硕士论文-基于MAS的家居能量系统的Agent实现及其智能管理.doc

重庆大学硕士学位论文基于mas的家居能量系统的agent实现及其智能管理硕士研究生： 指导教师： 学科专业：控制理论与控制工程重庆大学自动化学院二oo七年五月ph.d. dissertation of chongqing universitymas-based home energy management system and its intelligent agent ph.d. candidate: supervisor: prof. major: control theory and control engineeringcollege of automation chongqing universitymay 2007重庆大学硕士学位论文 中文摘要摘 要随着社会信息化的加快，人们的工作、生活和通讯、信息的关系日益紧密。信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时，也对传统的住宅提出了挑战，社会、技术以及经济的进步更使人们的观念随之巨变。人们对家居的要求早已不只是物理空间，更为关注的是一个智能、安全、方便、舒适的居家环境。于是为了适应信息化时代要求，智能这个概念被引入了家庭，由此产生了智能家居这个概念。智能家居可以定义为以住宅为平台、兼备建筑、网络通信、设备自动化、信息家电，集系统、结构、服务、管理为一体，实现高效、舒适、安全、便利、环保、节能的居住、娱乐的自动化系统。作为人工智能成果之一的智能agent技术也逐渐被中外学者引入并成为探讨家居智能化的新方向。agent的原意是“代理”或“中介”的意思，也被称为“智能主体”或者“智能代理”，它是一种能够模拟人类行为，具备代理性、智能性并能提供相应服务的计算实体。将具有不同目标的多个agent进行合理的组合，即构成了多agent系统（mufti-agent system，mas）。mas作为分布式人工智能的典型应用，具有按需协作、松散耦合的运行方式，这些特点与智能控制系统的需求完全吻合。论文分析了现有家居能量设备集中控制解决方案的不足，结合多agent技术，建立了基于mas的家居能量系统模型maes(multi-agent-based home energy system)，并给出了模型的主要组成结构。同时，归纳出模型中的各种agent，设计出各种agent的功能、结构模型和实现方式。论文重点研究了家居能量系统模型中的多agent通信与学习的问题。首先系统地研究了现有的多agent通信方式和通信语言，并在此基础上，结合家居环境的实际情况，提出了基于通信服务器模式的多agent通信模型。然后深入地研究了agent学习问题，在家居能量系统中，对某些具有特殊功能的agent增加其学习能力，将会使系统的性能得到改善，于是本文提出了一种基于长期得益的多agent协作学习算法。该算法将长期得益的估计值作为动作的选择策略，最大的估计值相对应的动作既是当前最好动作。由于该算法使得每个agent都要考虑后继状态和动作得益，并采用联合动作的长期得益作为学习的线索，所以更有利于寻找最优联合动作策略。本文将该算法应用在热水器的恒温系统中，仿真实验结果表明：该算法使学习过程建立在较好的学习基础上，从而更快地趋近于最优状态，达到快速恒温的目的。基于mas技术对家居能量系统的研究，有利于对家居环境进行系统分析，可以较好的解决家居环境中即插即用的问题，同时也有利于降低家庭组网的成本，有助于加快家庭网络标准的制定。关键词：智能家居，agent，mas，家居能量系统，强化学习6重庆大学硕士学位论文 英文摘要abstractkeywords：重庆大学硕士学位论文 目录目 录重庆大学硕士学位论文 1 绪论1 绪 论1.1 智能家居概述1.1.1 智能家居的出现网络、信息技术的高速发展给整个社会带来了巨大变化，以信息为纽带实现人、家电设备以及社会的融通，是人们对舒适、方便生活方式的追求，也是社会发展的必然。为了适应信息化时代的要求，在家居方面，世界上一些科研机构已经将智能大厦的概念和模式引进智能小区，并进一步引进家庭，由此产生了智能家居这一概念。家庭是社会的细胞，只有家庭实现信息化，才能真正实现社会的信息化，才可能建立一个名副其实的信息社会。实现家庭信息化，建立完善的智能家居系统则是必由之路。智能家居是指将各种信息设备和住宅设备通过家庭网络连接起来，并保持这些设备与住宅的协调，从而构筑成舒适安全的信息化居住空间，以便于实现在信息社会中富有创造性的生活。智能家居旨在提供安全、舒适、方便的居住环境，满足人们在家中生活、工作、娱乐和交流的需要，提供安全防护、社区管理和人们外出时了解家居状况的手段。智能家居主要实现的功能可大致归纳为六类：1) 安防及消防报警自动化；2) 家电设施智能化；3) 物业管理自动化；4) 信息和通讯自动化；5) 各设备之间的协同工作；6) 环境与节能，即家居能量系统的智能控制。