蔣偉進(jìn) ，曹東波 ，許宇暉 ，史德嘉

（1.武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 武漢 430070；2.湖南商學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所 長沙 410205）

1 引言

隨著工業(yè)過程的大規(guī)?；蜕a(chǎn)裝置的復(fù)雜化，傳統(tǒng)控制理論和控制技術(shù)正面臨著工業(yè)過程控制的復(fù)雜性帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。復(fù)雜過程與一般工業(yè)過程有著本質(zhì)區(qū)別：①關(guān)系變量眾多。復(fù)雜過程生產(chǎn)規(guī)模大，工藝流程長，使得過程的影響因素繁多，并且隨著檢測儀表、集散控制系統(tǒng)的成熟和發(fā)展，工業(yè)過程可得到的信息量越來越多，從而為過程的模型化研究帶來了難題。②過程復(fù)雜。復(fù)雜過程的診斷機(jī)理復(fù)雜，常常伴隨著物理反應(yīng)、生化反應(yīng)、相變反應(yīng)及物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化與傳遞過程（固、液、氣三相共存），而且存在不同程度的非線性和時滯等特性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。③過程不確定性因素復(fù)雜。復(fù)雜過程的生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)條件一般十分惡劣，如高溫、高壓、強(qiáng)堿，甚至是易燃易爆或存在有毒物質(zhì)，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中的一些工藝參數(shù)如溫度、流量、成份等難以實(shí)時準(zhǔn)確檢測，并且在檢測數(shù)據(jù)中往往有大量的噪聲、干擾和誤差；還有，環(huán)境的動態(tài)變化，如生產(chǎn)原料成份不穩(wěn)定和生產(chǎn)邊界條件劇烈波動等，以及一些過程重要的生產(chǎn)指標(biāo)無法直接測量引起的過程信息未知性和不完全性等因素也造成了工業(yè)過程的不確定。④過程關(guān)聯(lián)耦合嚴(yán)重。復(fù)雜過程中含有許多相互耦合、交互作用嚴(yán)重的變量，一個操作變量的改變會同時引起多個被控變量的改變。⑤過程信息的多樣化。在實(shí)際復(fù)雜生產(chǎn)過程中，一方面由于自動控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，保存了大量的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)；另一方面由于工程技術(shù)人員長期與生產(chǎn)過程接觸獲得了許多生產(chǎn)過程的經(jīng)驗(yàn)性知識，因此在復(fù)雜過程中包含有大量的定量、半定量和定性等多種模式的信息。

在復(fù)雜環(huán)境下，系統(tǒng)面對的不僅是傳統(tǒng)的空間分布性、慢變或時變參數(shù)等情況，而且要面對許多新的問題，如系統(tǒng)錯誤、子系統(tǒng)狀態(tài)改變、傳感器和調(diào)節(jié)器失敗、外部干擾和參數(shù)變化甚至混雜系統(tǒng)，工業(yè)過程再采用以往針對連續(xù)過程采用的相對簡單局部的常規(guī)控制策略已不能滿足生產(chǎn)過程的需要，而采用傳統(tǒng)的集中方式使整個控制和診斷系統(tǒng)異常復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)。另一方面，控制系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和診斷子系統(tǒng)相互依賴、相互作用，是一有機(jī)的整體，存在內(nèi)在的集成要求。隨著各種智能技術(shù)的發(fā)展，需要實(shí)現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的信息集成，即把企業(yè)經(jīng)營決策、管理、計(jì)劃、調(diào)度、過程優(yōu)化、故障診斷、現(xiàn)場控制緊密聯(lián)系在一起，這對監(jiān)控系統(tǒng)的控制與診斷系統(tǒng)的集成提出了更高的要求，因此我們必須研究新的、面向復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過程的集成控制體系結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)[1，2]。

智能故障診斷模型中的“智能化”主要體現(xiàn)在診斷過程中結(jié)合領(lǐng)域知識和人工智能技術(shù)在對故障信號進(jìn)行檢測與處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行診斷。目前研究較多的主要有4種智能故障診斷模型：基于規(guī)則的故障診斷、基于實(shí)例的故障診斷、基于模糊方法的故障診斷和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷，但這些模型都存在不同的缺陷，基于此類智能技術(shù)的故障診斷已難以滿足復(fù)雜過程診斷的全部任務(wù)要求。因此，雖然已有將多種不同的智能診斷技術(shù)結(jié)合起來的混合診斷系統(tǒng)，如基于規(guī)則的專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，案例推理與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于規(guī)則的系統(tǒng)結(jié)合，模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合等。但由于這些模型固有理論基礎(chǔ)的局限性，許多問題如模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組合機(jī)理、組合實(shí)現(xiàn)算法、便于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理的模糊知識和表達(dá)方式等也還有待研究。

