（机械电子工程专业论文）基于mas的高速公路除冰除雪作业指挥管理系统研究.pdf

摘要 公路积雪结冰对交通有很大的影响，轻则造成交通中断，重则引发交通事故，造成 严重的经济损失和社会影响。长期以来，相关部门及科研人员的注意力主要集中在高效 除冰除雪技术及其装备的研究与推广上，对除冰除雪作业的指挥管理不够重视。但是， 没有科学的除雪机械调配管理理念和方法，将会造成除冰除雪过程的人员窝工、物资浪 费以及除雪最佳时机的错失等一系列问题，引发车辆拥堵、封路时间过长等不良后果。 因此，研究高速公路除雪管理系统，对提高除雪作业效率具有重要意义。 论文分析了现阶段国内外高速公路除雪作业管理的现状，基于多a g e n t 系统( m a s ) 技术，建立了面向组织结构的高速公路除冰除雪作业指挥管理系统模型，并在此基础上 设计了三层协调调度智能体的结构；根据除冰除雪作业中对作业机械的要求，建立了融 雪剂撒布车的车载a g e n t 系统的结构模型；为满足除冰除雪作业组织动态调整的要求， 对作业单位之间以及作业单位内的协同作业方式和作业任务的分解进行了研究；在 c c s y s t e m 公司c r o s s t a l k 系列控制器和显示器上开发了融雪剂撤布车车载a g e n t 系统。 关键词：除冰除雪，高速公路管理系统，m a s a b s t r a c t t h es n o wa n di c eo nt h er o a dh a v eag r e a ti m p a c to nt r a f f i c ，r a n g i n gf r o mc a u s i n gt r a f f i c d i s r u p t i o nt ol e a dt oa c c i d e n t s ，c a u s i n gs e r i o u se c o n o m i cl o s s e sa n ds o c i a li m p a c t s f o ral o n g t i m e ，t h er e l e v a n td e p a r t m e n t sa n dr e s e a r c h e r sf o c u s e dp r i m a r i l yo nt h er e s e a r c ha n d e x t e n s i o no fe f f i c i e n ts n o wr e m o v a lm a c h i n e r y , t h em a n a g e m e n to fd e i c i n ga n ds n o w r e m o v i n ga r en o ts e r i o u s l y h o w e v e r , n os c i e n t i f i cc o n c e p t sa n dm e t h o d sf o rs n o wr e m o v a l m a c h i n e r ym a n a g e m e n t ，i tw i l l r e s u l ti nas e r i e so fp r o b l e m s ，s u c ha sw o r ks l o w d o w no f p e r s o n n e l ，m a t e r i a lw a s t ea n dm i s s e dt h eb e s tt i m e ，w h i c ht r i g g e rt r a f f i cc o n g e s t i o n , r o a d c l o s e dl o n gt i m ea n do t h e rn e g a t i v ec o n s e q u e n c e s r e s e a r c h i n go nm a n a g e m e n to f h i g h w a y s s n o wr e m o v i n gi sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v ee f f i c i e n c yo fs n o wr e m o v i n g t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ec u r r e n td o m e s t i ca n df o r e i g ns t a t u sa b o u tt h em a n a g e m e n to f h i g h w a y ss n o wr e m o v i n g ，e s t a b l i s h e dt h em o d e lo fm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nm a sf o r h i g h w a y sd e i c i n ga n ds n o wr e m o v i n gf o ro r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r ew i t hm a st e