摘? 要: 討論了基于多智能主體的混雜分層式機群系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及機群智能化系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵問題。
關(guān)鍵詞: 多智能主體? 機群智能化? 協(xié)同決策? 人機共棲
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現(xiàn)行的筑路工程項目需要多種機械設備的參與,如:攤鋪機、壓路機、裝卸卡車、拌和設備等等同時存在于20～50km的標段上,目前主要靠人工方式進行通信指揮。這種方式存在著如下弊端:
(1)資源配置不合理;
(2)施工信息交換量少,實時性差;
(3)易出現(xiàn)物料斷流或積壓;
(4)能耗大,生產(chǎn)率低。
由于以上問題在國內(nèi)外的工程機械施工中普遍存在,因此機群的智能化已經(jīng)成為當前工程機械控制技術(shù)的前沿課題。該課題國內(nèi)的研究現(xiàn)狀是:經(jīng)過“八五”“九五”的發(fā)展,單機智能化技術(shù)已經(jīng)成熟,機群智能化技術(shù)尚未起步。而歐美一些國家已經(jīng)推出了各自的機群智能化產(chǎn)品,但是它們的開發(fā)尚處初期,還有很多不完善的地方。目前,機群智能化已經(jīng)列為我國863攀登計劃的重點研究項目。
采用多智能主體(即多Agent)應用于工程機械機群智能化的核心是:每個主體的智能或推理功能都很簡單,但是當它們協(xié)調(diào)工作時,能夠完成十分復雜的工作,這與人腦的功能類似。分布式人機共棲的智能系統(tǒng)可以集成人類的智能,充分發(fā)揮人和機器在再求解問題方面的特長。系統(tǒng)既包含了計算機支持下的人與人之間的協(xié)同工作,也包含了機器與機器之間自動的協(xié)同工作以及人與機器之間的聯(lián)合工作。分布式的多智能體系統(tǒng)能充分體現(xiàn)人類工作方式中的群體性、分布性、交互性和協(xié)作性,因而在大規(guī)模工程項目的開發(fā)、產(chǎn)品設計、軍用指揮控制系統(tǒng)等領(lǐng)域有廣闊的應用前景。
1?基于多智能主體的混雜分層式機群系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)按照工作層面劃分為三個主體:中央控制智能主體,道路成型智能主體,混合料拌和智能主體。圖1為系統(tǒng)的混雜分層式的樹狀結(jié)構(gòu)。中央主體處于最高層,具有最大的權(quán)限。道路成型智能主體和混合料拌和智能主體處于第二層,負責各自的專項工作,有相對的局部權(quán)限,這是與工程施工中的實際安排相對應的。中央控制智能主體負責監(jiān)督、協(xié)調(diào)工程現(xiàn)場,綜合現(xiàn)場的各種信息,為高層領(lǐng)導提供決策支持,并負責對高層領(lǐng)導的決策進行解釋和任務分配。道路成型智能主體負責道路的攤鋪工作,并指揮壓路機組輔助攤鋪工作。混合料拌和智能主體負責混合料的拌和,并指揮裝載機組協(xié)同完成工作。中間的自卸卡車組成混合料運輸系統(tǒng),依賴于中央控制主體的優(yōu)化調(diào)度。路面質(zhì)量檢測系統(tǒng)負責反饋路面質(zhì)量信息給中央主體。各個主體之間由無線微波信道構(gòu)成通信鏈路,交換信息、共享信息,構(gòu)成多智能主體協(xié)同工作的機群智能化系統(tǒng)。
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采用多智能主體設計機群系統(tǒng)的優(yōu)點是:
(1)分布式智能:將一個復雜的筑路任務通過分布式智能主體分解,利用中央主體、拌和主體、攤鋪主體這三個主體各自負擔有限復雜程度的子任務來實現(xiàn),充分發(fā)揮各個主體的功能與能動性,減輕了中央主體的工作負擔與控制的復雜程度,同時各個主體的智能提高了對環(huán)境的適應性。在以往的集中控制方式中,中央控制系統(tǒng)由于承擔了所有的系統(tǒng)工作,往往功能十分復雜,設計與實施時都需要耗費大量的人力物力,同時系統(tǒng)的風險集中在中央控制系統(tǒng),可靠性要求高,成本更是成倍增加。通過多智能主體設計,將系統(tǒng)的智能分布到三個主體上,實現(xiàn)了中央控制的簡化。
