摘? 要: 討論了基于多智能主體的混雜分層式機(jī)群系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及機(jī)群智能化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題。

　　關(guān)鍵詞: 多智能主體? 機(jī)群智能化? 協(xié)同決策? 人機(jī)共棲

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　　現(xiàn)行的筑路工程項(xiàng)目需要多種機(jī)械設(shè)備的參與,如:攤鋪機(jī)、壓路機(jī)、裝卸卡車(chē)、拌和設(shè)備等等同時(shí)存在于20～50km的標(biāo)段上,目前主要靠人工方式進(jìn)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(shí)時(shí)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(wèn)題在國(guó)內(nèi)外的工程機(jī)械施工中普遍存在,因此機(jī)群的智能化已經(jīng)成為當(dāng)前工程機(jī)械控制技術(shù)的前沿課題。該課題國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀是:經(jīng)過(guò)“八五”“九五”的發(fā)展,單機(jī)智能化技術(shù)已經(jīng)成熟,機(jī)群智能化技術(shù)尚未起步。而歐美一些國(guó)家已經(jīng)推出了各自的機(jī)群智能化產(chǎn)品,但是它們的開(kāi)發(fā)尚處初期,還有很多不完善的地方。目前,機(jī)群智能化已經(jīng)列為我國(guó)863攀登計(jì)劃的重點(diǎn)研究項(xiàng)目。

　　采用多智能主體(即多Agent)應(yīng)用于工程機(jī)械機(jī)群智能化的核心是:每個(gè)主體的智能或推理功能都很簡(jiǎn)單,但是當(dāng)它們協(xié)調(diào)工作時(shí),能夠完成十分復(fù)雜的工作,這與人腦的功能類(lèi)似。分布式人機(jī)共棲的智能系統(tǒng)可以集成人類(lèi)的智能,充分發(fā)揮人和機(jī)器在再求解問(wèn)題方面的特長(zhǎng)。系統(tǒng)既包含了計(jì)算機(jī)支持下的人與人之間的協(xié)同工作,也包含了機(jī)器與機(jī)器之間自動(dòng)的協(xié)同工作以及人與機(jī)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(lèi)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(xiàng)目的開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、軍用指揮控制系統(tǒng)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

1?基于多智能主體的混雜分層式機(jī)群系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)按照工作層面劃分為三個(gè)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(shù)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(fù)責(zé)各自的專(zhuān)項(xiàng)工作,有相對(duì)的局部權(quán)限,這是與工程施工中的實(shí)際安排相對(duì)應(yīng)的。中央控制智能主體負(fù)責(zé)監(jiān)督、協(xié)調(diào)工程現(xiàn)場(chǎng),綜合現(xiàn)場(chǎng)的各種信息,為高層領(lǐng)導(dǎo)提供決策支持,并負(fù)責(zé)對(duì)高層領(lǐng)導(dǎo)的決策進(jìn)行解釋和任務(wù)分配。道路成型智能主體負(fù)責(zé)道路的攤鋪工作,并指揮壓路機(jī)組輔助攤鋪工作?；旌狭习韬椭悄苤黧w負(fù)責(zé)混合料的拌和,并指揮裝載機(jī)組協(xié)同完成工作。中間的自卸卡車(chē)組成混合料運(yùn)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(cè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)反饋路面質(zhì)量信息給中央主體。各個(gè)主體之間由無(wú)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(jī)群智能化系統(tǒng)。

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　　采用多智能主體設(shè)計(jì)機(jī)群系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:

　　(1)分布式智能:將一個(gè)復(fù)雜的筑路任務(wù)通過(guò)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(gè)主體各自負(fù)擔(dān)有限復(fù)雜程度的子任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn),充分發(fā)揮各個(gè)主體的功能與能動(dòng)性,減輕了中央主體的工作負(fù)擔(dān)與控制的復(fù)雜程度,同時(shí)各個(gè)主體的智能提高了對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。在以往的集中控制方式中,中央控制系統(tǒng)由于承擔(dān)了所有的系統(tǒng)工作,往往功能十分復(fù)雜,設(shè)計(jì)與實(shí)施時(shí)都需要耗費(fèi)大量的人力物力,同時(shí)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)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(guò)多智能主體設(shè)計(jì),將系統(tǒng)的智能分布到三個(gè)主體上,實(shí)現(xiàn)了中央控制的簡(jiǎn)化。

