（材料学专业论文）水泥生产过程分层递阶多智能体控制系统研究与开发.pdf

摘要 新型干法水泥生产是一个非线性、多变量、大滞后、强干扰的复杂工 业过程。专家系统控制、模糊逻辑控制、神经元网络控制等智能控制方法 有着各自的特点，在局部工业过程控制中有成功的应用。但在复杂的水泥 生产过程中采用单一的智能控制，针对生产全过程建立控制系统，会使得 系统极其复杂难以实现。 多智能体是由多个智能体组成的松散的网络，其中智能体相互作用从 而解决单个智能体由于能力或知识上的不足而无法解决的问题。因此建立 水泥生产过程多智能体控制系统有着积极的意义。 针对新型干法水泥生产过程的特点，建立了由控制智能体和决策支持 智能体组成的分层次递阶多智能体控制系统，减少了控制系统通讯量，提 高了控制系统的实时性，简化了控制智能体的构造。 研究了基于i c e 中间件的多智能体系统开发方法，采用c o m 技术构建 了具有二进制重用性的智能体组件，可实现对原有系统的重用；实现了多 智能体系统与专家系统、神经网络和模糊控制技术的融合。 开发了新型干法水泥生产过程控制多智能体系统，实现了水泥熟料煅 烧过程的优化控制。 关键词水泥，智能体，多智能体系统，过程控制，中间件 a b s t r a c t t h ec e m e n tp r o d u c t i o no fn e ws u s p e n s i o np r e h e a t e rk i i ni sc h a r a c t e r i z e d b yi t sn o n l i n e a rc o n d i t i o n ，m u t i lv a r i a b l e s ，a n dl o n g - t i m ed e l a y , s t r o n gj a m 1 1 l e t e c h n o l o g y o fn e u r a ln e t w o r k , f u z z yc o n t r o l l i n ga n de x p e r ts y s t e m h a s s u c c e s s f u la p p l i c a t i o ni nl o c a li n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r 0 1 b u tt h ec o n t r o ls y s t e m o ft h ec e m e n to v e r a l lp r o d u c t i o n , w h i c ho n l yu s e ss i n g l et e c h n o l o g yo f i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，s h o u l db et o oc o m p l e x t oi m p l e m e n t m a s ( m u l t ia g e n ts y s t e m ) i sal o o s en e t w o r kc o m p o s e do f al o to fa g e n t 1 1 1 ep r o b l e m , w h i c hi n d i v i d u a l l ya g e n tc a n ts o l v ed u et ot h ed e f i c i e n c yo f a b i l i t yo rk n o w l e d g e ，c a l lb es o l v e db y t h ec o o p e r a t i o no ft h ea g e n ti nt h em a s i th a sf a i up r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oi m p l e m e n tt h ec o n t r o lm a so fc e m e n t p r o d u c t i o n a i ma tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec e m e n tp r o d u c t i o n ，h i e r a r c h i c a lm a s ， w h i c hi s c o m p o s e do fc o n t r o la g e n ta n dd e c i s i o ns u p p o r t i n ga g e n t i s i m p l e m e n t e d , r e d u c e sc o m m u n i c a t i o no fc o n t r o ls y s t e m ，i m p r o v e sr e a l t i m e p e r f o r m a n c eo f c o n t r o ls y s t e m , s i m p l i f i e st h e s t r u c t u r eo f c o n t r o la g e n t t h em e t h o do fm a sd e v e l