基于Multi_Agent的压风机组控制模型的探讨.docx

基于 Mult i -Agent 的压风机组控制模型的探讨史志鹏 ,雷汝海(中国矿业大学信电学院 , 江苏 徐州221008)摘要 :针对当前矿井压风系统由于采用滞后控制方式而导致的耗能问题 ,通过比较当前几种压风机组控 制方式的优劣 ,提出了一种基于 M ulti - A ge nt 的压风机组控制模型 ,给出了 M ulti - A ge nt 模型框架 , 阐述 了模型框架中的每个 A ge nt 的功能以及各个 A ge nt 之间的交互方式 ; 并对模型仿真的可行性进行了探讨 , 提出了以面向对象技术和 A CL 语言对模型进行仿真的思路 。关键词 :矿井 ; 空气压缩机 ; M ulti - A ge nt ; 控制模型 ; 交互方式中图分类号 :TD635文献标识码 :A网络出版时间 :2011 - 01 - 24 10 :34网络出版地址 :ht tp :/ / w w w . cnki . net / kcm s/ det ail/ 32 . 1627 . T P . 20110124 . 1034 . 003 . ht mlDi sc u ssio n o n Co nt rol Mo del of Ai r Co mp re sso r s Ba sed o n M ul ti2A ge ntS H I Zhi2p e ng ,L EI Ru2hai( Sc hool of Info r matio n a nd Elect rial Engi nneri ng of CU M T. , Xuzho u 221008 , Chi na)Abstract : Fo r t he p ro ble m of po we r co n sump tio n ca u sed by dela y of co nt rol mo de of c ur re nt ai r2co mp re ssed syst e m u sed i n mi ne , a co nt rol mo del of ai r co mp re sso r s ba sed o n M ulti2A ge nt wa s p ropo se d by co mp a ri ng wit h a dva nt a ge s a nd di sa dva nt a ge s of seve ral co nt rol mo de s. Mo del f ra mewo r k of M ulti2A ge nt wa s give n , f unctio n a nd i nt eractio n mo de of eac h A ge nt i n t he f ra mewo r k wa s de scri be d , f ea si bilit y of t he mo del si mulatio n wa s di sc u sse d , a nd a si mulatio n wa y wa s p ut fo r wa r d w hich u se s o bject2o rie nt e d t ech nolo gy a nd A CL to si mulat e mo del .Key words : mi ne , ai r co mp re sso r , M ulti2A ge nt , co nt rol mo del , i nt e ractio n met ho d究与改造 ,对于降低其耗电量有着十分重要的意义 。矿井压风系统主要由压风机组 、输气管路和附 属设备 (包括阀门 、相关元件 、空气过滤器 、风包 、冷却装置 、润滑装置 、安 全保 护装 置 以及 电气 控 制装置) 等组成 2 。其中压风机组是压风系统的核心部 分 ,同时也是主要的用电设备 。目前对压风机组的 控制主要有手动控制和集中控制 2 种 ,其控制目标是维持输气管路的压力恒定 。 手动控制主要是根据经验决定压风机开停的数量 ,由压风机司机手动完成 3 。该控制方式很难保 证输气管路的压力恒定 ,而且存在很大的电力浪费 。集中控制是基于 PL C 、传 感器 、计 算机 网 络等技术实现的一种较为先进的控制方式 。该控制方式 对输气管路的压力进行实时监控 ,并根据压力变化 来开停压风机 ,可基本实现恒压控制 。但是 ,这种控 制方式是一种滞后控制 ,无法较为准确地设定各压 风机的加载时间 ,简单地说 ,就是该停的时候无法及0引言空气压缩机是煤矿生产中必不可少的通用机械 ,是矿山四大固定机械之一 。它是矿用风动机械 的动力之源 ,主要用于驱动凿岩机 、风镐 、风动装岩 机 、混凝土喷射机 、地面锻钎机 、空气锤等风动机械 。 风动机械最大的优 点在 于 冲击 力强 , 结 构 简单 , 在一些瓦斯突出矿井使用较之电力机械安全 ,而且有 较大的过负荷能力 。