林 濤，李 輝，郭 曉，趙宏科，陳 恩

（河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

手工操作的抄表收費方式不但費時費力費用過高還存在安全隱患。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展與成熟，將其應(yīng)用于抄表系統(tǒng)可使抄表工作變得方便、快捷。傳統(tǒng)的無線抄表系統(tǒng)大多是利用分布式器件（如采集器）采集數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)傳至上位機，由上位機進(jìn)行處理。這種方式存在一定的問題：由于所有的數(shù)據(jù)都交由上位機統(tǒng)一處理，一旦出現(xiàn)某種干擾阻止它運行，就會造成整個抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)錯誤或丟失；并且，由單一的主機處理所有數(shù)據(jù)限制了整個抄表系統(tǒng)的規(guī)模，大量的數(shù)據(jù)同時傳輸將會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信過載，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的實時性差，系統(tǒng)節(jié)點之間難以實現(xiàn)互操作。如果出現(xiàn)可疑數(shù)據(jù)，系統(tǒng)很難判定是數(shù)據(jù)在傳輸過程中產(chǎn)生，還是表具本身故障所致。

Agent是具有智能和較高自治能力的實體，對動態(tài)變化作出適當(dāng)反應(yīng)，Agent能夠模擬人類的行為，且具有良好的智能性、協(xié)調(diào)性、適應(yīng)性[1-2]。由于Agent的這些特性，設(shè)計了一種基于多Agent技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)，實現(xiàn)了采集節(jié)點獨立采集分析數(shù)據(jù)，并且重點研究了系統(tǒng)對錯誤數(shù)據(jù)的判別及協(xié)調(diào)功能，在物業(yè)中心Agent和采集器Agent加入遞推算法和最小二乘法，使系統(tǒng)能夠快速解決可疑數(shù)據(jù)的問題，保證了無線抄表系統(tǒng)的安全、可靠。

1 MAS系統(tǒng)

Agent理論和技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代，隨著計算機軟、硬件技術(shù)飛速發(fā)展，Agent理論得到了強大的技術(shù)支持，使Agent的實現(xiàn)能力不斷增強，應(yīng)用逐漸擴展到了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、交通等領(lǐng)域[3]。Agent是具有智能和較高自治能力的實體。相對于傳統(tǒng)技術(shù)而言，它不僅可以在目標(biāo)的驅(qū)動下實現(xiàn)目標(biāo)，還可感知、適應(yīng)環(huán)境，對動態(tài)變化作出適當(dāng)反應(yīng)；Agent能夠模擬人類的行為，且具有良好的智能性、協(xié)調(diào)性、適應(yīng)性等特性，特別是在滿足分布式應(yīng)用方面的優(yōu)勢受到越來越多的關(guān)注。

多 Agent系統(tǒng) MAS（multi-Agent system）是分布式人工智能的拓展，是由多個Agent組成的一種分布式自主系統(tǒng)。MAS中的每個Agent擁有解決不同問題的不完全信息和能力，不存在全局控制。數(shù)據(jù)是分散的，計算過程是異步的。它旨在于把一個復(fù)雜的系統(tǒng)分散成若干個易于管理的小系統(tǒng)，這些小系統(tǒng)可以相互通信、相互協(xié)作，從而實現(xiàn)信息、知識的共享。

在開放的MAS系統(tǒng)中，每個Agent都具有自主性，在求解過程中會按自己的目的、知識與能力進(jìn)行活動，由于封閉世界假設(shè)對MAS不成立，因此不能用演繹邏輯的方法解決矛盾，必須引入?yún)f(xié)調(diào)機制[4]。MAS協(xié)調(diào)是指具有不同目標(biāo)的多個Agent對其目標(biāo)、資源等進(jìn)行合理安排，以協(xié)調(diào)各自行為，最大限度地實現(xiàn)各自目標(biāo)。對于無線抄表系統(tǒng)而言，通過MAS協(xié)調(diào)機制，調(diào)節(jié)每個Agent的能力，降低復(fù)雜系統(tǒng)的難度，使復(fù)雜系統(tǒng)變得易于實現(xiàn)。MAS有3種結(jié)構(gòu)形式[5-6]：純分布式結(jié)構(gòu)、黑板結(jié)構(gòu)和聯(lián)邦式結(jié)構(gòu)。筆者采用黑板結(jié)構(gòu)實現(xiàn)設(shè)計無線抄表系統(tǒng)。黑板結(jié)構(gòu)中的黑板是一個公共數(shù)據(jù)存儲區(qū)，各個Agent通過對黑板的直接讀寫來完成數(shù)據(jù)共享。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及硬件組成

