（检测技术与自动化装置专业论文）多agent技术在智能建筑系统中的应用研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 智能建筑是现代建筑技术、通信技术、计算机技术、控制技术等相互结合、相互渗 透的产物。智能建筑技术经过了2 0 年的发展，目前已经进入了第三代智能建筑技术的研 究阶段，在新一代智能建筑技术的研究中，通过实现对建筑的智能化和人性化的控制， 提高整个建筑的智能化水平，为在其中工作的人员提供各种优质的服务。a g e n t 技术作 为人工智能领域的热点，将a g e n t 理论应用于智能建筑系统中，为该领域的发展开辟了 一条新的道路。 本文首先在深入分析了目前广泛用于智能建筑系统中的d c s 系统的特点的基础上， 结合智能建筑具体应用特点，提出了一种基于多a g e n t 的智能建筑的系统结构。在此结 构中，系统主要分为组织a g e n t 、协调a g e n t 和执行a g e n t 三种类型。根据智能建筑的 要求，将协调a g e n t 又分为以子系统为划分依据的空调系统a g e n t 、照明系统a g e n t 、给 排水系统a g e n t 等，及根据区域划分的房间a g e n t 和公共a g e n t 。 然后，详细研究了各类a g e n t 内部结构，与智能建筑理论相结合，提出了一种基于 多a g e n t 的智能建筑系统的合作结构，此结构表明了智能建筑中各子系统在组织a g e n t 的协助下的合作关系。提出了一种分区的黑板结构来实现a g e n t 之间的信息共享，使合 作更加有效。另外，通过各系统a g e n t 之间的通信与合作，能够实现对系统人性化的管 理，从而起到减少能耗，优化能源管理的作用。 最后，给出了基于多a g e n t 的智能建筑系统的硬件实现方案。根据目前智能建筑系 统中网络技术的发展现状，提出了以以太网与现场总线结合的网络通信方式。根据a g e n t 的实现功能要求以及应用场合的不同，将系统中的a g e n t 由简单到复杂设计成三个档次 的硬件结构。因此，在硬件设计时，由高到低的硬件结构分别采用以3 2 位a r m 处理器、 1 6 位处理器+ f p g a 、1 6 位处理器为核心。 关键词：智能建筑；多a g e n t 系统；人工智能；集散控制系统 山东省自然科学基金项目，n o y 2 0 0 6 g 1 4 山东建筑大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho fm u l t i - a g e n ts y s t e mi ni n t e l l i g e n t b u i l d i n g s l i u l i a n g ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g y & a u t o m a t i o ne q u i p m e n t ) d i r e c t e db yz h a n go u i q i n g a b s t r a c t i n t e l l i g e n tb u i l d i n g sa r eap r o d u c tm u t u a l l yc o m b i n e d 、 ，i t l lm o d e mb u i l d i n gt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o n t r o lt e c h n o l o g y i n t e l l i g e n t b u i l d i n g st e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e df o rt w od e c a d e s ，a n dn o we m e r e dt h et h i r dg e n e r a t i o no f i n t e l l i g e n tb u i l d i n g st e c h n o l o g yr e s e a r c h i nt h er e s e a r c ho ft h en e wg e n e r a t i o n , t h ei n t e l l i g e n t l e v e lo ft h ee n t i r e b u i l d i n g s h a sb e e ni m p r o v e d b yc o n t r o l l i n gi n t e l l e c t u a l i z e d a n d p e r s o n a l i z i n g ，p r o d d i n gt h ev a r i o u sh i g hg r a d es e r v i c e sf o rt h ep e o p l ew h ow o r ki nt h e b u i l d i n g s f i r s t l yt h i sp a p e rb a s e