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多智能体技术及其在生产系统协调控制中的应用 摘要 目前，多智能体系统是人工智能领域的研究热点。浚系统是由多个智能体相互作用而组 成的一个松散的多智能体社会。智能主体具有以下特性：自主性、社会能力、反射性、前瞻 性、理性和学习能力。多智能体系统是一种分布式自主的系统，采用基于协商的决策，能够 在相同环境中采用不同的解决问题方法，具有并行性、智能性和柔性。针对现代生产过程中 系统控制的复杂性，难于实现协调控制，本文提出将多智能体技术自动化程度高，易于集成 的优点，用于生产系统的控制中，以包装装箱生产线为研究对象，进行多智能体技术的应用 研究，实现系统的协调控制。本文的主要研究工作如下： 1 详细全面地介绍了智能主体及其理论。 介绍分析了智能体的特征、分类、结构体系、理论模型，智能体具有感知、通信、行动、 控制和推理能力等基本功能，它包括三个基本的层次，即通信层、协作层和控制层。然后介 绍分析了多智能体系统的模型和结构，多主体的协作与协调。 2 采用公共主体请求代理体系结构( c a r b a ) 。 采用c a r b a 作为多智能体之间交换数据的中间环节，在异构环境下按照功能分解系 统，划分系统框架。按照需要集成各个功能部件，灵活组成系统。 3 多智能体的协调与合作。 这是多智能体控制的核心部分，运用黑板模型对包装生产线的多智能体系统进行协调。 由多个智能体相互协调实现对复杂系统的控制，便构成多智能体控制系统，多智能体系统中 每个智能体是一个物理的或抽象的实体，能作用于自身和环境，操纵环境的部分表示，并与 其他智能体通讯。 4 主体通信的模型及通信策略。 多主体之间的通信采用s o k e t 技术，并采用t c p i p 协议进行通信。采用黑板结构作为 多智能体控制系统中各个智能体进行信息交互的场所。由于系统为简单系统采用集中式控制 方式。 5 将多智能体技术应用到包装生产线系统中，建立包装装箱生产线的多智能体系统模 型。提出将人作为生产系统的一个智能体。 6 研究了实现多智能系统的关键技术和最佳途径。 本文对开发智能体系统用到各领域知识，开发的关键技术及开发方法做了详细的研究。 采用流行的j a v a 语言来实现包装生产线多智能体系统，并用组态软件对系统进行动态模拟 仿真。在包装装箱生产线系统硬件模拟实验中，进行了智能体程序的运行控制，验证了所做 设计的有效性和合理性。 关键词：多智能体，协调控制，生产系统，模型，主体开发 多智能体技术及其在生产系统协调控制中的心用 m u i t i - a g e n ta n di t sa p p l i c a t i o nt o c o o r d i n a t e c o n t r o li np r o d u c t i o ns y s y t e m a b s t r a c t a tp r e s e n t m a sl sar e s e a r c hf o c u so ft h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ef i e l d t h i ss y s t e mi sal o o s e a g e n ts o c i e t ym a d eu po ft h ei n t e r l i n k a g e da g e n t s t h ea g e n th a st h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ： i n d e p e n d e n c e ，s o c i a la b i l i t y , r e f l e c t i v i t y , p e r s p e c t i v e ，r e a s o n i n ga n dl e a r n i n ga b i l i t y m a si sak i n d o fd i s t r i b u t e da n di n d e p e n d e n ts y s t e m ，i ta d o p to nt h eb a s i so ft h ec o n s u l t e dd e c i s i o n ，c a l la d o p t d i f f e r e n ts o l v i n gm e t h o dt op r o b l e mi nt h es a l r l ee n v i r o n m e n t , h a v ec o l l a t e r a ln a t u r e ，i n t e l l i g e n t a n df l e x i b i l i t y d u et oc o m p l e x i t yc o n t r o l l e ds y s t e m a t i c a l l yt ot h em o d e r np r o d u c t i o np r o c e s s ，i ti s d i f f i c u l tt or e a l i z ec o o r d i