1.1.2 国内外发展状况随着人们对生活质量、居住条件、信息获取的需求更加迫切，家居信息化成为社会信息化过程中的一个很重要环节。信息社会是一个极度广泛的概念，一般说来，信息社会主要包括三个内容，即办公信息化、家庭信息化、公共设施信息化。目前，办公信息化和公共设施信息化已经受到各方面的极大重视，而且已经在一定深度和广度上加以实施。相对于办公信息化和公共设施的信息化，家居信息化还处于滞后状态。近年来，世界上不少有识之士已意识到家庭信息化的重要性，把发展家庭信息化作为一个极其重要的方向来考虑。要实现家庭信息化，建立完善的智能家居系统则是必由之路。智能家居系统在发达国家起步较早，始于20世纪80年代，某智能化住宅小区装备有各种通信、家电、安保等设施，通过总线技术应用计算机和信息技术，实现监视、控制与管理等智能功能。自此之后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。目前，全球最大的智能化住宅群位于美国，其占地3359公顷，约由8000栋小别墅组成，每栋别墅设置有16个信息点，仅综合布线造价就达2200万美元。日本幕张也建有一个类似的高标准示范性住宅小区。在新加坡、欧洲和台湾地区等，也都建有不少应用智能化系统的住宅小区。美国、日本都已对住宅小区智能化系统制定了技术标准，而一些发达国家已把应用于智能化居住小区的基础产品形成系列，相当一部分产品已经通过了国际质量认证，在国际市场上占据优势。目前市场上已出现的智能信息家电和智能家居类的产品主要有：1) neywell公司的智能家庭产品；2) jds公司出品的stargate家居自动化系统；3) hai公司出品的ni智能家居系统；4) hal公司出品的aldeluxe智能家居系统；5) vantage公司的家居自动化系统。我国智能家居的发展始于上个世纪九十年代末，由建设部住宅产业中心颁布的全国智能化住宅小区系统示范工程建设要点与技术导则（试行稿）带动和促进了我国智能化住宅小区的建设。目前，我国的智能化住宅小区还仅建于经济较为发达的地区，如大部分省会城市和直辖市以及经济较为发达的沿海大中城市等。随着时间的推移，随着技术的发展，随着人们生活水平的提高，智能化住宅小区将会逐渐扩展，在一些中小城市，也将建成一大批智能化住宅小区，甚至将小区扩大为一个智能化社区或城市。自2000年以来，国内一些企业开始研究网络家电，并且相继推出了自己的产品。但是，由于没有统一的技术标准，各厂家所用的技术差异较大。为此，原国家经贸委、信息产业部及数家企业于2000年联合成立了工作组，讨论制定了一个统一的技术标准家庭网络系统技术规范，2003年1月中国家庭网络系统技术规范已提交信息产业部，相关技术规范将进入标准制定流程。虽然我国智能家居相关产品的研制相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准，但近几年在政府的大力扶持下，国内很多公司和科研机构纷纷参与到家庭网络及信息家电相关产品的研发工作中，并着手制定中国的家庭网络标准。2000年12月，中美科龙智能控制联合研发中心研制开发的“现代家居信息服务及智能集散控制系统”问世，并在北京通过专家鉴定。该系统有效地集成了家电控制、家电远程故障诊断维护和家庭娱乐等功能。2001年，清华同方推出了“e-home数字家园”，e-home是清华同方为中国家庭及社区提供的全方位数字化解决方案，着眼于最基本的社会单元家庭。e-home包括三个层次：家庭自动化、小区智能化、社区信息化。其目标是实现人们生活、工作的网络化。2001年，在信息产业部的组织下，由国内海尔、长虹、春兰、上广电、小天鹅、长信佳、厦新、阜国、清华同方、tcl、中兴和中电科技集团三所12家单位组成“家庭网络平台接口标准组”，经过近三年的努力，借鉴和参考国际上现有的各种智能互联标准，经过多次论证形成了标准并提交标准组进行讨论，目前大组中的讨论还在继续。2003年6月，合肥工业大学分布式控制实验室承担的国家十五攻关项目“信息家电及嵌入式组网技术研究”通过省级鉴定。该项目对家庭网络互联的共性关键技术进行了深入研究，提出的信息家电组网方案及智能家居的体系架构先进合理、可行性好，研制的家居服务器和智能家居系统功能齐全、性价比高。2003年7月，以联想为首的5家中国企业结成“闪联”。“闪联”的意图不在制定标准本身，而是利用中国的市场和生产要素来提高中国企业在“数字家庭联盟”标准制定中的地位。这说明在“信息家电时代”的国际竞争中，中国企业已经从产品竞争上升到标准竞争的层面。1.2 智能代理技术概述1.2.1 智能代理（agent）智能代理(agent)的概念起源于20世纪70年代，是一个新的研究和开发领域，其内容涉及到人工智能、信息检索、计算机网络、数据库、数据挖掘、自然语言处理等领域的理论和技术，主要是人工智能(ai, artificial intelligence)方面的研究。