do nd e e pa n a l y s e sa b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed c sw h i c hw a s u s e di nt h ei n t e l l i g e n tb u i l d i n g sa n dp r o p o s e dab a s e do nm u l t i a g e n ti n t e l l i g e n tb u i l d i n g s s t r u c t u r ea c c o r d i i l gt ot h ea p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h ed c s i nt h i ss t r u c t u r e ，t h es y s t e m w i l lb ed i v i d e di n t oo r g a n i z a t i o n - a g e n t ，c o r r e s p o n d - a g e n ta n dp e r f o r m - a g e n t a c c o r d i n g d i f f e r e n ts u b s y s t e mc a nb ed i v i d e di n t oa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e ma g e n t ，l i g h t i n gs y s t e ma g e n t , a n dw a t e ra n dw a s t e w a t e rs y s t e ma g e n t ；a c c o r d i n gd i f f e r e n ta r e ao ft h eb u i l d i n g ，c a nb ea l s o d i v i d e di n t or o o ma g e n ta n dp u b l i ca g e n t t h e nt h ep a p e rp r o p o s e dab a s e do nm u l t i - a g e n ti n t e l l i g e n tb u i l d i n g ss t r u c t u r eo f c o o p e r a t i o n , b ys t u d y i n go ft h ei n t e r n a l - s t r u c t u r eo fa g e n ta n dt h e o r yo fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g s t h i ss t r u c t u r es h o w st h a tc o o p e r a t i v er e l a t i o n so ft h ea g e n t s p r o p o s e das t r u c t u r eo f b l a c k b o a r d , a c h i e v e dt h ei n f o r m a t i o ns h a r i n gt h i si m p r o v i n ge f f i c i e n c yo fc o o p e r a t i o n b e s i d e st h ep e r s o n a l i z i n gm a n a g e m e n tw i l lb er e a l i z e dt h r o u g ht h ec o m m u n i c a t i o n sa n d c o o p e r a t i o nb e t w e e nt h es y s t e ma g e n t l a s t l y , o nt h eb a s i so ft h e s es t u d i e s ，t h i sp a p e rp r o p o s e dt h eh a r d w a r es c h e m eo ft h e i n t e l l i g e n tb u i l d i n gs y s t e mi nv a r i o u si n t e l l i g e n ta g e n t s a c c o r d i n gt op r o g r e s s e so fi n t e m e t t e c h n o l o g yi nt h ei n t e l l i g e n tb u i l d i n g s ，p r o p o s e dt h ec o m m u n i c a t em o d ew h i c hw a si n t e g r a t e d i i 山东建筑大学硕士学位论文 o fe t h e m e ta n df i e l d s b u s a c c o u n t i n gf o rt h ei n t e l l i g e n