n a t i n gc o n t r o l ，t h i st e x tp r o p o s e sp u tt h ea u t o m a t i ch i g hd e 謦e eo f i n t e l l e c t u a la g e n tt e c h n o l o g ya n dt h ea d v a n t a g eo f t h ee a s yi n t e g r a t i o no f a g e n ti nt h ec o n t r o lo f t h e p r o d u c t i o ns y s t e m ，t a k et h ep a c k a g i n gp r o d u c t i o nl i n ea st h er e s e a r c ho b j e c t , g oo na g e n t a p p l i c a t i o ns t u d y , i m p l e m e n tc o o r d i n a t i o nc o n t r o lo f t h es y s t e m 1 i n t r o d u c e di n t e l l i g e n ta g e n ta n d t h e o r yd e t a i l e d l yi na na l l - r o u n dw a y i n t r o d u c e da n da n a l y s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c s ，c l a s s i f i c a t i o n ，s t r u c t u r es y s t e m ，t h e o r ym o d e lo f a g e n t ，a g e n th a ss u c hb a s i cf u n c t i o n sa sp e r c e i v i n g ，c o m m u n i c a t i o n ，t a k i n ga c t i o na n dc o n t r o l l i n g a n dr e a s o n i n ga b i l i t y , e t c i ti n c l u d e st h r e eb a s i cl e v e l s ，n a m e l yc o m m u n i c a t i o nl a y e r , c o o p e r a t i n g o nl a y e ra n dc o n t r o ll a y e r t h e ni n t r o d u c ea n da n a l y s e dm o d e la n ds t r u c t u r eo fm a s ，t h e c o o p e r a t i o na n dc o o r d i n a t i o no f t h ea g e n t s 2 a d o p tc a r b a a sa g e n td a t ae x c h a n g ei n t e r m e d i a t el i n k i nd i f f e r e n tc o n s t r u c te n v i r o n m e n tr e s o l v et h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n ，d i v i d et h e s y s t e m a t i cf r a m e a c c o r d i n gt on e e d i n gt oi n t e g r a t ee a c hf u n c t i o np a r t ，m a k eu pt h es y s t e m f l e x i b l y 3 c o o r d i n a t i o na n dc o o p e r a t i o no f t h em a s t h ck e yp a r to fa g e n tc o n t r o li st h e s e u s eb l a c k b o a r dm o d e lt op a c kl i n ea g e n ts y s t e m c o o r d i n a t e c o o r d i n a t e da n dr e a l i z e dt h ec o n 仃o lo nc o m p l i c a t e ds y s t e mb yal o to fi n t e l l e c t u a l b o d y ，f o r mm a s c o n t r o ls y s t e m ，e a c ha g e n ti nm a si sap h y s i c so ra b s t r a c te n t i t y , c a na c to no n e s o w na n de n v i r o n m e n t h a n d l ep a r to f