复杂适应系统与分布式卫星系统自主运行

第23卷第9期计算机仿真2006年9月文章编号：1006-9348（2006）09-0023-04
复杂适应系统与分布式卫星系统自主运行
张健，戴金海
（国防科技大学航天与材料工程学院，湖南长沙410073）
摘要：以复杂适应系统理论为指导，探讨了基于Agent技术实现分布式卫星系统（DSS）自主运行的研究方法和主要步骤。

目前国内外关于DSS自主运行技术的研究尚处于起步阶段，缺乏系统的理论指导。

该文试图运用复杂适应系统（CAS）理论的思想和方法来指导DSS自主运行技术的研究，并以此扩展CAS理论的应用领域。

首先介绍CAS理论的基本概念和核心思想，然后分析自主运行DSS的控制需求和特征，指出CAS理论用于指导DSS自主运行的必要性和可行性，并给出基于Agent 实现DSS自主运行的整体框架。

关键词：复杂适应系统；智能体；分布式卫星系统；自主运行
中图分类号：TP391.9；V423 文献标识码：A
Complex Adaptive System and Autonomy of Distributed Satellite Systems
ZHANG Jian，DAI Jin-hai
（Coiiege of Astronautics&Materiai Engineering，NUDT，Changsha Hunan410073，China）
ABSTRACT：Under the instruction of CompieX Adaptive System（CAS）theory，the methods and main steps of Agent
-based autonomy of Distributed Sateiiite Systems（DSS）are discussed.Tiii now，study on spacecraft autonomy is stiii in the eariy stage，and is in great need of theoreticai instruction.We try to adopt the ideas and methods of Com-pieX Adaptive System（CAS）theory to research autonomy of DSS，and thereby eXtend the appiication domain of CAS theory.Basic concepts and kernei thoughts of CAS are introduced.Then the controi demands and characteristics of autonomous DSS are anaiyzed.The necessity and feasibiiity of instruction of CAS theory is pointed out.In the end，generai frameworks of Agent-based autonomy of DSS are discussed.
KEYWORDS：CompieX adaptive system（CAS）；Agent；Distributed sateiiite system（DSS）；Autonomy
引言
航天器的自主运行是指利用人工智能等现代控制技术，实现由地面系统到航天器系统的智能移位，使航天器在无人干涉的情况下，实现自我管理并完成各种任务。

DSS自主运行以卫星自主运行为基础，实现卫星之间的交互与协作。

发展自主运行技术已成为世界航天大国的共同选择。

然而，要实现变化、不确定条件下，完全意义的自主控制，目前的技术尚不成熟。

国际上关于自主运行技术的研究往往集中于具体的功能实现，如自主规划调度［1］［2］、基于模型的故障检测与系统重构［3］［4］等。

由于缺乏系统的理论分析和总结，尚未形成较为完整的理论框架和方法体系。

CAS理论的提出为复杂系统研究提供了新的方法论，不仅可以指导复杂系统的建模与仿真，还为复杂适应系统的设计和开发奠定了理论基础。

本文首先介绍CAS的相关概念和思想；然后对自主运行DSS进行分析，指出自主运行的DSS是复杂适应系统，其研究可以CAS理论为指导；接下来在CAS的理论框架下，探讨基于Agent的DSS自主运行的研究方法，并给出主要的研究步骤。

2 复杂适应系统理论［5］
2.核心思想与基本概念
CAS理论的核心思想是"适应性造就复杂性"，其突出特点是：
系统中的成员是主动的、活的个体，称为主体（A-gent）。

个体可以自动调整自身的状态、参数以适应环境，或与其它个体进行协同、合作或竞争，争取最大的生存机会或利益；
个体与环境之间的相互影响、相互作用，是系统演变和进化的主要动力。

由于个体具有适应性，相互作用越强，系统的演化过程越复杂多变；
系统具有明显的层次性，各层之间的界线分明，层与层间具有相互独立性；
个体具有并发性。

系统中的个体并行地对环境中的
收稿日期：2004-07-24
各种刺激做出反应，进行演化；
在CAS的模型里还引入了随机因素的作用，使其具有更强的描述和表达能力。

霍兰在论述CAS理论的时候，围绕主体这一核心概念，进一步提出了研究系统适应和演化过程的七个相关概念：聚集、非线性、流、多样性、标识、内部模型和构件。

2.3 CAS的微观行为模型
复杂系统的微观行为模型就是构成复杂系统的主动个体行为模型。

霍兰提出的个体行为模型没有实际的模型和规划，仅有一些简单的行为模式，以刺激--反应的方式对环境的改变做出反应。

其结构可以表示为：
Agent=<See，IS，AR，Decision>
其中，See为感知部件；IS为内部状态；AR是Agent的行为规则集；Decision为决策部件。

