李 巖， 邢勝偉， 張英俊

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

海上搜救行動(dòng)是保障海上生命和財(cái)產(chǎn)安全的最后一道防線，建立高效的海上搜救決策系統(tǒng)能夠極大地減少海上人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。執(zhí)行海上搜救行動(dòng)包括確定海上搜尋區(qū)域和分配海上搜尋任務(wù)兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。其中，海上搜尋任務(wù)分配問(wèn)題就是利用確定的搜尋區(qū)域去優(yōu)化分配搜尋資源，制定搜尋計(jì)劃，使得在最短的時(shí)間內(nèi)，動(dòng)用最少的搜尋資源確定遇險(xiǎn)人員或船舶的位置。

海上搜尋任務(wù)分配問(wèn)題一直是海上搜救方面的研究重點(diǎn)。KOOPMAN[1]提出的搜索論是最早的關(guān)于海上搜尋資源優(yōu)化分配的理論，對(duì)指導(dǎo)海上搜救行動(dòng)影響深遠(yuǎn)。文獻(xiàn)[2]通過(guò)對(duì)海上船舶遇險(xiǎn)形式及可能造成的后果進(jìn)行分類及分析，提出了海上救助船舶的擇優(yōu)選取原則與方法。文獻(xiàn)[3]通過(guò)BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練獲得海上搜救中救助船優(yōu)選決策因素權(quán)重值，從而確定合適的救助船。文獻(xiàn)[4]通過(guò)建立0～1規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，通過(guò)分析不同船舶總量限制條件下的最優(yōu)值與搜尋成本之間的關(guān)系，得出經(jīng)濟(jì)、可行的搜尋方案。文獻(xiàn)[5]采用3種多目標(biāo)優(yōu)化選擇方法解決海上搜尋救助船舶的優(yōu)選問(wèn)題并且證明了3種方法的可行性。海上搜尋是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，搜尋資源和時(shí)間有限，搜尋區(qū)域和參與搜尋的搜救力量的狀態(tài)變化多端，上述文獻(xiàn)大部分采用過(guò)于理想化的數(shù)學(xué)模型，不能完全適用于實(shí)際的海上搜尋環(huán)境。

近年來(lái)，隨著人工智能的發(fā)展，多智能體系統(tǒng)(Multi-Agent System, MAS)的應(yīng)用研究也越來(lái)越廣泛，基于MAS的任務(wù)分配問(wèn)題也逐漸成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[6]。拍賣是一種快速和有效的資源分配方法，具有較強(qiáng)的可操作性，自從金涬等[7]提出將拍賣機(jī)制引進(jìn)MAS后，隨之而來(lái)對(duì)基于拍賣規(guī)則的MAS任務(wù)分配問(wèn)題研究的也越來(lái)越多。文獻(xiàn)[8]分別提出了基于拍賣的多智能體任務(wù)分配算法并在機(jī)器人救火中進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了算法的有效性。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)一個(gè)基于拍賣的任務(wù)分配系統(tǒng)MURDOCH，指導(dǎo)機(jī)器人協(xié)同工作。

由上述研究可看出，基于拍賣規(guī)則的多智能體任務(wù)分配方法在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，但是，目前將其應(yīng)用于海上搜尋任務(wù)分配的研究較少。因此，本文提出將拍賣規(guī)則算法應(yīng)用于解決海上搜尋任務(wù)分配問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于改進(jìn)拍賣規(guī)則的多智能體海上搜尋任務(wù)分配方法。該方法滿足目前海上搜尋任務(wù)分配問(wèn)題的實(shí)際情況，能夠適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的海上搜尋環(huán)境，能夠利用有限的搜尋資源，為決策人員提供最優(yōu)的問(wèn)題解決方案，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1 拍賣規(guī)則模型

拍賣是人類社會(huì)中的一種經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象，賣方和買方根據(jù)規(guī)定的拍賣規(guī)則達(dá)成交易，實(shí)現(xiàn)資源的合理分配。對(duì)傳統(tǒng)的拍賣模型進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)可以使其適用于多智能體的任務(wù)分配，基本的模型如下：

Auc=

(1)