　　(2)容錯(cuò)性:由于各個(gè)主體都具有權(quán)限不同的決策功能并共享機(jī)群系統(tǒng)的信息,單個(gè)主體的出錯(cuò)不會(huì)造成全局失控。在筑路工程的現(xiàn)場(chǎng)施工中,由于環(huán)境惡劣,發(fā)生錯(cuò)誤在所難免。例如電力故障、通信故障、人為錯(cuò)誤等都是施工現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)實(shí)存在的問(wèn)題。當(dāng)一條錯(cuò)誤指令由中央主體下達(dá)到下一級(jí)主體時(shí),下級(jí)主體的決策系統(tǒng)進(jìn)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(gè)決策錯(cuò)誤,并向中央主體報(bào)告,處理主體故障。

　　(3)可靠性:由于同時(shí)實(shí)現(xiàn)了功能的分布化,所以提高了整個(gè)機(jī)群系統(tǒng)的可靠性。由于機(jī)群的各個(gè)主體相對(duì)獨(dú)立,各行其事,單個(gè)主體的故障不會(huì)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(guò)相互間的通信協(xié)調(diào),保證施工的進(jìn)行。這一點(diǎn),集中控制方式的機(jī)群系統(tǒng)是做不到的,因?yàn)樗闹醒肟刂葡到y(tǒng)一旦失效就會(huì)造成全局癱瘓。

(4)高效率:強(qiáng)調(diào)機(jī)群系統(tǒng)的交互性和協(xié)作性,有利于提高機(jī)群系統(tǒng)的工作效率,降低能耗,節(jié)省物料,從而降低整個(gè)施工的成本。

2?多智能主體機(jī)群系統(tǒng)的核心

　　多智能主體機(jī)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(gè)基于計(jì)算機(jī)的交互式系統(tǒng)。它分布在三個(gè)主體上,利用通信、計(jì)算機(jī)和決策支持技術(shù)支持多智能主體成員對(duì)非結(jié)構(gòu)化的決策問(wèn)題進(jìn)行定義和求解。通過(guò)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(dǎo)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(jìn)多智能主體決策過(guò)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(gè)重要環(huán)節(jié),它為問(wèn)題定義提供基礎(chǔ),同時(shí)為觀點(diǎn)生成提供依據(jù)。其中的信息收集過(guò)程及其支持技術(shù)的研究,可以促進(jìn)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(gè)迭代過(guò)程,分為前期、中期、后期三個(gè)階段。前期階段中,決策過(guò)程開(kāi)始時(shí),促進(jìn)者(Facilitator)與決策議題倡導(dǎo)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(shè)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(guò)程中,當(dāng)決策成員發(fā)現(xiàn)信息缺乏時(shí),可以通過(guò)各個(gè)主體獲取信息或與其他成員進(jìn)行信息交換。后期階段中,決策成員對(duì)決策階段性結(jié)果進(jìn)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(xué)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(diǎn)。智能主體是一種抽象的實(shí)體,它能作用于自身和環(huán)境,并能對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)。智能主體具有獨(dú)立性、自主性和交互性,表現(xiàn)為可以作為獨(dú)立的行為實(shí)體被引用,能根據(jù)其他內(nèi)部狀態(tài)和外部時(shí)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(shí)體,并可以與其他主體進(jìn)行有效的系統(tǒng)工作。

　　多智能主體系統(tǒng)中有二類(lèi)主體:一類(lèi)是由機(jī)器智能構(gòu)成的machine-based Agent,另一類(lèi)是人類(lèi)專(zhuān)家所處的節(jié)點(diǎn)Personal Assistant或Human Agent對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)環(huán)境封裝下的人類(lèi)專(zhuān)家Human agent與眾多的計(jì)算機(jī)Agent組成一個(gè)Agent group。因此多智能主體系統(tǒng)是人類(lèi)指揮和及其智能集成的系統(tǒng)。人類(lèi)指揮和機(jī)器智能解決問(wèn)題的能力各有所長(zhǎng),在工作中相互激活,形成人機(jī)共棲的智能主體模式。

