基于現場(chǎng)總線(xiàn)通訊環(huán)境的Multi-Agent系統模型

　　1. 引言

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

　　現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統在控制領(lǐng)域發(fā)展迅速。促進(jìn)了現場(chǎng)設備的數字化和網(wǎng)絡(luò )化，并且使現場(chǎng)控制的功能更加強大。因此現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統將是工業(yè)現場(chǎng)控制系統的發(fā)展方向。現場(chǎng)總線(xiàn)完成了各個(gè)Agent之間的通訊，因而使得Multi-Agent系統在工業(yè)中的應用成為了可能。

　　因此，本文提出了一種基于A(yíng)gent思想的智能化“三軸門(mén)架搬運系統”。在該系統中，具有多個(gè)自主性和自適應性能力的Agent。并通過(guò)多個(gè)Agent之間的協(xié)同工作來(lái)提高整個(gè)系統的可靠性、穩定性和工作效率。

　　2. Agent及Multi-Agent

　　Agent在英語(yǔ)中是個(gè)多義詞，主要含義是有主動(dòng)者、代理人、作用力（因素）或者媒介物（體）等。目前國內對Agent尚無(wú)公認的統一譯法。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(guò)傳感器感知環(huán)境，在通過(guò)控制器進(jìn)行理解，最后借助執行器作用于該環(huán)境的任何事物，如圖1所示。Agent具有自主性、交互性、協(xié)調性、目標性、社會(huì )性、協(xié)作性、持續性、適應性、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)同完成目標的系統稱(chēng)之為Multi-Agent系統（MAS，Multi-Agent System）。采用MAS具有系統運行速度加快、可靠性高、反應速度快等優(yōu)點(diǎn)。系統中這些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)或達到某些目標而連接起來(lái)，通過(guò)交互與合作實(shí)現復雜問(wèn)題的求解。MAS必須找出一種使各個(gè)Agent能夠協(xié)同工作的適當方法。這種方法是建立在多個(gè)Agent系統資源共享和各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(wèn)題。它包括3個(gè)方面的內容：通信范式、通信協(xié)議和通信語(yǔ)言[7]。MAS的通信范式由共享全局內存、消息傳遞及二者的結合。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(yǔ)的約束。至于MAS之間的通信語(yǔ)言有形式簡(jiǎn)單、易于理解、語(yǔ)法可開(kāi)展、方便與其他系統集成，內容具有層次性、語(yǔ)義規范、能保證Agent間通信的可靠性和安全性的要求。

　　3. 現場(chǎng)總線(xiàn)系統（FCS）

　　我們可以認為現場(chǎng)總線(xiàn)就是通信總線(xiàn)一直延伸到現場(chǎng)儀表，使得許多現場(chǎng)儀表，如變送器、調節閥、基地式控制器、記錄儀、顯示器、PLC、便攜式終端和控制室自動(dòng)化設備間可以在同一總線(xiàn)上進(jìn)行雙向多信息數字通信。通常，我們將建立在現場(chǎng)總線(xiàn)基礎上的控制系統稱(chēng)為現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS，Field-bus Control System）。FCS具有開(kāi)放性、互可操作性與互換性、現場(chǎng)設備的智能化、系統結構的高度分散性、現場(chǎng)環(huán)境的適應性、系統可靠性和準確性、信息一致性等特性[8]。

　　1) 系統結構的高度分散性

　　FCS廢棄了DSC的控制站，由現場(chǎng)控制設備議表取而代之，即把DSC控制站的功能化整為零，分散的分配給現場(chǎng)儀表設備，實(shí)現徹底的全分布式網(wǎng)絡(luò )控制。開(kāi)創(chuàng )了測量與控制領(lǐng)域的新紀元——分布控制時(shí)代。

　　2) 現場(chǎng)設備的智能化

　　現場(chǎng)總線(xiàn)節點(diǎn)為現場(chǎng)控制設備或儀表，如傳感器、變送器、執行器和控制器等，其具有綜合功能的智能節點(diǎn)。具有傳感測量、信號變換、工程量處理、補償計算、控制決策、驅動(dòng)與執行、自校驗和自診斷等多項功能，在某節點(diǎn)出現故障的情況能自行關(guān)斷而不影響整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò )系統的繼續運行。因此，現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中的現場(chǎng)設備儀表具有高度自主性與自治性的智能節點(diǎn)。

　　4. Multi-Agent控制理論的理想實(shí)現平臺——FCS

　　Multi-Agent控制理論的要點(diǎn)就在于構建一個(gè)實(shí)時(shí)的、分布式的網(wǎng)絡(luò )化控制計算環(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)調合作提供一種交互機制。顯而易見(jiàn)，根據FCS和MAS特性的分析表明，FCS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 )化控制計算環(huán)境，FCS中的現場(chǎng)控制儀表設備智能節點(diǎn)即相當一個(gè)個(gè)Agent,具有高度的自主性和自治性，開(kāi)放的現場(chǎng)總線(xiàn)通訊協(xié)議和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)標準為現場(chǎng)儀表設備各個(gè)Agent之間提供了相互協(xié)調合作的具可互操作性的交互機制?，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統成本低，具有理論應用實(shí)現的切實(shí)經(jīng)濟可行性。因此，FCS和Multi-Agent控制理論相似意味著(zhù)前者是后者實(shí)現的天然理想系統平臺[5]。