(2)

由上述模型可以看出，在拍賣過(guò)程中存在兩種智能體：拍賣智能體A和競(jìng)拍智能體B。A可以通過(guò)規(guī)定的選擇標(biāo)準(zhǔn)決定競(jìng)拍的優(yōu)勝者，這些優(yōu)勝者將共同協(xié)作完成任務(wù)。

2 海上搜尋任務(wù)分配

基于上述研究表明，拍賣規(guī)則可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的任務(wù)分配問(wèn)題。針對(duì)海上搜尋任務(wù)分配問(wèn)題的特點(diǎn)，對(duì)拍賣規(guī)則進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)可使其滿足海上搜尋任務(wù)分配的需求。

2.1 海上搜尋任務(wù)分配的拍賣模型

以我國(guó)海上搜救組織形式為例，我國(guó)海上搜救指揮機(jī)構(gòu)分為3級(jí)，即中國(guó)海上搜救中心、省級(jí)海上搜救中心和市級(jí)海上搜救中心[11]。各級(jí)海上搜救中心統(tǒng)一負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)轄區(qū)內(nèi)海上搜救任務(wù)，因此，各級(jí)海上搜救中心即為拍賣智能體。事故區(qū)域附近的過(guò)往船舶和專業(yè)的救助船舶即為競(jìng)拍智能體。各智能體之間關(guān)系見(jiàn)圖1。

2.1.1拍賣智能體

當(dāng)海上搜救中心接到海上搜尋任務(wù)T后，著手對(duì)該任務(wù)進(jìn)行拍賣，海上搜救中心智能體即為拍賣智能體A。海上搜救中心需要向過(guò)往船舶及專業(yè)救助船舶等搜救力量發(fā)布搜尋任務(wù)信息，即向其他智能體公布拍賣信息，并等待它們對(duì)任務(wù)T進(jìn)行競(jìng)拍。因?yàn)樾枰趯?shí)時(shí)環(huán)境中進(jìn)行快速的任務(wù)分配，所以規(guī)定每一輪拍賣的時(shí)間限制，當(dāng)一輪拍賣結(jié)束后，拍賣智能體A根據(jù)競(jìng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)選擇出價(jià)最高的N個(gè)智能體為競(jìng)標(biāo)成功智能體，競(jìng)拍成功智能體將共同協(xié)作完成該任務(wù)，至此，競(jìng)拍活動(dòng)結(jié)束。拍賣智能體的拍賣流程見(jiàn)圖2。

2.1.2競(jìng)拍智能體

當(dāng)過(guò)往船舶或?qū)I(yè)救助船舶等接收到海上搜救中心發(fā)布的搜尋任務(wù)信息，即拍賣智能體A發(fā)布的拍賣信息，如果同意參與搜尋任務(wù)即同意競(jìng)拍，則該搜救力量智能體即成為競(jìng)拍智能體B。計(jì)算投標(biāo)價(jià)格，向拍賣智能體A發(fā)送競(jìng)標(biāo)消息。若競(jìng)標(biāo)成功，則該智能體將與其他競(jìng)標(biāo)成功智能體協(xié)作完成該任務(wù)。競(jìng)拍智能體的競(jìng)拍流程見(jiàn)圖3。

2.2 海上搜尋任務(wù)分配的改進(jìn)拍賣規(guī)則

2.2.1限制拍賣信息發(fā)布范圍

當(dāng)海上搜救中心確定了搜尋區(qū)域后，需要選擇合適的搜尋力量進(jìn)行任務(wù)分配。由于海上搜尋任務(wù)的特殊性，搜尋設(shè)施選擇應(yīng)掌握以下幾個(gè)原則：

(1) 優(yōu)先指派專業(yè)搜尋力量原則;

(2) 就近指派搜尋力量原則;

(3) 搜尋力量足夠原則。

牛皮糖瞟了一眼保安，那個(gè)保安十分年輕，還像一個(gè)毛都沒(méi)有長(zhǎng)全的雛雞。他倒真沒(méi)有把他當(dāng)回事。就說(shuō)，我找鎮(zhèn)長(zhǎng)。

