李 杰，曾凡明，陳于濤，秦久峰

(海軍工程大學(xué)艦船與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢430033)

基于JADE的艦船冷卻水系統(tǒng)多Agent控制系統(tǒng)

李 杰，曾凡明，陳于濤，秦久峰

(海軍工程大學(xué)艦船與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢430033)

多Agent系統(tǒng)在復(fù)雜系統(tǒng)的智能控制中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，在多Agent系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用仿真的手段可以深入分析多Agent系統(tǒng)的行為特性，研究不同結(jié)構(gòu)體系的性能特點(diǎn)，提高設(shè)計(jì)效率。本文以艦船動(dòng)力平臺(tái)中的冷卻水系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型為控制對(duì)象，根據(jù)多Agent系統(tǒng)建模與控制理論，設(shè)計(jì)適用于艦船冷卻水系統(tǒng)智能控制的分層多Agent控制結(jié)構(gòu)。采用基于JAVA的Eclipse作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以JADE作為仿真平臺(tái)，建立多Agent系統(tǒng)的仿真模型。在此基礎(chǔ)上，分析和研究不同狀態(tài)下多Agent系統(tǒng)的協(xié)作模型和協(xié)作過(guò)程，得出動(dòng)態(tài)過(guò)程中多Agent系統(tǒng)行為的仿真結(jié)果，為多Agent系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真提供了研究基礎(chǔ)。

多Agent系統(tǒng);交互協(xié)商;JADE;協(xié)作模型

0 引言

在過(guò)去的20年中，艦船動(dòng)力平臺(tái)在設(shè)計(jì)、運(yùn)行，以及性能等方面得到很大發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①實(shí)現(xiàn)了艦船推進(jìn)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)融合的綜合全電力系統(tǒng);②實(shí)現(xiàn)了艦船裝置系統(tǒng)之間的資源共享和信息管理的集成機(jī)電平臺(tái);③實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控與信息共享，將管理與控制相結(jié)合的集成平臺(tái)管理系統(tǒng)。隨著艦船平臺(tái)管理系統(tǒng)集成度的提高，傳統(tǒng)智能控制的局限性日益凸顯，無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的智能控制。

智能Agent技術(shù)是引領(lǐng)時(shí)代前沿的三大控制技術(shù)之一，成功地解決了大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的控制難題，無(wú)論是在傳統(tǒng)的工業(yè)上，還是在精密的高空探索上都有廣泛的應(yīng)用。主要特點(diǎn)是：基于Agent的控制系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，通過(guò)Agent的重組實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制;能夠?qū)崿F(xiàn)軟件與硬件之間的一體化，建立一個(gè)虛擬平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)Agent之間協(xié)作和交互;體現(xiàn)了Agent與環(huán)境之間的交互和影響;實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和響應(yīng)，以及容錯(cuò)控制。

本文旨在進(jìn)行智能Agent技術(shù)在艦船輔助系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，而采用智能Agent技術(shù)對(duì)某一簡(jiǎn)單的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析，通過(guò)自主決策對(duì)控制系統(tǒng)的控制方式和策略進(jìn)行分析和仿真研究，了解MAS的控制機(jī)制，探討Agent技術(shù)在艦船集成平臺(tái)管理中的應(yīng)用。

1 冷卻水系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

圖1為一冷卻水循環(huán)系統(tǒng)［9］，共由3部分組成：1個(gè)資源管理中心和2個(gè)載荷。其中虛線表示冷卻后冷卻水的流動(dòng)方向，實(shí)線表示冷卻前冷卻水的流動(dòng)方向。資源管理中心包括閥 S1，S2，S3，S4，S5，1個(gè)熱交換器和2個(gè)并行的泵，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的冷卻水的再次冷卻和回流，確保冷卻水的循環(huán)利用。在系統(tǒng)中，閥S10，S11，S12，S13，S14，S15為常開(kāi)型連通閥;閥S1和閥S2控制冷卻水的流出和回流，為常開(kāi)閥;通過(guò)對(duì)各個(gè)閥門的開(kāi)關(guān)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的冷卻和冷卻水的循環(huán)利用。

