吳德

摘 要 將多Agent技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，充分利用Agent與傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自治性與協(xié)作性，以煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)人員定位系統(tǒng)為背景，提出了一種基于多Agent系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合模型，分析了網(wǎng)絡(luò)中本地傳感器節(jié)點(diǎn)Agent與融合中心Agent的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，介紹了節(jié)點(diǎn)間協(xié)商的基本策略。

【關(guān)鍵詞】多Agent 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)融合

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，Wireless Sensor Network）由大量具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的微型傳感器以自組織方式構(gòu)成，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成數(shù)據(jù)的采集與傳送，可廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)和智能家居等諸多領(lǐng)域。多Agent系統(tǒng)是分布式人工智能的主要研究?jī)?nèi)容，在此系統(tǒng)中多個(gè)獨(dú)立的、智能的、自主的Agent通過相互作用共同完成特定的目標(biāo)和任務(wù)，其典型特征就是系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)、計(jì)算以及控制都是分布式的，這一點(diǎn)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相一致。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式自主系統(tǒng)，具有自組織功能，分布在不同位置的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擁有一定的獨(dú)立決策感知信息的能力，若將節(jié)點(diǎn)是為Agent，那么無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是一種多Agent系統(tǒng)。盡管如此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有一些自己的特殊特征，多Agent系統(tǒng)中的方法還不能直接應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。Ortiz C L等人以多Agent系統(tǒng)中的合同網(wǎng)為原型開發(fā)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)同方法；Sandholm T等人提出了基于任務(wù)再分配的動(dòng)態(tài)仲裁方法。本文以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)追蹤技術(shù)為背景，研究了基于多Agent系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合方法。

1 多Agent系統(tǒng)

多Agent系統(tǒng)是由多個(gè)Agent組成的Agent社會(huì)，是一種分布式自主系統(tǒng)。該系統(tǒng)的通過Agent的交互，設(shè)計(jì)多Agent協(xié)作求解復(fù)雜問題，其關(guān)鍵是協(xié)調(diào)各Agent的知識(shí)、目標(biāo)、策略和規(guī)劃。在實(shí)際系統(tǒng)中，多Agent系統(tǒng)通過各Agent間的協(xié)同工作來表達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，其主要的協(xié)同方式有通訊、合作、互解、協(xié)調(diào)、調(diào)度、管理及控制等。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合過程是一種將來源于不同或相同源的數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)處理，以得到更有效、更符合要求的決策信息或數(shù)據(jù)的過程。無線傳感器節(jié)點(diǎn)一般是以預(yù)先設(shè)定的頻率采樣并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，這些采樣信息在語義上多具有時(shí)空相關(guān)性。若將網(wǎng)絡(luò)中具有相關(guān)性的數(shù)據(jù)融合成能夠準(zhǔn)確表達(dá)真實(shí)物理狀態(tài)的信息或數(shù)據(jù)，即可有效減少網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。此外，數(shù)據(jù)融合還能夠剔除掉因傳感器節(jié)點(diǎn)受擾而產(chǎn)生的錯(cuò)誤。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)的主要思想是將來自不同節(jié)點(diǎn)的信息結(jié)合起來進(jìn)行融合處理，達(dá)到減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量的目的。

3 多Agent的無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合設(shè)計(jì)

3.1 問題描述

由于煤礦井下通信存在嚴(yán)重的多徑傳播、衰減、非視距、通信盲點(diǎn)，因此，為了保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，就需要使用融合技術(shù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

基于煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)人員定位系統(tǒng)，是在采煤工作面布置一定密度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)攜帶可識(shí)別模塊的礦工進(jìn)入工作區(qū)域去，傳感器網(wǎng)絡(luò)就返回感知信息并保持對(duì)目標(biāo)的追蹤。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)選舉簇頭，然后由簇頭跟上級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，返回追蹤信息，其中簇頭的選舉動(dòng)作由事件觸發(fā)的。如圖1所示，在某一特定時(shí)刻，處在偵測(cè)范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)選舉一個(gè)簇頭，該簇頭節(jié)點(diǎn)作為信息融合中心，其他節(jié)點(diǎn)將各自偵測(cè)到的信息發(fā)送到該簇頭節(jié)點(diǎn)。

3.2 融合模型設(shè)計(jì)

基于Agent的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合模型如圖2所示，各類傳感器節(jié)點(diǎn)的Agent都具有任務(wù)管理、信息中繼、資源管理以及數(shù)據(jù)處理等功能。動(dòng)態(tài)選舉出來的簇頭節(jié)點(diǎn)作為融合中心，處在活動(dòng)狀態(tài)的其他節(jié)點(diǎn)即作為本地傳感器，數(shù)據(jù)的融合通過本地傳感器Agent與融合中心Agent協(xié)作完成。圖3是本地傳感器節(jié)點(diǎn)Agent的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由任務(wù)管理負(fù)責(zé)調(diào)度Agent各個(gè)功能直接的調(diào)度任務(wù)，數(shù)據(jù)處理任務(wù)根據(jù)傳感器采集的信息與本地規(guī)則，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通信與信息中繼任務(wù)實(shí)現(xiàn)本地節(jié)點(diǎn)與融合中心的協(xié)作與通信。與本地Agent不同的是，融合中心Agent具有調(diào)度簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的功能，且擁有不同的中心融合規(guī)則，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.3 協(xié)作

數(shù)據(jù)的融合是由本地傳感器節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)間的協(xié)商實(shí)現(xiàn)。其具體的協(xié)商策略是：融合中心接到任務(wù)后，對(duì)鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)并分級(jí)，目的是選擇能夠完成任務(wù)的高效節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而在局部形成一個(gè)偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)；然后融合中心Agent將任務(wù)靜態(tài)的分配到該網(wǎng)絡(luò)，各分配到任務(wù)的本地Agent按照中心提供的本地規(guī)則對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再將結(jié)果發(fā)送到融合中心Agent；最后由融合中心Agent根據(jù)中心融合規(guī)則完成任務(wù)，并將最終結(jié)果反饋到任務(wù)發(fā)布者。

4 結(jié)論

基于多Agent技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合模型，以邏輯分析為基礎(chǔ)，利用Agent與傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)煤礦環(huán)境的感知和決策功能，通過多Agent協(xié)作，減少?zèng)Q策過程對(duì)數(shù)據(jù)融合中心的依賴，增強(qiáng)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性。但是多Agent任務(wù)管理需要消耗一定的系統(tǒng)資源，主要包括物理存儲(chǔ)空間、能量等，這對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體性能帶來一定影響。多Agent的協(xié)商算法及融合規(guī)則，以及Agent向后傳播的算法是下一步研究的重點(diǎn)。

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作者單位

金華經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)管委會(huì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)局 浙江省金華市 321017