(2)容錯性:由于各個主體都具有權(quán)限不同的決策功能并共享機群系統(tǒng)的信息,單個主體的出錯不會造成全局失控。在筑路工程的現(xiàn)場施工中,由于環(huán)境惡劣,發(fā)生錯誤在所難免。例如電力故障、通信故障、人為錯誤等都是施工現(xiàn)場現(xiàn)實存在的問題。當一條錯誤指令由中央主體下達到下一級主體時,下級主體的決策系統(tǒng)進行判斷,綜合本地的局部信息和與其他主體的交換信息,排除這個決策錯誤,并向中央主體報告,處理主體故障。
(3)可靠性:由于同時實現(xiàn)了功能的分布化,所以提高了整個機群系統(tǒng)的可靠性。由于機群的各個主體相對獨立,各行其事,單個主體的故障不會造成全局失控。特別是中央主體一旦失效,道路成型智能主體和混合料拌和智能主體可以通過相互間的通信協(xié)調(diào),保證施工的進行。這一點,集中控制方式的機群系統(tǒng)是做不到的,因為它的中央控制系統(tǒng)一旦失效就會造成全局癱瘓。
(4)高效率:強調(diào)機群系統(tǒng)的交互性和協(xié)作性,有利于提高機群系統(tǒng)的工作效率,降低能耗,節(jié)省物料,從而降低整個施工的成本。
2?多智能主體機群系統(tǒng)的核心
多智能主體機群系統(tǒng)的核心是基于多智能主體的以物流調(diào)度為核心的信息收集與決策系統(tǒng)。多智能主體決策支持系統(tǒng)是一個基于計算機的交互式系統(tǒng)。它分布在三個主體上,利用通信、計算機和決策支持技術(shù)支持多智能主體成員對非結(jié)構(gòu)化的決策問題進行定義和求解。通過消除彼此的通信障礙,提供結(jié)構(gòu)化的決策分析技術(shù)以及系統(tǒng)地指導多智能主體討論的內(nèi)容和模式,而且中央控制主體可以改進多智能主體決策過程,提高多智能主體決策效率和質(zhì)量。
多智能主體決策支持系統(tǒng)中,信息收集是一個重要環(huán)節(jié),它為問題定義提供基礎,同時為觀點生成提供依據(jù)。其中的信息收集過程及其支持技術(shù)的研究,可以促進多智能主體決策者之間的信息共享,提高系統(tǒng)的多智能主體決策質(zhì)量。
多智能主體的信息收集是一個迭代過程,分為前期、中期、后期三個階段。前期階段中,決策過程開始時,促進者(Facilitator)與決策議題倡導者商討,規(guī)范議題范圍,定義環(huán)境背景,確定系統(tǒng)功能設置及規(guī)程等初始信息,并為決策多智能主體成員提供信息背景。中期階段是指決策過程中,當決策成員發(fā)現(xiàn)信息缺乏時,可以通過各個主體獲取信息或與其他成員進行信息交換。后期階段中,決策成員對決策階段性結(jié)果進行反思,并觸發(fā)信息獲取或信息交換。
(1)基于多智能主體的信息收集模型
決策科學與人工智能技術(shù)的結(jié)合一直是決策支持領(lǐng)域研究的熱點。智能主體是一種抽象的實體,它能作用于自身和環(huán)境,并能對環(huán)境做出反應。智能主體具有獨立性、自主性和交互性,表現(xiàn)為可以作為獨立的行為實體被引用,能根據(jù)其他內(nèi)部狀態(tài)和外部時間決定和控制自己的行為,成為協(xié)同工作系統(tǒng)中自主的行為實體,并可以與其他主體進行有效的系統(tǒng)工作。
多智能主體系統(tǒng)中有二類主體:一類是由機器智能構(gòu)成的machine-based Agent,另一類是人類專家所處的節(jié)點Personal Assistant或Human Agent對應計算機環(huán)境封裝下的人類專家Human agent與眾多的計算機Agent組成一個Agent group。因此多智能主體系統(tǒng)是人類指揮和及其智能集成的系統(tǒng)。人類指揮和機器智能解決問題的能力各有所長,在工作中相互激活,形成人機共棲的智能主體模式。
多智能主體的機群系統(tǒng)需要采集的信息有:各主體的物料使用狀況、工程速度、里程、相對坐標、各主體的負責人對當?shù)厥┕で闆r的描述等。
(2)多智能主體的協(xié)同決策系統(tǒng)的研究
協(xié)同決策是考慮多個主體參與的決策過程。由于各主體的功能、方案和對象往往存在沖突和矛盾,因此沖突識別和消解是協(xié)同設計中所有多智能主體系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。