随着计算机网络以及基于网络的分布式计算技术的发展，智能代理(agent)技术研究逐渐成为人工智能领域的一个新的研究热点，也成为分布式人工智能(distributed artificial intelligence, dai)的重要研究方向。agent的原意是“代理”或“中介”的意思，也被称为“智能主体”或者“智能代理”，由于agent在不同学科领域中应用时，其结构形式、功能要求和内部特征上都存在着一定的差别，因此不同领域对agent的定义也有所不同。虽然关于agent至今仍未有统一的定义，但有一种观点得到众多研究者的认可，即具有以下属性的硬件系统和计算机软件系统被称为agent：1) 自主性 (autonomy) ： agent可以在没有人或其它agent直接干预的情况下运行，并且具备某种对自己的行为和内部状态控制的能力。2) 社交性 (sociability) ：agent和其它agent或者是人可以通过agent交互语言进行交流。3) 反应性 (reactivity) ：agent观察其环境 (可能是物理世界、图形世界、一系列其它agent等) ，并在一定的时间内做出反应，以改变该环境。4) 预动性 (pre-activeness) ：agent不仅能简单地对环境做出反应，而且能够通过接受某些启示信息，体现出面向目标的行为。在人工智能领域，研究者们更强调agent具有人类的特性，即agent除了包含以上那四个特性外，还应该具有知识和信念、意图和义务这两个特性。知识 (knowledge)意味着agent不仅要具有动态收集信息的能力，而且可以对信息进行推理，甚至可以按照特定的环境选择相应的推理策略；信念（beliefs）是对当前事实的看法，它随环境的变化而变化，并可与其它agent交互、共享。意图（intention）反应了agent在整个生命周期内的长期目标，该目标将产生许多短期目标；义务（obligation）体现了为了达到短期目标，agent将执行一些单独的任务，并负责任务的完成，即完成一定的义务。实际上，对agent还可以列举出更多的特性，但目前还没有一个公认的一般性准则来定义它。1.2.2 多智能体系统（multi-agent system，mas）所谓mas，是指由多个可计算的agent组成的集合。其中每个agent分别对其具有的不同目标、资源等进行合理的安排，以协调各自行为，最大程度地实现各自的目标。从本质上讲，mas是一种典型的分布式系统，是由多个问题求解实体组成，为求解一个单独实体不能完成的任务而共同工作的松耦合问题求解网络。mas的数据和资源是分散的，每个agent对于所要完成的任务拥有不全面的信息或能力，其执行任务的观念是局部的，不存在全局的控制系统，问题的求解和计算异步进行。目前，对mas的研究主要是从宏观角度去研究，研究多个agent之间的相互协调和协作的原理以及实现的方式，包括在mas活动中各agent之间的相互作用如何产生；每个agent成员的推理和行为决策如何考虑系统或环境中其它agent的存在；agent成员的目标和行为之间可能的冲突检测与协调，以及任务和资源的划分与分配等。1.2.3 智能代理技术的研究内容与发展方向智能代理技术最初应用于商业领域，随着通信技术和网络信息技术的迅速发展，其特性和功能也不断地扩展，从软件工程到分布式系统，从多媒体技术到internet技术，从经济决策到最优化等等，都取得了一定的成果。这些领域都采用了mas的相关方法与技术，所以说对mas的研究已经成为各个领域的研究主流。 目前关于多agent系统的研究主要集中在如下几个方面：1) agent模型mas中的agent必须对其它agent进行建模，即如何在一定的抽象层次上描述其它agent的知识。这是多agent推理和协作的基础。将agent视为具有意图的智能系统，基于思维状态的agent建模成为研究的主流。借鉴人类思维建立agent的bdi模型，进而向多agent扩展，分析社会承诺和联合意图等概念，研究多agent群体的bdi模型。2) agent的通信这是实现agent间相互作用的基础，涉及到agent之间联系的物理方式、agent通信语言的理解和生成等。如果多agent系统是异质的，则如何将不同的知识表示转换成相同的通信语言也是一个重要问题。3) 多agent间的协调与协作多agent的协调是指具有不同目标的多个agent对其目标、资源等进行合理安排，以协调各自行为，以一致、和谐的方式进行交互，最大程度的实现各自目标。多agent协作是指多个agent通过协调各自行为，合作完成共同目标。 mas在成为当今各学科领域研究热点的同时，也逐渐从理论研究走向实际应用，许多大型复杂的应用系统都采用了agent、mas的相关方法和技术，来解决应用中的难点问题。今后，mas的研究将着重对mas中的通信和交互技术、体系结构和组织形式、多agent间的协调与协作以及面向agent的程序设计方法等方面进行研究。1.3 论文的研究背景和意义近几年来，国内外研究机构和厂商已经意识到家庭信息化的重要性，把智能家居作为一个极其重要的方向来考虑，并纷纷投入技术力量和资金对其进行研究和产业化。