其工作原理为：
See：S P
Change：P X IS IS
Decision：P X AR A
Adapt：P X IS X AR AR
其中，S=｛S
l ，S
2
，…｝是环境状态集合；P是Agent的感
知输入集合；A=｛a
l ，a
2
，…｝是Agent的动作集合。

上述模
型在本质上是一种具有内部状态的反应型Agent，其适应性体现在行为规则的修改上。

在构建具体的CAS时，可以根据需要对上述模型进行扩展，采用反应型、慎思型甚至混合型Agent模型结构［6］。

2.4 从微观到宏观的过渡--回声模型
回声模型讨论如何在主体模型的基础上组成复杂系统的宏观模型。

主体间的交互作用构成回声模型的核心。

基本回声模型描述了特定位置上具有一定资源的主体之间的消息传递。

在某些条件下，可以对基本回声模型进行扩充［5］，使其具备描述和表达各种复杂系统的能力。

3 自主运行DSS分析
3.1 自主运行DSS的功能需求和特征
DSS自主运行的功能需求是：自主任务管理与生成；自主任务规划与调度；自主状态感知与监测；自主故障诊断与系统重构；有效载荷数据自主处理；基于模型的预测；自主构形保持与重构，等等。

自主运行DSS的根本特征是：能够主动感知变化的和不确定的系统及环境状态，并根据总的任务目标，自主规划调度和协同行动。

其中，为每颗卫星发出控制指令序列者，是星上的决策控制中心，而不是地面的测控支持系统。

由于缺乏人为直接的控制决策，自主运行强调"无外界干涉"和"自我管理"。

如何在不确定的条件下实现实时自主控制决策能力，并体现自主运行的鲁棒性、容错性、自适应性和智能性，是自主运行追求的目标。

3.2 自主运行的DSS是典型的复杂适应系统
自主运行的DSS本身是一个不断演化的复杂适应系统。

首先，系统是一个典型的开放系统，受到自然环境和社会环境的双重影响；卫星与卫星之间、卫星与环境之间，存在着物质、能量和信息的交互，且以"流"的形式贯穿其间，新的卫星的发射入轨、卫星脱离空间环境返回地面、卫星之间的通信、卫星与地面站或航天员之间的通信、地面站或航天员对卫星的指挥控制等行为，都是物质、能量与信息交换的表现形式；系统中卫星的运动规律、卫星之间的交互作用具有非线性特征；系统具有单颗卫星不具有的功能，表现出功能涌现性；功能的涌现性导致了系统的层次性。

同时，实现DSS 自主运行，就是要赋予系统自主性、智能性、自适应性和自组织性。

目标驱动的系统结构与属性的自我规划与调度，如卫星增加/减少、构形重新配置、组织关系变化等，是DSS智能性、自适应性和自组织性的集中体现。

总之，DSS系统具有的开放性、非线性、层次性、自组织性、适应性、功能涌现性等特性，是复杂适应系统的主要特征，因此说自主运行的DSS 是一类不断演化的复杂适应系统。

3.3 DSS自主运行的主要实现机制
自主运行可以看成是自动控制的高级发展阶段，本质上属于智能控制，是自动控制、人工智能、运筹学、信息论、系统论、计算机科学等多学科的交叉。

实现DSS的自主运行，首先要从系统的高度确定整体思路，建立正确的系统观、整体观是研究的基础；然后利用智能信息处理技术和人工智能技术实现知识表示、知识获取和知识利用，主要是利用"代价与进步"的依赖关系知识以及"故障（或性能下降）与其原因"的关系知识［7］等，进行演绎推理、搜索优化；利用运筹学完成诸如轨道规划、任务分配、构形变换规划等功能；利用自动控制保证系统的运动学和动力学的优良品质。

如何将上述各领域的技术集成起来，共同实现自主运行的功能，成为问题的关键。

4 DSS自主运行研究方法--基于Agent的DSS 自主运行
实现DSS自主运行，其本质在于构建由多个自主运行卫星组成的复杂适应系统。

而具有适应能力的主动个体--Agent，是CAS理论中的核心概念，于是，基于Agent技术来实现卫星系统的自主运行，就成了一种合乎逻辑的自然选择。

4.1 CAS理论是实现DSS自主运行的重要理论依据
CAS理论是指导DSS自主运行研究的重要理论武器，应用CAS理论的相关思想和方法来进行DSS自主控制的研究，是合乎逻辑的科学选择。

在实现DSS自主运行过程中，无论是利用AI以及机器人领域中的Agent或MAS理论与技术来实现自主运行的功能，还是从建模仿真角度，建立具有自主性和智能性的DSS的多Agent模型，并进行分析评估，都需要CAS理论的指导。