Agent方法與技術(shù)研究的興起與發(fā)展，為解決上述問題提供了新的手段[3～6]。Agent是一種建立在分布式計(jì)算范例基礎(chǔ)上的智能手段的集成方法，其目標(biāo)是為其功能實(shí)體獲得最大的利益，多Agent系統(tǒng)（multi agent system，MAS）通過對問題域的描述、分解和分配，構(gòu)成分散的、面向特定問題相對簡單的子系統(tǒng)，并協(xié)調(diào)各系統(tǒng)并行和相互協(xié)作地進(jìn)行問題求解，其思想十分適合大規(guī)模復(fù)雜問題的智能求解（problem solving）。對于一個動態(tài)的、分布的、實(shí)時的和不確定的復(fù)雜系統(tǒng)，多Agent系統(tǒng)在故障的分辨、診斷和控制方面表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢。近年來許多學(xué)者對這一領(lǐng)域已作了深入的研究。Shahbazian等[1]設(shè)計(jì)了基于“黑板和知識庫系統(tǒng)”體系結(jié)構(gòu)的智能診斷系統(tǒng)。Jennings[2]提出了將兩個孤立的專家診斷系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€多智能體系統(tǒng)環(huán)境GRATE。Jennings和Draa等分別利用智能體的聯(lián)合意圖實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合監(jiān)控機(jī)制[3，4]。Hartvigsen[5]將多智能體技術(shù)應(yīng)用于暴風(fēng)雨氣象觀測和系統(tǒng)監(jiān)測。Russell[6]利用智能體技術(shù)建立了用于復(fù)雜問題實(shí)時診斷的分布式系統(tǒng)MARVEC。Zhang等[7]應(yīng)用智能體理論實(shí)現(xiàn)了雙臂協(xié)作裝配，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的開發(fā)工具和傳感、執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。Hu等[8]設(shè)計(jì)了PLMAS模塊，通過使用分布式智能體技術(shù)實(shí)現(xiàn)各影響因素和決策推理目標(biāo)的協(xié)調(diào)。Daniel等[9]研究了智能體與黑板模型的交互形式，據(jù)此提出通用控制模型。Grosz和Kraus從高層認(rèn)知狀態(tài)的觀點(diǎn)對多個Agent的規(guī)劃與協(xié)作進(jìn)行了研究，并提出了SharedPlan的模型，其中對行動、行動的方案、能力和意圖等概念進(jìn)行了刻畫[10]。J de Visser等人研究了通過集成規(guī)劃、執(zhí)行、行為監(jiān)控和再規(guī)劃等方法來處理不確定的快速變化的事件和狀態(tài)[11]。Subbu等人建立了一個動態(tài)環(huán)境下的多Agent協(xié)作模型，研究了以分布式共同進(jìn)化算法來解決一些控制問題[12]。參考文獻(xiàn)[13]提出了基于多Agent和BP網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)故障診斷模型，參考文獻(xiàn)[14]結(jié)合遺傳算法和多MAS設(shè)計(jì)了一種分布式實(shí)時任務(wù)調(diào)度算法，參考文獻(xiàn)[15]建立了一種Agent診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)了一個原型系統(tǒng)。本文在上述工作的基礎(chǔ)上，針對復(fù)雜工業(yè)過程生產(chǎn)監(jiān)控的特性和要求，對診斷問題任務(wù)辨識分解，各Agent的內(nèi)部診斷機(jī)制，多Agent間的交互、協(xié)作及關(guān)聯(lián)模型，診斷決策問題進(jìn)行研究，建立一個基于MAS的分布式智能控制和故障診斷系統(tǒng)。該方法依據(jù)監(jiān)控信號、監(jiān)控對象的結(jié)構(gòu)等特征將傳統(tǒng)的多故障綜合診斷化為面向領(lǐng)域的對象的多Agent模塊診斷，診斷機(jī)制更加靈活、準(zhǔn)確而且易于修改擴(kuò)充。

2 診斷系統(tǒng)的MAS結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)的工作過程

我們設(shè)計(jì)的故障診斷系統(tǒng)MAS結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。其工作流程為：當(dāng)出現(xiàn)故障時，診斷用戶首先完成基于案例的故障特征抽取，通過接口Agent完成問題的描述，交給CBR Agent開始診斷分析和診斷支持。CBR Agent完成相似案例的檢索，并輔助診斷用戶把相似案例的解改寫到當(dāng)前問題中，經(jīng)合成形成當(dāng)前問題的解建議（初始觀點(diǎn)），同時將問題的初始觀點(diǎn)發(fā)送給診斷管理Agent。此過程中，由多庫協(xié)同器調(diào)度各資源Agent，完成診斷過程所需的數(shù)據(jù)、模型、方法、圖形、圖像等的調(diào)用。診斷管理Agent收集各群體診斷成員的觀點(diǎn)，并提交各診斷者參考，輔助診斷用戶集成來自不同思維角度的求解設(shè)想，以便得到一些啟發(fā)，開始修正和補(bǔ)充初始觀點(diǎn)的診斷支持過程。