td e g r e e ，f u n c t i o na n dc o s t c o n s i d e r a t i o n s ，t h r e eg r a d e so ft h eh a r d w a r es t r u c t u r e sw e r ed e s i g n e d t h e nt h eh a r d w a r e s t r u c t u r e sw e r eu s e db y3 2a r m p r o c e s s o r , 1 6 一b i tp r o c e s s o ra n df p g a , 16 一b i tp r o c e s s o r 勰 t h ec o r e k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tb u i l d i n g s ，m u l t i - a g e n ts y s t e m ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n t ，d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m i 山东建筑大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，论文中不合其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定，即：山东建 筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师签 名： 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景 自1 9 8 4 年美国建成第一座智能建筑以来，世界各国纷纷效仿，智能建筑在世界各地 迅速展开。它是现代建筑技术、通信技术、计算机技术、控制技术等相互结合、相互渗 透的产物，集中体现了信息社会中的信息特征，是信息产业特别是微电子超大规模集成 电路及网络技术迅速发展推动的结果，它给居住在大楼里的人们提供了一个安全、舒适、 快速、便捷、节能等极具增值服务的空剐1 】【2 】。 2 0 多年来，智能建筑技术经历了两代。第一代的智能建筑由多个相对独立的子系统 构成，互相之间没有联系，操作也相对独立；第二代智能建筑的最大特点在于通过一些 专门的网络将楼宇的各个控制子系统连接起来，从而能完成一些诸如远程控制、操作序 列化、制定时间表等涉及多个子系统的操作任务。虽然第一、二代智能建筑技术在很大 程度上提高了楼宇控制操作的自动化水平，但是仍然存在着一些问题。这些问题包括： 子系统间的联动和协作能力，系统对信息的反应能力和对信息的分析处理能力，系统的 推理、学习和适应等能力及控制网络与信息网络的进一步集成和整个智能系统的人性化 等【3 】。目前，国际上已开始第三代智能建筑技术的研究。在第三代智能建筑技术的研究 中，我们要实现的是一个网络集成系统，提供一整套系统软件，采集和取用弱电系统的 实时数据，并实现对系统信息、资源和管理服务的共享。同时，通过引进大量自动控制 技术，如模糊控制、神经网络及人工智能等来实现建筑的智能化和人性化，提高整个建 筑的集成程度 4 1 。在建筑智能化过程中，降低建筑物内部电器设备的能耗也是其研究的 一个重点。建筑能耗一般是指建筑物使用过程中能源消耗，包括供暖、供冷、通风、供 热水、炊事、照明、电器耗电、电梯、排污、保洁耗电等。暖通空调、照明、供热系统， 这几个系统占建筑能耗的6 5 以上。因此如果能合理的、人性化的控制这些电器设备的 运行必将会起到节能的效果【5 】【6 】。 因此不难看出，在智能建筑技术中网络通信技术十分重要，智能建筑中各个系统和 控制模块都是由相应的网络连接起来，形成一个分布式的网络结构。智能建筑中的各个 系统的联系会变得十分紧密，各个系统将会更容易的从其它系统获得相关的信息，使系 统运行于最佳的状态。如图1 1 所示为智能建筑系统结构图。 山东建筑大学硕士学位论文 图1 - 1 智能建筑系统结构图 人工智能( a i ：a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 自1 9 5 6 年诞生以来，现已广为人知。它的主 要目标是应用符号逻辑的方法模拟人类在问题求解、推理、学习等方面的能力。通过模 仿人类智能行为、制造智能机器人和智能系统解决常规方法难以解决的非结构化和半结 构化应用问题，已在许多领域取得成功 7 1 。在2 0 世纪7 0 年代后期，灿的合作性和分布 性引起人们的兴趣，逐步成为一个活跃分支，即分布式人工智能( d 灿：d i s l r i b u t e d a i ) ， 并在解决复杂系统问题方面表现出强大的生命力。随着信息技术迅速的发展，网络化的 分布式计算和d a i 技术的有机结合成为解决复杂系统问题最有效的手段，人工智能的研 究向分布式人工智能方向深入发展。