e n v i r o n m e n ts a ya n dc o m m u n i c a t i o nw i t l lo t h e ra g e n t s 4 t h em o d e lo f a g e n tc o m m u n i c a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nt a c t i c s t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e na g e n t sa d o p t ss o k e tt e c h n o l o g y , a d o p tt c p i pa g r e e m e n tt o c a r r yo nc o m m u n i c a t i o n a d o p tb l a c k b o a r ds t r u c t u r ea st h em u t u a lp l a c eo fm a sc o n t r o ls y s t e m t h e s y s t e ma d o p t sc e n t r a l i z e dc o n t r o lw a y f o ri ti sa s i m p l es y s t e m 5 p u tm a st e c h n o l o g ya m o n gt h es y s t e mo fp a c kp r o d u c t i o nl i n e ，s e tu pm a s s y s t e m a t i c ”北r 业人学坝i 学1 沦蔓 m o d e lo f p r o d u c t i o nl i n e p r o p o s er e g a r d i n gp e o p l ea sa na g e n to ft h ep r o d u c t i o ns y s t e m 6 h a v er e s e a r c h e dt h ek e yt e c h n o l o g ya n dt h eb e s tw a yt or e a l i z em a s e v e r yf i e l dk n o w l e d g eu s e di nd e v e l o p i n gm a s ，k e yt e c h n o l o g ya n dd e v e l o pa p p r o a c hw e r e r e s e a r c h e dd e t a i l l yi nt h i st e x t a d o p tp o p u l a rj a v at or e a l i z ep r o d u c t i o nl i n em a s ，c a r r yo n d y n a m i cm o d e le m u l a t i o nw i t hc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et os y s t e m i nt h es y s t e m a t i ce x p e r i m e n to f t h ep r o d u c t i o nl i n eo fp a c k a g i n gc a s e s ，t h eo p e r a t i o nw h i c hh a sc a r r i e do nt h ei n t e l l e c t u a lb o d y p r o c e d u r ei sc o n t r o l l e d h a v ev e r i f i e dt h ev a l i d i t ya n dr a t i o n a l i t yo f t h ed e n g n k e y w o r d ：m a s ，c o o r d i n a t ea n dc o n t r o l ，p r o d u c t i o ns y s t e m ，m o d e l ，a g e n td e v e l o p m e n t 河北1 业凡学帧 一学岔论文 第一章概论 1 1 引言 2 0 世纪9 0 年代，随着计算计网络、计算机通信等技术的发展对丁智能主体的研究不仅成为分布式 人工智能研究的一个热点，而且也是信息技术关注的一个热点。智能主体是一种处于一定环境卜包装的 计算机系统，为了实现设计目的它能在那种环境f 灵活地、自主地活动。智能主体提供了一种新的计算 和问题求解风范。 多智能体系统的优势主要表现在：多智能体系统的信息流是网状的，多智能体系统可以处理非常复 杂和实时发生的信息流；多智能体系统中智能体彼此独立，各自能够接受并处理简单的事务。将复杂的 事务分解成多个子任务交给不同的智能体去处理，处理过程是并行的。各个独立的事务不受任何限制， 智能体在自己的空间里申请c p u 的1 = 作时间片完成任务。全并行的事务处理使得系统工作的效率大大提 高，对复杂事物的处理能力大大增强；能够应付非常复杂的环境变化。