基于現(xiàn)場總線通訊環(huán)境的Multi-Agent系統(tǒng)模型

摘 要：近幾年來，Agent和Multi-Agent理論和現(xiàn)場總線技術(shù)有著快速的發(fā)展。本文對Agent和Multi-Agent理論和現(xiàn)場總線技術(shù)進(jìn)行簡單介紹。并結(jié)合Multi-Agent理論和現(xiàn)場總線技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)基于現(xiàn)場總線通訊環(huán)境的Multi-Agent系統(tǒng)模型——“三軸門架搬運(yùn)系統(tǒng)”。

1. 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能的發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)與發(fā)展，集中式系統(tǒng)已不能完全適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展需要。并行計(jì)算和分布式處理的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。近10年來，Agent和Multi-Agent系統(tǒng)的研究成為分布式人工智能研究的一個(gè)熱點(diǎn)，引起計(jì)算機(jī)、人工智能、自動化、工業(yè)控制等領(lǐng)域科技工作者的濃厚興趣。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在控制領(lǐng)域發(fā)展迅速。促進(jìn)了現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，并且使現(xiàn)場控制的功能更加強(qiáng)大。因此現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將是工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的發(fā)展方向?，F(xiàn)場總線完成了各個(gè)Agent之間的通訊，因而使得Multi-Agent系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用成為了可能。

因此，本文提出了一種基于Agent思想的智能化“三軸門架搬運(yùn)系統(tǒng)”。在該系統(tǒng)中，具有多個(gè)自主性和自適應(yīng)性能力的Agent。并通過多個(gè)Agent之間的協(xié)同工作來提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和工作效率。

2. Agent及Multi-Agent

Agent在英語中是個(gè)多義詞，主要含義是有主動者、代理人、作用力（因素）或者媒介物（體）等。目前國內(nèi)對Agent尚無公認(rèn)的統(tǒng)一譯法。有的譯成主體、智能主體、智能體，還有些人把Agent譯為代理、媒體、個(gè)體、實(shí)體。在工業(yè)控制中，可把Agent看作是能夠通過傳感器感知環(huán)境，在通過控制器進(jìn)行理解，最后借助執(zhí)行器作用于該環(huán)境的任何事物，如圖1所示。Agent具有自主性、交互性、協(xié)調(diào)性、目標(biāo)性、社會性、協(xié)作性、持續(xù)性、適應(yīng)性、分布性和智能性10個(gè)特性[1]。

圖1 Agent與環(huán)境的互交作用

一個(gè)含有多個(gè)Agent并且協(xié)同完成目標(biāo)的系統(tǒng)稱之為Multi-Agent系統(tǒng)（MAS，Multi-Agent System）。采用MAS具有系統(tǒng)運(yùn)行速度加快、可靠性高、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)中這些Agent在物理上或邏輯上是分散的，其行為是自治的，他們?yōu)榱斯餐瓿赡硞€(gè)任務(wù)或達(dá)到某些目標(biāo)而連接起來，通過交互與合作實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問題的求解。MAS必須找出一種使各個(gè)Agent能夠協(xié)同工作的適當(dāng)方法。這種方法是建立在多個(gè)Agent系統(tǒng)資源共享和各Agent自主性之上的。因此，Multi-Agent之間的通訊成為了我們關(guān)心的問題。它包括3個(gè)方面的內(nèi)容：通信范式、通信協(xié)議和通信語言[7]。MAS的通信范式由共享全局內(nèi)存、消息傳遞及二者的結(jié)合。他的通信協(xié)議包含3種含義：網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議、高層交互型框和對所交換的通信原語的約束。至于MAS之間的通信語言有形式簡單、易于理解、語法可開展、方便與其他系統(tǒng)集成，內(nèi)容具有層次性、語義規(guī)范、能保證Agent間通信的可靠性和安全性的要求。

3. 現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）

我們可以認(rèn)為現(xiàn)場總線就是通信總線一直延伸到現(xiàn)場儀表，使得許多現(xiàn)場儀表，如變送器、調(diào)節(jié)閥、基地式控制器、記錄儀、顯示器、PLC、便攜式終端和控制室自動化設(shè)備間可以在同一總線上進(jìn)行雙向多信息數(shù)字通信。通常，我們將建立在現(xiàn)場總線基礎(chǔ)上的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ield-bus Control System）。FCS具有開放性、互可操作性與互換性、現(xiàn)場設(shè)備的智能化、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性、現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性、系統(tǒng)可靠性和準(zhǔn)確性、信息一致性等特性[8]。

1) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性

FCS廢棄了DSC的控制站，由現(xiàn)場控制設(shè)備議表取而代之，即把DSC控制站的功能化整為零，分散的分配給現(xiàn)場儀表設(shè)備，實(shí)現(xiàn)徹底的全分布式網(wǎng)絡(luò)控制。開創(chuàng)了測量與控制領(lǐng)域的新紀(jì)元——分布控制時(shí)代。

2) 現(xiàn)場設(shè)備的智能化

現(xiàn)場總線節(jié)點(diǎn)為現(xiàn)場控制設(shè)備或儀表，如傳感器、變送器、執(zhí)行器和控制器等，其具有綜合功能的智能節(jié)點(diǎn)。具有傳感測量、信號變換、工程量處理、補(bǔ)償計(jì)算、控制決策、驅(qū)動與執(zhí)行、自校驗(yàn)和自診斷等多項(xiàng)功能，在某節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的情況能自行關(guān)斷而不影響整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的繼續(xù)運(yùn)行。因此，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場設(shè)備儀表具有高度自主性與自治性的智能節(jié)點(diǎn)。

4. Multi-Agent控制理論的理想實(shí)現(xiàn)平臺——FCS

Multi-Agent控制理論的要點(diǎn)就在于構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)的、分布式的網(wǎng)絡(luò)化控制計(jì)算環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)中的各智能具有高度的自主性和自治性，分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為各智能體之間的相互協(xié)調(diào)合作提供一種交互機(jī)制。顯而易見，根據(jù)FCS和MAS特性的分析表明，F(xiàn)CS正是提供了一個(gè)這樣的實(shí)時(shí)的、全分布式的網(wǎng)絡(luò)化控制計(jì)算環(huán)境，F(xiàn)CS中的現(xiàn)場控制儀表設(shè)備智能節(jié)點(diǎn)即相當(dāng)一個(gè)個(gè)Agent,具有高度的自主性和自治性，開放的現(xiàn)場總線通訊協(xié)議和現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為現(xiàn)場儀表設(shè)備各個(gè)Agent之間提供了相互協(xié)調(diào)合作的具可互操作性的交互機(jī)制?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)成本低，具有理論應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的切實(shí)經(jīng)濟(jì)可行性。因此，F(xiàn)CS和Multi-Agent控制理論相似意味著前者是后者實(shí)現(xiàn)的天然理想系統(tǒng)平臺[5]。

5. 實(shí)現(xiàn)硬件平臺

本文采用CAN總線作為系統(tǒng)的通訊平臺，構(gòu)建一個(gè)“三軸門架搬運(yùn)系統(tǒng)”（如圖2所示）。三軸門架搬運(yùn)系統(tǒng)模擬了一個(gè)在工作區(qū)域?yàn)橹苯瞧矫娴臋C(jī)械臂，它用來傳送或者揀選工件。該模型由一個(gè)能在X軸、Y軸線性方向移動的機(jī)器臂②、一個(gè)適合沿Z軸方向運(yùn)動的電磁手（未顯示在圖片上）、一個(gè)帶有傳輸帶的工件箱①、工件存放站點(diǎn)③和控制單元④組成。在每個(gè)運(yùn)動方向的末端各有一個(gè)限位傳感器，控制軟件由此判斷機(jī)器臂的工作區(qū)域。

模擬的過程是：金屬的工件因工件箱的傳輸帶從工件箱被傳送到入站待定位，途中經(jīng)過識別單元，對工件型號進(jìn)行識別。機(jī)械臂移動到入站待定位上方，電磁手在負(fù)Z軸方向運(yùn)動抓住工件，電磁手復(fù)位，機(jī)械臂移動到工件型號相對應(yīng)的存放站的上方，電磁手再次在負(fù)Z軸方向運(yùn)動，電磁手失電消磁，工件被放在這個(gè)規(guī)定位置，電磁手復(fù)位。這個(gè)過程就完成了工件的煉選搬運(yùn)工作。

