（交通信息工程及控制专业论文）基于JAFMAS的船舶交通流模拟.pdf

b y d e n gw e i ( t r a f f i ci n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g & c o n t r 0 1 ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl ig u a n g r u m a y 2 0 1 1 j 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密影( 请在以上方框内打。一) 论文作者躲那帛导师躲方乡殇 日期：沙年多月77 日 中文摘要 摘要 随着海上交通快速发展，如何在交通模拟中真实再现船舶通航的动态过程及 支持对船舶主体的智能决策因素是当前国际研究的前沿领域，具有巨大的应用需 求和研究意义。然而现有海上交通模拟的设计仅满足了评估论证的需要，没有揭 示海上交通系统实际的状况与船舶操纵人员的主观意志有着密不可分的联系，不 能真正满足海上交通模拟的需要。 因此，本文在分析了传统研究方法的不足的基础上，针对海上交通系统的特 点，尝试引入m a s 技术来模拟船舶交通系统，并论述使用m a s 技术来模拟船舶 交通系统的可行性。结合m a s 技术，提出了船舶a g e n t 描述模型，设计了船舶 a g e n t 的结构体系。根据船舶a g e n t 结构模型，提出了适于船舶a g e n t 的航路联邦 体模型，给出了船舶a g e n t 决策算法和学习机制。论述了j a f m a s 框架的工作机 制，最后基于j a f m a s 框架，研究了如何在该框架的基础上扩展实现船舶a g e n t 各层的相关类，为进一步实现船舶交通流的模拟奠定了基础。 关键词：船舶交通流模拟；j a f i i i a s i 船舶描述模型； 英文摘要 a b s t r a c t w 弛t mm p i d 妇m p m e mo f m a r i t i m et r a f f i c ，h o wws i m u l a mt h er e a lt r a f f i ca n d r e p m 删t h ed y n a m i c sp r o c e s s o f s h i pm v i g m i o n a n ds u p p o l l t m m b i g e m d e c b 幻m m a k i i 坞o f t ms h i pb o d y 龟c t o ri st mc u r r e i 吐f r o m b ri n t e r m t m m l 陀a r c h h a s g e ma p p l i c a t 幻璐a n ds i g n i i i c a m e h o w e 瞄t md e s i g no ft me x i s t i n gm a r i n et r a f f i cs i m u l a t 幻no n l yt om e e tt b e i e d so fe v a l u a t i n ga n dd e m o m t r a t m go ft h em a r a i m e 仃a r 印o r t a t i o ns y s t e m , d h n t r e v e a lt ma c t m ls h m t 幻no ft ms 螂t r a m p o r ts y s t e m sw h i c hh a sh 船i c a b l y a s s o c i a t j o nt 0t h es u b j e c t i v eo fc o n t l 0 1p e r s o m ，c a f f t 托a u ym e e tt h em e d so f m a r i t i m et m 伍cs i m u l a t i 0 i l t h e m f o m ，a f t e ra m a z i n gt h es h o r t c o m i n g so ft r a d 硒m lm a r c hm e t h o d s ，t h e p a p e rb a s e do nt mc m r a c m r g t i c so ft ms y s t e m 向rm a r 矗i m et r a f f i c ，t r y i n g 幻m t r o d m e m a sm c h m b g y 幻s i m u l a mv e s s e lt r a f f i cs y s t e m , a n dd i s c m s e dt h e 佗弱而i l i 锣o ft m 偶eo f m a s t e c h n o b g y 幻s i m u m mt mv e s lt r a f f i cs y s t e m t l l e nc o m b i n e dw i t hm a s m e h m b g y , p r o p o dt ms h i pa 萨md e c r y i n g 脚d c l ，d e s i g n e dt ma r c c t m eo fs h i p a 萨i 吐a c c o r d i n g 幻t ms h i pa 寥n ts t r u c t em o d e l ，p r o p o s e dm u t et h e 凳d e r a lb o d y m o d e lw h i c hs m t 自rt h es l 卸a g e n t , g i v e ns l 却a g e md e c c a na l g o r a h mt h ea n d k a r n i n gm e c m m s m s d i s c 璐df r a m e w o r kj a f m a sw o 出m gm e c h a n i s m , fi m u y ， b a s e do nj a f m a sf r a m e w o r kt 0s t u d yh o wt 0e x t