环境的变化情况已被具体的智能 体所封装，每个智能体仅处理与已有关的一小部分上作。这种群体处理能力将大大强丁单模块的常规系 统，而且降低了系统制作的复杂程度：易扩展性，多智能体系统中，事物已经被分解给非常独立的智能 体去处理，独立信息流和事务流更容易扩展多智能体系统【1 l 。 随着现代工业及科学技术的迅速发展，特别是计算机技术的发展，现代设备的结构越来越复杂，自 动化系统的规模越来越大。一个大型的设备系统往往由大量的工作部件组成，不同的部件之间互相关联， 紧密耦合。这一方面提高了系统的自动化水平，使生产的灵活性增加为生产带来了可观的经济效益， 另方面，由于影响系统运行的因素骤增，使其产生故障或失效的潜在可能性越来越大。一个部件的故 障常常会引起链式反虑，导致整个系统甚至整个生产过程不能正常运行乃至瘫痪，如何提高这类系统工 作的可靠性和工作效率，提高各个部件之间的协调能力是迫切需要解决的问题。多智能体技术正是随着 现代工业发展需求应运而生的，由于它独特的优势适应了复杂化、大型化生产的要求，因而得到广泛的 发展和应用。 1 - 2 问题的提出与研究意义 目前，多智能体系统( m a s ) 是分布式人= 智能领域的研究热点。多智能体技术在生产系统协调控 制中应用的研究具有很大的现实意义。对于空间、功能、时间上分布的复杂工业过程或过程庞大的管理 工程，如果采用单一的系统( 专家系统、神经网络、数学模型) 进行控制管理，则由于没有足够的知识、 资源、信息、能力，将会导致这些单一系统的失败，其解决的有效途径是采用多智能体技术，即把一个 庞大的复杂任务按功能、空间或时间划分成多个子任务，每个子任务则由单个智能体或智能体群体完成， 各个智能体间相互通信，彼此协调，共同完成任务。由于复杂系统的实时性、动态性、不确定性、分布 性及各个子系统不同的知识库、不同的求解方法等，多个子系统之间的冲突( 时间冲突、结果冲突、资 源冲突) 不可避免，如何分解分配任务、如何求解任务、如何解决各种冲突，使各智能体协调一致，互 相合作共同完成复杂任务是多智能体理论要解决的核心问题之口】。 现代生产系统的发展方向是向分散化复杂化的方向前进对复杂控制系统的研究需要突破任何一种单 一的模式而采用多子系统有机集成的形式”j 。多智能体技术的发展为复杂系统的控制提供了一条新的途 多智能体技术欲其扎生产系统协调控制中的应用 径。在生广：系统中，各操作单元可看作智能体，从而使加 过程构成一个中自治的多智能体生产系统， 完成单元内加工任务的监督和控制。从功能上将系统划分成多个智能体形成一个多智能体系统，各个智 能体之间相互通讯，彼此协调，共同完成大的复杂的控制作业任务。 传统的控制系统如集中式控制系统的缺点1 4 j ： 1 完成控制任务的计算机，在系统中占有极为重要的地位，它的失效将会导致整个过程瘫痪，甚至导 致破坏性的事故： 2 由于目前的过程变送器和执行器都是模拟式的，因而采用计算机控制需要输入、输出通道，增加了 设备的复杂性； 3 扩展现有的系统，不但要增加过程通道，还要增加控制程序； 4 难以提供系统各方面的精确的数学模型： 5 总体性能指标无法得到； 6 ，传统的分级计算机控制系统中，只有上、下级计算机之间才能进行通讯，同级计算机之间的通讯， 必须通过上级计算机进行，当同级计算机通讯很频繁时，这种控制显得不方便。 一个传统的自动化系统的结构是完全集中的，基于p l c 的现场控制系统由一个中央处理器( c p u ) 和几个中央i 0 模块组成，随着控制领域曰益增长的内部互连和透明化生产过程对柔性、系统诊断的需求 日益提高，传统的自动化控制过程中的p l c 已经变成了网络系统结构的中心环节。但这种结构导致了新 的问题，由于p l c 居于中心位置，它不仅要控制现场设备的运行，还要与其他控制系统进行通信，另外 还需要与管理层通信，在复杂的自动化结构中，这些管理任务会消耗许多系统资源。而且，随着系统的 规模逐渐增人，会使程序的结构极其庞大。如果用户想重新利用其他控制系统中的部分程序，就今天的 自动化程度而言，这将会导致大量的信号或参数发生改变，控制系统的功能受到很大的损坏。 针对这种情况，出现了一种新的生产模式，对于整个企业而言，为了达到完全分散的目的，一种基 于结构化的、面向管理的概念开始盛行起来。所有这些概念都以独立行动的单元为特征，这些单元对自 身进行组织和优化，能完全保证整个生产站点的运转。重构性( r e c o n t i g u r a b i l i t y ) 概念的提出，要求现 有的控制系统具有高度的重构能力，科技发展也必须适应这个新的模式，虽然这观点得到广泛的认同， 但仍缺少实际的解决办法和具体实现措施。 用智能体的方式可实现系统所需的柔性和重构能力，在底层，p l c 程序只用来控制生产的执行，不 再需要与e r p 系统之间的通讯部分。这些工作由移动和驻留( r e s i d e n t i a l ) 智能体组来完成。相比之卜， 智能体能够在空闲状态下被重新配置，以适应新的情况或需求，而且可以不需要人的干预。集中式生产 系统与分散化、可重构系统之间的著异从图1 1 可以看出。 