d a l 分为两个基本的研究领域【8 】：分布式问题求解 ( d p s d i s l r i b u t e dp r o b l e m ss o l v i n g ) 和多智能体系统( m a s ：m u l t i - a g e n ts y s t e m ) ， 其研究重点已逐渐从d p s 变迁到m a s 。 a g e n t 技术是分布式人工智能中十分活跃的领域，a g e n t 可以预处理和独立完成所分 派的任务。在过去的a g e n t 发展史中，有许多专家研究了多a g e n t 技术，并将该技术应 用到各个领域中【9 】【1 0 l 。多a g e n t 系统是指由多个a g e n t 组成的较为松散的多a g e n t 联邦， 这些联邦之间相互协作相互服务，共同完成一个任务。各个a g e n t 间相互合作，并发运 行从而极大的提高了系统的效率和整个系统的可靠性1 1 】【1 2 1 通过实现多个a g e n t 间的合 作，使得智能建筑真正具有人工智能的特点【l 3 1 。 1 2 论文的研究目的及意义 近年来，我国的智能建筑日益繁荣，以每年1 5 3 0 的速度快速发展，除了大型体 育场馆、商业大厦以外，到2 0 1 0 年全国大中城市中6 0 的住宅要实现智能化。但目前 我们国家缺乏具有自主知识产权的智能建筑硬、软件产品；多数从事智能建筑的企业实 2 山东建筑大学硕士学位论文 际上是采用国际大公司的产品进行集成服务。这些产品大都是第二代产品，原因是，在 智能建筑方面，中国是一个几乎空白的市场，仍处于初级阶段，很少有企业向他们提出 更高的要求，他们的老产品依然可以利用其专有垄断性占有市场，因此他们并不急于将 最新的技术和产品推向中国。 因此开发出具有自主知识产权的高技术产品，采用先进的硬件技术和先进的智能控 制算法，使得系统具备人类智能的特点，即具备推理、学习、自适应等能力，实现真正 意义上的智能建筑，在最大限度地为人们提供快捷舒适的服务同时，达到能源优化的目 的。这不仅是国内企业的需求也是市场的迫切需要。 综上所述，针对第三代智能建筑系统的研究工作已迫在眉睫。智能a g e n t 技术作为 第三代智能建筑的特征，在近几年的迅速发展，为楼宇智能控制更进一步的发展，提供 了一条新的思路。通过实现多a g e n t 间的合作使得智能建筑真正具有人工智能的特点， 在为人们提供更加舒适的环境和更加便捷的服务的基础之上，实现整个楼宇的能源优化。 对其进行系统深入的研究，将在一定程度上能构推动我国智能建筑事业的发展。 1 3 论文的研究内容及结构 1 3 1 论文的研究内容 本文采用a g e n t 技术解决日益复杂化和大型化的智能建筑中的各种问题，并不追求 单个系统的庞大化、复杂化，而是根据智能建筑系统中的舒适、便捷、节能、易于管理 等要求，从功能上划分成多个a g e n t ，各个a g e n t 相互通信、彼此协调，共同完成复杂 系统的各种任务。这种基于多a g e n t 的系统不仅具有资源共享、易于扩张、可靠性强， 灵活性强、实时性好等特点，而且可通过a g e n t 的协作解决大规模的复杂问题，使系统 具有较强的可靠性和组织能力。 论文以a g e n t 理论为指导思想，研究了智能建筑系统中的一系列关键技术问题。论 文从个体a g e n t 入手，介绍了一个普遍意义上的a g e n t 模板，然后研究a g e n t 之间的通 信行为，包括：通信协议、通信模式及实现方法，在此基础上研究多个a g e n t 之间的协 作，并建立基于多a g e n t 的智能建筑系统模型。 本文所研究的目标是致力于第三代智能建筑技术，建立一个支撑a g e n t 运行的嵌入 式平台。该平台集成了最新的e d a 技术、网络技术、智能控制技术于一体，其结构灵 活，硬件控制器是由简单到复杂的系列结构，可以满足智能建筑中不同子系统的需求。 在该结构的设计中，采用以太网接口和现场总线接口，可以方便的构成网络系统，用户 山东建筑大学硕士学位论文 可以实现远程控制和监测满足不同层次智能建筑的需要。 作为山东省自然科学基金项目的一部分，本文的主要任务是研究a g e n t 的相关理论 知识，并将其与智能建筑技术相结合，从而进一步提高建筑物的智能化水平。主要完成 基于多a g e n t 系统的智能建筑系统的总体规划及设计任务，并根据智能建筑特点设计并 实现了智能程度不同的嵌入式a g e n t 的硬件结构。 1 3 2 论文的结构 本文分为五章，主要内容和结构如下： 第一章是绪论。介绍了课题的研究背景及意义。 第二章是a g e n t 的理论基础。介绍了a g e n t 及多a g e n t 系统的结构模型。从基本概 念、运行机制等角度对a g e n t 结构进行了深入研究，提出了一个通用的a g e n t 模板，并 介绍了m a s 的组织形式及结构类型。研究a g e n t 之间的通信技术。首先研究了a g e n t 之间的进步通信行为、通信机制、通信协议；在此基础上研究了a g e n t 之间的合作问题。 第三章是基于多a g e n t 的智能建筑系统结构。本章在前述各章研究的基础上提出了 基于m a s 的智能建筑系统结构。该结构结合a g e n t 理论知识，充分发挥多a g e n t 技术 协作的优势，建立了智能控制、建筑能源管理集成系统结构，从而实现智能控制、能源 管理等集成化、一体化的系统。 