但智能家居要真正进入市场，还有很多障碍需要克服，其技术障碍主要是如何建立比较经济的家庭网络环境，以及提供家庭网络环境下价格便宜的信息家电产品，另外还有解决不同厂商生产的信息家电之间协同工作的问题。本文着重探讨了智能家居系统中占有相当比重的一部分家居能量控制系统，它着眼于解决智能家居中能量设备的集中控制和合理节能的问题。研究如何采用mas技术的思想、方法和体系构建一个家居能量系统的模型，用agent实现不同功能单元的控制和管理，最后通过agent之间的通信与合作实现整体的有机融合，分析和解决了其中的部分关键问题，具有重要的理论与现实意义。信息家电是21世纪信息产品的发展方向，最为世界上最大的家电生产国之一的我们，更应加快步伐，推出自己的、有特色的信息家电产品。通过对基于mas技术的家居能量系统进行研究，建立具有自主知识产权的智能家居网络标准，对加快我国信息家电产业的发展有着重大的经济和社会意义。重庆大学硕士学位论文 2 家居能量控制系统2 家居能量控制系统随着进入家庭的家电产品越来越多，家电产品的单体分散控制日益不便，迫切要求对家电设备集中控制。同时，为了提高家居生活的便利性与经济性，集中控制的同时是还要达到节能的目的。因此，根据当前家庭状况（家庭环境、时间、住户活动状态）自动协同和控制各家电设备的工作，便引入了家居能量控制系统。2.1 家居能量系统的内容根据控制的对象和方式，能量控制系统包括照明控制系统、居室环境控制系统、厨房设备控制系统等，如图2.1所示： 智能家居其他子系统 照明控制系统居室环境控制系统厨房设备控制系统其他能量控制子系统各类家庭电器设备家 庭 网 络 家 庭 网 络图2.1家居能量系统的功能模块图照明控制系统是对室内的照明系统进行集中控制，实现住宅灯光的个性控制，一方面住户可以通过控制器方便地管理任一电灯，如遥控其他房间里的电灯，而不用起身操作；另一方面根据住户的活动和住宅光线的状态，自动进行照明系统的调整。居室环境控制系统是指一方面接收住户的指令启关空调和窗帘等环境控制设备，另一方面根据预设的环境控制条件，自动启停环境控制设备。如根据设定的温湿度自动启停空调系统，根据室内光线的强弱自动开关窗帘等。厨房设备控制系统包括3方面的内容 ：一是根据住户的指令启停相应的厨房设备，如微波炉、电饭煲等；二是根据这些设备的运行特点和家庭的实际生活特点，设置设备的运行规则，进行启停控制，以达到便利和节能效果，如饮水机、电热水器等，可以使其在家庭成员离家后停止运行，在家庭成员归家前半小时再启动运行；三是根据住宅状态，自动进行相应设备的开启，如厨房煤气或天然气管道发生泄漏时打开排气扇。2.2 家居能量系统的功能根据以上3个子系统的内容和性质，可以归纳出能量控制系统主要实现3个方面的功能：1) 住户对家电设备的集中控制住户对家电设备的集中控制是指住户通过遥控器或电话等方式，可以控制住宅内的任一家电设备，从而大大提高住户生活的便利性。例如在卧室内可以通过按钮或遥控器对其他房间的设备进行相关控制。从控制方式来看，住户对家电设备的集中控制还可以分为户内集中控制和户外远程控制两类，户内集中控制是指在家庭里利用有线或无线的方式对家电设备进行集中控制；户外远程控制是指住户利用电话或互联网在异地对家电设备进行控制，实现家电设备的启停。2) 家电设备的自动启停控制家电设备的自动启停控制主要是指家电设备根据时间、家庭环境的变化而自动调整工作模式。主要应用有：根据室内光线的变化自动开启和关闭房间的电灯；当房间的温度和湿度超过预设的范围时自动开启空调系统；根据设置的运行规则对电热水器、饮水机等设备进行相关的电源控制。3) 各种设备之间的协同工作在实际生活中，各个家电设备是相互关联的。例如当夏天中午开启空调降温的时候，同时需要拉上窗帘；晚间观看电视时，需要调整房间的灯光亮度等。家居能量控制系统根据住户的要求和实际生活的需要，对住宅的设备定义了一套逻辑规则，自动实现设备之间的协同工作。以上3种功能在给住户带来便利的同时也大大降低了能耗，达到了节能的目的。2.3 家居能量系统的体系组成家居能量控制系统的体系组成是以家庭网络为通讯基础，与智能家居其他部分进行交互。根据系统的工作流程与实现得出能量控制系统的体系结构图，如图2.2所示：家 庭 网 络设置控制模块设备协同工作模块能量控制设置模块设备数据及规则控制库智能家居其他子系统各类家电设备各类环境监测设备各类控制接口设备图2.2家居能量系统的体系结构图家电设备各类家庭电器设备，通过与家庭网络的接口发送各类状态信息和接收各类操作指令。环境监测设备用于监测家庭环境情况，如光线、温度、湿度等，并将这些信息发送到控制接口模块中。控制接口设备这里主要指各类手持设备和控制开关，用户通过它们来发送各类家电设备的控制指令，控制指令对应的控制对象和控制内容通过控制规则库来约定。设备数据及控制规则库用于记录设备的状态信息、运行日志及各类控制规则。这些控制规则主要包括各类电器运行的规则和协同工作的各种约定规则、各类场景模式的具体设置，以及各类控制接口设备与其相关联的控制操作。