圖1 冷卻水系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.1 The structure of the cooling water system

基于這一冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特性，本文引入Agent技術(shù)，模擬仿真這一多Agent系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)、不同場(chǎng)景下，Agents之間的交互協(xié)商過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)MAS在復(fù)雜環(huán)境下的控制策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制和實(shí)時(shí)響應(yīng)，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的突發(fā)事件。

2 多Agent控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

建立合理的多Agent系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，提供被控系統(tǒng)的控制策略，是多Agent系統(tǒng)智能控制的關(guān)鍵?；诒豢叵到y(tǒng)簡(jiǎn)單具有容錯(cuò)能力等特點(diǎn)，在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，由于流出閥S1、回流閥S2和連通閥S10，S11，S12，S13，S14，S15的工作狀態(tài)為常開(kāi)，與實(shí)際的初始狀態(tài)相同，因此在對(duì)模型的簡(jiǎn)化過(guò)程中，忽略常開(kāi)型閥 S1，S2，S10，S11，S12，S13，S14，S15。結(jié)合多Agent系統(tǒng)的相關(guān)理論與冷卻水循環(huán)系統(tǒng)各部分的功能，建立該冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化層次結(jié)構(gòu) (見(jiàn)圖2)。

圖2 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的多Agent系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Multi-agent control architecture of the cooling water system

該層次結(jié)構(gòu)分為2層，即高層和底層。高層由資源中心Agent、載荷Agent 1和載荷Agent 2組成，底層共有8個(gè)閥Agent組成，閥Agent分別控制冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中相對(duì)應(yīng)的閥：閥Agent 3和閥Agent 4、Agent 5實(shí)現(xiàn)對(duì)資源中心Agent的控制;Agent 7和閥Agent 8實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷Agent 2的控制;Agent 6和閥Agent 9實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷Agent 1的控制。高層負(fù)責(zé)系統(tǒng)的不同部分之間的交互與協(xié)商，同時(shí)由上而下實(shí)現(xiàn)對(duì)底層的控制;底層實(shí)現(xiàn)不同功能、不同區(qū)域的Agent之間的交互與協(xié)商，由下而上實(shí)現(xiàn)與高層之間的通信。

其中單個(gè)資源管理中心Agent可以單獨(dú)運(yùn)行，載荷Agent 1和Agent 2是相對(duì)獨(dú)立的，滿足并行結(jié)構(gòu)，二者運(yùn)行的前提是資源管理中心Agent的正常運(yùn)行，資源管理中心Agent和載荷 Agent 1、載荷Agent 2滿足順序結(jié)構(gòu);在底層Agent中，組合閥Agent和閥Agent 3需要同時(shí)打開(kāi)，滿足順序結(jié)構(gòu);閥Agent 4和閥Agent 5滿足并行結(jié)構(gòu)。

3 基于JADE平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法

開(kāi)發(fā)平臺(tái)和仿真平臺(tái)是多Agent控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的前提。目前，基于Agent技術(shù)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有C，C++，JAVA和Matlab等。由于多Agent系統(tǒng)的智能控制是一種面向?qū)ο蟮目刂?，基于JAVA方法具有的面向?qū)ο笮?、?jiǎn)單和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，采用JAVA語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，Eclipse作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。作為仿真平臺(tái)，JADE提供了Agent之間信息交互的合同網(wǎng)和黑板協(xié)作模型，通過(guò)對(duì)通信過(guò)程中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，能夠?qū)崿F(xiàn)基于合同網(wǎng)和黑板模型的多Agent系統(tǒng)的智能控制，為復(fù)雜、大規(guī)模系統(tǒng)的智能控制提供方便。

在JADE平臺(tái)中，從3個(gè)方面定義單個(gè)閥Agent的能力：①工作狀態(tài) (開(kāi)或關(guān));②各個(gè)閥允許通過(guò)的最大流量;③ 閥所處的狀態(tài) (常開(kāi)或常關(guān))。從2個(gè)方面定義資源中心Agent和載荷Agent：①報(bào)警溫度;②需要的冷卻水的流量。