常用的沖突消解可分為面向狀態(tài)的和面向數(shù)值的二類。前者設計目標的狀態(tài)可識別,目標狀態(tài)是可以達到或是不可以達到,這點可以看成是硬約束。在協(xié)同設計領(lǐng)域中,沖突的產(chǎn)生更多是由軟約束引起的,軟約束可以被放寬以滿足其他更重要的設計約束,可用它來表示對某一特定設計屬性的重視程度。一般用特定的函數(shù)值來衡量這種程度、評價設計狀態(tài)的優(yōu)劣。這個函數(shù)可以是全局的也可以是局部的。面向數(shù)值的方法主要是處理這種軟約束引起的沖突。
在沖突消解過程中,根據(jù)不同的沖突情況可以采用多種解決策略,策略的選取不是簡單過程,其本身就可以看作是基于知識的問題。在協(xié)同設計中,由于各主體的能力、作用、目標等不同,所以當一種沖突消解策略達不到滿意的效果時,系統(tǒng)必須有一定機制來采取其他更理想的策略。
對于本系統(tǒng),由于現(xiàn)場的環(huán)境較差,操作員的熟練程度與人為的出錯概率,以及一些不可預見的因素,使得信息沖突必然存在。如果事先不考慮解決方案,則可能引起系統(tǒng)的運行出現(xiàn)堵塞。這在施工中也是經(jīng)常出現(xiàn)的。
3?系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵問題
基于多智能主體模型的筑路機械機群智能化系統(tǒng)的實現(xiàn)分為二個部分。
(1)多智能主體的機群系統(tǒng)的實現(xiàn)
①各主體間的通信網(wǎng)絡。通信網(wǎng)絡的實施是主體間信息共享與交換的基礎。物理實現(xiàn)以無線通信為主,采用自建的微波通信系統(tǒng),保證各主體間信道的暢通。網(wǎng)絡拓撲采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)的三個主體之間均存在獨立的數(shù)據(jù)鏈路,以實現(xiàn)信息的交換與共享。
②各智能主體的決策推理機設計與功能定義。包括多主體的協(xié)同決策模式研究,各智能體的決策規(guī)則與互鎖機制,中央主體、道路成型主體、混合料拌和主體三者在決策樹中所處的地位以及各自的權(quán)限分配。
③基于多智能主體的管理層指令的分布式計算求解的算法。該算法是把一個筑路任務分解并分配給相應的機械主體,形成任務調(diào)度的序列,由中央主體居中協(xié)調(diào),共同完成施工任務,實現(xiàn)施工調(diào)度的優(yōu)化。
④多智能主體的信息處理與融合算法。機群調(diào)度決策系統(tǒng)信息綜合(含機群多智能主體狀態(tài)參數(shù)、故障參數(shù),環(huán)境參量與突發(fā)事件)研究。其中包含了一個基于專家知識庫的故障診斷系統(tǒng),如圖2所示。
(2)各單機智能主體的實現(xiàn)
本系統(tǒng)主要采用人機共棲模式的智能主體形式,如圖3所示,核心是研究人機協(xié)調(diào)決策的方法。由于各機種的自動化程度不同,人在決策中參與的程度也就有所區(qū)別,最終目的是建立各智能主體的智能決策控制體系。實現(xiàn)的要點是:
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①主體對象的定義:包括單機的功能、屬性、需要檢測的信息等;②主體的定位方式:本系統(tǒng)中采用GPS定位、主體通信方式與其內(nèi)部異構(gòu)通信協(xié)議的集成,包括主體間的通信方式、主體內(nèi)部各子系統(tǒng)的通信以及二者間的交互;③對應于各機種的知識庫,以確定最優(yōu)工藝路線與參數(shù),集成于各智能主體。
4 技術(shù)實施路線
當前,國內(nèi)外的工程機械廠商已經(jīng)推出了全系列的智能化的單機,單機智能化的技術(shù)已經(jīng)成熟。但是,這樣的智能單機還不能直接應用到智能化的機群之中,需要添加通信設備與智能主體控制裝置。因此,實施基于多智能主體的機群系統(tǒng)的最好方式是:充分利用國內(nèi)外現(xiàn)有工程機械智能化單機先進技術(shù),將機群智能化技術(shù)作為獨立的專有技術(shù)開發(fā),單機的智能主體可以兼容國內(nèi)外主要廠商的產(chǎn)品。
本系統(tǒng)的實施中,采用開放式的開發(fā)方式,成立機群智能化的標準化組織,定義當前的智能單機實現(xiàn)智能主體所需提供的外部接口,由各個廠商作為組織成員提供所需設備與配件。這樣既保護了各自的知識產(chǎn)權(quán),又帶動了我國工程機械行業(yè)的科技進步,有利于使機群智能化標準成為在我國實現(xiàn)的國際工程技術(shù)標準。
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