　　多智能主體的機(jī)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(duì)坐標(biāo)、各主體的負(fù)責(zé)人對(duì)當(dāng)?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(gè)主體參與的決策過(guò)程。由于各主體的功能、方案和對(duì)象往往存在沖突和矛盾,因此沖突識(shí)別和消解是協(xié)同設(shè)計(jì)中所有多智能主體系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)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(lèi)。前者設(shè)計(jì)目標(biāo)的狀態(tài)可識(shí)別,目標(biāo)狀態(tài)是可以達(dá)到或是不可以達(dá)到,這點(diǎn)可以看成是硬約束。在協(xié)同設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)約束,可用它來(lái)表示對(duì)某一特定設(shè)計(jì)屬性的重視程度。一般用特定的函數(shù)值來(lái)衡量這種程度、評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)狀態(tài)的優(yōu)劣。這個(gè)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(guò)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(jiǎn)單過(guò)程,其本身就可以看作是基于知識(shí)的問(wèn)題。在協(xié)同設(shè)計(jì)中,由于各主體的能力、作用、目標(biāo)等不同,所以當(dāng)一種沖突消解策略達(dá)不到滿意的效果時(shí),系統(tǒng)必須有一定機(jī)制來(lái)采取其他更理想的策略。

　　對(duì)于本系統(tǒng),由于現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境較差,操作員的熟練程度與人為的出錯(cuò)概率,以及一些不可預(yù)見(jiàn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題

　　基于多智能主體模型的筑路機(jī)械機(jī)群智能化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)分為二個(gè)部分。

　　(1)多智能主體的機(jī)群系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　?、俑髦黧w間的通信網(wǎng)絡(luò)。通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施是主體間信息共享與交換的基礎(chǔ)。物理實(shí)現(xiàn)以無(wú)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(luò)拓?fù)洳捎镁W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)的三個(gè)主體之間均存在獨(dú)立的數(shù)據(jù)鏈路,以實(shí)現(xiàn)信息的交換與共享。

　?、诟髦悄苤黧w的決策推理機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)制,中央主體、道路成型主體、混合料拌和主體三者在決策樹(shù)中所處的地位以及各自的權(quán)限分配。

　?、刍诙嘀悄苤黧w的管理層指令的分布式計(jì)算求解的算法。該算法是把一個(gè)筑路任務(wù)分解并分配給相應(yīng)的機(jī)械主體,形成任務(wù)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(wù),實(shí)現(xiàn)施工調(diào)度的優(yōu)化。

　?、芏嘀悄苤黧w的信息處理與融合算法。機(jī)群調(diào)度決策系統(tǒng)信息綜合(含機(jī)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(gè)基于專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)的故障診斷系統(tǒng),如圖2所示。

　　(2)各單機(jī)智能主體的實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)主要采用人機(jī)共棲模式的智能主體形式,如圖3所示,核心是研究人機(jī)協(xié)調(diào)決策的方法。由于各機(jī)種的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)的要點(diǎn)是:

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　?、僦黧w對(duì)象的定義:包括單機(jī)的功能、屬性、需要檢測(cè)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(duì)應(yīng)于各機(jī)種的知識(shí)庫(kù),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(shí)施路線

　　當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外的工程機(jī)械廠商已經(jīng)推出了全系列的智能化的單機(jī),單機(jī)智能化的技術(shù)已經(jīng)成熟。但是,這樣的智能單機(jī)還不能直接應(yīng)用到智能化的機(jī)群之中,需要添加通信設(shè)備與智能主體控制裝置。因此,實(shí)施基于多智能主體的機(jī)群系統(tǒng)的最好方式是:充分利用國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有工程機(jī)械智能化單機(jī)先進(jìn)技術(shù),將機(jī)群智能化技術(shù)作為獨(dú)立的專(zhuān)有技術(shù)開(kāi)發(fā),單機(jī)的智能主體可以兼容國(guó)內(nèi)外主要廠商的產(chǎn)品。

　　本系統(tǒng)的實(shí)施中,采用開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)方式,成立機(jī)群智能化的標(biāo)準(zhǔn)化組織,定義當(dāng)前的智能單機(jī)實(shí)現(xiàn)智能主體所需提供的外部接口,由各個(gè)廠商作為組織成員提供所需設(shè)備與配件。這樣既保護(hù)了各自的知識(shí)產(chǎn)權(quán),又帶動(dòng)了我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)的科技進(jìn)步,有利于使機(jī)群智能化標(biāo)準(zhǔn)成為在我國(guó)實(shí)現(xiàn)的國(guó)際工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

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