為了研究艦船冷卻水系統(tǒng)在不同狀態(tài)、不同場(chǎng)景下的智能控制，引入了Agent的故障狀態(tài)參數(shù) (故障或正常)，通過(guò)Agents之間的交互協(xié)商，實(shí)現(xiàn)基于Agent技術(shù)的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)處理和故障管理。

本文主要從正常狀態(tài)和突發(fā)事件或故障管理2個(gè)方面對(duì)這一多Agent系統(tǒng)進(jìn)行研究，構(gòu)建這一系統(tǒng)在不同狀態(tài)、不同場(chǎng)景下的交互和協(xié)作模型。

3.1 正常狀態(tài)下的協(xié)作模型

根據(jù)JADE仿真軟件的特性，構(gòu)建冷卻水循環(huán)系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下的協(xié)作模型如圖3所示。在正常工作狀態(tài)下，依據(jù)系統(tǒng)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，分析高層資源中心Agent、載荷Agent 1和載荷Agent 2的工作需求;在底層Agent能力的基礎(chǔ)上，結(jié)合冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，以合同網(wǎng)作為協(xié)作模型，以高層各個(gè)Agent的工作需求為目的，以FIPA-ACL作為通信語(yǔ)言進(jìn)行多次通信協(xié)商，最終通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)的智能控制。

合同網(wǎng)模型理論的研究相對(duì)比較成熟，在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，通過(guò)定義交互信息的不同參數(shù)或者改變協(xié)商的約束條件，能將合同網(wǎng)模型相關(guān)的理論知識(shí)運(yùn)用到這一系統(tǒng)的智能控制中，實(shí)現(xiàn)艦船冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)和快速響應(yīng)，得到該系統(tǒng)的智能控制策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下的控制。

3.2 突發(fā)事件或故障狀態(tài)下的協(xié)作模型

圖3 正常狀態(tài)下冷卻水循環(huán)系統(tǒng)控制圖Fig.3 The controling chart of the cooling water system under normal state

基于Agent的自治性、反應(yīng)性和社會(huì)性，多Agent系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)被控系統(tǒng)在復(fù)雜多變工況下的智能控制。因此研究多Agent系統(tǒng)不確定條件下的智能控制是多Agent系統(tǒng)的一大優(yōu)勢(shì)。在對(duì)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)研究過(guò)程中，主要從故障狀態(tài)和高溫報(bào)警2個(gè)方面進(jìn)行探討這一多Agent系統(tǒng)的協(xié)商模型。本文以出現(xiàn)故障狀態(tài)為例，研究冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)協(xié)商。

假設(shè)底層ValveAgent 5發(fā)生故障，需要各Agent之間的動(dòng)態(tài)協(xié)商來(lái)實(shí)現(xiàn)這一Multi-Agent系統(tǒng)的智能控制。為實(shí)現(xiàn)這一情況下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制，引入優(yōu)先級(jí)這一概念：依據(jù)各個(gè)Agent之間的邏輯關(guān)系，設(shè)定Agents的優(yōu)先級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的故障管理與智能控制。如圖4所示，在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)協(xié)商過(guò)程中，結(jié)合表1和表2，設(shè)定各個(gè)Agent的優(yōu)先級(jí)，由底層ValveAgent 5發(fā)送故障信息更新底層Agent的能力等參數(shù)，由高到低分析系統(tǒng)的工作需求，結(jié)合各個(gè)Agent的能力以“黑板”模型作為協(xié)作模型，以FIPA-ACL作為通信語(yǔ)言進(jìn)行多次通信協(xié)商，最終通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)協(xié)商和控制。

圖4 故障狀態(tài)下冷卻水循環(huán)系統(tǒng)流程Fig.4 The controling chart of the cooling water system in abnormal state

基于“黑板”模型的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)協(xié)商具有實(shí)時(shí)性、魯棒性和容錯(cuò)能力等特點(diǎn)，能夠應(yīng)對(duì)不確定條件下冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的智能控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障探測(cè)和診斷，提升這一系統(tǒng)的整體性能。