o p m e n tb a s e do nt h em i d d l ew a r e i c ei s s t u d i e d a g e n tc o mc o m p o n e n tw i t ht h eb i n a r y - r e u s e di sp a c k e da n dc a nb e a p p l i e dt or e u s et h el e g a c ys y s t e m n et e c h n o l o g i e so fe x p e r ts y s t e m , n e u r a l n e t w o r ka n df u z z yc o n t r o la r es u c c e s s f u l l ym e r g e di n t om a s t h ec o n t r o lm a so f c e m e n tp r o d u c t i o no f n e w s u s p e n s i o np r e h e a t e rk i i ni s i m p l e m e n t e d t h eo p f l m a lc o n t r o lo ft h ec e m e n tc l i n k e r sc a l c i n ep r o c e s si s r e a l i z e d k e yw o r d sc e m e n t ，a g e n t , m u t i la g e n ts y s t e m ，p r o c e s sc o n t r o l ，m i d d l e w a r e 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据 国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导师签碰日期：碰年月坚日 硕士学位论文 第1 章文献综述 第1 章文献综述 i 1 水泥生产的现状与发展 所谓水泥，是指加水拌和成塑性浆体后，能胶结砂、石等适当材料并能在空气中硬 化的粉状水硬性胶凝材料。水泥的共同特征是：它是经过粉磨后具有一定细度的粉末状； 加入适量水后可成塑状浆体；它既能在水中硬化，也能在空气中硬化形成人造石：水泥 浆牢固地胶结砂、石、钢筋等集料使之成为整体并产生强度“1 。 水泥的种类很多，按其用途和性能，可以分为通用水泥、专用水泥以及特性水泥三 大类，通用水泥为用于大量土木建筑工程一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐 水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等。专用水泥则指有 专用用途的水泥，如油井水泥、大坝水泥、砌筑水泥等。而特性水泥足某种性能比较突 出的水泥，如快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、膨胀硫铝 酸盐水泥，自应力铝酸盐水泥等。 按照主要的水硬矿物，水泥又可以分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、 氟铝酸盐水泥以及少熟料和无热料水泥等 水泥广泛应用于工业建筑、民用建筑、交通、水利、农林、国防、海港、城乡建筑 和宇航工业、核工业以及其它新型工业的建设等领域，它应用面广、使用量大，是国家 建设和人民生活中不可缺少的重要材料，水泥工业是国民经济中直接关系到国家各项基 本建设和人民居住环境改善的主要支柱产业。1 9 9 7 年世界水泥产量己突破1 5 亿t ，有 资料预测到2 0 1 0 年世界水泥总消耗将突破1 7 亿t 。 生产水泥虽然消耗较多的能源，但水泥与砂、石等集料制成的混凝土则是一种低能 耗型建筑材料，每吨混凝土消耗的能量仅为红砖的i 6 ，钢材的1 2 0 ，铝材的1 1 7 0 与 普通钢铁相比，水泥制品不会生锈，也没有木材这类材料易于腐朽的缺点，更不会有塑 料年久老化的问题。其耐久性好，维修工作量小，在代钢、代木方面，越来越显出技术 经济上的优越性，因此，水泥代替钢材、木材等的趋势有增无减。 随着现代科学技术的发展，其它领域的新技术也必然会渗透到水泥工业中来，传统 的水泥工业势必随着科学技术的迅猛发展而带来新的工艺变革和品种演变，应用领域也 必将有新的开拓，从而使其在国民经济中起到更为重要的作用。 i 1 i 新型千法水泥生产技术的现状与发展 自本世纪5 0 年代初期，以悬浮预热和预分解技术为核心的新型干法水泥生产技术 诞生以来，至今已经历了四个发展阶段： 第一阶段：5 0 年代初期至7 0 年代初期，为悬浮预热技术的诞生与发展阶段。 硕士学竹论文 第l 章文献综述 第二阶段：7 0 年代初期至中期，为预分解技术诞生与发展阶段。 第三阶段：7 0 年代中、后期，为预分解技术完善、提高阶段。 第四阶段：8 0 年代至今，为悬浮预热和预分解技术日臻成熟，新型于法水泥生产全 面优化提高，逐步形成与环境共融，向可持续发展目标进展阶段。 新型干法水泥生产技术的问世与发展，为水泥生产线大幅度提高产量和降低能耗提 供了技术保障。