第四章是嵌入式a g e n t 平台的设计。提出了嵌入式a g e n t 不同层次的硬件设计方案。 第五章是论文的总结与展望。 4 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章 a g e n t 及多a g e n t 系统 随着科学技术的飞速发展，a g e n t 及多a g e n t 系统理论被越来越多的应用系统采 用，多a g e n t 系统被看作是人工智能的实现平台，智能a g e n t 与多a g e n t 系统已经成为 分布式人工智能研究的热点【1 4 】1 15 1 。a g e n t 技术，特别是多a g e n t 技术为分布式系统的分 析、设计和实现提供了一个全新的思路。对于a g e n t 技术的研究也已成为人工智能的核 心问题。有科学家就对人工智能这样定义【1 6 1 ：“人工智能是计算机科学的一个分支，它 的目标是构造出具有一定智能行为的a g e n t ，而斯坦福大学的计算机科学的b a r b a r a h a y c r sr o t h 则认为1 7 】：“智能的计算机a g e m 既是人工智能的初级目标，也是人工智能 的终极目标 。由此不难看出a g e n t 技术在人工智能领域的地位。 2 1 智能a g e n t 基本结构 a g e n t 是处在某个环境中的计算机系统，该系统有能力在这个环境中自主行动从而 得以实现其设计目标【1 8 】。这里所指的环境可以是客观存在的环境状态，比如：温度、湿 度等；也可以是被控对象的状态，比如：阀门的开度、电机的转速等；也可以是其它a g e n t 的状态，这里所指的输入输出是指协商过程，能够通过相互之间的通信实现共同的目标。 图2 - 1a g e n t 的基本结构 图2 1 给出了一个a g e n t 的基本结构。在这个结构中，可以看到a g e n t 为了影响外 部环境会做出相应的动作输出。在相对复杂的环境中，a g e n t 并不能完全控制外部环境， 最多只能部分地控制，也就是对外部环境产生一定的影响。从a g e n t 的角度来考虑，这 意味着在同一个环境中，同一个动作执行两次可能会出现两种完全不同的效果，多数情 况下不会产生理想的效果。因此，a g e n t 应当做好应对在一般的环境中可能出现失败的 准备。对于这种随机问题处理能力是智能a g e n t 的一个十分重要的能力【1 9 1 。 2 1 1 a g e n t 定义 a g e n t 是一个快速发展的领域。它已是分布式人工智能和现代计算机、通信技术发 山东建筑大学硕士学位论文 展的必然结果。目前尚没有一个确切的定义，研究a g e n t 的不同领域对其也有不同的定 义。就像给人工智能下一个确切的定义一样困难，要想给a g e n t 下一个确切的定义也很 难。其中最经典和被广为接受的是w o o l d r i d g e 在( ( i n t e l l i g e n t a g e n t s ：t h e o r ya n dp r a c t i c e ) ) 一文中给出的“弱定义 和“强定义 。 弱定义，指的是a g e n t 一般用以说明一个具有自主能力、社交能力、反应能力和 预动能力的软硬件系统。具有以下四个特征： ( 1 ) 自治性( a u t o n o m y ) ：a g e n t 拥有内部自治机制和问题解决机制，能够控制自己 的行为和内部状态。无需他人的干涉即可根据自己的知识和捕捉到的信息进行判断和行 a g e n t 自律性的高低在很大程度上决定了其智能的高低。 ( 2 ) 社会性( s o c i a b l e ) ：a g e n t 不是孤立的，而是一个相互作用的群体。a g e n t 间可 以按照某种协议或者语言进行通信和对话，从而形成一个小组来协作完成某一特定的任 务。 ( 3 ) 反应性( r e a c t i v i t y ) ：指a g e n t 具有外部环境的反射作用。能够识别外部环境的 变化并做出适当反应。但是这种反应可以是简单的反射( r e a c t i v ea g e n t ) ，也可以是深思熟 虑的反应( d e l i b e r a t i v ea g e n t ) 。 ( 4 ) 自发性( p r o a c t i v e n e s s ) ：指a g e n t 具有对目标的能动性，为了达到目标，a g e n t 能够自发地参加到某些处理或者协作中。 强定义，则是指a g e n t 不仅具有以上的特性，而且具有知识、信念、目的、义务等 人类才具有的特性。s h o h a m 认为a g e n t 就是一种实体，它可以看作是由多种心智状态， 如信念、能力、选择和承诺组成的。另外，a g e n t 还可以具有其它一些特性： ( 1 ) 移动性( m o b i l e ) ：a g e n t 能够将自己从一个环境移动到另一个环境。并在新环境 下正常运行。 ( 2 ) o - - i 信性( t r u s t w o r t h y ) ：a g e n t 遵从a g e n t 社会的法则，从这个角度上看a g e n t 是可信赖的。 ( 3 ) 智能性( i n t e l l i g e n t ) ：a g e n t 的状态由信念、目标、规划和意图等心智状态构成， 并通过符号语言与其它a g e n t 进行交互。 ( 4 ) 理性( r a t i o n a l ) ：a g e n t 没有冲突的目标，其动作和行为总是基于其内部已有的 目标，而且行为有助于目标的实现，而不会故意阻止其目标的实现。 一般而言，可以认为a g e n t 是一类在特定环境下能感知环境，并能灵活、自主地运 6 山东建筑大学硕士学位论文 行以实现一系列设计目标的、自主的计算实体或程序【2 1 1 。a g e n t 作为自主的个体在一定 的目标驱动下具有某种对其自身行为和内部状态的自我控制能力，能够不受人或其它 a g e n t 的直接干预，并尽可能准确地理解用户的真实意图，包括帮助用户方便、准确地 描述和表达任务意图，采取各种有目标驱动的、积极主动的行为1 2 2 1 2 3 j ，如社交、学习、 推理及合作等，能够感知、适应并运行于复杂的和不断变化的动态环境，有效地利用环 境中各种可以利用的数据、知识、信息和计算资源。不同的研究人员根据应用的不同， 可以加入自己对a g e n t 的理解【2 4 1 1 2 5 1 。 2 1 2 a g e n t 的结构 a g e n t 模型应当具有一定的目标、知识和能力，大多数a g e n t 的知识是在开发初期 人为给予的。由于a g e n t 具有自学习的能力，因此当a g e n t 工作在具体的环境中时，能 够通过机器学习，或者在其运行过程中收集与自身目标相关的信息，不断的增加自身的 知识，从而使能力得到加强，并具有更高的智能化水平。下面重点讨论一下反应、规划、 建模、通信和决策模块的结构【2 6 】【2 7 1 1 2 8 1 1 2 9 1 。 ( 1 ) 反应a g e n t 模块 对于不同的a g e n t ，由于其功能、职责上的不同，所以在具体实现上也采用不同的 结构和模型。在a g e n t 理论中用一种纯反应式a g e n t 的结构，这种a g e n t 在决定如何行 动时并不参照历史，它们的决策完全基于当前状态，不考虑过去状态。温度控制a g e n t 就是一个纯反应式a g e n t ，假设恒温控制器的环境有两个状态：温度过低和温度正常。 则温度控制器可以如下定义： r 一加热器停止，如果e = 环境温度正常 l a g e n t ( e ) 2 l 加热器启动，其它情况 反应模块能够保证a g e n t 对紧急或简单的情况做出迅速的反应，所以在反应模块中 基本不作推理。因此，a g e n t 的结构相对简单，其结构如图2 2 所示。 图2 - 2 反应a g e n t 内部结构 7 山东建筑大学硕士学位论文 ( 2 ) 规划a g e n t 模块 a g e n t 的规划模块负责建立中短期行为计划，a g e n t 的规划是一个局部规划，局部规 划体现在两个方面：一方面，每个a g e n t 根据目标集合、自身的状态、自己对世界和其 它a g e n t 的模型以及以往的经验规划自身的行为，而不是某个a g e n t 对全局进行规划并 将命令分发给其它a g e n t ；另一方面，a g e n t 并不需要对它的目标作出完全的规划，而只 是要生成近期的动作序列即可。因为世界是运动的，很多情况无法预料，长期的规划可 世界模型( 包 括其它智能主 体a g e n t 的模 型) 验库) ( 目标集合 决策生成 图2 - 3 规划模块内部结构 能会因为情况的变化而失去意义。如图2 3 所示，规划模块需要从目标集合、世界模型、 其它a g e n t 的模型以及自身的状态等数据结构中提取信息，经过局部规划器，产生出近 期的动作序列，交送给决策模块。 ( 3 ) 建模a g e n t 模块 建模模块有两个功能：一是维护和更新a g e n t 对世界和其它a g e n t 所建立的模型； 二是根据当前感知的信息和模型对近期的情况做出预测，并提出行动的建议。图2 - 4 所 示为建模模型的内部结构。a g e n t 的世界模型只是该a g e n t 对世界的认识和反应。这种 世界模型开始并不保证一定正确，也不一定具有全部信息，这些信息有可能是不正确的 或不完全的。a g e n t 最初从设计人员提供的模型库中得到关于世界的基本模型，然后在 生存期间内，通过感知以及和其它a g e n t 的通信修正模型。 ( 4 ) 通信a g e n t 模块 图2 - 4 建模模块内部结构 8 山东建筑大学硕士学位论文 可通信性是a g e n t 的基本特征，而且通信语言的完善程度和灵活性直接影响到a g e n t 表现出的智能程度。如图2 5 所示，通信模块包括语言理解、语言生成、物理通信以及 图2 - 5 通信模块内部结构 词法库、语法库、语义库等多个部分。a g e n t 根据词法库、语法库、语义库，对通信语 言进行理解，并将一部分抽取的信息送交给决策模块和建模模块。对于一些a g e n t 基本 的应答信息，则由通信模块直接做出反应。