抄表系統(tǒng)中的通信主要是末端節(jié)點（水表）與物業(yè)中心的通信，本文設(shè)計采用SI4432和GPRS相結(jié)合的方式實現(xiàn)通訊。本系統(tǒng)中共存在3種設(shè)備：水表、帶有SI4432的采集器、帶有SI4432和GPRS的集中器。其中采集器用來采集水表數(shù)據(jù)，也是多Agent系統(tǒng)中重要的組成部分，集中器作為遠(yuǎn)程設(shè)備之間的中繼器來進(jìn)行通信，能夠用于拓展網(wǎng)絡(luò)的范圍。無線抄表系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線抄表系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of wireless meter reading system

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞譃?層。系統(tǒng)中的每個節(jié)點都是一個獨立的Agent。集中器Agent與物業(yè)中心Agent之間采用GPRS通訊，集中器Agent與采集器Agent之間采用SI4432無線通訊。物業(yè)中心Agent是系統(tǒng)的核心，其知識庫中存有系統(tǒng)的全局知識，它能夠接受來自表具的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)知識庫內(nèi)的知識判定數(shù)據(jù)的正誤，將正確的數(shù)據(jù)貼入黑板，以供協(xié)調(diào)時所用。集中器Agent靠集中器地址進(jìn)行識別，有自己的知識算法及數(shù)據(jù)庫。采集器Agent負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，并傳送給集中器，同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。抄表方式有2種：一種是定時通訊，采集器定時采集表具數(shù)據(jù)，上報給物業(yè)中心；另一種是即時通訊，操作人員不定時讀取某個表具數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)集中器上的GPRS模塊選用華為的MG323芯片，與采集器通訊使用的是SI4432無線通訊模塊，采集器與集中器采用SI4432無線模塊通訊，將Agent嵌入到系統(tǒng)的各個節(jié)點形成多Agent的無線抄表系統(tǒng)。

3 MAS數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)機制及通訊協(xié)議

圖2為MAS數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)機制流程圖。

圖2 MAS數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)機制流程圖Fig.2 Data flow chart of MAS coordinateon mechanism

通信協(xié)議是通信雙方為實現(xiàn)信息交換而制定的規(guī)則，本系統(tǒng)通訊協(xié)議的設(shè)計基于188協(xié)議，無線通訊時，為了防止雜波的干擾，在188協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行了個人的定義，通信數(shù)據(jù)是成幀成包發(fā)送的，數(shù)據(jù)包格式為：前導(dǎo)碼、起始符、表具類型、同步字（采集器的地址）、控制字、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)標(biāo)識位、數(shù)據(jù)、校驗、結(jié)束符。前導(dǎo)碼、起始符是同步的每一包數(shù)據(jù)的引導(dǎo)頭；數(shù)據(jù)標(biāo)識是系統(tǒng)的控制指令，本系統(tǒng)的控制命令有很多種，除設(shè)置類以外其他的3種比較重要分別是：抄表命令A(yù)A、錯誤重發(fā)命令BB、系統(tǒng)協(xié)調(diào)命令CC；校驗碼是每包數(shù)據(jù)的校驗標(biāo)志，采用求和的校驗方式，確保通訊正確；結(jié)束符是整個通訊包結(jié)束的標(biāo)志。這里給出即時抄表指令為：

FE FE FE FE 68 80 BB BB BB BB 03 08 AA 99 99 99 99 99 99 99 99 CS 16

其中：4個BB為采集器地址；7個99為表具地址；AA代表抄表。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為用戶用水量，該類數(shù)據(jù)具有一定的規(guī)律。針對這一特點，物業(yè)中心采用遞推算法判斷新的采樣數(shù)據(jù)是否符合歷史規(guī)律；對于需要協(xié)調(diào)的數(shù)據(jù)，集中器Agent采用最小二乘法進(jìn)行協(xié)調(diào)，通過數(shù)據(jù)擬合，得出合理的實時數(shù)據(jù)。

