王征 王家林 姚剛 程路堯

（1. 華中科技大學控制科學與工程系，武漢 430074；2. 海軍工程大學電氣與信息工程學院,武漢 430033;3.中國人民解放軍海軍92557部隊，廣州 510720；4. 中國人民解放軍海軍91336部隊，秦皇島066326）

1 引言

現(xiàn)代船舶電力系統(tǒng)日趨大型化和復雜化，一旦發(fā)生故障，便會有大量的報警信息集中涌現(xiàn)。近幾年來，雖然船舶電力系統(tǒng)在實現(xiàn)通用的采集顯示功能以外還進行了一些簡單的故障判斷，但是當一些故障發(fā)生時，它只是將大量報警信息不加選擇地提供給管理員，而在此情況下要求調(diào)度員迅速、正確地判斷故障是非常困難的，所以，船舶電力系統(tǒng)故障診斷的研究就成為一個非常有意義的研究課題，它能輔助船舶管理人員處理事故，可起到縮短事故處理時間、防止事故擴大的作用，對保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義[1]。

在船舶電力系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)方面已開展了不少研究。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)研究，建立被診斷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，使用傳統(tǒng)的數(shù)學方法進行電力系統(tǒng)故障診斷。因系統(tǒng)規(guī)模、復雜程序和不確定因素等的限制，系統(tǒng)故障診斷難以達到理想的效果。多Agent技術(shù)具有自主性、分布性、協(xié)調(diào)性，并具有自組織能力、學習能力和推理能力。采用Agent系統(tǒng)解決實際應(yīng)用問題，具有很強的魯棒性和可靠性，并具有較高的問題求解效率。多Agent已經(jīng)成為繼面向?qū)ο蠓椒ㄖ蟪霈F(xiàn)的又一種進行系統(tǒng)分析與設(shè)計的強有力思想方法與工具，其適用條件與船舶電力系統(tǒng)的故障診斷特征幾乎完全吻合，能夠解決普通電力系統(tǒng)故障診斷不易或無法解決的問題[2-3]。

2 多Agent技術(shù)的原理和船舶電力系統(tǒng)特點

2.1 Agent與多Agent基本概念[4]

Agent與多 Agent系統(tǒng)(MAS)的概念起源于人工智能領(lǐng)域，是分布式人工智能的主要方向之一Agent是對過程運行中的決策或控制任務(wù)進行抽象而得到的一種具有主動行為能力的實體，它可以利用數(shù)學計算或規(guī)則推理完成特定操作任務(wù)，并通過消息機制與過程對象及其他Agent交互以完成信息傳遞與協(xié)調(diào)。

Agent基本特性包括:自治性、可通信性、反應(yīng)性、面向目標性和針對環(huán)境性等。自治性是指Agent對自己的行為或動作具有控制權(quán)，無需外部干預，自主地完成其特定的任務(wù)；可通信性是指每個Agent在有組織的群體中，通過相互通信接受任務(wù)指派和反饋任務(wù)執(zhí)行的信息；反應(yīng)性是指 Agent應(yīng)具備感知環(huán)境并做出相應(yīng)動作的能力；面向目標性是指Agent能對自己的行為做出評價并使其逐步導向目標；針對環(huán)境性是指Agent只能工作在特定的環(huán)境中一般說來，具有以上特性的主動行為能力的實體，如生物體、軟件系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)中的控制器等，均可以作為Agent對象。

2.2 船舶電力系統(tǒng)特點

船舶電力系統(tǒng)供電系統(tǒng)和配電網(wǎng)絡(luò)集中配置，表現(xiàn)為由若干個配電區(qū)間按照一定的結(jié)構(gòu)形式通過主匯流排聯(lián)結(jié)起來構(gòu)成一個統(tǒng)一的電力網(wǎng)絡(luò)或多個相互獨立的電氣子網(wǎng)。