除此之外，這一多Agent系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)保存，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。在遇到某一情景時(shí)，優(yōu)先調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)，采用案例匹配，通過(guò)控制器直接控制各個(gè)Agent的動(dòng)作。因此，在不同狀態(tài)、不同情景的多Agent系統(tǒng)智能控制過(guò)程中，采用最優(yōu)的協(xié)作模型，能減少Agent之間的通信，實(shí)現(xiàn)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。

4 仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文采用Eclipse開(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合多Agent系統(tǒng)的交互協(xié)商模型，研究冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的故障診斷與探測(cè)、自動(dòng)重組的能力，采用JADE作為仿真平臺(tái)，創(chuàng)建多Agent系統(tǒng)的仿真界面如圖5所示。

圖5 JADE軟件仿真界面Fig.5 The interface of the cooling water system in JADE

4.1 正常狀態(tài)下的交互協(xié)商過(guò)程

考慮正常狀態(tài)下的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)對(duì)僅有載荷Agent工作進(jìn)行仿真，得到各個(gè)Agent之間的交互協(xié)商過(guò)程如圖6所示。各個(gè)Agent的初始狀態(tài)參數(shù)如表1所示。當(dāng)載荷Agent工作時(shí)，發(fā)送工作信息給資源中心Agent，資源中心Agent對(duì)消息進(jìn)行處理，發(fā)送資源中心Agent的工作信息給底層Agent，協(xié)商控制資源中心Agent的正常運(yùn)行，輸出各Agent的操作信息;載荷Agent在資源中心Agent正常運(yùn)行的前提下，發(fā)送工作信息給底層閥Agent 7和閥Agent 8，以載荷Agent的工作需求為目的，通過(guò)交互協(xié)商實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷Agent的冷卻。

圖6 正常工作狀態(tài)下冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的協(xié)作仿真Fig.6 The simulation of cooling water system in normal state

表1 正常狀態(tài)下底層Agent的初始狀態(tài)參數(shù)Tab.1 The initial state parameter of the reactive Agent in normal state

4.2 故障狀態(tài)下的交互協(xié)商過(guò)程

如圖7所示，假設(shè)在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，主用閥ValveAgent 5發(fā)生故障，各個(gè)Agent的初始狀態(tài)參數(shù)如表2所示。當(dāng) ValveAgent 5發(fā)生故障時(shí)，ValveAgent 5發(fā)送故障信息給組合閥Agent，以當(dāng)前的需求為約束條件，模擬組合閥Agent和ValveAgent 5、ValveAgent 6的交互通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)這一冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的故障管理，并輸出相關(guān)Agent的操作信息，滿足系統(tǒng)的載荷需求和智能控制。

圖7 故障狀態(tài)下冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的協(xié)作仿真Fig.7 The simulation of cooling water system in abnormal state

表2 故障狀態(tài)下底層Agent的初始狀態(tài)參數(shù)Tab.2 The initial state parameter of the reactive agent in abnormal state

5 結(jié)語(yǔ)

本文從模型簡(jiǎn)化、交互理論和軟件仿真3個(gè)方面對(duì)基于JADE的冷卻水系統(tǒng)多Agent系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，為復(fù)雜、大規(guī)模多Agent系統(tǒng)智能控制和決策在艦船動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

［1］呂賜興，朱云龍，尹朝萬(wàn)．基于Agent的生產(chǎn)調(diào)度混合協(xié)商策略研究［J］．計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2006，12(12)：2074－2081．

LV Ci-xing，ZHU Yun-long，YI Chao-wan．Hybrid negotiation forAgent-based production scheduling［J］．Computer Integrated Manufacturing Systems，2006，12(12)：2074 －2081．

［2］BELLIFEMINE F，CAIRE G，GREENWOOD D．Developing multi-Agent systems with JADE［M］．2007．

［3］黎恒烜，孫海順，文勁宇，等．用于艦船電力系統(tǒng)重構(gòu)的多代理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(10)：81－87．