用智能体来实现系统具有以下优点： 1 智能体减少了网络负担，它们处理本地数据，从而不用传递所有的数据； 2 与一个合理的中间件结合，智能体的决策总能考虑t 厂的实际情况； 3 取代了许多远程调用，而只采用适当的移动智能体，因此，许多【：作可以在当地执行； 4 不需要持久的网络连接，假如e r p 不在线，智能体仍旧= 作： 5 智能体增加了系统的灵活性，对于许多种新的需求只要智能体作相应改动就可以了。 将多智能体技术应用在生产系统控制中可以很好的解决上述问题，从而实现各个生产环节的协调。 2 河北t 业人学坝i 学位论义 行业层 工厂层 现场运行设备w 蓑量叭 现场 运行 设备 图1 1 多智能体控制系统的金字塔结构 f i g 1 1p y r a m i d s t r u c t u r eo f m u t i - a g e n tc o n t r o ls y s t e m 注：m e s 集成制造执行系统；s c a d a 数据采集与监视控制系统 本文要做的工作是针对多智能体控制单元和现场运行设备两层的，对e r p 并不作详细介绍。e r p 的 实施，对f 两层的柔性、重构性要求提高，所以我们采用智能体的方式来构造系统，可以满足柔性和重 构性的要求。 印钞行业是个特殊的行业，不同丁：一般的印刷行业，它要求自动化程度高，出现故障的概率低， 这样才能保证国民经济的正常运转。e r p 的顺利实施，对底层生产设备的智能化、可靠性提出了更高的 要求，受中国印钞造币总公司的委托同时为了适应现代化大生产的需要，我们研制了包装装箱生产线， 主要用来提高包装过程的智能化程度和可靠性，满足e r p 的技术要求。在这样一个有特殊要求的系统中 引入多智能体技术，解决传统控制自动化程度低、效率低的问题，有重要的理论和实际意义。 1 3 多智能体技术的研究现状 多智能体技术是自2 0 世纪8 0 年代以来人力发展的一项新技术。多智能体技术是人工智能技术的 次质的飞跃；首先，通过智能体之间的通讯，可以开发新的规划或求解方法，用以处理不完全、不确定 的知识；其次，通过智能体之间的协作，不仅改善了每个智能体的基本能力，而且可从智能体的交互中 进一步理解社会行为；最后，可以用模块化风格来组织系统。如果说模拟人是单智能体的目标，那么模 拟人类社会则是多智能体系统的最终目标。 多智能体技术具有自主性、分布性、协调性，并具有自组织能力、学习能力和推理能力【5 】。如今已经 有几个国际会议专门面向主体理论和多主体系统，例如，国际多主体会议i c m a s ( i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o n m u l t i a g e n t s y s t e m s ) 、亚太地区多主体国际会议p r i m a ( p a c i f i c r i m i n t e r n a t i o n a l w o r k s h o po n m u l t i a g e n t s y s t e m s ) 、中东欧多主体国际会议m e e m a s ( m i d d e la n de a s t e r ne u r o p ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo n m u l t i a g e n ts y s t e m s ) 。关于多主体系统的应用已经有人做了许多工作，甚至应用于一些大型、复杂的系统， 例如：机场管理、自动驾驶、高级机器人系统、分布式电力管理、信息检索等。 目前许多国家和地区都开展了对多智能体技术的研究，这些研究是针对不同的领域进行的，卜面是 多智能体技术针对不同方面进行的一些研究。 1 多智能体之间的西调 河北t 、| k 人学颀学位论文 e r p f 1 2 j 工厂层 e r p z 现场运行设备h i i 叭 现场 运行 设备 图1 1 多智自色体控制系统的金宇塔结构 f i g 1 1p y r a m i ds l l - u c “u - eo f m u t i - a g e n tc o n t r o ls y s t e m 注：m e s 集成制造执行系统；s c a d a 数据采集与监视控制系统 本文要做的工作是针对多智能体控制单元和现场运行设备两层的，对e r p 并不作详细介绍。e r p 的 实施，对下两层的柔性、重构性要求提高，所以我们采用智能体的办式来构造系统，可以满足柔性和重 构性的要求。 印钞行业是一个特殊的行业，小同于一般的印刷行业，它要求自动化栏度高，出现故障的概率低， 这样才能保证国民经济的正常运转。e r p 的顺利实施，对底层生产设各的智能化、可靠性提出了更高的 要求，受中国日_ 钞造币总公司的委托，同时为了适应现代化大生产的需要，我们研制了包装装箱生产线， 主要用来提高包装过程的智能化程度和可靠性，满足e r p 的技术要求。在这样一个有特殊要求的系统中 引入多智能体技术，解决传统控制自动化程度低、效率低的问题，有重要的理论和实际意义。 1 3 多智能体技术的研究现状 多智能体技术是自2 0 世纪8 0 年代咀来人力发展的一项新技术，多智能体技术是人工智能技术的一 次质的电跃：首先，通过智能体之间的通讯，可咀开发新的规划或求解方法，t i = 以处理不完全、不确定 的知识：其次，通过智能体之间的协作，不仪改善了每个智能体的基本能力，而且可从智能体的交互中 进一步理解杜会行为；最后，可咀用模块化风格米组织系统。