c h n o l o g y d e v e l o p m e n ta c h i e v e m e n t s ，e s t a b l i s h e dt h em o d e lo fv e h i c l ea g e n ts y s t e mb a s e do n b d o - a g e n t i no r d e rt om e e tt h er e q m r e m e n t so fo r g a n i z a t i o n sd y n a m i ca d j u s t m e n t , t h e m o d eo fc o l l a b o r a t i o na n dt a s kd e c o m p o s i t i o ni n s i d ea n do u t s i d et h eu n i ta r es t u d i e d i nt h i s p a p e r , t h r e e - i e v e ls t r u c t u r eo f t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rd e s i g n e d c h o o s i n gc r o s s t a l ks e r i e so f c o n t r o l l e ra n dm o m t o r so fc c s y s t e mc o m p a n y d e v e l o p e dt h ea g e n ts y s t e mo fs n o wm e l t i n g s p r e a d e r k e yw o r d s ：d e i c i n ga n ds n o wr e m o v i n g ；m a n a g e m e n ts y s t e mo f h i g h w a y ；m a s 长安大学硕七学位论文 第一章绪论 1 1 高速公路除雪管理概述 中国高速公路建设事业经过二十来年的发展，取得了举世瞩目的成就。到2 0 1 0 年 底，由7 条首都放射线、9 条南北纵向线和1 8 条东西横向线组成的高速公路网布局( 简 称为“7 9 1 8 网”) 已基本实现，至此，全国通车总里程达到7 4 万公里，通车总里程继 续居世界第二位，仅次于美国【1 】。 我国寒冷地区占国土面积的6 1 4 ，包括东北、西北、华北1 4 个省区，这些地区每 年均有不同程度的降雪，尤其是在纬度较高的西北地区每年降雪期长达4 - 6 个月。北部 最低气温达5 0 ，公路路面常被冰雪覆盖。大量事实表明：公路路面积雪若不及时清 除，危害极大。一是高速公路快捷、舒适的效能得不到充分发挥，且易诱发交通事故， 给社会及家庭造成不可估量的经济损失以及精神痛苦：二是积雪若不及时清除，由其在 阳光和行车的碾压下自然融化，雪水就会渗透到路面灰土层以及路基，出现路面泛浆、 松散、坑槽等病害，严重影响路面使用寿命；三是融雪水长时间滞留路面易使镶嵌在路 面、桥面上的铁件设施出现锈蚀，影响使用寿命。如桥梁伸缩缝的钢件部分、泄水孔铁 件部分以及路面以外的信息井的井盖及铁件等公路设施，皆会因积雪融化雪水长时间在 其上面滞留导致其过早损坏，带来不必要的经济损失【2 1 。冬季降雪不仅影响高速公路的 运营，而且对交通安全造成较大威胁，因此，发展我国的除雪机械装备及推广使用成为 业内人士关注的焦点之一。 1 1 1 现阶段国内外除雪工艺及设备现状 世界各国采用的除冰雪方法可分为被动抑制路面冰雪技术和主动融冰雪技术两大 类。被动抑制路面冰雪技术主要有三种：化学法、热力法和机械法。主动融雪技术则主 要是通过路面的特殊功能来实现除冰融雪，包括自应力弹性路面铺装技术、能量转化型 融冰雪技术等。实际中应用的除冰雪方法仍是以被动抑制路面冰雪技术为主。 1 1 1 1 被动抑制路面冰雪技术 ( 1 ) 化学法 化学法除冰是目前被广泛使用的一种除雪方式，主要原理是利用化学药剂来降低冰 雪的融点，优点是使用方便，能同时除冰、防冻，但该方法受环境温度影响大，低温环 境中使用效果明显下降。同时，由于融雪剂的使用，将导致沥青混凝土的严重剥蚀，对 环境造成巨大的不可逆转的破坏，对行驶车辆产生较大的腐蚀，造成行车安全隐患。长 长安大学硕士学位论文 期大量使用融雪剂对水源的影响也很大，含有大量融雪剂的残雪最终会通过各种渠道进 入江河或地下水，造成水体污染，这种污染的持续时间更长，影响范围更广。 图1 1 刹车片“制动锈蚀”损害 ( 2 ) 热力法 图1 2 钢结构桥体锈蚀情况 热力法除冰是依靠热力作用使路面的积雪或积冰融化的方法，按热源区分可分为 电加热、高温气体、微波、红外线等。电加热法采取在路面下方埋设电热管、使用导电 混凝土等方式来加热路面。高温气体法采用诸如发动机热尾气等高温、高压空气流由喷 口吹出加热路面，使路面冰雪层融化。微波加热和远红外线加热是最值得采用的两种辐 射加热方法【3 , 4 , 5 1 。热力法除冰除净率高，但由于能耗大、成本高，一般要配合其他除雪 除冰设备配套使用。 ( 3 ) 机械法 机械法是通过机械对冰雪的直接作用，解除冰雪危害的一种方法，应用范围广， 除雪速度快，适合于大面积机械化清除作业，是人类传统的、也是迄今为止应用最为广 泛的除雪方法。