然而 ,风动机械也存在着很大 的缺点 :使用压缩空气的效率较低 。因此 ,对于生产 压缩空气的矿井压风系统而言 ,其耗电量是相当惊 人的 ,据统 计 约 占 煤 矿 总 耗 电 量 的 8 % 11 % 1 。而且随着矿井的延伸 ,需要提高风压 ,压风机的耗电 量还将进一步增大 。因此 ,对矿井压风系统进行研收稿日期 : 2010 - 10 - 21作者简介 : 史志鹏 ( 1985 - ) , 男 , 山西稷山人 , 硕士研究生 , 研 究方向为计算机过程控制 。E2mail : shi xiaop eng007 163 . co m2011 年第 2 期史志鹏等 :基于 M ulti - A ge nt 的压风机组控制模型的探讨37 (2) 状态参数数据库用于存储由状态参数采集装置采集的各参数实 时数据 ,主要存储的数据有单台压风机的运行状态 、 供气压力 、排气温度 、运行时间等 。(3) 环境 A ge nt针对环境数据库中的数据进行处理 ,主要任务 :对输气管路不同路段的压力值进行均值处理 ,找出 压力变化最大和最小 的路 段 ; 此外 , 环 境 A ge nt 还负责存储数据的二次采样 ,并将采样值进行排序 。(4) 状态 A ge nt针对状态参数数据库中的数据进行处理 ,主要 完成的任务 :根据数据库中存储的压风机相关参数 ,对该压风机的运行状态进行评估 。以一台压风机为 例进行说明 , 状态 A ge nt 对该 压风 机的 排 气温 度 、 供气压力 、润滑油使用时间等参数的实时数据进行 判断 ,若均在正常范围 内 , 则 状态 A ge nt 认 为 这台 压风机当前运行良 好 。若 某一 参 数不 在允 许 范围内 ,状态 A ge nt 也会及时作出反应 ,进行故障判断 , 并驱 动 报 警 装 置 。另 外 , 状 态 A ge nt 还 需 通 过 对 相关参数的历史数据进行分析 ,给出该参数的变化 趋势 。(5) 预测 A ge nt预测 A ge nt 主要 针对 环境 参 数数 据库 中 的输 气管路压力进行预测 。预测的方法有很多 ,有基于 神经网络的 ,有基于回归分析的 。本文对预测算法 不做具体研究 。(6) 决策 A ge nt决策 A ge nt 是整个模型的核心 ,主要任务是实 现相关的控制逻辑 。控制逻辑有确定压风机组的开 停数量 ,确定压风机组的运行次序及确定各压风机 的加载时间和卸载时间 。(7) 命令 A ge nt命令 A ge nt 作为模型的输出 ,主要任务是驱动 执行机构 。时停车 ,从而增加了耗电量 。通过对以上 2 种控制方式的分析 ,笔者认为较 为理想的矿井压风系统既要维持输气管路的压力恒 定 ,又要节能运行 ,即实现节能恒压控制 。鉴此 ,本 文从人 工 智 能 的 角 度 , 提 出 了 一 种 基 于 M ulti - A ge nt 的压风机组控制模型 ,利用 M ulti - A ge nt 技 术对压风机组的控制系统进行建模 。1Mult i - Agent 建模1 . 1 A ge nt 技术A ge nt 是一项分布式人工智能技术 ,具有自治 性 、社会性 、反应性 ,能够在目标的驱动下采取交流 、学习等行为 ,对环境的变化作出主动的反应 ,完成特 定任务 。A ge nt 拥有知识 、问题解决办法和与问题 有关的数据以及内置的控制机制 ,具有个人化的特 征 ,并具有学习和适应能力 4 。所谓 M ulti - A ge nt 技术就是由多个具有自治行为的 A ge nt 组成的 , 彼此 之 间通 过相 互 协商 、合 作来解决复杂问题的技术 5 。本文正是利用 A ge nt 所具有的主动性 、智能性 、协作性等良好特性 ,对压 风机组的控制系统进行建模 。1 . 2 控制模型框架对压风机组实施控制首先要解决各种参数的采 集和处理 ,对于矿井压风系统而言 ,采集的参数分为 两类 :一类是环境参数 ,主要是输气管路的压力 、各 放气阀门开时的流量 ; 一类是压风机本身的状态参 数 ,主要参数有各压风机的实时状态 、运行时间 、供气压力 、排气温度等 。其次要对采集的参数进行处 理 ,主要完成过滤 、二次采样等操作 ,接着根据处理 过的参数进行决策 ,完成控制逻辑 ,最后输出控制命 令 。通过以上分析 ,设计了如图 1 所示的控制模型 。2Agent 之间的协商机制M ulti - A ge nt 系统中每个 A ge nt 具有自主性 ,在求解过程中会按自己的目的 、知识与能力进行活 动 ,但是有时各 A ge nt 具有一致的或暂时一致的利 益关系 ,因此 ,在其活动过程中必须经过协商合作才 能取得 整 体 的 最 大 利 益 6 。本 文 所 研 究 的 基 于 M ulti - A ge nt 的 压 风 机 组 控 制 模 型 中 的 各 个A ge nt 之 间 必 须 建 立 相 应 的 协 商 机 制 , 才 能 使 各A ge nt 相互合作 ,完成控制逻辑 。