圖2 三軸門架搬運(yùn)系統(tǒng)硬件設(shè)備圖

整個(gè)系統(tǒng)底層現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)⑤的監(jiān)控應(yīng)用程序采用VC編程實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)也作為CAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，安裝倍福公司的CANOPEN FC510X現(xiàn)場總線接口卡和TWINCAT網(wǎng)絡(luò)管理和服務(wù)工具軟件。監(jiān)控應(yīng)用程序通過TWINCAT實(shí)現(xiàn)與設(shè)備節(jié)點(diǎn)的通訊。

為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)共有分類煉選Agent、單元化Agent、控制Agent和監(jiān)控Agent四個(gè)Agent組成（如圖3所示）。

圖3 三軸門架搬運(yùn)系統(tǒng)Agent結(jié)構(gòu)圖

1) 控制Agent

控制Agent的主要功能是完成自身的控制算法，并根據(jù)任務(wù)需要與其他Agent組成動態(tài)的Multi-Agent合作系統(tǒng)?？刂艫gent所需要的控制命令和數(shù)據(jù)均通過CAN總線傳輸。在該系統(tǒng)中，控制Agent主要完成的任務(wù)是目標(biāo)位置計(jì)算、運(yùn)輸帶控制、機(jī)械手控制和狀態(tài)監(jiān)視。

2) 單元化Agent

單元化Agent相當(dāng)于一個(gè)感知與執(zhí)行Agent[7]。該Agent不僅能完成信號的采集，提取傳感器的信號的特征形成監(jiān)控變量，通過CAN總線傳送給控制Agent。同時(shí)從控制Agent接受控制指令，并轉(zhuǎn)化為與現(xiàn)場設(shè)備匹配的開關(guān)量。該系統(tǒng)中，單元化Agent主要完成的任務(wù)是檢測工具箱中是否有工件，如果有工件，啟動傳輸帶將工具箱最底層的一個(gè)工件傳送到準(zhǔn)備入站的位置。無工件時(shí)，就停止傳輸帶。

3) 分類煉選Agent

分類Agent業(yè)相當(dāng)于一個(gè)感知與執(zhí)行Agent。該系統(tǒng)中，該Agent主要完成的任務(wù)是分析并確定工件的類型，電磁手的控制和機(jī)械手的運(yùn)動。

4) 監(jiān)控Agent

監(jiān)控Agent主要的任務(wù)就是在在遠(yuǎn)程的操作室內(nèi)對工業(yè)現(xiàn)場的觀察并且根據(jù)情況需要可以對現(xiàn)場設(shè)備布置任務(wù)。

通過CAN總線整個(gè)三軸門架搬運(yùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各個(gè)Agent的通訊，使每個(gè)Agent可共享系統(tǒng)資源又可在同一時(shí)刻完成各自的任務(wù)。因此，整個(gè)系統(tǒng)可以安全、協(xié)調(diào)的完成工件的單元化、分類和搬運(yùn)一系列任務(wù)。

6. 結(jié)論

本文結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)和Agent理論給出了“三軸門架搬運(yùn)系統(tǒng)”的Multi-Agent結(jié)構(gòu)，并基于CAN總線技術(shù)構(gòu)建了該系統(tǒng)。系統(tǒng)具有成本低、可靠性和穩(wěn)定性好，智能化程度高等特點(diǎn)。各個(gè)Agent根據(jù)不斷變化的環(huán)境所做出的局部決策，動態(tài)的顯現(xiàn)出一個(gè)切實(shí)可行的調(diào)度，這樣系統(tǒng)就具有較好的反應(yīng)性和適應(yīng)性。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：分布式人工智能中的Agent和Multi-Agent理論在智能機(jī)器人的研究中有了一定的發(fā)展，但此理論未用于工業(yè)控制領(lǐng)域。各個(gè)Agent之間的通訊是Multi-Agent 系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵，而與現(xiàn)場總線通訊的完美結(jié)合使的應(yīng)用Multi-Agent理論在工業(yè)控制領(lǐng)域成為了可能。本文還結(jié)合了工業(yè)模型三軸門架搬運(yùn)系統(tǒng)證明了此理論的可行性。

[1].PLCdatasheethttp:///datasheet/PLC_1248813.html.