1 9 7 0 年，我国就开始了对新型干法水泥生产技术的研究，几乎与德国和 日本在同一个时期起步。在研究、引进、消化国外先进技术的基础上，我国先后建成了 一批7 0 0 t d 至4 0 0 0 t d 不同规模的现代化水泥生产线，为新型干法水泥工艺技术和装 备的国产化奠定了坚实的物质基础。上世纪g o 年代中期，我国天津、南京、成都三大 水泥工业设计院对新型干法水泥生产技术展开了“优化设计、低投资、国产化”工作。 1 9 9 3 年，吉林双阳水泥厂2 0 0 0 t d 水泥熟科生产线建成投产，投产后很快实现达标达产， 标志着我国自主开发的预分解窑技术已经成熟。本世纪初，我国进入新型干法水泥生产 线的建设高潮，新建生产线一般都能在很短的调试期后达标达产。到目前为止，我国已 实现了2 0 0 0 5 0 0 0 t d 熟料新型干法水泥生产线成套装备基本能自给，5 0 0 0 t d 水泥生 产线装各国产化率已达9 5 以上，且装备的性能也达到了国际先进水平”1 。 由于社会对水泥需求旺盛，水泥行业效益回升，国内各地特别是在经济快速增长地 区，企业、社会和银行对水泥的投资表现出极大的积极性。2 0 0 2 年全国建成新型干法水 泥生产线5 1 条，总投资达到9 2 亿元，比2 0 0 1 年增加近一倍。截止到2 0 0 3 年8 月统计， 全国在建和拟建新型干法生产线2 4 2 条，总投资达到5 6 6 亿元。 目前新型干法水泥投资呈现两个特点：从项目建设规模看，大型化趋势明显。2 0 0 2 年当年建成投产的新型干法生产线中日产i 0 0 0 吨规模的占有相当比重，而在2 0 0 3 年日 产2 0 0 0 吨规模以上已占绝大比重，其中日产4 0 0 0 吨规模以上的超过5 0 。从项目投资 来源及构成分析，投资主体多元化趋势明显。民营资本大举进入新型干法水泥发展领域， 外资及港台资金对投资中国水泥工业表现出较强意愿，民营及外企投资占水泥项目总投 资5 0 以上。 在我国水泥工业中。几乎所有的大中型企业和大多数机立窑水泥厂部装配了生产过 程自动控制系统，尤其是新型干法水泥企业生产线自动化水平较高。应用过程自动化系 统为水泥企业生产控制提供了较全面的支持，提高了生产效率，辅助了生产管理。而国 际水泥企业，尤其是大型水泥集团，在信息化建设方面则领先于国内企业。他们的生产 过程控制系统应用广泛。世界水泥百强企业，如法国拉法基集团( l a f a r g esa ) 集团， 在生产过程中全程采用了先进的生产控制系统，如集散控制系统( d c s ) 、计算机控制系 统( s c a d a ) 、制造执行系统( 虹s ) 等。国际水泥企业信息化建设经历了从生产自动化、 管理信息化到管控一体化结合的过程，并进行了有力的探索，取得了显著成果。 硕士学位论文 第1 章文献综述 1 1 2 水泥生产过程计算机控制 早期水泥厂的生产控制是采用常规仪表加继电器保护联锁控制的，全生产线按车间 设立控制室，控制本车间范围内的生产，在各车间控制室设仪表盘，模拟盘及操作台 现在许多小型水泥厂及大中型水泥厂的辅助车间仍采用这种控制方式。 7 0 年代后，可编程程序控制器( p l c ) 在水泥厂的应用，使水泥工的自动控制步入一 个崭新的时期。但初期的p l c 功能还比较少，主要是逻辑控制功能和少量运算能力。因 此，在第一阶段，p l c 仅用于水泥厂的马达开停逻辑控制，而过程变量仍沿用传统的常 规仪表进行控制。 随着工艺技术的发展，新型干法预分解窑生产线的推广应用，对控制系统提出迸一 步的要求。而计算机技术的飞快发展也为控制技术提供了速度更快、功能更强且价格逐 步降低的控制设备。因此8 0 年代中期以来，分散控制、集中操作管理的集散型控制系 统( 也叫分布式控制系统) 在水泥厂逐渐得到应用，其中包括p l c 及操作站组成的集散型 控制系统和传统的d c s 在水泥生产中的应用。这一阶段的特点是以计算机控制系统取代 传统的模拟仪表和继电器联锁进行控制，生产稳定，故障修复时间减少，因而产品质量 提高，产量增加。 9 0 年代随着计算机网络技术的广泛应用，在水泥厂中也逐步推广应用管理信息系统 ( m i s ) ，作为全厂范围内包括生产、财务、供销、人事、劳动、调度、备品备件等甚至 于领导决策、管理的应用。生产子系统也作为纳入全厂m i s 风格的一个部分，相互间进 行通讯及信息交换。 我国水泥工业自动化的发展经过了这样几个阶段0 1 ：7 0 年代以前只有由常规的次 仪表、二次仪表以及各种继电器、保护装置组成的简单生产过程控制。8 0 年代初，我国 分别从日本、丹麦全套引进了新型干法水泥生产线，其生产过程采用集中控制方式；随 后由我国白行开发设计的2 0 0 0 t d 新型干法预分解水泥生产线也采用了此种先进的控制 方式，从而大大提高了水泥生产线的自动化水平8 0 年代中期，集散型控制系统( d ( 焉) 的引进与应用使我国水泥工业自动化又向前迈进一大步，缩小了与国际水泥大公司在这 方面的差距9 0 年代中后期jd c s 系统的控制范围从水泥生产线的主工艺流程扩展到整 个水泥生产线上的所有车间；同时，系统采集的信息量也大大增加，生产与经营管理信 息系统开始得以应用。 