多庫協(xié)同器是在各庫管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對各庫進(jìn)行總體控制，協(xié)調(diào)調(diào)度，相互通信，實(shí)現(xiàn)資源共享、協(xié)同運(yùn)行的軟件系統(tǒng)。多庫協(xié)同器調(diào)度各資源Agent，進(jìn)行診斷過程所需的數(shù)據(jù)、模型、方法、圖形、圖像等的調(diào)用。它主要完成兩方面的任務(wù)：根據(jù)診斷用戶的學(xué)習(xí)目標(biāo)制定學(xué)習(xí)計(jì)劃，并執(zhí)行學(xué)習(xí)計(jì)劃為診斷用戶提供所需的信息和知識。它采用目標(biāo)驅(qū)動學(xué)習(xí)機(jī)制，根據(jù)不同的目標(biāo)采取不同的學(xué)習(xí)策略，實(shí)現(xiàn)對知識庫、模型庫、方法庫、數(shù)據(jù)庫、圖形庫等的調(diào)度。多庫協(xié)同器采用多個Agent分別完成總控、協(xié)調(diào)、調(diào)度、通信等功能。

2.2 診斷Agent功能結(jié)構(gòu)

診斷結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用慎思（deliberate）與反應(yīng)（reaction）相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)[13，14]，Agent的基本結(jié)構(gòu)分為兩個部分，一個是領(lǐng)域?qū)?，一個是協(xié)作控制層。在刺激反應(yīng)部分中，感知器和執(zhí)行器被緊密地結(jié)合在一起，Agent識別某一種情形，立即執(zhí)行與這種情形相關(guān)的已經(jīng)編譯好的程序，Agent在面臨相同的情形時，往往執(zhí)行同樣的動作。而審慎部分通過基于模板的匹配和符合操作的邏輯推理作出決策。Agent模型由通信接口功能組（目標(biāo)模塊、任務(wù)分解模塊、計(jì)劃決策模塊、執(zhí)行模塊、算法和功能管理模塊）、信念知識庫、本地知識庫、數(shù)據(jù)庫、算法庫和內(nèi)部功能塊組成。在不同層次有不同的輸入/輸出數(shù)據(jù)，根據(jù)通信對象使用不同協(xié)議。對于實(shí)時控制Agent，多個任務(wù)可對應(yīng)于不同模型和控制算法，可根據(jù)不同情況進(jìn)行多模切換。越往下層，實(shí)時性越高，以反應(yīng)結(jié)構(gòu)為主，反之慎思比例越大。在高層強(qiáng)調(diào)Agent的自主性，自主型的Agent能夠通過機(jī)器學(xué)習(xí)，或者在其運(yùn)行中，與其他交互更為理性地收集信息，使其在工作的過程中知識不斷增加，能力不斷增強(qiáng)，具有更高的智能。整個系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)Agent的實(shí)時性，周期地響應(yīng)環(huán)境的變化，每一個Agent都有一個最終執(zhí)行期限和周期使它能工作在強(qiáng)實(shí)時環(huán)境中。

感知模塊通過一組感知器選擇性地感知外部環(huán)境，接收來自外部環(huán)境中其他Agent的信息（通知、請求等）。執(zhí)行模塊將輸出信號轉(zhuǎn)化為受動器所需的格式，由受動器將信息發(fā)送到外部環(huán)境中的Agent。預(yù)處理模塊根據(jù)感知模塊所得到的任務(wù)的優(yōu)先級和到來時間等特征來決定任務(wù)是通過Reactive部分（ω1類）處理，或是通過Deliberative部分（ω2類）處理，這個問題就變?yōu)橐粋€兩類的分類問題。Agent知識庫是Agent活動的依據(jù)，也是向外界承諾的基礎(chǔ)。即研究如何用符號表示復(fù)雜現(xiàn)實(shí)世界中的Agent以及Agent如何根據(jù)各種信息對環(huán)境進(jìn)行推理和決策。特征提取模塊將知識庫中的模型加以簡化，簡化的模型更加局域化，許多不相關(guān)的細(xì)節(jié)被去除。細(xì)節(jié)的相關(guān)性基于刺激反應(yīng)部分當(dāng)前的目標(biāo)和狀態(tài)。刺激反應(yīng)部分由選擇器模塊和行為模塊兩個模塊組成。選擇器模塊的工作是在前述所得到的簡化模型的基礎(chǔ)上得到一個高層邏輯條件來驅(qū)動行為模塊。行為模塊實(shí)際上是一個有限狀態(tài)機(jī)。審慎部分由識別模塊和協(xié)商模塊組成。Agent的審慎部分監(jiān)測Agent所在環(huán)境，更新知識庫中的信念，利用規(guī)則集中的規(guī)則識別環(huán)境中發(fā)生的事件并產(chǎn)生執(zhí)行某項(xiàng)動作的愿望。Agent的愿望和意圖，權(quán)衡相互沖突的各個動作。由協(xié)商模塊協(xié)商Agent的愿望和意圖。