圖1是一典型船舶電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，主要由兩個大的部分組成，分別為交流電力網(wǎng)絡(luò)和直流電力網(wǎng)絡(luò)。交流網(wǎng)絡(luò)主要有2臺發(fā)電機組ACG1和ACG2，直流網(wǎng)絡(luò)主要有4臺發(fā)電機組DCG1、DCG2、DCG3和DCG4。兩個網(wǎng)絡(luò)中間通過AC/DC變流器進行互聯(lián)。

圖1 船舶電力系統(tǒng)框圖

對于該船舶電力系統(tǒng)的交流網(wǎng)絡(luò)按照物理區(qū)域的分布進行劃分，主要分為1號交流發(fā)電機及其相關(guān)設(shè)備、2號交流發(fā)電機及其相關(guān)設(shè)備、1號變流器及其相關(guān)設(shè)備、2號變流器及其相關(guān)設(shè)備、3號變流器及其相關(guān)設(shè)備、4號變流器及其相關(guān)設(shè)備。如圖2。相關(guān)設(shè)備一般包括斷路器、同期裝置、勵磁裝置、調(diào)速裝置、其他安全保護裝置等。對于船舶電力系統(tǒng)直流網(wǎng)絡(luò)按照物理區(qū)域的分布進行劃分，主要分為1號直流發(fā)電機及其相關(guān)設(shè)備、2號直流發(fā)電機及其相關(guān)設(shè)備、3號直流發(fā)電機及其相關(guān)設(shè)備、4號直流發(fā)電機及其相關(guān)設(shè)備、1號DC/DC變流器及其相關(guān)設(shè)備、2號DC/DC變流器及其相關(guān)設(shè)備、1號DC/AC變流器及其相關(guān)設(shè)備、2號DC/AC變流器及其相關(guān)設(shè)備飛輪儲能及其相關(guān)設(shè)備、蓄電池及其相關(guān)設(shè)備、電力推進1及其相關(guān)設(shè)備、電力推進2及其相關(guān)設(shè)備，如圖3。

圖2 船舶交流網(wǎng)絡(luò)故障診斷多Agent分布設(shè)計

圖3 船舶直流網(wǎng)絡(luò)故障診斷多Agent分布設(shè)計

3 多Agent船舶電力系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 多Agent船舶電力系統(tǒng)故障診斷的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在船舶電力系統(tǒng)故障診斷的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，提出了兩種方案，方案一為軟件分布式多Agent故障診斷。圖4為方案一的信息流程，即模擬量和數(shù)字量通過綜合智能監(jiān)控模塊進行采集，然后通過主通信模塊將采集的所有數(shù)據(jù)上傳到主數(shù)據(jù)服務(wù)器和備份數(shù)據(jù)服務(wù)器。最后多Agent故障診斷工作站進行軟件分布式故障診斷。圖5為多Agent故障診斷工作站進行軟件分布式故障診斷的示意框圖。

方案二如圖6所示，系統(tǒng)在設(shè)計中就充分應(yīng)用了硬件分布式多Agent，系統(tǒng)中有處于底層的分布式并行結(jié)構(gòu)的ITU-Agent（智能終端－Agent）、中間層SCM－Agent（子通信管理－Agent）、上層的DFS－Agent（故障診斷融合－Agent）、MDBAgent（主數(shù)據(jù)服務(wù)Agent）、BDB－Agent（備份數(shù)據(jù)服務(wù)Agent）、OPC－Agent（OPC通信Agent）幾部分組成。其中處于底層的分布式并行結(jié)構(gòu)的ITU－Agent完成基本的區(qū)域故障的診斷，主要采用的方法是模糊認知圖推理和模糊關(guān)系型合同網(wǎng)協(xié)作。底層的診斷的信息以及原始數(shù)據(jù)通過SCM－Agent，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)上傳到DFS－Agent，完成最后整個電力系統(tǒng)的故障診斷。