如果说模拟人是单智能体的目标，那么模 拟人类社会则是多智能体系统的晶终目标。 多智能体技术具有自主性、分布性、协调性，并具有自组织能力、学习能力和推理能力【5 1 。如今已经 有几个国际会议专r j 面向主体理隆和多主体系统，例如，国际多主体会议 c m a s ( i n t o m a f i o n a l c o n f e r e n c e o n m u l t i a g e n ts y n e n - s s ) 、亚太地区多主体国际会议p r i m a r p a c i f i c r i m i n t e r n a t i o n a l w o d ( s h o po n m u l h a g e n t s y s t e m s ) 、中东欧多主体国际会议m e e m a s ( i v l i d d e la n de a s t e r ne u r o p ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo 1 m u l t i a g e n ts y s t e m s ) 。关于多主体系统的应用已经有人做了许多工作，甚至应用于一些大型、复杂的系统， 例如：机场管理、自动驾驶、高级机器 系统、分布式电力管理、信息检索等。 目莳许多国家和地区都开展了对多智能体技术的研究，这螋研究是针对不同的领域进行的，下面是 多智能体技术针对不同方面进行的一些研究。 1 多智能体之间的协调 1 多智能体之问的协调 3 多智能体技术及l 在生产系统协调控制中的应用 r 1 1 智能机器人 目前，美国、英国、法国和澳大利砸等国家都在从事该方向的研究，在智能机器人中，信息集成和 协调是一项关键性技术，它直接关系剑机器人的陛能和智能化程度。一个智能机器人应包括多种信息处 理子系统，如二维或三维视觉处理、信息融台、规划决策以及自动驾驶等。各子系统是相互依赖、互为 条件的，它们需要共享信息、相互协调，才能有效地完成总体任务其目标是用来结合、协调、集成智 能机器人系统的各种关键技术及功能子系统，使之成为一个整体以执行各种自主任务。l a n e 等【6 1 设计了 单个机器人的多智能体系统，采用实时黑板智能体作为框架的核心，实现了分布式黑板结构，并采用分 布式问题求解、实时知识库及实时推理技术，以提高机器人的实时响应速度，该机器人己成功地应用于 自主式水下车辆的声纳信号解释。在多机器人系统中，当多个机器人同时从事同一项或多项t 作时，很 容易出现冲突【7 l 。利用多智能体技术，将每个机器人作为一个智能体，建立多智能体机器人协调系统，可 实现多个机器人的相互协调与合作，完成复杂的并行作业任务。 交通控制 由于交通控制拓扑结构的分布式特性，使其很适合应用多智能体技术，尤其对于具有剧烈变化的交 通情况曲口交通事故) ，多智能体的分布式处理和协调技术更为适合。以城市交通控制系统为例，b u r m e i s t e r 等f 8 1 提出了未来汽车多智能体联运系统；g o l d m a n 等p 1 提出采用增量相互学习方法来协调交叉路口的两个 控制器：f i n d l e r e l o l 给出了交通网络的分级结构；a d o m i 等给出了汽车行驶路径规划的方法。多智能体技 术应用于其它交通控制系统，主要有飞行交通控制( a t c ) “】、铁路交j 酬( r t c ) | ”1 和海洋交通控制( m t c ) 1 3 1 。 ( 3 ) 协调专家系统 对于复杂的问题，采用单一的专家系统往往不能满足要求，需要通过多个专家系统协作，共同解决 问题。利用多智能体技术，可实现多专家系统的协调求解。j e n n m g s 【1 4 1 提出将两个孤立的专家系统转变为 一个多智能体系统的具体方法，建立了一个基于规则的多智能体系统环境( g r a t e ) ，通过采用多智能体的 协调技术，将两个专家系统b e d e s 与c o d e a s 有机地结合起来，并建立了二者的协调协议，从而实现 了多种诊断方法的集成。提高了故障诊断的效率。p o l a t i l ”探讨了采用多智能体技术解决协调专家系统冲 突的问题，并以办公室设计为例，建立了4 种智能体，即顾客要求智能体、功能智能体、电器智能体和 成本智能体，每种智能体代表一个专家系统，4 种智能体构成一个多智能体系统，它们相互协调，并且每 种智能体分别采用不同的冲突解决策略，从而解决了设计过程的冲突问题。 f 4 1 机器人足球赛 1 9 9 7 年在国际人工智能联合会议上首次举办了机器人世界杯足球赛( r o b o c u p ) ，为了让机器人主体实 际参加足球比赛，就需要各种主体技术的集成，包括自主主体的设计原理、多主体的协同工作、策略的 获取、实时推理、传感器融合和学习。机器人足球赛是一个典型的开放信息系统，主体必须在资源有限 的情况下，完成思考和行为规划，研究结果表现为用主体个体和群体模型组成的人工智能足球队可在 r o b o c u p 比赛中取得优异成绩。 2 复杂系统的调度和控制 ( 1 ) 柔性制造 多智能体技术可表示制造系统，并为解决动态问题的复杂性和不确定性提供新的思路。