在模型的具體實(shí)現(xiàn)中，Agent由目標(biāo)、感知器、通信機(jī)制、效應(yīng)器和信息處理器等幾部分組成，有時會有些增刪。目標(biāo)以任務(wù)表的形式來表示，初始由用戶靜態(tài)建立，然后通過相互通信而動態(tài)地改變；任務(wù)表中指明Agent必須做的事即可，任務(wù)的實(shí)現(xiàn)由效應(yīng)器及與其他Agent合作的形式來完成；通信部分由通信原語及通信內(nèi)容組成，用來發(fā)送任務(wù)，表達(dá)各Agent對任務(wù)的態(tài)度及傳遞被處理的信息；感知器表示Agent的感知能力，當(dāng)觸發(fā)條件被滿足時，客觀存在被激活并接收外部信號/信息流；效應(yīng)器的功能是執(zhí)行動作行為。Agent的結(jié)構(gòu)表示如下：

本模型將思考型Agent和反應(yīng)型Agent兩者相結(jié)合，充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)點(diǎn)，使得基于該模型的系統(tǒng)既具有較強(qiáng)的靈活性和快速響應(yīng)性，又具有較高的智能。

3 MAS協(xié)作方法

在MAS中，多Agent協(xié)同協(xié)作的基本目的是使參與協(xié)作的Agent各盡所能，充分利用網(wǎng)絡(luò)中的分布資源，因此要將協(xié)同任務(wù)進(jìn)行分解，將分解后的子任務(wù)分配給合適的Agent求解，這是實(shí)現(xiàn)協(xié)同的一個重要問題，其關(guān)鍵技術(shù)是選擇何種任務(wù)調(diào)度算法。在網(wǎng)絡(luò)中，任務(wù)與資源的組合隨子任務(wù)的增加呈指數(shù)增長，在實(shí)際的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)中，還需兼顧到實(shí)時性，因此不能盲目搜索算法。當(dāng)搜索空間過大時，不宜使用啟發(fā)式搜索方法。處理問題具有柔性和并行處理能力的遺傳算法可以在較大的狀態(tài)空間中隨機(jī)高效地采樣、搜索，很快逼近最優(yōu)解，故該算法適合作為子任務(wù)分配的調(diào)度算法[15]。

按照生命周期劃分，協(xié)作過程可分為：協(xié)作任務(wù)提出、協(xié)作任務(wù)分解（將各子任務(wù)分配給各個Agent或者Agent群體）、多個Agent并行求解、各子任務(wù)集成等部分。

任務(wù)分配不僅是MAS中研究的問題，而且也是分布式問題求解中研究的問題，但由于Agent自身能力和任務(wù)復(fù)雜度等原因，使任務(wù)分解變得非常復(fù)雜。有一種在多Agent系統(tǒng)中基于物理學(xué)的任務(wù)分配機(jī)制，該機(jī)制減少了分配過程中的協(xié)商和通信開銷。因?yàn)樵诙郃gent存在的環(huán)境中，如果依靠傳統(tǒng)方法中的協(xié)商、協(xié)調(diào)機(jī)制，將導(dǎo)致系統(tǒng)難以完成一個任務(wù)的求解。

對一個整體的協(xié)作任務(wù)進(jìn)行需求遍歷，形成一棵遍歷樹或圖的結(jié)構(gòu)，對于子任務(wù)的劃分，每個結(jié)點(diǎn)固然可以分為一個子任務(wù)，處于同一代結(jié)點(diǎn)應(yīng)劃分為不同的子任務(wù)，以便于并行求解，而位于同一枝蔓上的結(jié)點(diǎn)（如父子結(jié)點(diǎn)）則可劃分為同一任務(wù)，但應(yīng)作出標(biāo)記，既有利于并行求解，也便于求解過程中的進(jìn)一步交叉和選擇。任務(wù)分解也可以采取一種在競爭有限資源中的Agent之間進(jìn)行任務(wù)分配的分布式市場協(xié)議系統(tǒng)，這種方法將分解和分配集于一體，拍賣仲裁者負(fù)責(zé)資源的拍賣，各類Agent對所需的資源進(jìn)行競價。Agent以拍賣協(xié)議確定的價格進(jìn)行任務(wù)和資源的交易，通過指定拍賣機(jī)制中一組簡單的競價策略，達(dá)到期望的收斂特性。