决策模块生成的和其它a g e n t 的协商和交互 信息通过语言生成模块变成通信语言。 ( 5 ) 决策a g e n t 模块 决策模块不是对a g e n t 的中央控制，而是负责各个模块的协调工作。它的输入由规 划模块生成的行动计划、建模模块的预测和行动建议以及通信模块的请求等。它的主要 工作是冲突减持和消解，并决定当前的动作和通信。 任务的承接也有决策模块完成。任务一般以其它a g e n t 的请求方式进入决策模块。 决策模块根据规则决定是否接受任务，如果接受，再决定其优先级，然后修改目标集合， 将任务放在适当的位置。如果不接受，则发消息给通信模块让它生成“拒绝 的通信语 j l 口o 2 2 多a g e n t 系统 2 2 1 多a g e n t 系统的定义 多a g e n t 系统也没有统一的定义，一般来说可以这样定义： 多a g e n t 系统是指由多个相互操作、相互作用的a g e n t 构成的系统。多a g e n t 系统 是一个松散耦合的a g e n t 网络，这些a g e n t 通过交互解决超出单个a g e n t 能力或知识的 问题【3 0 】。 多a g e n t 系统的目标是将复杂的系统( 软、硬件系统) 分解成若干个简单的、可通 信的、相互协作的且易于管理的子系统。从而使复杂系统问题的解决变得相对简单，充 分体现了多a g e n t 系统“分而治之”和“互相协作”的基本特征。在多a g e n t 系统中的单个 9 山东建筑大学硕士学位论文 a g e n t 拥有解决不同问题的信息和能力，但是并不具有全局控制能力。具有数据分散和 计算异步并行等特点。多a g e n t 系统的优势在于，首先，通过a g e n t 之间的通信，能够 开发出规则和求解方法，用以处理不确定的问题；其次，通过a g e n t 之间的协作，实现 信息、知识共享，不仅提高了单个a g e n t 处理问题的能力，而且通过a g e n t 的交互可以 进一步理解周围的环境；最后，系统运行于具体的环境中具有自我完善的能力，由于其 组织结构比较松散，因此系统更容易实现【3 l 】f 3 2 1 。 2 2 2 多a g e n t 系统的组织结构 随着a g e n t 技术的发展以及日益复杂的应用问题的出现，对以平等方式进行通讯 的多a g e n t 组成的系统的需求正变得越发的突出。多a g e n t 系统的设计和有效实施的关 键技术正是分在式人工智能领域已研究多年的问题，单a g e n t 的能力已不能解决大型、 复杂的现实问题，一个智能a g e n t 的能力受其知识、计算资源及与其他a g e n t 相互关 系的限制，因此，多a g e n t 的出现并成为研究的主流是必然的【3 3 l 。 多a g e n t 系统的体系结构是指各a g e n t 之间的通信和控制模式，它的选取影响到整 个系统的性能。从运行控制的角度来看，多a g e n t 系统的体系结构可分为三种：集中式、 分布式和混合式d 4 1 1 3 5 1 。 ( 1 ) 集中式结构 将系统按照一定的方法分成多个组，每个组采取集中式的管理，即每组a g e n t 中有 一个具有全局知识的控制a g e n t ，通过它来实现多a g e n t 合作的局部控制，比如任务的 规划和分配等。它们之间的信息交互由一个专门的消息传递a g e n t 来实现，而整个系统 管理a g e n t 管理 g e n t 管理a g e n t g e o g e n t 2 【j c )n g “t 3 g e n t 4 o h g e n t 6 lj g e n t 5 图2 - 6 集中式结构图 也采用同样的方式对a g e n t 组进行管理。如图2 - 6 所示。这种方式能够保持系统内部信 息的一致性，实现系统的管理、控制和调度较为容易。这种方式的缺点也很明显：随着 a g e n t 复杂性和动态性的提高，控制瓶颈的问题也愈加突出，一旦控制局部或全局区域 l o 山东建筑大学硕士学位论文 的管理a g e n t 崩溃，将会导致整个区域甚至系统的崩溃。 ( 2 ) 分布式结构 多a g e n t 系统中的各a g e n t 组以及组内的各a g e n t 之间均采用分布式结构，即各 a g e n t 无主次之分，处于平等的地位。当执行任务时称为激活状态，因此，a g e n t 是否被 ooo a g e n t 2a g e n t 4a g e n t 6 图2 7 分布式结构图 激活以及激活后所采取的动作都将取决于系统状况、周围环境、自身状况以及当前拥有 的数据。机构如图2 7 所示，在此机构中存在多个中介服务机构，每个中介的服务不相 同，它们拥有与其服务相关的a g e n t 的信息，能够帮助a g e n t 寻求协作伙伴。这种结构 的优点是：增加了系统的灵活性和稳定性，控制瓶颈的问题也得到了一定程度的缓解， 但仍有不足之处：因为每个a g e n t 组或单个a g e n t 的运行主要是受局部环境影响，信息 不完整，即仅限于局部目标和局部规划。因此，对于系统的全局行为实现起来有一定的 难度。 ( 3 ) 混合式结构 混合式结构由集中式和分布式两类结构组成，其中包含了一个或多个管理服务机构， 这种机构只对部分成员a g e n t 以某种方式进行统一管理，参与解决a g e n t 之间的任务划 分和分配、共享资源的分配和管理，冲突的协调等。 山东建筑大学硕士学位论文 图2 8 混合式结构图 图2 8 是一种混合式结构。图中可以看到，除了管理机构中的各个成员外，其它成 员之间是平等的，它们的所有行为由自身作出决策。这种结构平衡了集中式和分布式两 种结构的优点和不足，适应分布式多a g e n t 复杂、开放的特性，因此，此结构是多a g e n t 系统普遍采用的一种方式。 2 2 3 多a g e n t 系统性能分析 多a g e n t 作为分布式人工智能的最新研究和发展，其最大特点是将复杂的问题分为 多个相对简单的问题，使问题的解决变得简单、易行。通过对多a g e n t 系统的分析，用 多a g e n t 技术开发的系统性能得到了显著的改善。 ( 1 ) 多a g e n t 系统使复杂问题简单化，大大降低了系统的开放难度。由于将复杂 系统任务划分为多个简单且容易实现的子任务，因此在系统实现时，设计者可以主要解 决局部问题，避免其它问题的干扰，从而简化开发过程。 ( 2 ) 多a g e n t 系统将复杂的任务按照不同的地理位置和功能，分散到现场的各控 制、监视单元，通过特定的网路将它们连接起来，构成分布式的控制系统，降低了控制 风险程度，提高了系统的可靠性。 ( 3 ) 多a g e n t 系统的智能程度得到了提高。单个a g e n t 只解决某个局部领域的问 题，成为这个领域的专家。运用人工智能的各种问题解决方法，不同的领域可以采用不 同的智能方法，显著提高了系统的智能性和实时性。面对复杂问题通过多个a g e n t 的合 作，使复杂问题得到解决。 2 3 a g e n t 之间的通信 多a g e n t 系统的突出特点就在于a g e n t 之间能够彼此合作提高系统的智能性。从通 信的角度来看，a g e n t 的合作有两种：非通信合作与通信合作。非通信合作是通过外部 环境间接发生的，这需要a g e n t 有较高的推理能力，能够根据环境的变化推断出其它 a g e n t 的相关信息，并做出反应；通信合作是a g e n t 合作的一种重要的手段和方式，它 是建立在有效通信的基础之上的【3 6 】【3 7 1 。 通信能力是a g e n t 之间的一个重要的特征。a g e n t 可以通过通信来改变另一个a g e n t 的目标和信念。通信是a g e n t 之间合作的基础，是必不可少的基本条件。虽然a g e n t 具 有自治性，但是它们并不是孤立的实体，通信更是社会性的一种体现。各个a g e n t 之间 的通信是通过a g e n t 间的交互来实现的，a g e n t 之间的通信包括： 1 2 山东建筑大学硕士学位论文 ( 1 ) 分布式问题求解。这种协作式问题求解方法是通过分散于不同节点上的知识 库集合来进行协作求解的。 ( 2 ) 采纳。某一a g e n t 把另一a g e n t 的目标作为自己的目标来完成，以实现协同 工作。 ( 3 ) 协作。每个a g e n t 都有各自的目标，但或者由于本身不能完成自己的任务， 或者为了更好地实现各自的目标，它们之间达成互惠互利的协议，通过协作实现协同工 作。 ( 4 ) 影响。某个a g e n t 的某个动作，可能影响到另一个a g e n t 实现其目标。 2 3 1 a g e n t 之间的通信协议 a g e n t 之间要进行交互，并保证传递的信息能被正确理解和执行，就必须有一种通 用的通信语言作为标准协议。这里所指的通信语言是指应用层协议，并不是关于传输介 质、编码标准等类似于c a n 、r s - - 2 3 2 等物理层的传输协议。 a g e n t 的通信协议作为实现a g e n t 信息交互和协作的标准，也被称作a g e n t 的通信 语言。通信语言主要包括a g e n t 之间通信语言的定义、表示、规范以及语义阐述，参与 通信的a g e n t 对它们之间的通信内容的理解及响应【3 8 1 【3 9 l 。a g e n t 通信语言a c l ( a g e n t c o m m u n i c a t i o nl a n g u a g e ) 作为一种科学性和实用性的通信语言，具有以下特点： ( 1 ) 在形式方面，a c l 应具有表达性，语法简单，容易被人类阅读，能够被各种 使用者接受：为了传输和解析的方便，a c l 应是线性或容易转变为线性的，为了易于集成 到各种系统中，其语法应该可以扩展。 ( 2 ) 在内容方面，a c l 应是分层的，尤其是要将a c l 传输的内容与它所要表达的 通信动作分开。a c l 中定义一个可扩展的执行原语集合，这些执行原语提供了a g e n t 认 知状态与消息标识之间的映射，而且该集合中至少应包含独立于具体应用的执行原语内 核。 ( 3 ) 在实现方面，a c l 应该可以充分利用现有的软件技术。外部接口简单易用并 且可以被各种语言实现；位于通信原语底层的网络情况对于用户来说是透明的；应用系 统可以根据实际情况只是部分地实现语言的内容