目前我国水泥工业自动化技术水平大致可以分为4 种情况哪： 一是近年来2 0 0 0 t d 以上新型干法水泥生产线己经普遍采用从国外引进的集散控制 系统( d c s ) ，如b a i l e l 公司的n - 9 0 系统、a b b 公司的多智能体系统t e r 系统、s i m e n s 公司的s i m e n s 5 系统和h o n e y w e l l 公司的m i c r ot d c 一3 0 0 0 系统等。包括对设备的监控 报警、堆场管理、磨机配料、窑的模糊逻辑控制等各项功能嗍 二是7 0 0 - 1 0 0 0 t d 规模的回转窑生产线中，采用了d c s 或p l c 控制系统，对工艺参 3 硕士学位论文 第1 帝文献综述 数和设备运行实行全方位的测控，技术装备和自动化水平较先进，管理水平较高。已有 水泥工作者针对立窑厂特点，开发有研制了立窑d c s 控制系统；或在各工序中普遍采用 p l c 或单片机、工控机进行监测控制。 三是绝大多数的中小水泥企业目前仍处于采用模拟仪表对过程参数进行测控，但微 机的应用己相当普遍：采用钙铁分析仪对出磨生料进行配料控制；采用磨机负荷控制系 统；熟料锻烧采用立窑偏火控制装置等。 四是还有相当数量的小立窑厂设备陈旧，工艺落后，人员素质低，文化程度低，自 动化技术极少或根本没有采用。 1 1 3 人工智能在水泥工业控制中的应用 在水泥生产过程控制中，由于被控对象有较大的非线性、时问滞后和不确定性，传 统控制方法无法取得满意的控制效果1 。1 9 7 8 年，丹麦学者l a r s e n 首次为一条湿法水 泥回转窑设计了模糊控制器并取得了成功，从而开辟了水泥回转窑控制的新途径“”。 人们将智能控制理论应用于水泥生产过程的自动控制，取得了一定成果。 ( 1 ) 神经网络的应用 神经元的数学模型是1 9 4 3 年由m c c m l o c h 和p i t t s 两位科学家首先提出来的，其真 正的发展期则在8 0 年代以后。人工神经网络是以计算机网络系统模拟生物神经网络的 智能计算系统。网络上的每个结点相当于一个神经元，可以记忆( 存储) 、处理一定的 信息，并与其他结点并行工作。求解一个问题是向人工神网络的某些结点输入信息，各 结点处理后向其他结点输出，其他结点接受并处理后再输出，直到整个神经网工作完毕， 输出最后结果。如同生物的神经网络，并非所有神经元每次都一样工作。在人工神经网 络中以加权值控制结点参与工作的程度。正权值相当于神经元突触受到刺激而兴奋，负 权值相当于受到抑制而使神经元麻痹直到完全不工作。神经网络的主要特点是具有学习 能力、并行计算能力和非线性映射能力，因此特别适于解决众多非线性、强耦合和不确 定性系统的控制问题。目前在智能控制领域中，应用最多的是b p 网络、h o p f i e l d 网络、 自组织神经网络、动态递归网络、联想记忆网络和a d a l i n e 网络等“”。 方千山等建立了基于b p 算法的水泥配料调优操作模型“”。 陈永健等就生料配料采用的三种原料( 石灰石、粘土、铁粉) 配合方案，建立了基于 神经网络的生料配料智能控制系统，包括神经网络辩识系统和神经网络p i o 参数自学习 系统，通过调整石灰石的配比来控制c a o 的含量，提高了生料配料的质量，仿真结果表 明该控制系统能很好地满足工艺要求的三个率值( i ( h 、s m 、i m ) 1 9 o 张建民等将动态神经应用于回转窑的温度控制嘲。徐松岭等采用“局部逼近”的r b f 神经网络进行回转窑的优化控制，系统由离线训练、网络验证和在线控制等三个部分组 成，其中在线控制部分根据采样的检测参数，由r b f 神经网络给出相应的控制参数，并 4 硕士学位论文第1 章文献综述 将相应的控制参数传递给定值控制回路实现系统控制乜1 1 。 刘晓琳等以预分解窑系统的工艺过程为依据，利用b p 神经网络技术，对分解炉温 度的控制过程进行建模嘲。 扬力远等基于神经网络对回转窑煅烧进行了模拟嘲。 ( 2 ) 模糊控制 模糊数学的基础模糊集合论是由美国自动控制专家l a z a d e h 教授于1 9 6 5 年在它 的论文( f u z z ys e t 中首次提出的他以。隶属函数”的概念将经典数学中以特征 函数表示的二值逻辑推广到以隶属函数表示的连续值逻辑。模糊数学问世以来其发展异 常迅速，到7 0 年代初期，模糊集合的概念愈来愈为更多的科学工作者所接受。 模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 是基于模糊数学理论中模糊集、模糊逻辑的概念，模 拟人类大脑思维方式和专家的控制经验，同控制理论相结合，对无法或难以建立对象模 型的大型复杂系统实施的一种智能控制方法。其基本思想是先将操作人员或专家的经验 归结为模糊控制规则，然后把传感器信号模糊化，并用此模糊输入去适配控制规则，完 成模糊逻辑推理，最后将模糊输出量进行解模糊判决，变为模拟量或数字量后送到执行 器上。 新型于法回转窑表现出时变和非线性行为，相关变量检测困难，常规控制局限于依 据二次变量进行少数几个环节的简单控制，而一次变量的控制则由操作工来完成。t a y e l 等开发的模糊逻辑控制系统以回转窑的4 个主要参数作为输入变量，输出参数即控制变 量为5 个，实现了窑的稳定控制f l s m i d t h 公司的水泥回转窑第二代模糊控制系统 f u z z yi i 已于九十年代中期投入应用嘲d a v i d 等采用基于约束模糊逻辑控制器成功建 立了非线性和时变特性的水泥回转窑的模型嘲。 