通过近几年的设备和技术引进，我国在除雪机械方面取得了迅速发展， 同时，我国对除雪机械的研制从上个世纪八十年代开始，经过十来年的研究开发，也已 经有十来个机型的产品问世，现在我国高速公路的除冰除雪作业已基本实现机械化【6 】。 目前，广泛使用的除雪机械的机型主要有犁板式、旋切式、扫滚式等。这几种除雪 机械具有各自独特的结构及功能，能够适应不同工况的需要。上述几种除雪机械的作业 范围见表1 1 。 长安大学硕士学位论文 图1 3 红外加热除冰车 表1 1 除雪机械作业范围表 1 1 1 2 国内外新型除冰除雪技术应用与研究现状 主动融雪技术则主要是通过路面的特殊功能来实现除冰融雪，包括能量转化型融冰 雪技术、自应力弹性路面铺装技术等，目前在世界范围内应用较少。 能量转化型融冰雪技术是通过能量转化设备，将其他形式的能量转化为热能，达到 融雪化冰的目的，可以利用的能量主要有工业电能、太阳能和地热等多种能量。 ( 1 ) 导电混凝土 导电混凝土是在普通混凝土中添加一定含量的导电组分材料制成的一种新型水泥 基复合材料。利用导电混凝土融雪化冰，即利用导电混凝土良好的导电性，在外加交流 或直流电作用下，导电混凝土会因其自身电阻而产生热量，使路面温度升高，从而达到 融雪除冰的目的。 长安大学硕士学位论文 毫 源 凉层 挢体普 通揪土 导 电 ” 混 摄 _ n o 。 土 层 图1 4 桥面用导电混凝土除冰 ( 2 ) 发热电缆 发热电缆加热系统是以电力为能源，发热电缆为发热体，将电能转化为热能，通过 结构层内的导热将热量传到物体表面，再通过物体表面的与冰雪之间的显热和潜热交换 进行融雪化冰。发热电缆加热系统具有无污染、运行费用低、热稳定性好、控制方便等 优势。 一一 甏霸镩 一，! 连维臻鹾 ：，t 霹酸譬 v7 ，一? 麓绝臻鬟 、一一一 一 一一_ _ 图1 5 发热电缆示意图 ( 3 ) 土壤源热泵 热融化法利用热水、地热、燃气、电等产生的热量使冰雪融化，其中地热融雪受到 极大地关注。因为地球作为一个载热的星体，不断从内部向地表与空间释放热能，浅层 土壤地热资源是可再生能源的重要组成部分，是一种取之不尽，经济效益较高，又不会 产生任何污染的可再生能源，是一种高环保、高效益的可持续发展能源，而且地热融雪 符合国家的产业政策，有很好的发展前景。 ( 4 ) 自应力弹性路面铺装法 此类技术主要是通过在路面铺装材料内添加一定量的弹性颗粒材料，改变路面与轮 胎的接触状态和路面的变形特征。利用弹性材料局部变形能力较强的特征，通过路面在 外荷载作用下产生的自应力，使路面冰雪破碎融化，从而有效抑制路面积雪和结冰。 1 1 2 公路除雪作业管理国内外现状 4 长安大学硕士学位论文 为提高公路除雪作业的效率，现阶段人们把精力主要集中在除雪机械的结构和功能 设计上，对除雪作业的管理方面的研究较少。在具体的除雪作业过程中，常常出现因为 各部门各作业机械协作配合不够密切，造成除冰除雪过程的人员窝工、物资浪费以及除 雪最佳时机的错失等一系列问题，引发的不良后果包括车辆拥堵严重及封路时间过长 等，而如何充分发挥各部门联动配合优势，做好除冰除雪过程中的组织与管理，已经成 了解决上述问题的关键环节。 ( 1 ) 除雪作业管理国内现状 在我国东北、西北的大部分地区，冬季持续低温，积雪数月不化和路面湿滑成为堵 塞交通甚至引发恶性事故的重要因素，而2 0 0 8 年初那场5 0 年不遇的大雪灾，更是暴露 了我国除冰除雪能力的不足。目前，我国绝大多数道路冰雪预警、应急系统尚处在初始 阶段，普遍存在着条块分割、各自为政的分散状态，未能形成统一协调的综合防灾应急 管理机制【刀。组织管理机制的不完善就会导致部门之间、站段之间以及作业机械之间沟 通的不及时，作业人员和机械对作业进度及情况的了解不够，不能够形成统一协调的组 织，协调配合不够，从而影响整个除雪作业的进度和质量。例如，机械设备的管理与调 配使用、机械手的管理以及除雪材料、油料的供给、保障等诸多环节没能形成统一协调 统一的管理机制，多头管理、相互推诿，导致除雪机械的作业效能得不到充分的发挥。 很多地方道路管理部门除雪防滑工作，普遍的指导思想是：降雪时不采取有效措施， 飘落到路面上的积雪经过过往车辆反复碾压，很快就会被压实，甚至积雪经碾压成冰后， 才开始想办法扫雪和除冰。从工程学的角度讲，积雪被压实需要消耗较大的能量，如果 再要将压实雪从地面上清除，就要消耗更大的能量和更多的时间，从而造成极大的浪费， 这是一种效率极低的除雪作业方式【8 】。这种除雪防滑理念与意识，不仅使得除雪、除冰 成本昂贵，而且还无法彻底清除道路上的冰雪，给过往车辆带来很大的安全隐患，经常 发生事故，造成交通堵塞和经济损失，产生不良的社会影响。 ( 2 ) 除雪作业管理国外现状 国外除冰除雪机械的研究发展比我们要早将近五十年，到现在已经相对比较成熟， 对除雪机械的调配、管理也有一套成熟的方法。国外普遍采用的是“及时除雪的理念， 即根据天气预报的情况，在降雪前就采取措施在路面撒布沙子、炉灰等防滑、防结冰材 料。正式降雪时，即出动人员和设备，清除道路上的积雪，做到“雪中路畅、雪过路清、 雪后不滑 例。 