图 1 基于 Multi - Agent 的压风机组控制模型框架由图 1 可知 ,该控制模型主要由环境 A ge nt 、状 态 A ge nt 、预测 A ge nt 、命令 A ge nt 、决策 A ge nt 以及各种数据库构成 。(1) 环境参数数据库 用于存储由环境参数采集装置采集的各参数实时数据 ,主要是存储输气管路不同路段的压力以及井下各用气阀门处的流量 。工矿自动化2011 年 2 月38 M ulti - A ge nt 模型中各个 A ge nt 主要的交互规则 :(1) 环境 A ge nt 与决策 A ge nt 之间的交互环境 A ge nt 将 处 理过 的环 境 参数 以消 息的 形 式传递给决策 A ge nt ,这样环境 A ge nt 的输出就成 了决策 A ge nt 的输入 。例如 : 环境 A ge nt 将排序后 的一系列压力值以一定的周期传递给决策 A ge nt 。(2) 状态 A ge nt 与决策 A ge nt 之间的交互状态 A ge nt 将 处 理过 的状 态 参数 以消 息的 形 式传递给决策 A ge nt 。可以看出 ,状态 A ge nt 的输出也是决策 A ge nt 的一个输入 。(3) 预测 A ge nt 与决策 A ge nt 之间的交互预测 A ge nt 将预测的结果 ,即输气管路的压力 值 ,以一 定 的 周 期 传 递 给 决 策 A ge nt 。可 见 , 预 测 A ge nt 也是决策 A ge nt 的一个输入 。(4) 决策 A ge nt 与命令 A ge nt 的交互命令 A ge nt 用于驱动执行机构 ,所以两者之间 的交互过程就是决策 A ge nt 将一系列的控 制命 令传递给命令 A ge nt 。通过以上分析可知 ,所有的 A ge nt 均可看作是 一个 输 入 - 输 出 模 块 , 而 且 彼 此 交 互 , 例 如 : 环 境A ge nt 、状态 A ge nt 和预测 A ge nt 的输出都是决策A ge nt 的输入 ,而决策 A ge nt 的输出又可以看作是 命令 A ge nt 的输入 。所以 ,对于每个 A ge nt ,如果能 够找出其输入与输出的关系 ,就可以建立精确的数学模型了 。F IPA - A CL 规范 。一个 A CL 消 息通 常包 含 以下参数 :Sender :消息的发送者 ,用 Agent 标志 A ID 表示 ; Receive r s :接收消息的 A ge nt 可以是多个 ;Rep l y2to :应收到回应的接收者 ;Pe rfo r mative : 标志发送消息的目的 ,即发送者 想要通过发送消息 干 什么 , 通 常有 这样 一 些常 值 :R EQ U ES T 、IN FO RM 、A CC EP T _ P RO PO SAL 、R EJ EC T_ P RO PO SAL 、P RO PO S E ; Co nt e nt :消息的内容 ;O ntolo gy :双方都能够理解的消息内容的概念 427 说明和语义描述。完成了上述两个方面的工作后 ,就可以借助于J AD E 框架进行仿真了 。4结语在分析了矿井压风系统节能恒压控制要求的基础上 ,提出了一种运用 M util - A ge nt 技术建立压风 机组控制模型的理念 ,在该模型中环境 A ge nt 、状态 A ge nt 和预测 A ge nt 对相关参数的监测 、处理和预 测 ,有助于决策 A ge nt 根据当前管网压力的变化发 布更为合理的命令 ,在一定程度上缓解了由于控制 系统的滞后而引起的能耗问题 ,即实现了在恒压运 行下的节能 。另外 ,该控制模型与数据库联系紧密 , 有助于跟当前的上位机组态系统融合 ,这对于模型 的应用来说意义重大 。然而 ,当前对于模型的仿真 和实现依然存在很多困难 ,今后工作的重点是找出 各个 A ge nt 的输入 - 输出关系 ,建立精确的数学模 型 ,利用面向对象技术实现各个 A ge nt 以及与实际 工控系统的融合 。3模型仿真的可行性前文给出 了 控制 模型 框架 和 各个 A ge nt 之 间的交互规则 。然而对于该模型的实现还有很多工作 要做 ,其中 A ge nt 之间的交互规则的实现在当前是 个难点 。另外 ,在当前对 M ulti - A ge nt 技术的研究 多以实验仿真为主 。因此 ,本文仅对控制模型的仿 真可行性 、仿真的手段进行探讨 。基于 M ulti - A ge nt 的模型仿真 ,需要作两方面 的工作 :一方面需要实现每个 A ge nt ,另一方面需要 实现 A ge nt 之间的交互规则 。A ge nt 的实 现 可 以 借 助 于 面 向 对 象 的 设 计 方 法 ,这里可以将每个 A ge nt 看