t s u r u t a k a 等建立的多目标智能实时过程控制系统系( i r p x ) 既具有传统的控制功 能，也具有模糊控制和基于现代控制理论的最优控制等先进功能，该系统应用于三个水 泥厂并取得了很大的成功，减少了燃料消耗和实现了长时间的稳定操作嘲。m e d u s a 公司 是美国最早的水泥生产者之一，己经在三个水泥厂中建立分布式控制系统，实现了过程 的模糊逻辑控制，数据处理和操作效率得到了显著的改善嘲。c l a s s e n a 等开发的水泥生 产优化智能控制系统( i c s ) 包括基本的和高级的过程控制、过程优化以及模糊逻辑控制， 系统的不断升级和扩展，很好地适应了水泥公司发展的需要汹】 高玉琦等提出了一种针对回转窑烧成带及窑尾温度的控制方案m 1 ，认为烧成带温度 和窑尾废气温度的稳定是保证水泥回转窑热工过程稳定，生产高质量水泥熟料的重要标 志，从而采取烧成带温度和窑尾废气温度为被控制量，用对它们影响显著的窑速、喂煤 电机转速( 与喂煤量成比例) 及对窑内通风和温度场影响颇大的窑尾排风挡板位置为控 制量的控制方案其中水泥生料下料量与窑速、一次风量与喂煤量在水泥锻烧过程中均 织，按某种策略及时地选用恰当的规则进行推理输出，进而对过程对象实施控制，或修 改补充知识条目。 专家系统控制可看成是对一个“控制专家”在解决控制问题或进行控制操作时的思 路、方法、经验和策略的模拟，控制专家在完成控制任务时，主要进行观察、检测系统 中的有关变量和状态，运用自己的知识和经验判断当前系统运行的情况并分析比较各种 可以采用的控制策略，选择控制策略予以执行。 b o u r s e a u 等建立的水泥回转窑技术分析专家系统原型，能够有效地适应水泥回转窑 6 硕士学位论文第1 章文献综述 各种不同技术分析任务的需要，进行过程流量的描述，根据工艺结构和分析目的进行检 测任务的规划，以及完成过程参数趋势和状态的分析“”。r u b y 等开发的水泥厂回转窑专 家控制系统，通过降低热耗、延长窑砖寿命、降低电耗、降低维护费用、大量减少高价 辅助燃料如天然气的使用和控制n o x 减少环境污染而显著降低了成本。z e m e n t 等基于 w i n d o w sn t 平台开发了基于知识的c e 姒t 回转窑控制系统( k c s ) ，具有可视化界面，己 在多个水泥厂投入使用，可实现回转窑的自动操作以提高熟料质量，降低能耗，延长机 器寿命。k i n g 等建立了回转窑复杂控制的一个分布式专家系统n a v a r r o 等开发了 实时专家系统使控制程序的改变与整定能以种简易方式进行嗍。p r i m e a u 等开发出世 界上第一个成功的立磨实时专家控制系统嘲。h e p p e r 等开发的基于知识的控制系统 p o l e x p e r t t 哪，可以提供水泥生产过程控制的人工智能技术和常规算法控制技术。 t a u n t o n 等开发的实时专家系统l i n k m a n 用于水泥生产过程的监督控制，能够有效地提 高产量和质量m 。 袁南儿等将多媒体技术用于窑头工况分析，通过对上位机看火图像进行处理，提取 了回转窑烧成带最高温度等特征量，结合下位机采集的窑系统温度、压力和流量等监测 量，建立了回转窑生产实时专家指导系统哪! 。 张学东等研制的水泥回转窑实时专家控制已在抚顺水泥厂进行安装调试嘲。 潘桦以生料车间为诊断对象，建立了基于专家系统的故障诊断系统嘲。 王兰军等采用基于案例的推理和模糊推理相结合的推理方法成功建立水泥回转窑 故障诊断系统帆同。 1 2 智能体技术的发展与应用 1 2 1 智靛体与多智能体系统 ( 1 ) 智能体基本概念 智能体系统是一个高度交叉的研究领域，它吸取了不同领域的内容，如经济学，哲学， 逻辑学，生态学和社会学它是近年来分布式人工智能( d i s t r i b u t e da r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，d a i ) 领域研究熟点之一。智能体的内涵丰富，其含义随环境的变化而 改变，至今还没有形成一个统一的定义删按照l a n e 的定义呻“1 ，智能体是一个具有 控制问题求解机理的计算单元，这种定义是建立在普遍意义基础上而给出的，它可以指 一个机器人，一个专家系统，一个过程，一个模块或一个求解单元等。s h o h a m 则给智能 体下了一个“高层次”的定义：如果一个实体的状态可被认为包含了诸如知识 ( k n o w l e d g e ) 、信念( b e l i e f ) 、愿望( i n t e n t i o n ) 、意图( d e si r e ) 、承诺( c o m m i t m e n t ) 和能力( c a p a b i l i t y ) 等精神状态( m e n t a ls t a t e ) 时，该实体就是智能体。这个定义也 可表述为：如果一个实体可用诸如知识、信念、承诺和能力等精神状态来描述时，那么 7 硕士学位论文第1 章文献综述 该实体就是智能体。 