因此，為盡量縮短搜救反應(yīng)時(shí)間，避免不必要的通信資源浪費(fèi)，搜救中心智能體應(yīng)該將拍賣信息優(yōu)先發(fā)布給專業(yè)的搜救力量智能體，并設(shè)定初始反應(yīng)時(shí)限tl，計(jì)算事故周圍船舶到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間ta，可以向ta≤tl的船舶發(fā)送拍賣信息，如果滿足條件的船舶數(shù)量過(guò)少，可以適當(dāng)調(diào)高tl，以滿足搜尋設(shè)施足夠原則。

2.2.2調(diào)整競(jìng)拍價(jià)格計(jì)算方法

原始的拍賣機(jī)制是，拍賣智能體從參與競(jìng)拍的n個(gè)競(jìng)拍智能體中選擇競(jìng)拍價(jià)格從高到低的N個(gè)競(jìng)拍智能體為競(jìng)拍成功智能體。因此，競(jìng)拍價(jià)格是決定最后選擇智能體質(zhì)量的關(guān)鍵。在海上搜尋任務(wù)中，搜尋力量的選擇應(yīng)該是滿足到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間短、搜尋速度快等條件的船舶。因此，應(yīng)該首先確定船舶效益型屬性(例如船舶類型、搜尋速度等)和成本型屬性(例如到達(dá)搜救現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間等)。船舶效益型和成本型屬性的確定可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整。競(jìng)拍價(jià)格應(yīng)為總效益值與總成本值的差值為

Gi=ω1×Yi+ω2×Vi

(3)

Ci=ω3×ti

(4)

Pi=Gi-Ci+ε

(5)

式(3)～式(5)中:i為正整數(shù)，i∈[1,n]，P為各搜尋力量所出的競(jìng)拍價(jià)格；Y、V、t分別為船舶類型值，船舶搜尋速度值和船舶到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間值；ε為調(diào)整系數(shù)，以防止競(jìng)拍價(jià)格為負(fù)值；ω1、ω2、ω3分別對(duì)應(yīng)著上述3種屬性值所占權(quán)重值，各權(quán)重值的確定可以根據(jù)海上搜尋專家知識(shí)庫(kù)或者海上搜尋經(jīng)驗(yàn)獲得，也可以根據(jù)各任務(wù)情況的不同做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。同時(shí),為防止各屬性值在評(píng)價(jià)中被不適當(dāng)?shù)姆糯?，采用文獻(xiàn)[12]中的歸一化方法對(duì)各屬性值進(jìn)行處理。其計(jì)算為

(5)

2.2.3任務(wù)分配的動(dòng)態(tài)調(diào)整

海上搜尋目標(biāo)其位置因風(fēng)和流的作用而隨時(shí)間變化，因此，搜尋行動(dòng)如果時(shí)間跨度較大，則需要分階段調(diào)整搜尋區(qū)域，使搜尋目標(biāo)始終處于搜尋區(qū)域之內(nèi)。并且,如果獲得了新的遇險(xiǎn)信息或者搜尋設(shè)施的狀態(tài)發(fā)生改變，也需要調(diào)整搜尋區(qū)域和任務(wù)分配。海上搜尋任務(wù)分配的動(dòng)態(tài)調(diào)整規(guī)則如下：

(1) 任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行后，如果有搜尋力量智能體由于自身原因中途退出，則搜救中心智能體對(duì)該退出搜尋力量智能體執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)行重新拍賣，正在參與搜尋任務(wù)的搜尋力量智能體如任務(wù)完成可參與競(jìng)拍，如任務(wù)未完成則不可參與競(jìng)拍;

(2) 初始搜尋行動(dòng)結(jié)束后，如未找到搜尋目標(biāo)，則對(duì)搜尋區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，搜救中心對(duì)出現(xiàn)的新任務(wù)進(jìn)行拍賣，此時(shí)，完成搜尋任務(wù)的搜尋力量智能體均可參與競(jìng)拍;

(3) 如未調(diào)整區(qū)域之前，搜尋力量智能體已完成搜尋任務(wù)，并且此時(shí)還有區(qū)域沒(méi)有被搜尋，則可單獨(dú)向搜救中心智能體申請(qǐng)競(jìng)拍新搜尋任務(wù)。