在多個Agent并行求解中我們結(jié)合遺傳算法來實(shí)現(xiàn)，遺傳算法適應(yīng)度函數(shù)用來區(qū)分群體中個體（問題的解）的好壞。這里我們給出Agent置信度的概念。系統(tǒng)中，每個Agent都有自己的求解空間，具有獨(dú)立的屬性、方法和知識，容器記錄了各主體的求解過程，各主體通過容器的上下文對象聯(lián)系，每個Agent最終給出問題的求解的向量，需要一個綜合評判方法來綜合各求解結(jié)果，這樣最終的結(jié)果與各Agent的求解結(jié)果都存在一定的偏差，Agent求解結(jié)果的偏差越大，說明Agent的置信度越低，反之越高，我們用c（Agent i）表示Agent i的置信度。鑒于此，首先使用大量的訓(xùn)練樣本（任務(wù)），分別由容器中各Agent完成，開始每個 Agent的 c（Agent i）相同，根據(jù)訓(xùn)練結(jié)果調(diào)整c（Agent i）的值。訓(xùn)練過程可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，最終確定各Agent的置信度。鑒于遺傳算法對適應(yīng)度函數(shù)的惟一要求是該函數(shù)不能為負(fù)。由于置信度本身反映的就是Agent的可靠程度，又滿足非負(fù)的要求，故我們?nèi)gent i的適應(yīng)度函數(shù)為 f（i）=c（Agent i），容器的上下文對象負(fù)責(zé)記錄各Agent的適應(yīng)度函數(shù)，并在Agent的任務(wù)執(zhí)行過程中，每隔時間段T，監(jiān)控各Agent的資源占有情況以及執(zhí)行進(jìn)行度重新評估適應(yīng)度函數(shù)。如果Agent i按照合同進(jìn)度執(zhí)行，則有：f(i)=f(i)+f(k)，n為協(xié)作 Agent的數(shù)目，M為權(quán)重系數(shù)，取值根據(jù)實(shí)際情況而定，一般取M≥n；同理，如果Agent i不能得到需要資源或者任務(wù)完成進(jìn)度緩慢，則調(diào)整 f（i）。f（i）=f（i）f(k)。

在多Agent協(xié)調(diào)的任務(wù)調(diào)度中，基因值為一個主體，每個染色體是一個有一定順序的列表。

假設(shè) k 個 Agent的編號分別為 a1，a2，…，ak（k≤m）。m個任務(wù)要分配給k個Agent，要說明的是，有時幾個任務(wù)可以分配給一個Agent，所以不一定用到所有的Agent。各個任務(wù) μi（i=1，2，…，n）所分配給各個 Agent的編號的順序排列就構(gòu)成該問題的染色體編碼，即我們所用的是等長度的字符編碼方法。例如a3 a8 a1… a3 a1一共是m個，這代表一個分配方案（群體中的一個個體），表示將第1、m-1件任務(wù)分配給a3，第2、4、m件任務(wù)分配給a1，第3件任務(wù)分配給a8等。初始群體可以由a1，a2，… ak的隨機(jī)排列產(chǎn)生。由個體染色體編碼串可統(tǒng)計(jì)出某一分配方案用了多少個Agent。

多個Agent在獲得子任務(wù)后，每個ai Agent進(jìn)行獨(dú)立求解，并在確定的時間間隔內(nèi)定期通信和交互，然后采用選擇、交叉、變異等遺傳算子，重新分配子任務(wù)及任務(wù)的下一級，以進(jìn)行求解。例如：子任務(wù)u1分配給Agent1，u1可以細(xì)分為{v1，v2，…，vi}，Agent1 在解決完 vi與 Agentj通信后將下一級子任務(wù)交叉重新選擇，在這個過程中逐漸形成了適應(yīng)的最優(yōu)解。

下面給出MAS協(xié)調(diào)推理算法和生成一個動作的過程。

算法1 協(xié)調(diào)推理算法MAS-Co(OPS,CaS,I,G)

輸入：所有動作模塊的集合OPS，所有Agent的能力集合 CaS，當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)I，目標(biāo) G

輸出：協(xié)作行為規(guī)劃

Step 1通知所有Agent規(guī)劃開始，并等待所有Agent執(zhí)行完當(dāng)前動作后進(jìn)入規(guī)劃狀態(tài)。

Step 2 初始化，建立初始規(guī)劃 ψ=，令 SO={Init,Goal}，OO=Φ，CS=Φ，CLS=Φ。將目標(biāo) G 分解為子目標(biāo)集合GS，先令GS=Φ，然后對每個原子謂詞g∈G,向GS中加入。

Step 3 調(diào)用遞歸算法 φ=Generate-Next-Step(ψ,GS)，表示愿望的確定過程。包括兩方面：一是遞歸的發(fā)現(xiàn)更具體的愿望，即子目標(biāo)的形成；二是保證愿望與信念、意圖的一致。

Step 4規(guī)劃生效。對于規(guī)劃中有其他Agent參與的動作與有其他Agent有關(guān)的約束，通知相應(yīng)的Agent。表示意圖的選擇、確定過程，這里有三種可能；放棄不可達(dá)成或不相容的意圖；保持未證明不可達(dá)或不相容的意圖；加入新的意圖。