首先，自主运行的DSS具有CAS 的典型特征，本质上属于CAS范畴；其次，自主运行DSS具有的自主性、反应性、社会性等特征与CAS中的Agent特性非常相似，Agent和多Agent系统（MAS）是对自主运行卫星
和DSS的科学抽象和自然描述。

同时，运用Agent技术来实现DSS自主运行，可以较好地集成多个领域的模型和技术，从而使Agent具有面向目标的决策、规划和协同能力。

4.2 基于Agent的DSS自主运行的研究方法和主要步骤
利用Agent来构建具体的CAS，关键是要通过标识、内部模型、构件等机制，实现个体之间、个体与环境之间"流"的交换；并通过个体之间的聚集和非线性的相互作用达到系统的层次性和涌现性。

下面结合CAS理论的相关思想和概念，给出基于Agent技术实现DSS自主运行的方法和步骤。

4.2.l 问题域分析，确定整体的研究思路
对任务目标和系统的控制需求进行分析，确定Agent粒度以及整体的研究思路。

DSS自主运行，采用"自底向上"构建CAS的方法。

系统中存在三类Agent。

第一类Agent称为SatAgent，对应系统中的每一颗卫星；第二类Agent称为Fun-cAgent，实现自主运行的功能；第三类Agent称为SubSysA-gent，实现各子系统的自主。

FuncAgent和SubSysAgent是元Agent（Meta-Agent），SatAgent是由FuncAgent和SubSysA-gent组成的聚合Agent（Aggregation-Agent）。

FuncAgent和SubSysAgent由若干个完成特定功能的功能模块（FM，Func-tionai Moduie）构成。

每一个FM完成一个基本的功能，由开发者根据具体的问题需要和经验来确定。

4.2.2 构建自主运行的SatAgent
从逻辑上来讲，SatAgent采用的是一种层次化的体系结构。

底层是各个自主的分系统；中间层是系统级自主，完成系统级的规划与调度、故障监测与系统重构等功能；上层是多星协同层，负责卫星之间的交互与协作。

构建自主运行的SatAgent，要完成如下工作：
l）确定Agent模型结构
纯粹的反应结构或纯粹的慎思结构都不是构造Agent 的最佳方式［6］。

DSS在自主运行过程中，要进行规划和决策，还要能够对环境变化作出快速反应，为此系统中的Agent 一般采用反应性和慎思性兼具的混合型结构。

采用基于类框架的方法［8］，利用消息传递进行通信的混合型Agent的结构可以表示为：
Agent：：=<AgentID，Agentname，MsgDetect，MsgLoop，MsgSend，
InterfaceCiass，AppiicationCiass，ActionruieCiass，Mentai-StateCiass>
每一个Agent都有唯一标识、消息处理机制、接口类、应用类、行为规则类和心智状态类。

系统中的消息采用统一的形式：
Message：：=<MsgID，type，Content，SourceID，DestID，Sendtime，Vaiidtime>
消息监听主动感知外部环境；消息循环对消息类型进行识别，并实现消息到类中方法的映射；消息发送负责发送消息。

接口类完成用户或其它Agent对Agent应用类部分所提供方法的调用；行为规则类包含行为规则库以及行为规则的修改操作；心智状态类包含能力、信念、承诺等状态库以及状态的修改操作；应用类完成具体的功能，如FM的实现等，是面向特定领域开发的重点。

Agent根据行为规则、心智状态和感知输入进行决策。

2）实现完成自主运行基本功能的FM，形成自主运行功能模块库
使用构件生成内部模型，是CAS的普遍特征。

通过构件的选择性组合，可以生成更高层次的构件，在所有层次上不断地生成和选择构件，导致系统不断的进化，这正是自底向上构建CAS的过程。

在自主运行的DSS中，实现自主运行基本功能的FM，可以理解为一种最底层的构件，通过这些构件的选择性组合，可以生成不同的FuncAgent和SubSysAgent。

FM体现了A-gent的实际能力，是Agent完成任务的基础，也是Agent之间进行有效工作的基础。

FM的设计与实现是DSS自主运行研究的一个重点内容。

在具体实现的过程当中，可以充分借鉴国内外的研究成果，综合运用多种技术，甚至采用不同的编程语言和数据结构。

3）建立FuncAgent和SubSysAgent的内部模型
SubSysAgent是卫星子系统自主功能的抽象；FuncAgent 的内部模型结构是由Agent的角色和功能决定的。

利用功能模块库中的FM，进行选择性组合，生成SubSysAgent和完成卫星系统级自主和星间协同的FuncAgent，作为构建SatAgent 的构件。

4）确定不同自主程度、不同角色的SatAgent的体系结构，并利用FuncAgent和SubSysAgent聚集成SatAgent 在CAS的演化过程中，聚集是一个十分重要的关键步骤。