通过控制规则库中的约定，使得住户方便地将手持设备和控制开关关联到家庭中任一家电设备，如通过遥控器和相应的接收模块，可以在任一房间对其他房间的设备进行控制；将卧室里的按钮关联到其他房间的照明系统，在卧室开关其他房间的照明设备。这些信息往往有专门的数据库系统实现。智能家居系统通过数据库系统提供的接口进行访问。控制规则库的更新由能量控制设置模块完成。能量控制设置模块以节约能耗为原则，主要完成两部分工作，一是接收家庭网络中各类家居控制的设置请求，根据请求设置接口控制设备的控制规则，即将控制接口与其控制家庭电器设备相关联，设置具体的操作方法，更新相应控制规则库。二是提供场景模式设置接口，所谓场景模式是指根据家庭不同的状态和工作生活的实际情况来控制智能家居各系统的工作状态，如无人模式、睡眠模式、正常模式等。此模块提供的接口方便用户设置各类场景模式和设置各类家庭设备的控制逻辑规则，同时根据新加入设备所提供的信息自行更新各项规则。设备控制模块主要用于控制家电设备的运行，主要实现以下功能：根据接收的家庭环境信息和设置条件，判断是否自动启停家电设备；接收来自家庭网络发送的对各类设备的控制请求（包括本地与远程的），对这些请求进行分析处理，对请求进行合法性验证；对以上的合法请求，向相应的家电设备发送控制命令。设备协同工作模块监测家庭内各类家电设备的运行状态，根据当前家电设备的运行状态和当前场景模式，向设备控制模块发送各类设备控制命令，协同家电设备之间的工作。随着信息家电的发展，家电设备的智能化程度越来越高，家电设备之间的协调和启停控制中的许多内容逐步由家电设备本身来实现。42重庆大学硕士学位论文 3 基于mas的家居能量系统3 基于mas的家居能量系统3.1 基于mas的家居能量系统模型agent的研究起源于分布式人工智能领域，是人工智能与网络相结合的产物。学术界一般将其理解为能够模拟人类行为，具备代理性、智能性并能提供相应服务的计算实体。多个agent在一起协同工作形成了多agent系统mas(mufti-agent system)。mas主要研究一组在逻辑上或物理上分离的agent如何协调各自的知识、目标和策略来共同完成任务。mas这种按需协作、松散耦合的运行方式适合家电设备分布、异构的特点。在家居系统中，信息的集成为实现自动控制和智能管理奠定了基础，利用mas技术建立家居应用集成和控制模型，将对提高系统的整体性能、优化系统管理起到关键作用。建立mas概念模型的第一步就是设计各软、硬件功能单元和高级管理agent的模型，使它们能够以agent的概念和方法实现通信与协作，从而形成一个有机的整体，完成复杂的功能。于是，提出一个家居能量系统mas模型（mas-based home energy system，可以简称为mhes），它由四部分组成：代管设备、设备agent、agent宿主资源和专有功能agent，其结构如图3.1所示。宿主资源代管设备1代管设备2代管设备nagent家庭网络/internet专有功能agentagentagent图3.1 maes模型结构图mas为用户提供了家居功能集成和家庭服务使用的开发、灵活的实现模型，也提供了友好的人机交互环境。建立一个合理而完善的家居能量系统，对于整个系统功能的有机整合，充分发挥信息系统的功能等具有重要意义，而且可为系统将来的发展提供广阔的空间。3.1.1 代管设备代管设备即家庭网络中各信息设备，是家居设备的集合，这些设备通过家庭网络提供的基础设施来完成各种服务。代管设备是maes模型中重要的组成部分，主要包括照明类、居室环境类、厨房电器类和监测类等设备。随着技术的发展和社会需求的产生，如今的代管设备都将会具有通信和交互的能力，成为一种网器，这种发展趋势已日渐明显，但最终以什么样形式出现，各生产厂商和研究单位似乎还没有找到一个合适的立足点，因为功能的增强意味着成本的增加和资源的浪费，但简单的功能缺乏支持环境，也没有合适的可供参考的标准，这也是我们对家居进行系统化研究所要解决的问题之一。如果将一个家居环境作为一个mas系统，设备要加入到其中自然要以agent的形式出现。家居系统中agent就是家居信息设备抽象化和概念化的表现形式，也就是一定服务的提供个体，一般是与具体的家居功能相关联的。3.1.2 设备agent在maes模型中，每个代管设备都对应一个设备agent，设备agent负责代表代管设备在家庭网络上运行，完成与家庭网络或其他agent的信息交互。它一方面具有与设备通信的能力，另一方面又能够通过一定的机制接收其他agent的任务请求和数据请求，完成对代管设备的管理和控制。对maes来说，系统并不需要理解各个设备agent具体的实现方式，只需要理解设备agent提供的标准服务形式并能根据设备agent提供的方式使用它，就可以完成家庭中的各个设备接入网络、注册使用、管理维护等工作。一些计算能力和存储能力非常有限的设备，正是通过了设备agent实现功能上迁，降低了单个设备的实现成本。