如在制造系 统中，各加工单元可看作智能体，从而使加工过程构成一个半自治的多智能体制造系统，完成单元内加 工任务的监督和控制。多智能体技术可用于制造系统的调度。r a m o s l l 6 1 建立了制造系统的动态调度协议， 采用两类智能体分别完成任务安排和资源管理，通过智能体间的交互来解决生产任务的调度，采用合同 网协议来处理调度过程中时间上的约束，根据资源情况动态安排任务，使系统能处理诸如设备故障等不 确定性引起的实时调度问题。 4 f l t j er 业人学颁卜。学位论 多智能体技术可用于制造过程中的分布式控制，例如川j ：离敞制造环境的分布式控制系统( y a m s i i 7 i 是为实现柔性制造而建立的i 厂控制系统。系统为递阶结构，分为两层：上层为加 乍间，r 层为加l ： 站。加r 车间的智能体在上层做出调度计划，r 层各个不同加j ：站的智能体执行调度计划。 ( 2 ) 分布式预测、监控及诊断 智能体具有意图的性质，利用多智能体的联台意图机制可实现联合彳丁动，从而实现分布式预测- ，监 控。j e n n i n g s 和d r a a 等u8 ”j 分别利片 智能体的联合意图实现了联合监控机制。 r u s s e l l l 2 0 l 利用智能体技术建霞了用于复杂问题实时诊断的分布式系统( m a r v e c ) ，系统将复杂的诊断 问题划分成多个子区域，各子区域间不重霍，以避免冗余推理。单个智能体尽可能负责某个子区域，以 便分别承担诊断任务，减少通讯量，提高实时性。智能体通过元知识寻找超出其领域的合作，系统中的 多个智能体协调解决涉及多个领域的诊断问题。 w a n g 等口”介绍了原子能发电厂故障分析和监控系统( a p a c s ) ，该系统采用多智能体技术，由分布在 不同位置的计算机上的智能体构成多智能体系统，从而完成分布式i 办调监控与诊断任务。各个智能体采 用不同的表达方式和推理机制，以完成各自的任务。 ( 3 ) 控制 s a h a s r a b u d h e 2 2 1 建立了一个多智能体控制系统框架，该框架包括三层：最底层为控制层，具有实时控 制能力；中间层为管理层：最上层为多智能体协调与通讯层。该框架可解决航行器机翼的伺服控制问题， 框架内每个智能体负责备自的控制任务。k o h n 等1 采用多智能体技术建立了混杂控制系统。m e h r a 等m 】 采用智能体建立了扳材自适应控制模型。 3 分布式系统 ( 1 ) 分布式智能决策 利用多智能体技术所具有的特性可解决复杂系统的决策问题。a v o 埘s p l 采用智能体技术将多个专家 系统的决策方法有机地协调起来，建立了基于多智能体协调的环境决策支持系统。智能体采用基于规则 的描述方法，实现了环境管理的分布式智能决策。k u r o d a 等口”利用多智能体技术建立了智能体消息交互 的合同网模型，实现了决策过程中的协调，从而实现化工批量生产操作的分散式协调动态决策。y a g e r 采 用多智能体技术建立了w w w 网上广告决策模型，该模型采用面向智能体程序设计的思想，通过统计网 络用户浏览广告概率的特性及与用户有关的潜在个人专门信息，帮助广告客户及时做出决策。 ( 2 ) 分式布计算 进入2 0 世纪9 0 q z 4 - 慵，用户迫切希望在网络上建立更为丰富的分布式应用，不仅能实现数据共享， 而且能实现各计算实体的协同工作。分布式计算成为影响计算机技术发展的关键技术，其目标是实现分 散对等的协同计算”。多智能体技术为实现这种方法提供了新的途径，基于智能体的计算是下一代软件 开发的突破口口”。用多智能体技术建立分布式计算环境的基本目标是建立各种客户月务器应用，其核心 是基于智能体的服务请求代理机制，它分为两部分：1 ) 客户环境：由客户应用和服务请求智能体组成：2 ) 服务环境：由一组服务智能体组成。客户应用通过本地的服务请求智能体访问服务智能体，服务请求智 能体使得客户应用所需的异地服务如同发生在本地一样。吴泉源教授等i ”】建立了银河分布式客户，月务器 计算机系统r e l i c s ) ，该系统是我国，8 6 3 计划重点项目支持r 取得的重要成果。其核心是基于多智能体的 分布式计算环境，采用了以下关键技术：1 ) 基于智能体的服务请求代理机制；2 ) 智能服务技术：3 ) 含多媒 体信息的协同计算技术。 4 产品设计 目前，利用智能体技术来构造设计系统己成为一个研究热点。设计问题涉及到多目标的约束求解和 设计过程的协调。以超大规模集成电路( v l 。s i ) 的设计为例【3 “”j ，它需要有关电路、逻辑门、寄存器、指令 集、结构以及装配技术等方面的知识。为了降低v l s i 设计的耗费，提高设计的速度，利用多智能体系统 多智能体技术及儿在生产系统机调摔制中的应用 的并行处理技术将不同的任务分解，分别分布在不同的智能体e 。智能体由代理助手服务器、智能体服 务器、布线智能体服务器和数据库服务器构成，每类智能体服务器分别对v l s i 的某一部分进行设计，完 成不同的设计功能，通过代理助手服务器实现服务器与客户的协调通讯。利用客户n 务器技术可实现 v l s i 设计过程的网络协同化，即实现基于c s c w 的v l s i 设计，通过建立公用黑板结构实现各智能体间 的协调机制，得到全局一致的解。 