　　5. 實(shí)現硬件平臺

　　本文采用CAN總線(xiàn)作為系統的通訊平臺，構建一個(gè)“三軸門(mén)架搬運系統”（如圖2所示）。三軸門(mén)架搬運系統模擬了一個(gè)在工作區域為直角平面的機械臂，它用來(lái)傳送或者揀選工件。該模型由一個(gè)能在X軸、Y軸線(xiàn)性方向移動(dòng)的機器臂②、一個(gè)適合沿Z軸方向運動(dòng)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)運動(dòng)方向的末端各有一個(gè)限位傳感器，控制軟件由此判斷機器臂的工作區域。

　　模擬的過(guò)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(guò)識別單元，對工件型號進(jìn)行識別。機械臂移動(dòng)到入站待定位上方，電磁手在負Z軸方向運動(dòng)抓住工件，電磁手復位，機械臂移動(dòng)到工件型號相對應的存放站的上方，電磁手再次在負Z軸方向運動(dòng)，電磁手失電消磁，工件被放在這個(gè)規定位置，電磁手復位。這個(gè)過(guò)程就完成了工件的煉選搬運工作。

　　圖2 三軸門(mén)架搬運系統硬件設備圖

　　整個(gè)系統底層現場(chǎng)總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )采用CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )?，F場(chǎng)監控主機⑤的監控應用程序采用VC編程實(shí)現?，F場(chǎng)監控主機也作為CAN網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器，安裝倍福公司的CANOPEN FC510X現場(chǎng)總線(xiàn)接口卡和TWINCAT網(wǎng)絡(luò )管理和服務(wù)工具軟件。監控應用程序通過(guò)TWINCAT實(shí)現與設備節點(diǎn)的通訊。

　　為了實(shí)現整個(gè)系統，系統共有分類(lèi)煉選Agent、單元化Agent、控制Agent和監控Agent四個(gè)Agent組成（如圖3所示）。

　　圖3 三軸門(mén)架搬運系統Agent結構圖

　　1) 控制Agent

　　控制Agent的主要功能是完成自身的控制算法，并根據任務(wù)需要與其他Agent組成動(dòng)態(tài)的Multi-Agent合作系統?？刂艫gent所需要的控制命令和數據均通過(guò)CAN總線(xiàn)傳輸。在該系統中，控制Agent主要完成的任務(wù)是目標位置計算、運輸帶控制、機械手控制和狀態(tài)監視。

　　2) 單元化Agent

　　單元化Agent相當于一個(gè)感知與執行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控變量，通過(guò)CAN總線(xiàn)傳送給控制Agent。同時(shí)從控制Agent接受控制指令，并轉化為與現場(chǎng)設備匹配的開(kāi)關(guān)量。該系統中，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(dòng)傳輸帶將工具箱最底層的一個(gè)工件傳送到準備入站的位置。無(wú)工件時(shí)，就停止傳輸帶。

　　3) 分類(lèi)煉選Agent

　　分類(lèi)Agent業(yè)相當于一個(gè)感知與執行Agent。該系統中，該Agent主要完成的任務(wù)是分析并確定工件的類(lèi)型，電磁手的控制和機械手的運動(dòng)。

　　4) 監控Agent

　　監控Agent主要的任務(wù)就是在在遠程的操作室內對工業(yè)現場(chǎng)的觀(guān)察并且根據情況需要可以對現場(chǎng)設備布置任務(wù)。

　　通過(guò)CAN總線(xiàn)整個(gè)三軸門(mén)架搬運系統實(shí)現了各個(gè)Agent的通訊，使每個(gè)Agent可共享系統資源又可在同一時(shí)刻完成各自的任務(wù)。因此，整個(gè)系統可以安全、協(xié)調的完成工件的單元化、分類(lèi)和搬運一系列任務(wù)。

　　6. 結論

　　本文結合現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和Agent理論給出了“三軸門(mén)架搬運系統”的Multi-Agent結構，并基于CAN總線(xiàn)技術(shù)構建了該系統。系統具有成本低、可靠性和穩定性好，智能化程度高等特點(diǎn)。各個(gè)Agent根據不斷變化的環(huán)境所做出的局部決策，動(dòng)態(tài)的顯現出一個(gè)切實(shí)可行的調度，這樣系統就具有較好的反應性和適應性。

　　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 系統在工業(yè)控制領(lǐng)域應用的關(guān)鍵，而與現場(chǎng)總線(xiàn)通訊的完美結合使的應用Multi-Agent理論在工業(yè)控制領(lǐng)域成為了可能。本文還結合了工業(yè)模型三軸門(mén)架搬運系統證明了此理論的可行性。