通过各种设备agent的交互，以及各个agent与用户的交互，实现了智能家居功能。网络中的各agent间以及agent与宿主资源之间通过统一的通信语言进行通信，交换信息。3.1.3 agent宿主资源agent宿主资源为模型中各类agent所处的支撑环境，对于很多agent，环境是它们所感受到的外界刺激的刺激源，也是它们行为的作用对象，在与环境的作用过程中可以获取知识，实现学习功能。在多agent系统中，人们所关心的是如何将已有的agent组织起来，共同完成那些单个agent无法完成的工作，因此在多agent系统中，除了各类agent之外，还必须提供一个能让各个agent运行的基础环境，这些环境包括常识，即agent间的公共知识；还包括公共的行为规范，它规定了多agent在实现系统的联合意图时应该或将要采取的行动。agent宿主资源还包括agent管理器，agent管理器负责对家庭网络中各个agent的状态进行管理，并协调它们的活动，通过维护一张系统agent列表，记录各个agent的服务状态，对其产生、活动、消亡等生命周期内各阶段进行管理。3.1.4 专有功能agent专有功能agent主要是在家居能量系统中执行某种具体的服务功能。基于mas的家居能量系统模型可根据代管设备的不同功能单元分别由一个或多个agent实现其智能管理。由于agent除了能够完成一定功能之外，还应该具有与其他agent通信与协作的能力，所以对于每一硬件实体都应具有一个软件部分来实现与其他agent的联系，这一软件部分可以是设备自身具有的，也可以利用其他设备代理它实现这一功能，而它们之间可以用更为简单的方式传递所必需的信号。 基于以上的分析，可以将模型中的功能agent大致分为常用的几类，如用户界面agent、移动agent、自动控制agent等。用户界面agent主要用于实现用户与系统的交互功能。在与用户交互的过程中，界面agent可以设计为具有学习和记忆功能、对用户的习惯进行学习、最终可以自主地实现符合某一用户习惯的家居环境设置。移动agent可用来实现代码移动、网络资源搜索、远程交互、用户个人助理等功能，一个移动agent应该的经典例子是移动agent存放于用户的移动设备中，当用户移动到一定的环境中时，移动agent通过无线方式进入当地系统，代表用户与当地系统谈判、接洽和搜索有用信息，在实现目标后返回，并通知用户结果，当然这一功能的实现还有待于客观条件的成熟。自动控制agent是在无人管理的情况下，实现家居能量系统的监测、自动控制和紧急情况处理的agent，是家居智能化管理的核心。除此之外，agent的功能还有网络搜索agent、数据库agent、教育/娱乐agent等形式。3.2 maes模型中多agent的实现方式通过前面对家居能量系统功能和结构的分析，用mas技术的思想、方法和体系建立家居能量系统的应用集成模型，用agent实现不同功能单元的控制和管理，最后通过agent之间的通信与合作实现整体的有机融合。所以说，建立一个合理而完善的家居应用集成系统，对整个系统功能的有机整合、充分发挥信息系统的功能等都具有重要意义，而且可为系统的将来提供广阔的发展空间。3.2.1 maes模型中agent的构建在家居能量系统中将硬件实体和软件单元都纳入多agent系统之中，形成了一个有机的整体。在硬件和软件的结合方面，利用以下方法灵活实现：家居能量系统中的设备需要具有其软件支持部分，它的软件支持部分可以处于设备内部，也可以在其他代管设备上实现，一方面使其具有与设备通信的能力，另一方面也具有接受和完成任务的能力。这样在进行mas整体设计时，我们将其作为一个整体的agent，根据设备的能力为用户和系统提供一定的服务。由设备抽象而来的agent一般是功能执行agent，由于它们的计算能力和通信能力有限，难以完成复杂的逻辑推理和任务规划，这一部分工作需要建立专门的agent来实现。中级agent在知识理解、协调能力、规划能力和推理能力方面较设备agent要强，等级也较高。根据实际情况，还需要具有全局知识、全局规划、全局控制与协作的高级管理agent，与用户的交互也往往由高级agent来实现，这是因为它们接受任务的能力和为用户提供服务的能力是最强的，这一功能可以通过用户界面agent或直接交互完成。根据以上分析现将家居agent分成具有3个等级的分层结构，分别是组织规划agent层、服务管理agent层和功能执行agent层，如图3.2所示。功能执行agent层组织规划agent层服务管理agent层照明管理agent组织规划agent数据库agent家电管理agent环境管理agent用户界面agent照明设备agent环境设备agent家电设备agent用户图3.2 家居agent的等级结构图1) 组织规划agent层组织规划agent主要负责完成用户设定的任务，按预约安排的计划负责家居环境的整体管理，并能对下级agent上报的特殊情况按所拥有的知识进行自动处理。