随着自动化技术的发展，美国、德国、瑞士、丹麦以及日本等国，通过将电子信息 第一章绪论 技术、无线感应检测技术和g p s 全球定位技术融入除冰除雪管理系统，使得实时交流 通信、监控、作业结果记录等更为方便，真正做到集中指挥除雪、适时启动除雪、精确 控制除雪和准确记录除雪作业的科学化除雪管理。 丹麦e p o k e 公司研制的基于上述三大技术的除雪管理系统在国外是比较有影响力 的。它将所有除雪作业车辆通过无线传输和g p s 方式，集中到一个除雪指挥办公室的 计算机上，进行统一指挥；在除雪指挥办公室的计算机上，可以随时监测到每一条道路、 每个位置的大气温度、地表温度、湿度、风力和风向等，以及推算出的降雪及冰点的临 界温度，可根据降雪及冰点的临界温度的变化，准确决策除雪的时机，随时指挥在某些 区域、某些道路或全部监测范围内启动除雪作业；在除雪指挥办公室的计算机上，可以 准确监测到某些区域、某些道路或全部监测范围内具体位置的除雪作业情况，如融雪剂 的使用量、融雪剂的撒布宽度等；除雪指挥办公室的计算机将所有除雪作业情况记录在 案，可以随时调出某些区域、某些道路或全范围内具体位置的除雪作业情况，以便发生 交通事故时，出具道路已除雪的原始证明资料【l o 】。 公路除雪作业是一项时效性要求很强的作业，基本要求是必须在一定的时间内按着 相应标准及时完成除雪作业。目前各高速公路管理部门都提出：“中雪不封路，大雪暴 雪少封路，暴雪8 小时全线贯通 的要求。但是，只有除雪机械而没有与之匹配的合理 有效的对机械进行调度、调配以及管理的手段和方法，高效除雪、及时通车的目标还是 不易实现的。 鉴于此，如何对机械进行合理有效的调配管理，使各作业机械能够相互紧密配合， 高效完成除雪作业任务，有必要开展公路除雪指挥管理系统的研究。 1 2 多智能体简介 近几年来，随着各种除雪机械加入冬季公路除雪作业中队伍中，除冰除雪作业成 为一个多机种的大型联合除冰除雪的作业行为。其在时间、空间以及相互关系上表现出 极强的分布性、层次性、复杂性，要求作业中能处理动态的、分布的协作问题。传统的 通过人员实现除雪管理的方式已不能满足除雪作业的要求。因此，有必要建立新的与现 阶段除雪作业要求相适应的指挥管理系统。随着计算机科学的迅速发展，多智能体系统 ( m u l t i a g e n ts y s t e m ，m a s ) 在人工智能和计算机科学中的地位变得日益重要。对于多 智能体系统的应用研究，也越来越得到广大研究者的重视。多智能体系统能够处理动态 的、分布的、开放环境中的协作问题，对于解决具有空间分布特点的复杂问题有着独特 的优势【1 1 1 。 6 长安大学硕士学位论文 1 2 1 智能体的概念 对于智能体的定义，不同领域的研究人员会根据自己的研究工作给出不同的定义， 至今尚未统一。一种大多数研究学者较为认同的观点是：智能体是一个计算机系统，它 的主要特征是自主性、反应性、社交性、能动性【1 2 1 。 自主性：智能体在没有人或其他智能体直接干涉下持续运行，并能控制自身动作和 内部状态： 反应性：能够感知自身周围环境，并且能对环境的改变做出实时的反应； 社交性：智能体能以平等的方式与其他智能体交互； 能动性：不仅仅是简单的对环境做出反应，在适当的时候能采取面向目标的行动， 以及从其自身的经历、所处的环境和其他智能体的交互中学习。 简单地说，智能体就是一个可以自主执行多个任务的计算机系统。人工智能领域的 许多研究者更强调智能体应具有更多人类的特质，即人类的精神状态，于是提出了智能 体的强定义【1 3 1 ，指出智能体除以上四个特性以外，还应该具有以下特性： 移动性：智能体可以从一个地方移动到另一个地方而保持其内部状态不变。智能体 可以携带数据并能够在远处执行智能指令； 诚实：智能体不会故意提供错误信息； 友善：智能体在目标无冲突的条件下，总是能够尽力去帮助其它智能体； 理性：智能体总是尽力去实现自己的目标。 1 2 2 多智能体系统的概念 多智能体( m a s ) 系统是一个松散耦合的智能体( a g e n t ) 网络，这些智能体通过 交互解决超出单个智能体能力或知识的问题，其中的各智能体都是自主的，它们可以是 不同的个人，采用不同的实际方法和计算机语言开发而成的，因而可能是完全异质的【1 4 j 。 多智能体的研究领域由两个相互交叉的工作组成。一是对单个智能体的研究，一是 对多个智能体组成的群体的研究。多智能体系统是由单个智能体组成的集合，虽然每个 智能体所能完成的工作都很简单，但整个系统联合各智能体可以完成很复杂的工作，并 且具有很强的鲁棒性。但是，在多智能体系统中，不同的智能体可能会以不同的速度和 消耗来完成同一件任务，因而就可能存在冗余0 5 a 6 】。在多智能体系统的研究中，引入了 利己主体、谈判、学习等新概念，这些特征是单个智能体所没有的。 多智能体系统研究的是一组自制智能体之间智能行为的协调，它们如何协调它们的 知识、目标和规划，能够使各智能体能够联合采取行动或求解问题。 第一章绪论 1 2 - 3 多智能体系统的优越性 与单一智能体相比，多智能体系统有以下优越性【1 7 】： ( 1 ) 并行处理的能力 多智能体系统可以根据智能体能力的大小分配不同的任务给各智能体，从而换的并 行计算的优点，提高整个系统的实时性。并且因为问题采用的是分布解决的方式，对单 个智能体计算能力的要求就小的多，同时还能提高问题求解的效率，从而提高整个系统 解决问题的能力。 ( 2 ) 系统的鲁棒性 当多智能体熊的功能冗余时，在某一单个智能体解决问题失败而导致系统性能降低 时，多智能体系统会重新寻找其他可以解决问题的智能体来接替完成任务，从而使系统 的性能维持在一定的水平，获得一定的容错能力，因此系统的鲁棒性也就较高。 ( 3 ) 系统的可伸缩性 由于多智能体固有的模块化特点，它添加相应的新功能要容易的多。在系统的能力 随着时间发生变化时，它能从多智能体得到很多好处。 ( 4 ) 实现的简洁性 与将这个任务作为一个整体来解决相比较，把这个任务分解成一些子任务分配给不 同能力的智能体来解决，程序员面对的各智能体都可以较容易的实现，这也就减少了系 统实现的难度。 ( 5 ) 能够处理信息的不确定性 各智能体的知识难免存在不确定性和不完备性，多智能体系统可以通过协作策略消 除这些缺陷。 多智能体( m a s ) 控制技术应用于高速公路除冰除雪作业中的核心在于：每一个主 体智能体的功能都是很简单的，但当它们联合起来一起工作的时候，可以完成比较复杂 的工作，这是与人脑的功能相类似的。 1 3 课题的提出 随着我国公路建设事业的不断发展，高等级公路里程不断增加，传统的人工除雪已 经很难达到现阶段高速公路交通保畅的目标。主要原因：一是人工除雪作业效率低、作 业质量差、消耗高，很难满足高速公路交通保畅的时间和节能增效的要求；二是大量作 业人员涌向高速公路，不仅会影响高速公路上车辆的行驶，同时还会给作业人员自身带 来极大的潜在人身安全问题，高速公路除雪机械化是必然的结果。我国从八十年代开始 长安大学硕士学位论文 研究和引进国外除雪机械，用于国内高等级公路的除冰除雪。现阶段高速公路除雪作业 已基本实现机械化，但是对机械的管理以及除雪作业的方式却还是遵循传统的思维，组 织管理结构的不完善、除雪机械和人工调配使用不合理，导致资源浪费、除雪机械的效 能得不到充分的发挥。 经过近来年的实践，人们已经认识到：高速公路机械化除雪，是多种机械协同作业 的，即机群作业。仅仅有众多的除雪机械并不能保证除雪作业的顺利进行，机械仅是物 质基础。应该说，高速公路机械化除雪作业有着更为广泛的内涵，它不仅体现在机械化 程度上，而且要更注重于机械化的水平。应当理解为涉及除雪机械、除雪策略、除雪作 业组织及管理等多学科的现代除雪作业体系，要保证高等级公路机械化除雪作业的顺利 进行，还必须有其科学的软件支持，即高速公路除冰除雪作业管理系统。在这一系统中， 有硬件，也有软件。硬件是除雪作业机械；软件是除雪策略、方法、除雪作业组织与管 理。 进入2 0 世纪9 0 年代，多智能体系统理论的应用拓展到工程机械领域。自动化技术、 人工智能技术广泛应用于工程机械领域，主要体现在计算机技术、精密传感技术、g p s 定位技术等技术的综合应用，使得产品的性能及高科技含量得到不断的提高【1 8 】。多智能 体系统在处理动态的、分布的、开放环境中的协作问题时具有独特的优势，将多智能体 系统和自动化技术应用于高速公路的除冰除雪作业，对提高除雪作业的质量和效率具有 重要意义。 1 4 本文研究主要内容 本文是基于我国目前高速公路除冰除雪组织管理机制的不完善的现状，开展基于多 智能体的高速公路除冰除雪作业管理系统的体系结构的研究。 论文涉及到除冰除雪作业管理系统的体系结构、除雪作业机群配置、机群的协同和 协调作业方式以及车载管理系统的实现等。目前，我国冬季高速公路除雪作业已基本实 现机械化，高速公路运营管理部门也意识到现存管理机制存在的不足，并且也提出了一 些解决的思路和办法，但还缺乏真正系统的研究。论文主要研究内容如下： ( 1 ) 基于分布式多智能体结构，建立高速公路的指挥管理模型，并对三层协调调度智 能体结构进行设计； ( 2 ) 在指挥管理模型基础上，研究高速公路除雪作业的协调机制： ( 3 ) 研究除雪机械的车载a g e n t 系统，实现对机械在除雪作业中的协同作业的控制。 9 第二章除冰除雪作业指挥管理系统模型的研究 第二章除冰除雪作业指挥管理系统模型的研究 2 1 引言 多车型多设备的除冰除雪作业是一个在高速公路管理局指挥中心的指挥下，按照除 冰除雪作业的作业目标、决心和意图而进行的多机群，多机种的大型联合除冰除雪的作 业行为。研究除冰除雪作业指挥管理系统的第一步就是对除冰除雪作业指挥管理系统进 行建模。本章根据除冰除雪作业的指挥层级关系和除冰除雪作业的作业原则，采用面向 组织结构的方法建立基于m a s 的除冰除雪作业指挥管理系统的组织结构模型。 2 2 除冰除雪作业指挥管理系统的组成 除冰除雪作业指挥管理系统应该将雪情预测、除雪作业协同指挥、作业实时监测 和作业结果记录融合一体，做到集中指挥除雪、适时启动除雪、精确控制除雪和准确记 录除雪作业的科学化除冰除雪作业管理。该系统由预警、作业协同、监测、作业结果记 录四部分组成。 除冰除雪作业指挥管理系统的雪情预警系统通过安装在检测车上的气象设备、高 速公路沿线的监测点以及气象部门等随时监测道路上的大气温度、地表温度、风力、风 向、湿度等气象信息，通过气象信息接收与分析设备的处理，推算出相关高速公路路段 降雪、结冰的时间、雪量及临界温度，科学决策除雪时机，适时启动除雪。同时通过公 共告示牌将雪情及除雪后的路况信息告之公众。 