一种普遍的观点认为，智能体通常是指在一定环境中持续自主运行的实体，是一种 帮助人们完成特定任务的软件，在网络环境中，它能够协助人们进行信息定位、存取、 筛选和集成，并能根据外界环境及用户要求的变化不断地调节自己。 ( 2 ) 智能体的特性 为了自主行动，理想的自主智能体应具有以下几个方面的能力：对输入的数据和消 息进行感知和解释的能力；基于其信念进行推理的能力；有关目标选择、解决目标交互 和关于意图推理等决策能力；选择或建造行为计划、冲突消解等规划能力：执行计划( 包 括发送消息) 的能力。 因此，在广义上智能体都具有自治性、社会能力、反应能力、自发行为等特性m 删。 自治性( a u t o n o m y ) 。智能体在其运行时不直接由人或者其它东西控制，它对它们 自己的行为和内部状态有一定的控制权。 社会能力( s o c i a la b i l i t y ) 。智能体的社会能力也称可通信性 ( c o m m u n i c a b i l i t y ) 。智能体能够通过某种智能体通信语言与其它智能体进行信息交换 【晡1 反应能力( r e a c t i v i t y ) 。智能体可以感知它们所处的环境，并通过行为改变环境。 自发行为( p r o - a c t i v e n e s s ) 。传统的应用程序是被动地由用户来运行的，而且是 机械地完成用户的指令而智能体的行为应该是主动的，或者说是自发的智能体感知周围 环境的变化，并作出基于目标的行为。 ( 3 ) 智能体的分类 思考型智能体 建造智能体的经典方法是将其看作是一种特殊的知识系统，即通过符号a i 的方法 来实现智能体的表示和推理，这就是所谓的思考型或慎思型智能体( d e l i b e r a t i v e a g e n t ) 。 反应型智能体 反应型智能体的智能取决于感知和行动，反应型智能体智能行为模型为“感知一动 作”。反应型智能体不需要知识，不需要表示，也不需要推理，反应型智能体的行为只 能在现实世界与周围环境的交互作用中表现出来。r b r o o k s 提出一种不同于符号a i 的， 称之为子前提结构( s u b s u m p t i o na r c h i t e c t u r e ) 来的建造智能体的控制机制。该结构 是由用于完成任务的行为( b e h a v i o u r s ) 来构成的分层结构，这些行为相互竞争以获得 对机器人的控制权。这种虽然简单的结构在实践中被证明是非常高效的，它甚至解决了 传统符号a i 很难解决的问题。 混合型智能体 反应型智能体能及时而快速地响应外来信息和环境的变化，但其智能程度较低，也 硕士学位论文 第1 章文献综述 缺乏足够的灵活性。思考型智能体具有较高的智能，但无法对环境的变化做出快速响应， 而且执行效率相对较低。混合型智能体( h y b r i da g e n t ) 综合了二者的优点，具有较强 的灵活性和快速响应性。 ( 4 ) 多智能体系统基本概念 多智能体系统( m u l t ia g e n ts y s t e m ) 是由多个独立的、相互协作的智能体组成的松 散的计算网络汩1 。其中智能体相互作用从而解决单个智能体由于能力或知识上的不足而 无法解决的问题。在实现的过程中，不追求单个的、庞大的、复杂的体系，而是按控制 应用的要求，从功能上划分成多个智能体，各个智能体相互通讯、彼此协调，共同完成 大的复杂系统的控制作业任务嘲。其目标是将大的复杂系统建造成小的、彼此能相互通 讯及协调的、易于管理的智能体嘲。其研究涉及智能的知识、目标、技能和规划以及如 何使智能体协同地采取行动解决问题等。多智能体技术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；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，而且可以从智能体的交互中进一步理解社会行为；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。因此，多智能体系统是一个分布系统，具备一般分布式系统 所具有的资源共享、易于扩张、可靠性高、灵活性强和实时性好的特点；各智能体之间 相互协调、相互协作以解决大规模的复杂问题，解决了建立庞大知识库所造成的知识管 理和扩张的困难；对系统故障，如某些智能体不能正常工作时，系统的性能也不会显著 下降或引起系统崩溃，因而系统具有很强的鲁棒性和可靠性。 ( 5 ) 多智能体系统环境 ， 智能系统在功能上不可能是孤立的，它们至少是所处环境的一部分。在智能体的社 会中，一个智能体需要和其他的智能体进行通讯和交互。单个智能体所处的环境需要能 够为智能体的通信和交互提供一个基本的结构，该结构包括了智能体的通讯和交互协 议。 多智能体系统环境一般具有下述特点。 多智能体系统环境提供了规范通信和交互协议的构架。 多智能体系统环境是典型的开放和没有中心设计者的系统。 多智能体系统环境包含自治的，分布的智能体，它们可以是自我为中心。也可以 是合作的。 9 由控制智能体和被控智能体构成的系统：智能体之间存在较强的控制关系，每个智 能体或对其它智能体具有控制作用，或受控于对它具有权威的智能体。在这类系统中， 1 0 硕十学位论文第1 章文献综述 被控智能体的行为受到约束，自主程度较低。 自主智能体构成的系统：智能体自主地决策，产生计划，采取行动。