一种基于MAS的分布式控制系统模型

收稿日期:2004203211作者简介:汪健雄(1979-),男,安徽无为人,合肥工业大学硕士生;魏　臻(1965-),男,安徽无为人,合肥工业大学研究员,硕士生导师.第27卷第12期合肥工业大学学报(自然科学版)V o l .27N o .122004年12月JOU RNAL O F H EFE IUN I V ER S IT Y O F T ECHNOLO GY D ec.2004一种基于M A S 的分布式控制系统模型汪健雄,　魏　臻,　路　强(合肥工业大学计算机与信息学院,安徽合肥　230009)摘　要:提出了一种基于多A gent 的分布式计算机控制系统的模型,分析了该模型逻辑结构和工作原理,并通过实例介绍了一种软硬件A gent 的系统开发方法,用于分析和设计该系统中的控制单元。

利用多A gent 系统的特点,将系统划分为若干职能A gent ,各A gent 之间采用黑板方式通信,使得控制系统具有良好的开放性与可重构性。

该模型在分布式铁路信号计算机控制系统的设计和实施中得到了成功应用。

关键词:计算机控制;分布式人工智能(DA I );多A gent 系统(MA S );控制器局部网络(CAN )中图分类号:TP 273.5 文献标识码:A 文章编号:100325060(2004)1221570204M odel of distr i buted co m puter con trol syste mba sed on the m ulti -agen t syste mWAN G J ian 2x i ong ,　W E I Zhen ,　LU Q iang(School of Computer and Infor m ati on ,H efei U niversity of Technol ogy ,H efei 230009,China )Abstract :A model of distributed computer con tro l syste m based on m ulti 2agen t is put fo r w ard in th is paper .T he l ogical structure and w o rk ing p rinci p le of the model are analyzed .Based on a design exa mp le ,the syste m devel op ing sche m a of the s oft 2hardw are agen t is described .By tak ing advan tage of the characteristics of the m ulti 2agen t syste m ,a con tro l syste m con structed by th is model is open and can be recon structed .T he p resen ted model has been used successfully in the distributed computer con tro l syste mof the rail w ay signal.Key words :computer con tro l ;distributed artificial in telligence ;m ulti 2agen t syste m ;con tro ller area net w o rk1　概 述近年来,随着网络技术的发展和成熟,各种分布式的信息系统得到了广泛应用,具有实际意义的分布式人工智能(DA I )[1]在过程控制等领域得到了巨大的发展。

多A gen t 系统M A S (M ulti 2A gen tSyste m )是由多个智能A gen t 组成的系统,它一般具有个体行为独立自制、个体信息不完全、能力有限、无全局控制、数据分散化和计算异步等特点[2]。

本文提出了一种基于M A S 的分布式控制系统模型,并给出了关键部分的设计方法。

(1)多A gen t 系统的控制方式。

多A gen t 系统中控制方式通常有合同网(Con tract N et )[3]和黑板(B lackboard )[4]两种。

黑板方式是一种广播形式,常用于信息的接收方是未知的情况,“黑板”是一个分层组织的公共数据结构[5],A gen t 可以往黑板上粘贴信息,也可以从黑板中读取由其它A gen t 粘贴的信息。

合同网(又称点对点方式)中信息的发出者和接收者都是已知的,能够减少不必要信息冗余,降低系统网络的负担。

(2)软硬件A gen t 的形式化描述。

软硬件A gen t 可以形式化描述为一个七元组{A id ,F ,C ,S ,T ,Q ,R }[6]:〈软硬件A gen t 〉 ={〈A id 〉〈传感器F 〉〈通信模块C 〉〈状态集S 〉〈事务处理器T 〉〈协调机构Q 〉〈资源R 〉},该模型可以描述软件和硬件结合的模型。

其中:〈A id 〉 =〈A gen t 标志符〉〈传感器F 〉 ={〈激活条件〉〈环境信息流〉}〈通信模块C 〉 ={〈通信原语〉〈通信内容〉}〈状态集S 〉 ={〈内部状态〉〈外在表现〉}〈事务处理器T 〉 ={〈事务处理名〉〈事务处理进程〉}〈协调机构Q 〉 ={〈优化多目标〉〈协调策略〉}〈资源R 〉 ={〈物理资源〉〈知识资源〉〈信息资源〉〈时间〉}2　基于多A gent 系统的分布式控制系统模型系统模型结构,如图1所示。