除冰除雪作业指挥管理系统的作业协同指挥是各阶层指挥中心通过对全局任务的 了解及对自身作业协同能力的评估，做出接收、拒绝或请求支援等反应；通过对高速公 路铺装、沿线自然状况、路面冰雪状况、交通流量等情况进行分析，制定合理、可行的 除冰除雪作业方案、除雪机械组配、融雪剂类型及撒布量，科学安排除冰除雪作业单位 的协调配合，及时协同指挥除雪作业单位、人员进行除雪作业。 除冰除雪作业指挥管理系统的实时监测环节通过除雪设备上安装的g p s 全球定位 系统、摄像头等，实时监测除雪进度和现场状况，为指挥中心提供全局信息，便于指挥 中心及时了解全局进度，科学合理的进行调度指挥。 除冰除雪作业指挥管理系统的除雪作业记录环节对作业对象，作业过程中的相关 参数，如融雪剂类型、撒布量、铲雪车下铲时间等进行归类记录、存储，方便日后查询。 2 3 除冰除雪作业指挥管理系统建模分析 高速公路的除冰除雪作业是在除冰除雪指挥中心指挥下的具有严格指挥控制关 1 0 长安大学硕士学位论文 系，坚决执行的作业决心、意图，灵活机动的多机种、多机群的群体合作作业行为 1 9 1 。 作业中要求各作业单位、各除雪设备要按照上级下达的各项除冰除雪任务，合理调配、 组织自身资源，在任务进行中协同帮助，并能根据路况、雪情以及车况的实时态势及时 改变机组搭配，依此建立合理、有效的并能依据实际状况及时改变指挥控制结构的除冰 除雪组织结构，全力保障作业目标的实现。 2 3 1 多层递阶指挥管理结构 多智能体系统是由一些具有不同功能和作业能力的智能体组成，把这些智能体组 成一个复杂的具有解决多种问题的多智能体系统，使其能够正常的运行就必须要有一个 合适的控制结构。多智能体系统控制结构主要有三种：集中式、分散式、分布式。 ( 1 ) 集中式控制结构系统【2 0 】 集中式控制系统由一个核心的智能体对其他智能体进行控制，其他智能体处于相 互平等的地位。系统的规模由系统的成员数量和每个成员的复杂程度来决定，它也决定 了系统的响应时间和决策质量。核心智能体负责整个系统的任务分配与资源的动态调 度，并且负责协调其他智能体之间的竞争与合作。核心智能体的质量至为关键，一旦核 心智能体出现故障，整个系统或将陷入瘫痪。此类系统较易实现系统的管理与协调，但 容错性、实时性差。 ( 2 ) 分散式控制结构系统【2 1 】 分散式系统的各智能体具有较高的独立性，各智能体自行接受、处理信息，自行 规划、决策自身行为，自行执行自己的决策，系统中没有智能体处于管理地位，各智能 体是平等的关系，它们通过通信来协调各自的行为。这种控制结构系统中当某一智能体 发生故障时，不会影响到其他智能体的行为，因此容错能力较强，且具有很好的扩展性。 系统中各智能体的行为的协调是通过不断的通信来实现的，因此对通信的要求较高，且 各智能体都是自行规划自身任务，多边协商效率较低，较难保障全局目标的实现。 ( 3 ) 分布式控制结构系统 2 2 , 2 3 1 分布式系统介于集中式与分散式之间，是一种分散式的水平交互与集中式的垂直 控制相结合的控制结构。在水平的同一层级中，各智能体是分散式的，处于相互平等的 地位；在上下的层级中，上下层级的智能体是集中式的控制与被控制的关系。此系统中 各智能体按照预先规定的各种协议，根据系统当前的状态与任务，评判自身的状态、能 力、资源以及知识，通过通信网络与其他智能体相互协商与谈判，确定各自的任务，协 调各自行为，实现资源、信息、能力、功能的共享，协作完成共同的任务，以求整体目 长安大学硕士学位论文 标的实现。 分布式控制系统的体系结构主要有两种：递阶控制结构、分层分布结构，如图 2 1 ，2 2 所示。 图2 1 递阶控制结构示意图 图2 2 分层分布多智能体结构不惹图 图2 1 所示的多智能体递阶控制结构与传统集中控制计算机体系结构下的软件结 构式非常相似的，它的主要特征是较强的主从关系和较大的全局信息。随着计算机技术 的发展和分布式计算系统的出现，分布式控制系统作为递阶控制方式的一种可选择结构 引起了人们的关注。它在降低问题复杂性、增强系统可扩展能力、自组织以及实时性等 方面都显示了其特有的能力 2 4 1 。递阶控制结构与分层分布式多智能体结构相比较，二者 的层次结构稍有差别。从系统所要完成的任务以及解决的问题来看，二者是一致的，但 从解决问题的方式来说，二者存在较大的差别。在递阶控制系统中，系统解决问题的过 程是从上往下的。系统上层遵循一定的策略，通过自身分析、运算、处理，将系统任务 分解，然后由系统下层直接去执行；而在分层分布系统中，问题的求解过程刚好是相反 的，是从下往上的。上层只负责问题的分解和目标分解，问题的求解是由下层对子问题 1 2 长安大学硕士学位论文 的分布式智能求解来实现的。在递阶控制系统中，上层对下层具有集中的管理权，上层 负责向下层分配目标并负责下层的协调工作；而在分层分布系统中，上层对下层不再具 有很强的协调作用，它主要负责对全局参数进行监控，保证系统任务的完成和作业目标 的实现【2 5 1 。 对于一个系统而言，系统的层级越多，每一层级的任务量就相对的越少，其程序 复杂程度就越小，那么系统容错能力也就越强，系统也越稳定，但同时系统的时效性就 差；相反系统层级越少，系统时效性就越好，能够快速反应，但每一层级的复杂程度会 越高，一旦上层系统出现问题，就有可能导致整个系统瘫痪。 