智能体之间具 有松散的社会性联系。智能体通过与外界的交互，了解外部世界的变化，并从经验中学 习增强其求解问题的能力以及与相识者建立良好的协作关系。在这类系统中，自主智能 体之间的协作关系是互利互惠的关系，当目标发生冲突时，通过协商来解决 灵活智能体( 即半自主的智能体) 构成的系统：智能体进行决策时，某些问题在一定 程度上需受控于其它智能体，大部分情况下要求智能体完全自主地工作。在这类系统中， 智能体之间通常是松散藕合，具有一定的组织结构，通过承诺和组织约束相互联系。 1 2 2 智能体与多智能体系统的发展与现状 智能体理论与技术研究最早源于分布式人工智能，但从8 0 年代末开始，智能体理 论、技术研究从分布式人工智能领域中拓展开来，并与许多其他领域相互借鉴和融合， 在许多不同于最初分布式人工智能应用的领域得到了更为广泛的应用。 这些年来不管是智能体的基础研究还是智能体的实际应用都取得了很大的成功。 作为a g e n t 问通信的关键，智能体通信语言( a g e n tc o m m u n i c a t i o nl a n g u a g e ，a c l ) 已经得到学术界和企业界的广泛研究。主流的智能体通信语言有：k q 札( k n o w l e d g eq u e r y a n dm a n a g e m e n tl a n g u a g e ) 和f i p a a c l ( t h ef o u n d a t i o nf o ri n t e l l i g e n tp h y s i c a l a g e n t sa c l ) 两种”1 。主流的智能体内容表示语言是k i f 。徐鹂在综合了k i f 、k l - - o n e 和e x p r e s s 之长的基础上，设计了一种简明、表达能力强的概念表示语言c r l e 作为定 义智能体内容的语言嘲。钟凌燕等提出的概念表示语言o a l ( c o n c e p tm a r k u pl a n g u a g e u s i n g ) 函儿) 结合了c r l e 与x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，可扩展置标语言) ，有效 地解决了c r l e 在第三方智能体难以操作的问题嘲。袁爱进等用x m l 描述f i p a a c l 消息， 给a c l 的编码、解析、有效性检查和扩展等方面带来很多的便利咖。沈琦等实现了基于 ) n 也对k q 札进行描述。 因为多智能体系统源于分布式人工智能，它和分布式系统有着天生的相似性，大量 的多智能体系统基于c o r b a 和s o a p 等分布式对象技术开发删。同时，不少多智能体开 发平台也先后出现，如中国科学院计算技术所的多主体环境m a g e 、图加特大学的m o l e 和著名的开源项目j 仰e 删。此外还出现了专门面向智能体系统开发的编程语言语言嘛 劓】 国际上近几年，也出现了一些独立的商业化的或纯粹研究性质的团体开始从事多智 能体技术的标准化工作取得了显著成果的组织有：t h eo b j e c tm a n a g e r g r o u p ( o m g ) ，t h e f o u n d a t i o nf o rp h y s i c a la g e n t s ( f i p a ) ，t h ek n o w l e d g e - a b l ea g e n t o r i e n t e ds y s t e m g r o u p ( k a o s ) 和t h eg e n e r a lm a g i cg r o u p ”“ 多智能体系统最早的应用领域之一是航空运输控制系统。o a s i s ( o p t i m a la i r c r a f t 硕士学位论文第l 章文献综述 u s i n gi n t e l l i g e n ts c h e d u l i n g ) 正在澳大利亚的悉尼飞机厂进行现场检验。a r c w m ( a t c h i t e c t u r ef o rc o o p e r a t i v eh e t e r o g e n e o u s o n l i n es y s t e m ) 是由j e n n i n g s 等研 制的一个建造多智能体系统的软件平台以及使用该平台建造应用系统的一个相关方法 学，目前己应用到一些实际的工业应用中，如电力运输管理、离子加速器控制、电力分 配和供应、水泥混合比例控制、灵活机器人元件控制等。j e n n i n g s 等开发的一个称为 a r c h o n 的分布式人工智能框架用于多个工业领域；最重要的是能源分布系统，在西班牙 北部安装了该系统，并且现在仍在运行嘲。多智能体系统被广泛应用于软件重用“1 、 工业控制。冽、材料设计嘲、搜索引擎汹蜘、电子商务州、e r p ( 企业资源计划) “1 等 领域。 尽管智能体技术的研究已经展开二十多年了，也应用于各个领域。但智能体系统仍 然不能向传统程序那样广泛的被应用。原因是多智能体系统的发展在技术上还有较多的 难点，除了设计分布式程序比较困难外，设计具有协作功能的系统会带来一系列复杂的 问题。