Step 5通知所有Agent規(guī)劃結(jié)束，所有Agent繼續(xù)執(zhí)行自己的任務(wù)。表示Agent的執(zhí)行過程。

Step 6如果成功，則返回φ，否則失敗退出。

算法2生成一個動作步驟Generate-Next-Step(ψ,GS)

輸入：當(dāng)前的規(guī)劃ψ，當(dāng)前的子目標(biāo)集合GS

輸出：添加一個新動作步驟后的規(guī)劃φ

Step 1終止條件。如果GS為空，則算法成功，返回。

Step 2選擇子目標(biāo)。從GS中選擇一個子目標(biāo)，如果LS中存在因果鏈，則失敗退出（規(guī)劃不可能完成）。

Step 3選擇動作。從已有動作集合SO中選擇一個已有動作，或者從動作模塊集合OPS中選擇一個新動作，將該動作記為H，使得堝e∈EH且 MGU（e,g）≠⊥，如果沒有符合條件的動作，那么失敗退出。

Step 4 使動作生效，令 ψ′=，其中

SO ′=SO ∪{H}，OO′=OO ∪{H 芻A}，CS∪MGU（e,g），CLS′=GLS∪{}，令 CS′=CS-{}。

Step 5子目標(biāo)生成，如果H埸SO，則對每個p∈PHCS′，向 CS’中加入。

Step 6沖突的檢測與消解。將規(guī)劃中新加入的因果鏈和動作H（如果H埸SO）發(fā)送給所有Agent，并請求返回可能與其沖突的因果鏈和動作，然后由規(guī)劃Agent統(tǒng)一進(jìn)行沖突消解，令l=為CLS中的一個因果鏈，A為規(guī)劃中的任意一個動作步驟，若在變量約束CS’下，仍然堝e∈EA使得 MGU(e，劭pu)≠⊥且可能 E芻A芻U，則說明動作A的效果e威脅因果l，對于所有這樣的A、e、l，非確定地選擇下面的方法（約束）之一加入CS’并使約束保持一致，如果沒有方法可選，則失敗退出。

（a）升級。U芻A。

（b）降級。A芻E。

（c）分離。在現(xiàn)有自由變量上選擇約束β使得MGU(e，劭pu)≠⊥。

（d）加入修復(fù)。向 CS’中加入。

Step 7約束一致性判斷，設(shè)步驟6中選擇的約束為c，調(diào)用約束一致性判斷算法Consistent(c)，若返回True，說明c與 CS’一致，將 c加入到 OO’或 CS’中；若返回 False，說明c與CS’不一致，需要選擇其他約束來消解沖突。

Step 8 遞歸。調(diào)用 φ=Generate-Next-Step(ψ，GS)，如果成功，返回φ，否則失敗退出。

4 MAS診斷決策機(jī)制

下面以診斷Agent內(nèi)部的運(yùn)行決策為例，說明決策仿真過程。

設(shè)監(jiān)控客體是系統(tǒng)中被監(jiān)控的對象，每個監(jiān)控客體對應(yīng)1個診斷Agent，完成對它的監(jiān)控和診斷任務(wù)。

監(jiān)控客體的工作狀態(tài)表示為它能夠繼續(xù)工作的可能性的量度，是其工作狀態(tài)特征值s在工作狀態(tài)語言變量上的一種模糊映射，表示為 β：s→Γ（s），其中 s為應(yīng)用 Agent發(fā)生的所有故障的可信度與其權(quán)重乘積之和；Γ（s）=為應(yīng)用Agent工作狀態(tài)語言變量，U是s的論域，U=[0，1]；T（s）是語言變量值的集合，每個語言變量是定義在論域U上的一個模糊集合；G是語法規(guī)則，用于產(chǎn)生語言變量值的名稱；R是語義規(guī)則，用于產(chǎn)生模糊集合的隸屬度函數(shù)；Pr表示確定應(yīng)用Agent工作狀態(tài)隸屬于T(s)事件的概率。

監(jiān)控客體間的狀態(tài)耦合是監(jiān)控客體間不確定工作狀態(tài)變量的關(guān)聯(lián)度描述。

采用概率表示，設(shè)系統(tǒng)共分解為n個監(jiān)控客體，對應(yīng)n個診斷Agent，則有n種工作狀態(tài)的描述x1,x2,…,xn，第i個監(jiān)控客體受其他（n-1）個監(jiān)控客體的影響而獲得的工作狀態(tài)的概率置信值為pr(xi)=pr(xi|x1,x2,…,xi-1,xi+1,…,xn)。系統(tǒng)的總體工作狀態(tài)的描述為y，其概率置信值為pr(y)=pr(y|x1,x2,…,xn)。

4.1 Agent內(nèi)部的診斷與決策

在診斷Agent內(nèi)部，需要完成2個方面的工作：首先，根據(jù)實(shí)時采集到的征兆信息，診斷出監(jiān)控客體可能發(fā)生的故障，并對該監(jiān)控客體的工作狀態(tài)做出評估；然后，基于實(shí)時征兆信息做出操作決策。