LI Heng-huan，SUN Hai-shun，WEN Jin-yu，et al．Design of a multi-Agent system for marine power system reconfiguration［J］．Proceeding of the CSEE，2011，31(10)：81 －87．

［4］KAI H．Marine power system reconfiguration using multi-Agent system［D］．Florida：The Florida State University，2007．

［5］孟安波，陳少華，殷豪．基于FIPA-Agent的變電站故障診斷系統(tǒng)研究［J］．水力發(fā)電，2010，36(11)：35 －38．

MENG An-bo，CHEN Shao-hua，YIN Hao．Studyon substation abnormal diagnosis based on FIPA-Agent［J］．Water Power，2010，36(11)：35 －38．

［6］SRIVASTAVA S K，XIAO H，BUTLER K L．Multi-Agent system for automated service restoration of marine ower systems［J］．Journal of Computer Information Systems，2003，44(1)：119 －123．

［7］王珊珊．基于 JADE的多 Agent系統(tǒng)仿真研究［D］．武漢：華中科技大學(xué)，2006．

WANG Shan-shan．Research on multi-Agentsystem simulation based on JADE［D］．Wuhan：Huzhong University of Science and Technology，2006．

［8］COSTEA C，PETROVAN A．Agent-based systems in power system control［C］．9th International Conference on Development and Application Systems，Suceava，Romania，2008．

［9］ZHANG Dai-li．Multi-Agent based control of large-scale complex systems employing distributed dynamic inference engine［M］．ProQuest LLC，2010．

［10］張文波，趙海，蘇威積，等．基于合同網(wǎng)模型的多代理協(xié)作研究［J］．電子學(xué)報(bào)，2006(5)：837－844．

ZHANG Wen-bo，ZHAO Hai，SU Wei-ji，et al．Research on cooperation of multiple agent based on contract-net model［J］．Acta Electronica SINICA，2006(5)：837 －844．

［11］張秋余，黃鵬，遲寧．基于JADE的并行遺傳算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2006，7(35)：1706 －1708．

ZHANG Qiu-yu，HUANG Peng，CHI Ling．Design and rea lization of parallel genetic a lgorithm based on JADE［J］．Computer Applications，2006，7(35)：1706 － 1708．

［12］湯瓊，楊俊華，蔡彥濤，等．基于Multi-Agent和JADE的分布式多能源能量系統(tǒng)［J］．華東電力，2011，5(39)：793－796．

TANG Qiong，YANG Jun-hua，CAIYan-tao，etal．Distributed multi-energy system based on multi-Agent and JADE［J］．East China Electri Power，2011，5(39)：793 －796．

［13］MATURANA F P，TICHY P，LECHTA P S，et al．Distributed multi-agent architecture for automation systems［J］．Expert Systems with Applications，2004，26：49 －56．

Multi-Agent control architecture design of marine cooling water system based on JADE platform

LI Jie，ZENG Fan-ming，CHEN Yu-tao，QIN Jiu-feng
(Naval University of Engineering，College of Naval Architecture and Power，Wuhan 430033，China)

Multi-Agent system(MAS)has been applied to the inteligent control of the complex system more extensively．In the design and development of the MAS，many ways have been used to make research into the behavioral trait of MAS and the performance characteristics of the control structure aiming at high efficiency．A simplified marine cooling water system(CWS)is taken as the research object by the paper，and then a multi-Agent hierarchical control structure of the CWS is established based on the technology of the Multi-Agent．the cooperation mode and process of the CSW both under normal state and abnormal state is discussed by the use of the development platform Eclipse and the simulation platform JADE，the intelligent decision-making and control of the CSW are realized and the primary result is presented，which makes the further research of the MAS possible．

multi-agent system;interaction and cooperation;JADE;cooperation model

U664．121

A

1672－7649(2013)04－0102－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.04.024

2012－06－11;

2012－07－23

博士后基金資助項(xiàng)目(201150M1547)

李杰(1988－)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榕灤瑒?dòng)力裝置總體設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析。