组织规划agent是实现与用户交互功能的主要负责者，因为它拥有较全面的家居环境知识，能够理解用户意图进行任务分解、分配给下级agent，同时监督任务的执行过程，根据自身知识或用户指示随时对任务做出调整，最后在需要时向用户汇报执行结果。在任务执行过程中，组织规划agent能够获取经验，丰富知识，并完成自学习优化过程。组织规划agent是系统的高级管理者。2) 服务管理agent层服务管理agent主要是针对某一类事务或某一类功能agent进行综合管理的中等级别的agent。服务管理agent通过与组织规划agent的协商以及与用户之间的交互，承担相应的任务，然后将任务交由具体的功能执行agent去实现，并监督和管理任务执行过程。如在环境管理agent组中，就是由环境管理agent与组织规划agent进行协商并接受所指派的任务，环境管理agent对家庭中需要控制的环境设备所对应的设备agent进行查询和管理，分配并监督各个设备agent共同完成所需的功能。与此同时，服务管理agent之间通常也要进行通信与协作，共同完成一项任务。3) 功能执行agent层功能执行agent是由家居环境中硬件实体、软件实体甚至人根据需要抽象而成的设备agent组成的，是负责具体任务执行的agent，它们一般具有特定的功能或对应一个具体的设备。功能执行agent由服务管理agent直接管理，但由于彼此的交互和协作能力有限，所以彼此之间的联系并不是非常紧密，对任务完成的协调工作主要是由组织规划agent来控制实现的。功能执行agent与上层服务管理agent之间是一种松散的耦合关系，它们之间的联系主要通过标准化的语义信息来实现，规范了设备对外的交互方法，使得生产厂家按照这一标准化规范生产出来的设备具有即插即用的功能，使这一技术方案具有很强的灵活性、实用性和推广价值。3.2.2 maes模型中agent的实现对于不同等级的agent，由于职责和功能不同，所以在具体的实现方法上也采用不同的结构与模型。根据功能执行agent的功能要求，这里采用反应agent结构来实现设备agent模型，如图3.3所示。反应agent结构不对环境进行描述，采用应激响应的方式对其所处环境的当前状态进行响应。它们不考虑历史情况，也不为未来制定计划，而是通过与其它agent的简单交互，使多agent系统表现出复杂的整体行为。这种特性很有意义，因为当环境发生变化时，不需要修改它们的环境模型。因而，坚定性和容错能力是反应agent结构的两个重要属性。一组agent通过竞争来完成任务，即使其中某个agent失败也不会对任务的完成造成太大影响。另外，反应agent结构的响应速度较快，不需要进行复杂推理和费时的思考。这是因为一般的设备agent只是向外界提供一定的服务功能，并不需要复杂的逻辑推理，而且过程并不复杂，完全可以用条件-行为规则将感知和动作表达出来。行为效应信息交互条件-行为规则感知信息内部状态行为动作家居环境设备agent图3.3 设备agent的实现模型在任务执行过程中，设备agent接收到上级agent的任务指令信息，根据信息的语义模型感知任务的要求，根据当前的内部状态与条件-行为规则确定需要采取的行为动作，并执行任务以产生期望的效果，此行为效应可以是对外界环境的效应，也可以是设备自身内部状态的改变。设备agent可以通过以下程序实现：function deviceagent (task) returns actionstatic: state, /*描述当前内部状态*/rules, /*一组条件-行为规则*/state interpretinput (task)rule rulematch (state,rules)action ruleaction (rule)return action在上述程序中，interpretinput函数从任务指令感知产生对当前设备状态要求的抽象描述，rulematch函数返回与给定状态描述匹配的规则组中的相关规则，ruleaction函数是根据规则确定相应的行为动作。其中规则又可称为态势规则，这些规则将任务和行为联系起来，提供任务直接实现的方法。态势规则的表达式为：ifthen基于反应agent结构建立的设备agent结构模型，具有很强的针对性，适用于行为较为简单的个体，对于需要逻辑推理与表示的任务，就需要在上面的反应结构的基础上添加相应的能力，总体上可以通过增加知识库和新行为来实现。于是，我们设计出较高级别的agent结构模型中级服务管理agent模型，来完成系统较高层次的任务。服务管理agent位于三层结构中的中层，有着承上启下的作用，同时具有局部范围内较为全面的知识和能力，可以解决较为复杂的问题。同设备agent相比，服务管理agent具有更为复杂的逻辑和推理能力，因此其内部结构也相对复杂，不宜采用反应agent结构。于是，从慎思型agent的结构出发，由通信模块、协作模块、任务规划模块、任务管理模块和相关知识库来组成服务管理agent，采用如图3.4所示的基本结构实现。