定義3類狀態(tài)結(jié)點(diǎn)：征兆結(jié)點(diǎn)S、故障結(jié)點(diǎn)F及中間結(jié)點(diǎn)M。S是由原始數(shù)據(jù)獲取的特征信息；F表示系統(tǒng)中的物理構(gòu)件，是診斷搜索的初始狀態(tài)、原因等；M是一種無形結(jié)點(diǎn)，它是聯(lián)系相關(guān)征兆結(jié)點(diǎn)和故障結(jié)點(diǎn)的橋梁。

診斷問題是在已知一組征兆S的情況下，對各種假設(shè)故障F的似然率的估計(jì)。在已知pr(F)、pr(M/F)、pr(S/M)。的情況下，診斷問題就是根據(jù)征兆結(jié)點(diǎn)S的信息來估計(jì)概率pr(F/S)。應(yīng)用Agent的操作決策是根據(jù)可觀測征兆從控制策略中選擇適當(dāng)?shù)臎Q策，使任意時刻監(jiān)控客體狀態(tài)趨向最佳，它取決于應(yīng)用Agent的故障狀態(tài)和控制策略。

4.2 應(yīng)用Agent運(yùn)行決策

應(yīng)用Agent的運(yùn)行決策建立在其負(fù)責(zé)的監(jiān)控客體內(nèi)部工作狀態(tài)以及其他監(jiān)控客體工作狀態(tài)綜合影響作用的基礎(chǔ)上。由此定義2類工作狀態(tài)結(jié)點(diǎn)：內(nèi)因引起的工作狀態(tài)結(jié)點(diǎn)CI和外因引起的工作狀態(tài)結(jié)點(diǎn)CO。整個決策過程算法如下。

（1）吸收CO的所有前序結(jié)點(diǎn)進(jìn)CiO后，對應(yīng)的計(jì)算為：

（2）刪除 CiO后，對應(yīng)的計(jì)算為 E[V/D，CiI]=E[V/D，CiI，CiO]×pr(CiO)。

4.3 系統(tǒng)Agent全局運(yùn)行決策

系統(tǒng)Agent的全局運(yùn)行決策是基于多個應(yīng)用Agent的局部運(yùn)行決策所形成的決策空間，對它們進(jìn)行協(xié)調(diào)處理而對整個系統(tǒng)做出的比較優(yōu)決策。整個系統(tǒng)工作狀態(tài)結(jié)點(diǎn)C表示，系統(tǒng)全局決策結(jié)點(diǎn)D表示，整個決策過程的算法如下。

（1）吸收C的所有前序結(jié)點(diǎn)C后，對應(yīng)的計(jì)算為：

設(shè)在各Agent評估出監(jiān)控客體工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行換線機(jī)器人Agent內(nèi)部的運(yùn)行決策。

已知工作狀態(tài)結(jié)點(diǎn)：工作狀態(tài)={好，中，差}；決策結(jié)點(diǎn)：決策策略={繼續(xù)運(yùn)行，脫離系統(tǒng)}。

即決策策略={繼續(xù)運(yùn)行，脫離系統(tǒng)}的效用期望值為E[V/C1I]={1.932，-0.614},所以應(yīng)采用決策{繼續(xù)運(yùn)行}。

5 應(yīng)用分析

根據(jù)上述方法開發(fā)的原型系統(tǒng)應(yīng)用于精密離心機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了精密離心機(jī)故障診斷與監(jiān)控系統(tǒng),如圖3所示。該系統(tǒng)能夠完成診斷測試任務(wù)，并達(dá)到要求的性能指標(biāo)，整個系統(tǒng)在系統(tǒng)維護(hù)、實(shí)時故障診斷和監(jiān)控能力上有了較大的提高。精密離心機(jī)系統(tǒng)屬于大型機(jī)電系統(tǒng)，分別由動態(tài)半徑及失準(zhǔn)角測量系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、主軸控制系統(tǒng)、動平衡系統(tǒng)、鳥籠控制系統(tǒng)、中心監(jiān)控系統(tǒng)等組成。由于目前在精密離心機(jī)中各子系統(tǒng)都是獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并且功能相對獨(dú)立，因此，我們采用一機(jī)一MAS結(jié)構(gòu)，即把每個子系統(tǒng)作為一個MAS，根據(jù)診斷對象和診斷功能需求，診斷智能體被設(shè)計(jì)并配置在各MAS平臺中，所有子系統(tǒng)最終通過100 Mbit/s網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組成了精密離心機(jī)多智能體故障診斷與監(jiān)控系統(tǒng)。