较小的、较低层次的个体通过某种聚集关系结合成较大的、较高层次的主体。

DSS中，FuncAgent和SubSysAgent组成卫星Agent的过程，就是典型的聚集过程。

一是要根据SatAgent在系统中的不同作用和角色，确定包含的FuncA-gent；二是要确定底层Agent向上层过渡的聚合方式，特别是SatAgent内部各FuncAgent之间的信息流和控制流。

自主运行的FM库、FuncAgent和SubSysAgent、不同自主程度的SatAgent，是构建自主运行DSS的基础，在此基础上可以方便快捷地配置满足不同任务要求的自主运行DSS，体现了模块化构造DSS的思想和模型的重用性。

4.2.3 构建自主运行的DSS
自主运行的DSS中，各卫星之间不仅存在空间的物理结构，还存在着一定的组织结构。

各个SatAgent在特定的组织结构下，通过交互与协作，共同实现任务目标。

构建自主运行DSS，要研究如下内容：
l）根据任务目标要求，确定系统组织结构，明确系统中的信息流和控制流
典型的复杂适应系统一般缺少中央指挥，即CAS是分散控制的。

尽管如此，自主运行的DSS仍然可以采用自顶向下式、集中控制式、分布式和网络式等组织结构，来满足不同任
务目标的要求。

一般地，DSS中卫星之间的合作关系较强时，采用集中控制式的控制方式较为合理；伴随非合作目标星飞行时，采用网络式的控制结构将更加灵活，更能发挥系统的优势。

组织结构在一定程度上反映了系统的层次性特征，处于不同层次的Agent具有不同角色和功能，承担的职能不同，从而具有不同的内部模型。

构建自主运行的DSS，首先要根据系统组织结构，选取完成不同角色功能的SatAgent；然后定义SatAgent之间的关系，如控制关系（controi）、平等关系（peer）、诚信关系（benevoience），等等；接下来针对自主运行的各项功能需求确定SatAgent之间的控制流和信息流，以及具体事件的处理流程。

2）SatAgent之间的协商、协作与协调机制研究
CAS功能的涌现，在很大程度上是通过Agent之间的交互与协作实现的。

自主运行的DSS系统利用全局信息、知识和技能，通过各SatAgent之间的相互作用，合作完成单颗卫星无法独立完成的复杂任务，是系统功能涌现性的集中体现。

由于SatAgent之间不可避免地存在资源冲突、目标冲突，甚至结果冲突，各SatAgent必须对资源和目标进行合理安排，必要时调整各自的行为，以求最大可能地实现系统目标。

可以采用基于集中规划的协调、基于协商的协调等；协作是保持非对抗Agent之间行为协调的特例，对策和学习是Agent协作的内在机制，因此成为研究的重点；协商是多A-gent系统实现协同、协作、冲突消解和矛盾处理的关键环节，为此要研究SatAgent之间的协商协议、协商策略等。

值得注意的是，涌现性往往具有不可预测性［10］。

但是，若系统表现出不可预知的涌现行为，则无法体现设计意图。

因此，设计自主运行的DSS，必须保证其功能的涌现性是"可测"和"可控"的。

这是DSS自主运行技术研究的一个难点。

4.2.4 自主运行DSS的仿真分析与评估
自主运行的DSS的仿真分析，主要包括三个方面的内容：一是FM的仿真分析；二是特定想定、特定组织结构的DSS整体运行情况仿真分析；三是DSS运行过程中连续/离散混合系统的仿真分析。

构建自主运行DSS的分布式仿真环境和仿真系统是DSS自主运行技术研究的又一难题。

DSS自主运行技术的研究，是一个反复迭代的过程。

要根据仿真结果，对自主运行功能模块、内部模型、组织结构等进行不断的改进，从而更好地满足任务目标的要求。

!"结束语
由于对象的开放性、复杂性和所面对信息模式的多样
性、不确定性，空间飞行器的自主运行是一项高度综合的研究项目，应站在系统的角度来看待自主运行技术的研究。

CAS理论为实现DSS的自主运行提供了一种思路，基于A-gent的DSS自主运行正是CAS理论指导下的有效方法。

本文介绍了CAS理论基本内容，分析了自主运行卫星系统的控制需求和特征，并依据CAS理论的思想，探讨了基于Agent 技术实现DSS自主运行的研究方法和主要技术路线，对DSS 自主运行技术的研究具有一定的指导意义。

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［作者简介］
张健（1978-），女（满族），辽宁锦州人，博士研
究生，研究方向为飞行器系统建模与仿真、空间飞行
器自主控制等；
戴金海（1943-），男（汉族），河北昌黎人，教授，博
士生导师，中国计算机用户协会仿真应用分会副理事长，《计算机仿真》编委会副主任，研究方向为飞行器系统建模、仿真与虚拟飞行试验、飞行器并行工程与产品数据管理、实时控制与实
时系统等。