5 网络自动化与智能化 ( 1 、网络管理 通过定义不同类别的智能体，可构成网络的不同智能成员( 包括网络单元智能体、管理对象智能体 和操作系统智能体) ，实现网络管理。基于智能体的网络管理方法具有以下特点：1 ) 网络能主动地分析 和推理，给网络管理注入了智能化的功能；2 ) 智能体的通信语法简洁有效，使网络具有简单、有效、标 准的通信协议。3 ) 具有较好的开放性和扩充能力，能扩展网络管理的结构和功能；4 ) 网络具有一定的 智能决策能力，智能体根据自身的知识和状态做出合理的选择。 ( 2 ) 网络协同化 智能体技术具有在i n t e m e t 上的协调功能，通过采用u n i x 命令实现用户在i n t e m e t 上广泛的协调。将 智能体技术与i n l e m e t 技术结合，建立基于客户朋务器的智能体结构，可实现用1 n _ ，开发计算机支持 的协同工作，建立一个以w w w 为基础、以一组协同工作的智能体为核心的应片j 环境，达到在网络环境 下更好地支持用户之间的协同工作。 r 3 1 网络信息处理 软件智能体是指活动于软仆环境中的智能体它通过f 达命令和分析环境反馈通环境进行交互。利用 软件a g e n t 技术，可对i n t e m e t 这一规模庞大、极度异质、高度动态的软件环境实现信息的收集、检索、 分析、综合，从而实现高度智能行为的信息处理手段 ( 4 ) 网络化办公自动化 人可以作为一类智能体存在于多智能体系统中。采用多智能体技术可实现办公自动化系统的人机一 体化，系统中各个智能体分别实现信息的采集、存储、交换、加工和决策。办公自动化系统的结构分为 三个层次：事务层、管理层、决策层，每一层都由若干个模块组成，同一层次的模块间有横向信息的集 成，层与层之间有纵向信息的集成。 6 软件开发 利用计算机来开发多智能体系统，称为软件a g e n t 。软件上程的研究从模型角度考察a g e n t ，认为面向 a g e n t 的软件开发方法是为更确切地描述复杂并发系统的行为而采用的一种抽象的描述形式，是观察客观 世界和解决问题的一种方法 国内也有许多单位开展了多智能主体的研究并应用于工程中，例如，西安交通大学：基于坐标测量 机的多智能主体检测规划知识框架m 】；中南工业大学：基于耦合问题的多智能主体协作模型【”】；复臣大 学：种基于多智能主体的g d s s 信息收集框架p 4j ：上海交通大学自1 9 9 4 年起开始从事分布式智能控制 的研究；浙江大学在“八五”期间承担了多智能体系统智能机器人的研制，并己取得了初步成果。目前 对主体和多主体系统的研究主要集中在以下几个方厩：主体和多主体的理论、主体的体系结构和组织、 主体语言、主体之间的协作和协调、通信和交互技术、多主体学习以及多主体系统应用等。 1 - 4 本文主要研究内容 本课题主要研究内容：以纸币包装装箱生产线系统为对象，采用信息技术、计算机技术、传感器技 术、多智能协调控制技术，以提高该生产线的智能化程度，达到最优化控制，最大程度地提高生产效率。 6 任务划分将人系统的控制问题分解成各个子m 题，从尽可能达到总体目h 、的角度米定义各个子目标。 每个子任务由单个智能体完成，备钾能体- 相通讯，相互协调构成个多智能体系统。系统南上位机用 下位机组成。系统的控制由上位机年f 何机通过饥调和协作来完成。本文t 婴解决以f j l 方面的问题： 1 采用多智能体的方法将系统包装成几个智能体，对系统进行智能控制，改善传统的控制方式。 2 采用黑板模型实现多主体系统的协调与协作，协作刁；仅能提高单个主体咀及由多主体所形成的系 统的整体行为性能，增强主体及主体系统解决问题的能力，还能使系统具有更好的灵活性。 3 多主体之闻的通信采用s o k e t 技术和t c p i p 协议。 4 将多智能体技术应用到包装生产线系统中。 5 j l _ 日流行的j a v a 语言来实现包装生产线多智能体系统，并用组态软件对系统进行动态模型仿真。 6 智能控制的硬1 ，| = 实验，验证系统能否正常r 作，它以各下位机( p l c ) 为中心，将控制信息、传 感器反馈信息进行处理后传输到各动力单元、控制单元和控制执行单元，使机器在最佳状态下完成预定 的动作，实现智能控制。 多智能体技术及其在生产系统胁调拄制中的心用 第二章a g e n t 及m a s 技术 2 - 1a g e n t 的基本概念与特征 2 - 1 - 1 a g e n t 的概念 a g e n t 概念来自于分布式人工智能( 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 m ，d a i ) 领域，它是分布式人工智 能的一个基本术语，是人工智能的一个原语。a g e n t 没有一个统一明确的定义，一股认为智能体是一个自 治的实体，它能够与环境交互信息，并能作用于自身和环境。对于人a g e n t ，其传感器为眼睛，耳朵和其 他器官，其执行器为手，脚，嘴和其他身体部分。对于机器a g e n t ，其传感器为摄像机和红外测距器等， 而各种马达则为其执行器。对f 软件a g e n t ，则通过编码位的字符串进行感知和作用j 。 目