得多a g e n t 系统在描述复杂系统方面 具有优越的特点6 。 1 、分布性：多a g e n t 系统不仅在结构上是分布的，在逻辑上也是分布的， 其中的a g e n t 具有不完全的知识和分布的决策能力，计算也是异步进行的，因 此多a g e n t 系统非常适合于并行操作。多a g e n t 系统可通过并行机制加速系统 的运行。一个任务可以分解成若干个子任务，这些子任务可分别由不同的 a g e n t 完成。 2 、适应性：多a g e n t 可以在协调机制下通过交互和自学习适应环境的变化 和不确定性。 3 、开放性：a g e n t 无论从概念上还是从实现上都是一种封装模型，其内部 结构和算法可以由不同人在不同时间和地点采取不同方法加以实现，通过标准 5 颜跃进、李舟君、陈跃新，多a g 即t 系统体系结构 ，计算机科学 ，1 9 9 9 2 8 ( 5 ) ，第3 2 3 6 页 6 胡舜耕、钟义信，多a g t 系统的理论技术及其应用，计算机科学 ，1 9 9 9 2 6 ( 9 ) ，第2 0 - 2 4 页 8 的消息接口加入到多a g e n t 系统中。 4 、鲁棒性：对于外界的干扰，多a g e n t 系统可通过a g e n t 间的交互协调进 行参数调整来保持系统的性能水平。 2 2 3 多a g e n t 系统结构 m a s 的结构旨在刻画系统中a g e n t 之间的连接，揭示a g e n t 间的信息和控 制关系，反映系统中信息的存储和共享方式、问题求解能力的分布模式等。如 图2 4 ，它被认为是一个标准的m a s 系统结构图7 ，其中的a g e n t 可以在环境中 各自行动，不同的a g e n t 有不同的“作用范围 ，但这些作用范围可能会相互重 叠。各a g e n t 影响范围相重叠的事实反映着a g e n t 的活动之间存在依赖关系， 需要建立合适的交互框架进行协调。 交互 a g e n t 图2 4m a s 系统标准结构 资料来源：a g e n t 和多a g e n t 系统的设计与应用 m a s 中a g e n t 间的交互框架直接影响着a g e n t 和m a s 智能性的发挥，也 影响着整个系统的性能。合适的交互框架选择一般视不同的应用而定，通常区 分为完全集中式，完全分布式和联邦式三种形式。 图2 5 描述了完全集中式的组织结构。在这种组织模式下，m a s 中有一个 主控a g e n t ，具有极强的决策能力和权威，控制着全局数据的一致性和所有的 7 何炎祥、陈萃萌， a g e n t 和多a g e n t 系统的设计与应用) ，武汉大学出版社，2 0 0 1 9 决策权，与其他a g e n t 之间存在着一种主从关系。这种结构的优点是可以降低 系统的复杂性，减少a g e n t 间由协商产生的通信开销。缺点是对主控a g e n t 的 要求很高，如果系统中的各a g e n t 的行为比较复杂，或者a g e n t 的数目比较 多，那么得出一个全局一致的行为规划是极为困难的。因此，这种结构不适合 动态、开放的环境，只适于系统规模不大、系统环境相对明确的环境。 图2 5 完全集中式的m a s 结构 资料来源：同上；本研究整理 图2 6 描述的是完全分布式的结构，m a s 中所有的a g e n t 是独立自治的， 彼此间是完全平等的关系，需要合作时a g e n t 间可直接进行通信，这种结构可 扩展性强，可以充分发挥各a g e n t 的自治能力，缺点是通信量大，它要求 a g e n t 有较强的自适应能力或通信能力，适用于规模大、通信基础设施和技术 容易实现的系统。 图2 6 完全分布式的m a s 结构 资料来源：同上；本研究整理 图2 7 描述的是联邦式的m a s 结构，它是集中和分布混合使用的一种结构 形式一方面，它可以将系统看成是由多个不同的联邦组成，以这些联邦为构成 单元所组成的系统是完全分布的；另一方面，对每个联邦而言，它是由多个 a g e n t 组成的一个子系统，其中的控制由某个称为f a c i l i t a t o r 的a g e n t 负责，属 于完全集中式的控制结构；不同联邦间的通信在各联邦的f a c i l i t a t o r 间进行。 1 0 图2 7 联邦式的m a s 结构 资料来源：同上；本研究整理 不管是哪种形式的m a s 组织结构，其产生方式主要有：联盟形成方法、 交互形成方法和面向结构的方法。联盟形成方法是由s a n d h o l m 和s h e h o r y 等基 于对策论中的多人合作博弈理论提出的，它通过a g e n t 各自计算的独立收益和 期望联盟收益，决定是否加入联盟，最终产生的联盟就是一个典型的m a s 。联 盟形成方法构建m a s 的过程主要包括联盟结构的形成、联盟值的计算和联盟 值在成员中的分配等重要步骤8 。