在高速公路的除雪作业管理系统中，各级之间有严格的指挥控制关系，为了保证除 雪作业目标的实现，下级一定要听从上级的安排，严格执行上级分配的作业任务，因此， 系统对集中控制的要求较高，要保障上级分配的作业任务得到严格的执行。陕西省高速 公路不止一条，如果所有高速公路冬季除雪作业由一个部门去负责管理、调配、分配任 务，由一个智能体去集中指挥控制，那么管理部门的任务量将是极其巨大的，该系统的 复杂程度也将会是不可想象的。 为了使系统能更适合高速公路除冰除雪的工作，以陕西省高速公路管理部门行政结 构( 图2 3 ) 为例对系统体系进行研究。 图2 3 陕西省高速集团行政结构 长安大学硕士学位论文 各条高速公路之间因为管理权限，距离等因素，自行负责本条高速公路的除雪作业， 各高速公路之间不存在横向支援，不发生横向联系；对于同一高速公路的各作业单位， 也因为管理权限的问题，各作业单位专门负责本单位的作业区域的除雪作业，作业单位 之间的相互支援，由上级高速公路管理处协调调配；同一作业单位内，在同一作业目标 下，各作业机械要协同合作，共同完成作业目标。鉴于此，本文采用集中与分布相结合 的控制结构。除雪管理系统采取递阶控制结构，满足除雪管理系统对集中控制和分级控 制的要求。 从图2 3 可知，陕西省高速集团对高速公路运营公司具有管理权，高速公路运营管 理公司管辖陕西省各高速公路管理局，各高速公路管理局管辖所属高速公路的各段管理 处。高速公路的运营管理权属于高速公路运营管理公司，高速公路冬季除冰除雪具体是 由高速公路运营管理公司来负责的，因此确定高速公路运营管理公司为此系统的最高 级。对照行政结构，管理系统可以分为三级：中央决策调度控制级( 组织级) ，二级决 策调度控制级( 协调级) ，作业单位决策调度控制级( 执行级) 。组织级为高速公路运营 管理公司的除冰除雪指挥管理中心，其位于管理系统的顶层，负责所辖区域内的信息收 集、综合分析、目标分配、任务规划以及组织协调，具有系统内的最高决策权；协调级 为各高速公路的管理局，负责下属各除雪单位的除雪作业规划、组织协调以及对管理局 任务执行情况进行汇总，上报上级指挥中心，具有作业区域内的决策权；底层为各除雪 作业单位，负责具体的除冰除雪作业任务的执行，如图2 4 所示。 图2 4 除雪作业的递阶指挥管理结构 2 3 2 指挥与绝对服从的隶属关系 1 4 长安大学硕士学位论文 随着交通事业的高速发展，人们对出行的要求越来越高，对高速公路的畅通与舒适 性要求也是步步提高。在高速公路的除雪中，时间是一个非常重要的因素。必须在尽可 能短的时间里，完成高速公路的积雪清除作业，这就必须要有一个高效的组织，全局计 划，严格落实。为了实现所辖区域内各条高速公路的安全畅通这一目标，各作业单位必 须绝对服从上级的指挥，甚至不惜牺牲个别单位、个别事项的局部利益，坚决执行上级 下达的各项除雪任务，在时间第一，在保障全局目标实现的前提下，各作业单位可灵活 协调组织，协同作业，以获得最大的除雪作业效能。 2 3 3 灵活多变的组织 在除冰除雪作业过程当中，路况、雪情以及除雪设备状态都会随时发生变化，这就 要求在作业进行过程中能根据实时的作业情况、机械状态等重新建立起灵活多变的作业 单位组织结构，在保障全局目标实现的前提下，争取最大的经济效益。 在实际的除冰除雪作业过程当中，各除雪机械的作业行为是在服从整体的作业目标 这一前提下自主型、自利性和互动性的行为，各除雪设备根据除雪作业的实时态势自行 调整其行为，最大限度地提高作业效率【7 1 。因此，必须建立动态的除冰除雪作业的指挥 管理组织结构，在指挥中心的统一指挥下，在保障辖区内整体除雪作业目标实现的前提 下，实现作业单位在作业中的自主协同。m a s 的理论与技术为解决这一问题提供了有 效的方法。 2 4 除冰除雪作业指挥管理系统建模 除冰除雪作业是一个基于作业目标且具有严格的组织关系和按层级进行指挥的协 同作业行为。在除雪作业过程当中，为保障除雪目标的实现，上级拥有对下级的绝对指 挥权，下级在接到上级下达的除雪任务后，必须坚决执行。处于同一作业单位的各作业 机械，在同一个除雪作业目标下，相互帮助，协同作业，共同保障作业目标的实现。这 与经济领域的合作，各自追求的是自身利益的最大化是不同的 t i 。除冰除雪作业中的合 作是各作业单位以及作业单位下属各除雪设备都是在一个共同的作业目标下，为了完成 这一目标而进行的合作，在此过程中甚至不惜牺牲局部利益。 据上所述，应根据任务需求和高速公路系统编制体系建立作业单位，根据作业单位 的除冰除雪任务，建立作业目标和和协同作业准则，依作业单位机型作业范围及能力对 机械进行任务指派；根据除冰除雪作业的实时状况对作业单位的任务和机型搭配进行动 态调整。建立基于m a s 的高速公路除冰除雪作业指挥管理系统的模型必须从除冰除雪 第二章除冰除雪作业指挥管理系统模型的研究 作业任务入手，建立作业准则，然后确立成员、作业目标、控制关系、通信方法，然后 再对车载指挥管理系统进行建模。 2 4 1 除雪作业任务分析 按照新时期新阶段高速公路交通保畅的要求，现在及未来除冰除雪作业的任务主要 是：( 1 ) 降雪前适时对机械除雪路面撒布融雪剂及防滑材料，为后续除雪工作的全面展 开做前期准备；( 2 ) 降雪时及时启动除雪，快速清除道路降雪，保障高速公路的畅通； ( 3 ) 暴雪情况下，为保障高速公路的畅通的应急除雪。 