在控制系统中,最基本的功能是监测和控制,因此将控制系统中各个对象抽象为监控A gen t ,一个监控A gen t 可能是一台加工中心,一条装配流水线。

人A gen t 通过管理A gen t 图1　分布式控制系统模型于各监控A gen t 交互。

管理A gen t 负责接受任务、分解分配任务、组织能够完成相应子任务的监控A gen t 形成临时系统以及处理系统的某些特殊情况。

监控A gen t 负责独立处理自身事务以及与其它A gen t 间必需的协调与合作。

当监控A gen t 之间的协作出现困难时,由管理A gen t 来仲裁并实现协调。

系统中所有A gen t 的地位都是平等的,不存在相互控制的情形。

这种M A S 系统还可以通过多个系统管理A gen t 所管理的临时系统来构成更为复杂的M A S 系统。

因此,该模型是开放的、可重构的。

2.1　人A gen t现代控制系统是以“人”为中心的,人满足A gen t 的所有特征,并且本身具有一定的知识库,可以在系统自身出现故障时,跨越机器仲裁,帮助系统排除故障,所以在这个意义上,人也可以作为A gen t 集成到现代控制系统中来。

系统的调度最后应该以人为本,反映人的需要。

集成了人的控制系统,将具有更完备的柔性,特别适合计算机集成制造行业的需要。

2.2　管理A gen t管理A gen t 不涉及系统运行过程的细节,它只需了解来自监控A gen t 的状态信息以确定各子系统是否正常。

如图2所示,管理A gen t 通过人机接口使用户设定该A gen t 所管理的监控A gen t 的系统状态表与通信接口,以及描述监控功能的知识库和解决冲突的知识库。

由于信息冗余问题对本系统影响不大,所以采用黑板方式进行通信。

任务以及其它A gen t 的信息则通过黑板经通信接口传递给消息处理器,不同的消息经过相应的模块处理后再经通信接口通知相应的监控A gen t 或其它对象。

管理A gen t 逻辑结构,如图2所示。

1751第12期 汪健雄,等:一种基于M A S 的分布式控制系统模型2.3　监控A gen t 监控A gen t 是执行监控任务的主体,负责监测与控制相应设备的工况与动作,必要时与其它的监控A gen t 进行协作。

其逻辑结构模型,如图3所示。

在该结构模型中,用户通过人机接口对监控对象的标准特征信息状态表和通信接口进行设定,此外还需对监测模块、故障诊断模块及融合协调控制模块的知识库进行编辑,这些模块组成了基于规则的专家系统。

控制协调模块是融合处理所有信息的关键,它通过监测模块的信息决定对软硬件A gen t 发出控制命令,出现故障时向外发送相关消息及进行相应处理。

该模块通过黑板与其它A gen t 通信的方式完成协作。

2.4　软硬件A gen t 模型与设计该部分包含了传统控制系统中的监控对象、驱动电路、控制电路和监控程序,是软硬件结合的一种实体。

软硬件A gen t 的设计是该模型中最基本的工作,它决定了模型能否可靠的工作。

下面通过一个CAN 总线智能节点[7]的设计实例,来描述软硬件A gen t 的设计过程。

(1)根据需求分析和规格说明,粗粒度识别A gen t 体,初步确认所需的软硬件A gen t 硬件体系结构。

(2)形式化描述。

〈功能节点A gen t 〉={〈A id 〉〈传感器F 〉〈通信模块C 〉〈状态集S 〉〈事务处理器T 〉〈协调机构Q 〉〈资源R 〉},其中:〈A id 〉 =〈网络智能节点〉〈传感器F 〉 ={〈模拟量检测通道〉〈开关量检测通道〉}〈通信模块C 〉 ={〈CAN 总线收发器〉〈数据采集电路〉〈CAN 总线通信协议〉}〈状态集S 〉 ={〈模拟量输出通道〉〈开关量输出通道〉〈节点地址设置单元〉}〈事务处理器T 〉 =〈CAN 总线节点控制器〉〈总线控制器〉 ={〈介质访问CPU 〉}〈网络CPU 〉〈应用CPU 〉}〈协调机构Q 〉 ={〈fir mW are 固件〉〈CAN 总线节点控制器〉}〈资源R 〉 ={〈存储器〉〈知识库〉〈网络数据库〉〈实时时钟〉}〈存储器〉 ={O n Ch i p RAM }{O n Ch i p EPROM }{O ff Ch i p EEPROM }}图4　软硬件A gent 模型逻辑结构(3)协作关系描述。

软硬件A gen t 模型逻辑结构如图4所示,该模型描述了软硬件A gen t 内部的协作关系和与外部A gen t 之间的通信。

软硬件A gen t 的模型是一种单A gen t 局部网络模型的应用,使用面向A gen t 的方法对功能模块进行建模,作用是处理上级监控A gen t 下发的执行任务。

通过图4模型抽象,很容易得到该部分功能的需求分析和规格说明,再化分为硬件结构和软件结构,由分级小组设计,最后统一集成测试[8]。

2751 合肥工业大学学报(自然科学版) 第27卷2.5　多A gen t 分布式控制系统的协同工作过程如图5所示,协作A gen t 是指与本A gen t 协作的系统内相关监控A gen t 。