组织规划agent功能执行agent协作模块任务规划模块任务管理模块知识库agent列表任务列表通信模块家居环境图3.4 服务管理agent的实现模型其中，通信模块负责服务管理agent与高级组织规划agent以及下级功能执行agent之间的通信，这是服务管理agent实现一切功能的基础。协作模块负责向高级agent报告局部群体的能力，接受能力范围之内的任务。经高级agent授权的子任务，由任务规划模块负责分解和规划为下级agent所能完成的任务，再由协作模块实现与具体功能agent关于具体任务的协商，将任务分配至下级agent执行。任务管理模块负责对具体任务执行情况的管理以及意外情况的处理。组织规划agent处于maes的最高层，对能力和知识具有更高的要求，一般要具有全局性的知识和数据，可以对任务进行粗划分，并将子任务通过协商或分派到各中级agent管理执行，同时具有很强的协调能力。在maes中，组织规划agent往往也负责与用户的交互功能，并负责任务的规划管理和协作执行。在无人管理的情况下，高级agent也应具有系统的自动管理能力，维持系统的正常运行，处理发生的紧急情况，具有自主规划和调整系统状态的功能。图3.5描述了组织规划agent的基本功能实现模型。组织规划agent的功能主要体现在两个方面，一方面是与用户的交互过程中根据用户的命令组织和管理系统运行以达到用户的目标；另一方面是系统的自动运行和管理的实现，agent根据自己的心智模型对系统状态不断加以调整，以实现正常而可靠的管理。这两方面的功能也可分开来由不同的agent实现。通信模块自动管理模块目标规划模块任务执行模块状态监控模块知识库用户交互模块任务规划模块任务协作模块通信模块通信模块服务管理agent功能执行agent用户应急管理模块家居环境图3.5 组织规划agent的实现模型在上述的框架中，根据感知信息（包括系统状态信息和用户命令信息）实现了任务的规划，心智状态决定了系统行为的倾向性，知识则是系统决策的支柱，知识库的内容包括任务知识、协作知识、经验知识、系统全局知识以及应急管理知识等。agent根据环境及自身运行情况不断调整自己的环境模型，同时也具有更新知识和调整自己心智状态的功能，在交互过程中逐渐体现出一种对用户习惯行为的倾向性。agent技术在家居能量系统中的应用，一方面为用户屏蔽家庭分布式异构网络环境所带来的操作和控制的不便，以服务的概念集成一系列相关操作，减轻用户在使用过程中的负担，形成一种新的家居环境理念；另一方面agent的应用也为家居应用集成带来了一种全新的概念、方法和结构，这些也是agent本身所具有的特性。3.3 maes模型中的多agent组织结构mas的组织为agent成员之间的交互与协作提供了构架和基础，多数成员agent都具有完成任务和实现协作所需的整体或局部观点以及相关信息，以便与其他agent协同工作，共同完成任务。mas是以人类社会规范进行研究的，在agent所构成的mas中，agent的行为必须遵循某些社会规则和规范，以顺利地实现agent之间的联盟与协作。于是，jennings将agent的模型、agent交互和多agent组织定义为基于agent计算的三个要素，他认为多agent的组织是系统中各agent之间交互与协作的基础，只有在agent设计时具有良好的组织结构，才能顺利地实现agent之间的联盟与协作。在maes模型中采用按需联盟、分级管理的层次组织方式，这种方式具有很好的动态适应性，并能通过适当的“权力”分散平衡各agent的负担，明确各agent的职能，适于建立agent的权力与义务模型，在不同层次范围内实现相应承担任务的协同管理，提高组织和管理效率，保障系统的可靠性、适应性和高效性。在介绍maes的组织形式之前，先建立agent组（agent team）的概念。一个agent组是由多个关系较为密切或功能类型相近的agent组成的一个多agent团体。组成员往往具有某一方面或几方面的共性，这些共性能为组管理者用来实现统一的管理，或对外表现出agent组的特性和能力。agent组是mas的基层组织单元，agent以组为单位更能容易实现多agent共同学习和任务优化。3.3.1 agent组一般是将功能、类型或管理方式上具有共性的一组agent定义为agent组。建立agent组相当于成立不同的职能部门，形成较具体agent更高层次的分工合作，agent组的建立将为实现mas层次化组织结构奠定基础。在多agent系统中，agent之间存在着伙伴及“亲友”的关系，这种关系是建立agent组的主要依据。agent组是多个具有一定共性，且互相联系、互相信任的agent集合。相似功能指功能相同或相近。比如照明系统中，各种灯都具有相同的功能，代理agent都采用类似的方法，所以可以划在一个agent组。关系密切的agent往往是指彼此之间经常合作完成某种功能的agent。相互联系指每个agent的功能是同一个功能中不同的子功能。比如厨房家电设备代理agent是家电管理ag