未来的除雪作业是在一个全局指挥中心的指挥下，在不同高速公路指挥中心的指挥 下，由多种机型的除雪设备联合行动，共同实施的除雪作业。由于天气状况的复杂变化， 除冰除雪机械性能、车况以及人们对高速公路道路畅通要求的不断提高，使得冬季高速 公路的除冰除雪作业任务十分繁重，要在尽可能短的时间里完成除雪作业，实现道路保 畅目标，所以除冰除雪作业反应的快速性就显得尤为重要。为保证除雪机械能各尽其职， 密切协作，高效完成作业任务，防止任务冲突或相互推诿等情况发生而延误作业任务的 完成，必须建立统一的除雪作业协作准则。 2 4 2 除雪作业协同作业准则 除冰除雪作业过程当中，各除雪单位及除雪机械要严格执行上级下达的除雪任务， 协同清除路面积雪。作业进行中，各单位及设备要协同合作，相互配合、支援，同时根 据雪情状况的变化及时、合理的改变机组搭配和除雪作业方案。辖区内所有除冰除雪设 备在进行除冰除雪作业时都应该遵守除雪协同作业准则，除雪协同作业准则是对协同作 业中各除雪单位及机械在进行协同作业中的行为的约束，是研究基于m a s 的除冰除雪 作业指挥管理的依据，包括协同作业准则、单车作业行为准则和行为协调准则等。 协同作业准则：隶属于各高速公路的各作业单位及其所辖除雪设备，要一致承诺严 格执行上级下达的除雪任务，并采取联合行动进行作业。当某作业单位收到的任务超过 本单位最大作业能力，无法独立完成所分配的任务时，则向上级请求分配支援或请求改 变作业任务；当除雪机械接到的作业任务超过本车最大作业能力时，则同级其他除雪设 备求助，同级其他除雪设备响应请求后，向上级指挥部门发送协同请求结果，或请求上 级进行协同任务指派。除雪作业过程中各作业机械问应相互交换除雪作业态势信息，以 形成对除雪作业目标信息的共享。 单车作业行为准则：隶属于作业单位的各除雪除冰设备，要严格遵守上级下达的除 1 6 长安大学硕士学位论文 雪指令。根据本车资源状况及自身作业能力向作业单位承诺执行除雪任务，在作业单位 内与其他除雪设备共同协作完成除雪作业任务。 行为协调准则：指挥中心发现所辖各作业单位在作业任务上有冲突，应对其行为进 行指令性协调；作业单位指挥人员发现下属各除雪设备之间有任务冲突，应对其进行指 令性协调；同单位各除雪机械之间有任务冲突，应自行进行自主性协同。 2 4 3 除雪作业指挥管理的系统结构 在除冰除雪作业过程中，具体的除雪作业任务的执行是由除雪机械来完成的，除雪 机械对除雪任务的理解及执行情况直接决定了整个系统的作业效能。在作业过程中，必 须对各作业机械的行为进行监控，对作业进度进行监控。同时，由于作业过程当中雪情 以及车况等事件的影响，也要给各机械适当的自适应、自调整权利。为保证除雪作业目 标的实现，必须保证各机械对除雪任务，即自身责任的履行。根据除冰除雪作业的要求， 建立基于m a s 的集中一分布式的除冰除雪作业指挥管理系统的组织结构模型。 2 4 3 1 系统的组成及成员责任 整个系统包括：指挥中心、管理局、作业单位、下属作业机械，如图2 5 所示。 图2 5 基于m a s 的除雪协同作业指挥管理系统结构 ( 1 ) 指挥中心：高速公路管理局除冰除雪指挥中心，位于系统的最高级，具有调 配辖区内除雪资源的绝对权力。负责辖区内雪情信息的收集整理，制定除雪作业目标， 1 7 长安大学硕士学位论文 将作业目标分成若干小目标，下达给各高速公路管理局。对各管理局任务执行情况进行 监控；对各管理局作业状态进行调整。 ( 2 ) 管理局：高速公路管理局作为本条高速公路的总指挥，负责整条高速公路除 雪作业的指挥协调工作。高速公路管理局接受上级下达的除雪作业任务，结合公路沿线 的雪情、道路铺装及相关作业单位的作业能力情况制定除雪技术方案( 如融雪剂类型、 撒布量等) ，对作业任务进行分配，协调各作业单位的除雪作业。接收作业单位上传的 作业信息并汇总，向上级汇报高速公路作业进度。 ( 3 ) 作业单位：各高速公路管理处下属的作业单位，位于系统接收上级下达除雪 任务，并对所辖除雪设备进行任务分配( 机型搭配，任务，融雪剂类型，剂量等) 。接 收作业单位现场采集环境信息，除雪进度，所用技术方案( 如：融雪剂类型、剂量等) ， 车况( 多少台哪种类型的车，每个类型的车中多少处于工作中，多少闲置，多少在维修 等) 等信息，并整理上报。向上级发送或接收上级发送的其他单位的求助，支援信息， 协调本工作单位与其他单位的协同工作，在保障高速公路畅通这一共同任务目标的前提 下，协同高效完成任务。 ( 4 ) 作业机械：作业机械包含作业单位的所有除雪除冰机械。作业机械接收作业 单位的除雪作业目标，通过对自身作业能力及作业环境的评估，对作业单位下达的作业 任务指令做出接收任务确认、请求更改任务、向本单位其他机械发送协同请求或向作业 单位发送请求协调协助的响应，同时接收本单位其他除雪除冰机械的协同请求等，与其 他机械相互配合共同完成作业目标。 2 4 3 2 作业目标 整体作业目标：对于辖区内各作业单位需要共同完成的除冰除雪作业任务的集合， 要求各作业单位共同承诺执行此除雪任务，实现辖区范围内整体除雪作业目标的实现和 道路交通的安全畅通。 整体除雪作业意图：各高速公路的交通保畅任务以