3.2 各Agent的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

ITU-Agent內(nèi)部為基于決策的BDI框架Agent邏輯結(jié)構(gòu)模型[5-7]。

圖4 多Agent故障診斷的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（方案一）

圖5 軟件多Agent故障診斷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（方案一）

圖6 硬件多Agent故障診斷的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（方案二）

BDI框架結(jié)構(gòu)是最早出現(xiàn)的慎思型Agent基本結(jié)構(gòu)的重要代表，是將Agent作為意識系統(tǒng)的具體體現(xiàn)，BDI框架產(chǎn)生的根基在于實用推理理論的哲學基礎(chǔ)，它模仿了人們?yōu)閷崿F(xiàn)一定的目標而采取的一系列行動的過程。簡單的說，它是由信念、愿望和意圖三個基本概念構(gòu)成，其中信念反映了Agent的認知特性，愿望反映了Agent的感情偏好，Agent做出承諾的目標形成意圖。定義BDI框架的 Agent結(jié)構(gòu)如下的十一元組：

定義Bel為Agent所有可能的信念構(gòu)成的集合，則有B∈γ(Bel)表示某個確定的信念集；定義Des為Agent所有可能的愿望構(gòu)成的集合，則有D∈γ(Des)表示某個確定的愿望集；定義Int為Agent所有可能的意圖構(gòu)成的集合，則有I∈γ(Int)表示某個確定的意圖集。根據(jù)以上定義，元組中Agent的內(nèi)部行為可以表示為如下映射：

see:S→P表示信念確定的過程；

bmp:γ(Bel) ×P→γ(Bel)表示信念修正過程；

opt:r(Bel) ×r(Int) →r(Des)表示愿望確定過程；

filter:γ(Bel) ×γ(Des) ×γ(Int) →γ(Int)表示意圖確定過程；

exe:γ(Int) →A表示對某一確定的意圖實施特定的行為。

圖7 基于BDI框架的Agent結(jié)構(gòu)框圖

由于BDI理論建立在實用推理理論的基礎(chǔ)之上，具有深刻的認知心理學和哲學基礎(chǔ)，因此據(jù)此建立實現(xiàn)Agent的結(jié)構(gòu)符合人工智能當前的發(fā)展趨勢。同時，在Agent的實際構(gòu)造中，對于表達信念、愿望、意圖等反映思維狀態(tài)的概念，并合理完成相應(yīng)的推理轉(zhuǎn)化還有很大的困難。要真正實現(xiàn)基于BDI框架的成熟的Agent模型，就必須在完善BDI形式化研究的同時，結(jié)合實際應(yīng)用背景和應(yīng)用目的，綜合邏輯、決策理論以及其它理論研究成果，在Agent知識推理過程中，以及Agent與環(huán)境交互方面選用適當?shù)姆椒?，加以準確的描述。

3.3 故障診斷主要功能

該系統(tǒng)的故障診斷的主要目的是盡可能快速實時的檢測出系統(tǒng)運行中的各種故障，并隔離故障、診斷并修復故障以減少其對系統(tǒng)運行的影響。該系統(tǒng)的故障診斷主要完成以下功能：

1）故障監(jiān)測與檢測：主要通過采集的信息由各單元的ITU-Agent監(jiān)測設(shè)備層故障，由各單元ITU-Agent與其他ITU-Agent協(xié)同診斷電力系統(tǒng)區(qū)域故障。通過SCM－Agent和DFS－Agent實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)級故障。

2）故障實時通知（告警）：簡單故障信息實時投遞到SCM-Agent，復雜故障通過故障診斷融合Agent實現(xiàn)。

3）告警即時展示：告警在GUI上即時展示給維護人員，保證故障及時處理。

4）告警狀態(tài)設(shè)置以及活動告警列表：告警產(chǎn)生后，設(shè)置相應(yīng)產(chǎn)生告警設(shè)備的告警狀態(tài)，并維護活動告警消息列表，以供了解當前的告警狀態(tài)及詳細的活動告警信息。

5）告警清除：故障恢復后，需要清除相應(yīng)設(shè)備的告警狀態(tài)以及活動告警消息列表的相應(yīng)條目，支持告警的自動清除和管理人員清除兩種操作機制。