交互方法构建m a s 主要指：基于协商的合同 网协议、基于依赖关系的社会推理、基于价格调控的市场方法和组织的自设计 方法等，其显著的特点是在m a s 实现前，不存在某种明确的组织结构。面向 结构的方法是以某种组织结构为前提，通过角色的分配与调整，a g e n t 的加入 和退出来实现，这种方法与人类社会的组织结构产生机制类似。 2 3 本章小结 本章主要介绍了a g e n t 和多a g e n t 的概念、特点及结构，给出了a g e n t 的 定义及与对象的区别，并从构建a g e n t 的角度出发，介绍出了a g e n t 的三种结 构；介绍了多a g e n t 系统的概念及多a g e n t 系统的系统结构及各自特点。 st s a n d h o l m , o s h e h o r y , m a n d e r s s o n , a n y t i m ec o a l i t i o ns t r u c t u r eg e n e r a t i o nw i t hw o r s tc a s eg u a r a n t e e s ， p r o c e e d i n g s o f t h e f i f t e e n t h n a t i o n a l ，c o n f e r e n c e o n a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ( a a a i ) ，p p 4 6 - 5 3 ，m a d i s o n ，w 1 ，j u l y , 1 9 9 8 l l 第3 章基于多a g e n t 的飞机除冰调度模型的建立 3 1 飞机除冰调度业务现状 3 1 1 机位除冰与集中除冰 目前飞机除冰的方式主要有机位除冰和集中除冰两种9 。机位除冰是指在机 场进行飞机排班、机位调配、旅客登机之后飞机起飞之前，除冰车前往停机坪 对飞机进行除冰服务。而集中除冰是指飞机在旅客登机之后起飞前，滑入除冰 坪对机身进行除冰然后起飞的过程。在集中除冰系统方式中，设置了专门的除 冰坪，除冰坪一般设置在跑道的两端头。目前除北京首都机场外，我国各民航 机场全部采用机位除冰，这种分散的除冰作业方式存在诸多问题，主要表现 在： 1 、除冰过程缺乏统一的指挥和协调，整个除冰过程处于无序状态，除冰后 无法保证飞机在除冰液有效保持时间内及时起飞，容易造成二次除冰问题，不 仅增加了除冰成本，也给飞行安全带来极大的隐患。 2 、降低了机位资源的利用率，从而使得整个机场容量和运行效率受到影 响。 3 、冰车的往返加液过程浪费了大量的时间，不仅降低了除冰设备资源的使 用效率，还增加了与飞机及地面运行车辆发生碰撞的几率，进一步降低了机场 容量和运行效率。 4 、由于冻融效应，机位除冰方式会导致停机位道面的大面积损坏，导致巨 额损失，这种情况在北方机场尤为突出。 5 、除冰液是乙二醇基的毒性液体，其直接排放会给周围生态带来不可逆转 的破坏，由此将引发环境问题。 综上，机位除冰会造成更多的航班延误，并导致机场整体运作秩序的混 乱，也使航空公司、机场、空管的运行成本和安全风险提高。 随着民航机队规模的扩大，机位除冰方式已经无法保证冬季运行效率和安 全需求，飞机集中除冰已经成为国际上通用的作业方式。与机位除冰方式相 比，集中除冰作业方式具有下述优势： 1 、保证飞行安全，集中除冰实现了飞机除冰过程的统一指挥和协调，可以 杜绝二次除冰问题，从根本上消除了飞机的飞行安全隐患。 2 、提高除冰作业效率，减少延误，集中除冰方式可实现除冰液的就地供 给，减少除冰车往返所消耗的辅助时间，从而提高除冰作业效率，减少延误。 3 、提高除冰车除冰作业能力，集中除冰作业在一定温度下进行除冰液的配 比作业，并配备自动搅拌系统，可保证除冰液的充分混合，提高除冰液的除冰 9 中国民航大学，飞机集中除冰系统方案 1 2 效果。 4 、缩短除冰车除冰准备时间，集中除冰系统可以减少除冰液预热时间和燃 油加注频率，从而可大幅缩短除冰车作业准备时间。 5 、减少除冰过程的刮蹭事故，集中除冰作业方式避免了除冰车在狭小的机 位空间与飞机发生碰撞的几率。 6 、减少机坪道面破坏，集中除冰实现了除冰液的快速集中回收，避免了因 冻融效应导致的机坪大面积损坏。 7 、保护环境和生态，除冰液的集中回收处理最大程度减少除冰液对机场周 围环境和生态的破坏。 本文拟建立的飞机除冰动态资源调度系统即是基于集中除冰的方式。 3 1 2 飞机集中除冰系统流程 在飞机集中除冰系统中，为保证集中除冰作业效率，需要空管、机务、场 务、机组等多个部门的协调配合，各部门的基本职责和作业过程描述如下： l 、机组 ( 1 ) 按照正常程序完成各项保障作业，飞机关闭舱门后申请推出开车； ( 2 ) 按照塔台指令滑出至除冰等待点等待； ( 3 ) 按照引导车、入位引导员及机务人员信号操纵飞机进入除冰位进行除 冰工作； ( 4 ) 得到机务许可后，联系塔台并按照塔台指令离开除冰位前往起飞跑 、* 遭o 2 、塔台 ( 1 ) 指挥飞机前往除冰等待点； ( 2 ) 飞机到达