2.3 海上搜尋任務(wù)分配流程

3 仿真試驗(yàn)

假設(shè)某一海上搜尋任務(wù)，搜尋目標(biāo)是一落水人員，待搜尋區(qū)域面積為300 (n mile)2，海上搜救中心智能體確定搜尋區(qū)域后，著手對(duì)搜尋任務(wù)進(jìn)行分配，即進(jìn)行拍賣。為了快速開(kāi)始搜尋行動(dòng)，需要限制拍賣信息發(fā)布范圍，將初始反應(yīng)時(shí)限設(shè)置為2 h，則滿足條件的搜尋力量見(jiàn)表1。船舶類型屬性值可以根據(jù)文獻(xiàn)[12]中的方法確定，專業(yè)型救助船舶的船舶類型屬性值設(shè)為5，其他船舶設(shè)為2。

表1 滿足拍賣條件的船舶信息

上述船舶接收到搜救中心智能體發(fā)送的拍賣信息后，全部決定參與競(jìng)拍，這6艘船舶都為競(jìng)拍智能體，通過(guò)向?qū)＜易稍兗跋嚓P(guān)海上搜救經(jīng)驗(yàn)設(shè)置權(quán)重系數(shù)ω1=0.3,ω2=0.2,ω3=0.5,ε=1，對(duì)競(jìng)拍智能體的屬性值進(jìn)行歸一化處理并給出各自的競(jìng)拍價(jià)格見(jiàn)表2。

表2 歸一化屬性值及競(jìng)拍價(jià)格表

按照競(jìng)拍價(jià)格高低順序船舶序號(hào)依次為1,2,3,5,6,4。4號(hào)船舶到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且搜尋速度不快，不利于搜救行動(dòng)；6號(hào)船舶雖然搜尋速度較快，但是到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間沒(méi)有3號(hào)和5號(hào)船舶短。結(jié)合競(jìng)拍價(jià)格高低，選擇1,2,3,5號(hào)船舶共同參與搜救行動(dòng)，選擇結(jié)果符合實(shí)際情況。結(jié)合搜尋船舶進(jìn)入搜尋現(xiàn)場(chǎng)的切入點(diǎn)，考慮搜尋船舶的搜尋速度等因素分別為各搜尋船舶分配不同大小的搜尋區(qū)域搜尋行動(dòng)區(qū)域分配見(jiàn)圖5。

如果現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)搜尋時(shí)間4 h過(guò)后仍然沒(méi)有搜尋到落水人員，則搜救中心智能體需要對(duì)搜尋區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，這時(shí)將會(huì)有新的搜尋任務(wù)出現(xiàn)，需要更多的智能體參與搜救，則搜救中心智能體將對(duì)新任務(wù)進(jìn)行拍賣，并從參與競(jìng)拍的智能體中選出最后的競(jìng)拍成功智能體。如果完成搜救任務(wù)的船舶愿意接著參與搜尋行動(dòng)，也可參與新任務(wù)的競(jìng)拍。調(diào)整后的搜尋行動(dòng)區(qū)域分配見(jiàn)圖6。

從上述仿真結(jié)果可知，基于拍賣規(guī)則的海上搜尋任務(wù)分配中，選擇競(jìng)拍價(jià)格最高的搜尋力量是滿足任務(wù)分配模型的最優(yōu)解，并且能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)分配模型，具有較高的魯棒性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于改進(jìn)拍賣規(guī)則的多智能體海上搜尋任務(wù)分配方法，該方法能夠針對(duì)海上搜尋現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇最優(yōu)的搜救力量參與搜尋行動(dòng)并能夠在搜尋現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整搜尋任務(wù)分配，提高海上搜尋效率，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。但是，本文計(jì)算競(jìng)拍價(jià)格時(shí)只考慮了船舶類型等幾個(gè)屬性，實(shí)際應(yīng)用中可以針對(duì)不同的海上搜尋任務(wù)場(chǎng)景選擇不同的屬性值以及調(diào)整權(quán)重系數(shù)。