遞推算法是一種通過已知條件，利用特定關(guān)系得出中間推論，直至得到結(jié)果的算法[7]。表1為某用戶4月份上半月的用水量，描點畫圖，繪制出隨時間累計用水量的曲線。

表1 某小區(qū)4月份的用水量表Tab.1 Water consumption of a district in April

根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，繪制用水量與時間的關(guān)系圖如圖3所示。

圖3 用水量y與時間x關(guān)系圖Fig.3 Half a month curve of water cumulative consumption

圖中，圓點是用戶的實際用水?dāng)?shù)據(jù)，將2014-4-1的凌晨作為0，每小時加1獲得，通過線性回歸，得出實際數(shù)據(jù)的趨勢線，很明顯該用戶趨勢曲線為直線，用水基本均勻，沒有出現(xiàn)過異常數(shù)據(jù)，用待定系數(shù)法求出趨勢線表達(dá)式為

此線性公式即為用水量的理想線性規(guī)律。然而用戶水量不可能嚴(yán)格符合這一線性關(guān)系，因此需要根據(jù)歷史用水量設(shè)置一個偏差，同樣運用描點畫圖的方法，繪制時間與每單獨半個月用水量曲線如圖4所示。

圖4 半個月累計用水量及每天用水量與時間曲線Fig.4 Half a month cumulative water consumption and daily water consumption curve

顯然用戶半年內(nèi)拋去粗大誤差，最大偏差為0.6978，則設(shè)定用水量遞推公式為

例如在第12天的9：00采集數(shù)據(jù)，即x=11×24+9代入上式中，得到181.2133＜y＜182.6088。而采集到的實際數(shù)據(jù)為181.657，在此范圍內(nèi)，說明此數(shù)據(jù)是正確的；若一旦超出了這一范圍，則判定數(shù)據(jù)是可疑的，繼而系統(tǒng)自動進(jìn)入重發(fā)或協(xié)調(diào)模式。

需要說明的是用戶的趨勢線及允許偏差值并不是一成不變的，物業(yè)中心的知識庫可以根據(jù)用戶的歷史數(shù)據(jù)動態(tài)地改變用戶的趨勢線及允許偏差，例如：用戶的某次采樣數(shù)據(jù)超出了其允許偏差，但是由用戶正常用水造成（有外來居住人員），不存在表具錯誤和數(shù)據(jù)傳輸錯誤，這種情況下，系統(tǒng)將會更改趨勢線及允許偏差。

當(dāng)已判定某個數(shù)據(jù)為錯誤數(shù)據(jù)時，用最小二乘法對其進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，使得這些求得的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小，最小二乘法的判定效果主要取決于多重可決系數(shù)R2和殘差，多重可決系數(shù)R2是趨勢線的可用度，范圍在0～1之間，越接近1相似度越高，殘差則波動范圍越小越好[8]。本文中采取的變量是集中器Agent從黑板中讀取問題節(jié)點最近多少次的歷史數(shù)據(jù)，最終得出n為多少時取得合理的實時數(shù)據(jù)。

由于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)大體上滿足線性關(guān)系，所以設(shè)定經(jīng)驗公式為

其中：

5 結(jié)語

多Agent的無線抄表系統(tǒng)末端節(jié)點具有的獨立存儲和處理數(shù)據(jù)的功能，既減輕了上位機的工作負(fù)擔(dān)，也減少了系統(tǒng)的通信負(fù)載；同時在無線抄表正常工作的基礎(chǔ)上，對可疑數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，通過遞推算法和最小二乘法，使系統(tǒng)快速判別數(shù)據(jù)是否正確，如果錯誤則對錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)糾正；系統(tǒng)對數(shù)據(jù)實施的重發(fā)或協(xié)調(diào)模式，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和安全性，并能實現(xiàn)對表具的預(yù)警；所采集的數(shù)據(jù)或者擬合后的數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)的偏差可以忽略不計，保證了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。

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