在设计多智能体系统的项目时，系统的结构框架的设计的首要原则是符合项目的 实际需求，需求不同导致对系统机构的定义的理解不同。尽管对于单个项目，使用特定 的符合实际需求的结构框架会更加便捷，但结果是要想在其他系统中使用这个系统的结 构框架变得很困难。因此，人们希望有一个支持多智能体的分布交互的更形式化和标准 化的机制和协议，使多智能体技术得到更加广泛的应用。这也就是多智能体系统结构标 准化( m a sa r c h i t e c t u r e ss t a n d a r d i z a t i o n ) 。另外一个原因是多智能体的程序设计和 传统的程序设计存在较大的差异。但现在并没有较好的开发工具的支持，也并没有较好 的专门开发语言。现有大部分多智能体系统都是嫁接在现有程序开发语言上。 1 3 选题的意义与研究内容 目前我国水泥工业自动控制系统中，已有先进的、投资巨大的d c s ( 集散控制系统) 硬件系统，设备水平都相当成熟。但注重系统硬件先进性而忽视软件重要性的现象较为 普遍，存在的突出问题是应用软件及控制技术跟不上硬件系统的发展，在总体上控制软 件仍停留在p i d 调节反馈控制水平，水泥窑仍基本处于人工操作水平，远未实现优化控制， 离实现水泥生产过程的优质、高产和低耗尚有很大距离。 水泥工业过程作为典型的复杂工业过程具有高度非线性、强耦合、时变不确定等特 点，采用传统的控制策略和控制方法难以获得满意的控制品质。专家系统控制、模糊逻 辑控制、神经元网络控制等智能控制方法有着各自的特点，但单一的智能控制方法依然 难以实现水泥工业的全局控制。因此建立新型干法水泥生产过程控制多智能体系统有着 积极的意义。 本论文主要研究内容有：研究多智能体系统设计和开发的方法；研究多智能体系统 硕士学位论文第1 章文献综述 与专家系统、神经网络和模糊控制技术的融合；研究原有系统重用为智能体的方法；开 发新型干法水泥生产过程控制多智能体系统，实现了水泥熟料煅烧过程的优化控制。 硕士学位论文第2 章系统设计 第2 章系统设计 2 1 水泥熟料煅烧工艺分析 2 1 1 水泥熟料煅烧工艺过程 新型干法水泥生产，是以悬浮预热和窑外分解技术为核心，把现代科学技术和工业 生产成就( 如均化技术、烘干粉磨技术、新型耐火材料以及计算机及自动控制技术等) 广泛应用于水泥干法生产的全过程，使水泥生产具有高效、优质、低耗、符合环保要求 和大型化、自动化特征的现代水泥生产方法。新型干法生产包含了一整套现代化水泥生 产新技术和与之相应的现代化科学管理方法。 新型干法水泥生产线采用了目前广泛使用的“五级旋风窑外预热分解”技术，整个 生产工艺过程包括窑外预热分解、窑内锻烧、熟料冷却、废气处理和煤粉制备等工序， 如图2 - i 所示。 图2 - i 干法水泥生产工艺流程图 ( 1 ) 窑外预热和分解 水泥生料( 主要成分为c a c o 。、s i 仉、a i 她和f e ：嘎等) 经研磨、均化处理后由气力提 升泵传送进入预热器。悬浮预热器由从上至下排列的五级旋风筒组成，生料由第一级旋 风筒入口进入，在各级旋风筒内悬浮于自下而上的由窑尾烟室( 约1 1 0 0 ) 和三次风管送 入预热器底部的高速热气流中作离心运动。由于生料粉末很细，相对表面积较大，所以 在自上而下过程中生料粉末与热气流充分混合，进行热交换，很快被加热到大约7 0 0 1 4 硕士学位论文第2 章系统设计 8 0 0 u ，同时窑尾来的高温废气的温度也迅速降到3 0 0 4 0 0 。然后生料进入分解炉， 并与从分解炉中上部送入的煤粉混合以沸腾状态燃烧，进行碳酸盐的分解反应，使得当 生料进入窑体时，分解率已达8 0 9 0 。 ( 2 ) 窑内锻烧 从分解炉出来的生料( 包括已分解部分) 由窑尾进入窑体，因窑体有一定倾斜且在 不停地低速旋转，物料将从窑尾向窑头缓慢运动，同时煤粉从窑头用喷嘴管喷入，与顺 窑体而下的生科混合并燃烧，使之迸一步分解。煤粉在窑内燃烧后，形成的高温火焰一 般可达1 6 0 0 1 7 0 0 ，产生的高温气体在窑尾高温风机的牵引下，沿着窑体向窑尾流动， 和物料在相对流动中进行热交换，在回转窑的不同区域发生不同的化学反应，形成“工 艺带” ( 3 ) 熟料冷却 生料经回转窑煅烧变成熟料后，由窑头落到篦床上进行冷却。篦冷机分为四个室， 每室都配有大功率的冷却风机。这些风机向各个室鼓风，以对流方式强制进行热交换， 使熟料迅速降温。熟料加热的空气一部分被吸入窑内帮助反应，另一部分被三次风管送 至窑尾分解炉作为燃烧的高温空气，还有一部分被送至煤粉制备，对煤粉进行预热处理。 ( 4 ) 废气处理 窑尾废气在高温风机的抽引下，自下而上逐级通过各级旋风筒，与生料进行热交换。 从旋风筒出来的含有粉尘的高温废气，一部分去原料磨对原料进行烘干，另一部分进入 增湿塔。在增湿塔内对高温气体进行喷水增湿降温，将废气温度从3 5 0 降至1 5 0 以 下后进入汇风箱，废气中的颗粒在汇风箱内沉降下来，送回原料磨进行回收，其余经电 收尘器净化处理后从窑尾烟囱排出。 对上述流程简化，分别从物料、气体和燃料三类物质的流动路径了解其工艺过程 【1 叼，如图2 2 所示。 物料流程 预均化的生料从l 处进入悬浮预热器系统，被正在上升的气流带往c 1 ，在此过程中 物料跟气体发生热交换。进入c l 后，热交换继续进行，并发生