精密離心機(jī)工作在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，為了人員和設(shè)備的安全，整個離心機(jī)被放在密閉的鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)罩中，中心監(jiān)控智能體平臺和故障診斷Agent平臺上的用戶智能體就可以實(shí)現(xiàn)對上述各子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，發(fā)送控制指令。用戶可以通過用戶智能體提出的新的診斷任務(wù)傳送給監(jiān)控智能體，然后經(jīng)過任務(wù)分解，發(fā)送到診斷智能體去執(zhí)行。監(jiān)控智能體把最終診斷結(jié)果通過用戶智能體以圖形界面形式，直觀地顯示給用戶。

診斷智能體的運(yùn)作流程為：該診斷智能體具有某個初始內(nèi)部功能狀態(tài)f0(f0∈F)，在某時刻，診斷智能體通過觀察外部環(huán)境得到視覺狀態(tài)see(si)(si∈S)，它將該視覺狀態(tài)結(jié)合此時的功能狀態(tài)f0進(jìn)行思考和推理，從而修正功能狀態(tài)得到diagnosis(f0.see(si))，然后根據(jù)該修正后的功能狀態(tài)決定診斷對象期望達(dá)到的目標(biāo)的最終狀態(tài)模式result(diagnosis(f0.see(si)))。當(dāng)一個智能體向另一個智能體發(fā)送消息時，首先定義一個ACLMessage對象msg，然后賦值，最后調(diào)用Agent類的send()方法。下面代碼說明了主軸診斷智能體向動平衡智能體發(fā)送一條關(guān)于控制誤差信號的診斷結(jié)果的消息。

實(shí)驗(yàn)時，人為設(shè)置了3種不同類型故障進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，即轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對中及轉(zhuǎn)子零件松動，再加入設(shè)備無故障情形，共4種模式。通過速度和加速度傳感器，分別測試轉(zhuǎn)子在各種故障狀況下的參數(shù)值，利用梯形函數(shù)，得到各故障模式特征值的隸屬函數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算出每種傳感器對各故障模式的信度函數(shù)值分配（各故障模式為真的可信程度），如表1所示，具體的信號處理過程見參考文獻(xiàn)[7]。對此數(shù)據(jù)利用模糊融合診斷Agent[8]和本文的融合診斷Agent，分別進(jìn)行診斷處理，利用最大信度函數(shù)原則判斷故障類型，結(jié)果見1。其中，模糊融合時兩種傳感器的權(quán)重各為0.5。

表1 診斷Agent實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對表1可以從兩方面分析其含義：①多傳感器融合診斷與單傳感器診斷相比故障診斷準(zhǔn)確率明顯提高，這主要是融合后實(shí)際故障的信度函數(shù)值明顯增大，特別是本文Agent診斷方法；②模糊融合診斷Agent和本文診斷Agent，在有些情況下診斷結(jié)果是一致的，如轉(zhuǎn)子不對中，此時可直接得出轉(zhuǎn)子不對中的故障模式，并將數(shù)據(jù)傳送給管理Agent，輸出診斷結(jié)果。在另一些情況下，診斷結(jié)果是不一致的，如不平衡和零件松動故障，此時將兩者的診斷數(shù)據(jù)全部傳送給管理Agent，綜合仲裁Agent會根據(jù)不同情形作出不同處理，對此種模糊Agent結(jié)果為 “不確定”，而本文Agent能識別故障模式的情況，選取本文 Agent結(jié)論為診斷結(jié)果輸出。如果兩種診斷相互矛盾，綜合仲裁Agent則需向其他診斷Agent發(fā)出協(xié)作診斷請求，并提出原始的數(shù)據(jù)，最后綜合所有診斷Agent的結(jié)果，作出最終結(jié)論，達(dá)到Agent協(xié)作診斷的目的。

6 結(jié)束語

對于動態(tài)多變環(huán)境下的復(fù)雜問題決策，如分布式故障診斷系統(tǒng)領(lǐng)域，由于因果關(guān)系復(fù)雜，而信息具有隨機(jī)性、模糊性等不確定性，其知識難以表達(dá)，因果關(guān)系難以把握等，本文在以往智能診斷方法的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Agent及相關(guān)智能技術(shù)，提出了一種基于多Agent系統(tǒng)的分布式智能診斷決策模型，該模型由多個分布于不同區(qū)域的Agent工作組成，是一個分布式遠(yuǎn)程多Agent診斷系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)的基于規(guī)則推理系統(tǒng)的知識難于獲取和推理的脆弱性等缺陷。在精密離心機(jī)故障診斷與監(jiān)控系統(tǒng)中，該模型能快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行故障成因分析，給出合理的、建設(shè)性的決策意見，取得了與專家相似的診斷結(jié)果，提高了系統(tǒng)的安全運(yùn)行效率。另外，由于采用了工業(yè)現(xiàn)場廣泛使用的CAN總線，因此可以很方便地應(yīng)用于連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)，構(gòu)成大型分布式遠(yuǎn)程故障監(jiān)測與維護(hù)系統(tǒng)。

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