6）告警過慮：設(shè)置告警過濾的條件，對設(shè)備告警消息進行抑制或有選擇的投遞。

7）故障隔離：將產(chǎn)生故障的設(shè)備從工作資源中刪除，這個功能體現(xiàn)在狀態(tài)管理的狀態(tài)設(shè)置功能中。

8）故障分析：分析故障產(chǎn)生的原因，以及指導恢復設(shè)備正常工作。

9）告警歷史數(shù)據(jù)保存：收集設(shè)備產(chǎn)生的各種告警信息，以長時存儲，供將來進行告警分析使用。

3.4 多Agent的管理和協(xié)作功能[8-9]

系統(tǒng)中的多個Agent必須進行自主、有序的工作，是實現(xiàn)多Agent故障診斷的重要前提。為保證ITU-Agent之間的協(xié)調(diào)有效的工作，采用文中研究的模糊關(guān)系合同網(wǎng)協(xié)作模型，從而使ITU-Agent之間能夠利用互為主從關(guān)系，從分利用信息資源合作診斷。

ITU－Agent之間、ITU-Agent與SCM-Agent之間采用消息通信的方式，SCM－Agent與DFS-Agent之間也是采用消息通信的方式。消息通信較為簡單，這種通信滿足三個條件：首先要有通信協(xié)議，其次要基于共同的Agent通信語言；另外還需要對使用的詞語有共同的理解。從系統(tǒng)實現(xiàn)的角度來說，Agent與對象一樣，需要提供一個與其內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法無關(guān)、基于消息的接口。在面向?qū)ο蟮念I(lǐng)域中，通信是采用方法調(diào)用，消息的含義對于每個對象是不同的。但是在面向Agent的軟件工程中，消息使用通用的語言，與Agent的語義無關(guān)。

圖8 消息通信結(jié)構(gòu)示意圖

采用消息的通信，使得MADS的通信具有以下特點：通信數(shù)據(jù)量小、可以很大程度縮短網(wǎng)絡(luò)傳輸時間，減少延時，提高系統(tǒng)的實時性；消息中描述的是診斷程序的協(xié)作行為，屬于高級語義信息，語義級集成的協(xié)同應(yīng)用程序之間耦合度低、異構(gòu)性高，有利于實現(xiàn)分布式異構(gòu)系統(tǒng)的故障診斷。因此文中設(shè)計了層次化通信結(jié)構(gòu)，規(guī)范了通信協(xié)議，并采用適當?shù)耐ㄐ耪Z言和基于消息的通信方式，能夠使得MADS中的Agent更好的通信和協(xié)作，以實現(xiàn)分布式智能化的故障診斷。

3.5 數(shù)據(jù)庫Agent設(shè)計

數(shù)據(jù)庫Agent設(shè)計包括MDB－Agent（主數(shù)據(jù)服務(wù)Agent）和BDB－Agent（備份數(shù)據(jù)服務(wù)Agent），兩者的結(jié)構(gòu)基本一致。數(shù)據(jù)庫Agent設(shè)計是為系統(tǒng)多Agent故障診斷的詳細設(shè)計、編程和測試提供數(shù)據(jù)支持。

選取ORACLE公司的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，版本號為9.0，該產(chǎn)品功能完善、可靠性高、操作維護方便、易于獲得技術(shù)支持。SCM－Agent通過調(diào)用ORACAL數(shù)據(jù)庫提供的OCI（Oracle Call Interface）接口庫來實現(xiàn)，本設(shè)計中為了調(diào)用方便將其進一步封裝。DFS－Agent通過調(diào)用微軟提供的ADO（ActiveX Data Objects）接口訪問ODBC，而ODBC與ORACAL數(shù)據(jù)庫連接，由此實現(xiàn)對ORACAL數(shù)據(jù)庫的訪問。

4 結(jié)語

將多Agent技術(shù)應(yīng)用到船舶電力系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計中，各Agent能自主完成任務(wù)，并通過通信相互傳遞信息與其他Agent發(fā)生聯(lián)系，相互協(xié)作；各Agent之間功能劃分清晰，能較好的相互協(xié)作共同解決診斷問題。整個系統(tǒng)不僅有一定的自主性，還擁有較好的交互性，使得診斷系統(tǒng)具有一定的自主性、自適應(yīng)性，是船舶電力系統(tǒng)故障診斷的一種新的有效途徑。

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