e n dt mf r a m e w o r kt 0a c m e v eo nt m b 私i so ft mm m v a mh y e 瑙a 萨n tc l a s ss h i p ，t h i sm v em a d et m 白u 埘l a t j o nt 0f u r t m r m a l i z et ms i m u l a t i o no f v e s s e l 舰伍c 日ow - k e yw o r d s ：v 鹤s e lt m f c f l o ws i m u l a t i o n ；s a f m a s ；v e s s e ld e s c f i p t i o nm o d e l 目录 目录 第1 章绪论1 1 1引言l 1 2 课题的研究背景与意义2 1 3 论文组织结构3 第2 章船舶交通流模拟基础及现状评述4 2 1 船舶交通流模拟的概念4 2 2 船舶交通流模拟的分类5 2 3 船舶交通流模拟的方法与步骤5 2 4 国内外研究现状6 第3 章m a s 技术及j a f m a s 框架剖析。8 3 1 a g e n t 概j 苤8 3 1 1a g e n t 定义8 3 1 2a g e n t 的体系结构9 3 2m a s 技术1o 3 2 1m a s 的通信1 0 3 2 3m a s 的协同1 0 3 3m a s 技术在船舶交通模拟中的应用1 1 3 3 1 利用m a s 技术进行船舶交通流模拟的可行性1l 3 3 2 基于m a s 的船舶交通流模拟1 2 3 4j a f m a s 系统框架1 3 3 4 1j a f m a s 的通信机制1 5 3 4 2j a f m a s 的社会模型：1 7 3 4 3j a f m a s 的a g e n t 类18 第4 章船舶a g e n t 的描述模型2 0 4 1 船舶a g e n t 的总体构想- 2 0 4 2 船舶a g e n t 的架构设计2 0 4 3 船舶a g e n t 的航路联邦系统2 3 4 4 船舶a g e n t 的决策机制，2 4 4 5 船舶a g e n t 的学习机制。2 8 4 5 1 学习机制2 8 4 5 2 学习算法2 9 目录 5 章基于j a f m a s 的船舶交通流模型的实现3 1 5 1 基于j a f m a s 框架的a g e n t 模型构建3 l 5 2 船舶a g e n t 交通流模型扩展实现3 l 5 2 1c r e a t e a e n g t 的扩展31 5 2 2a g e n t 类的扩展3 3 5 2 3c o n v e r s a t i o n 类的扩展3 4 5 2 4c o n v r u l e 的扩展3 5 第6 章总结与展望j 3 7 6 1 总结3 7 6 2 展望工3 7 参考文献3 8 致谢4 2 基于j a 蹦a s 的船舶交通流模拟 第1 章绪论 1 1 引言 船舶交通也叫海上交通或水上交通，它是个别船舶运动的集合或所有船舶行 为的总体【1 1 。船舶交通从本质上说，是借助船舶等交通工具实现海上物流、事件流、 信息流的过程，具有很强的空间性与时序性。船舶交通是由人、船舶、航线、环 境等要素所组成的有机整体，其活动的主体和客体不仅时刻都在发展变化，而且 诸多因素之间还存在制约和影响，因此船舶交通系统是一个实时动态且具有多层 次性、反馈性等特点的复杂系统【2 1 。研究船舶交通这样一个实时动态的复杂系统， 就是科学分析该系统的特点，找出其内部各要素之间相互组合及作用的规律，优 化内部要素组合，以期达到减少交通事故、增进交通安全、提高交通效率、防止 环境污染和增加交通运输效益的目的。 船舶交通的历史虽然久远，但关于船舶交通系统性的研究却出现得较晚，远 远落后于道路、铁路和空中交通的研裂3 1 。系统地研究海上交通开始于2 0 世纪6 0 年代，欧洲一些发达国家迫于恶劣的海上交通环境，开始对相关海域的交通情况 进行系统的调查分析，提出了分道通航制。分道通航制实施后，改善了交通流， 减少了碰撞事故，获得了很大的成功。 随着海上交通系统研究的深入开展，利用道路交通工程的研究方法和手段来 研究海上交通开始成为热点。由于道路交通与海上交通具有许多相同的特性，适 用于道路交通的交通流理论、交通模拟和控制被引入到海上交通的研究中，并逐 渐趋向成熟。计算机技术的飞速发展为交通模拟提供了有力的支持，结合相关的 数学模型，船舶交通模拟逐渐成为研究船舶交通的主要方法之一。 然而传统基于数学模型的模拟方法不能体现海上交通中船舶的主体特性，如 船舶对环境的反馈性，船舶之间的信息交流特性，因而并不能很好地再现海上交 通的实际情况。人工智能的发展，为船舶交通模拟的研究提供了新思路，船舶不 只是被看作具有某些物理特性的刚体，同时还具有一些智能特性。这些智能特性 表现为船舶作为一个整体具有能够对外界环境信息的感知、分析判断和处理的能 第1 章绪论 力( 不是关于船舶运动内部的智能控制) 由这些具有智能特性的船舶组成的船 舶交通系统的模拟能更加真实地反映海上交通的实际情况，为进一步揭示海上交 通规律提供了有效的方法。 1 2 课题的研究背景与意义 海上交通对国民经济发展具有重要的意义，我国外贸运输和重要的物资运输 主要通过海上交通运输完成。航运事业的飞速发展和造船技术的进步，给海上交 通领域带来了新的冲击。表现为船舶交通日趋繁忙，促使船舶交通流量增加；船 舶数量和吨位不断增加，新型船舶相继出现，改变了船种和船型的构成比；航线 增多，航道拓宽，改变了海上交通流场的分布；分道通航制和交通管理的实施， 使得交通方式也发生了变化，等等【4 】。这些变化往往造成交通密度增加，航道拥塞， 船舶交通事故频发。船舶交通事故不仅给企业和国家带来巨大的经济损失，而且 ，对环境造成极其恶劣的影响，其损失是无可估量。 为了保证船舶的航行安全的同时又能提高船舶通航效率，人们期望借助强有 力的工具来解决研究这些问题。对于船舶交通这个随机动态的复杂系统，用实船 来进行交通流实验并不现实，因为实船实验不仅费用高，而且难度和危险性都很 大。采用交通模拟技术对海上交通进行定量或形象的研究和分析，能很好地弥补 不能实船实验的不足。船舶交通模拟作为海上交通工程学中的一个重要研究领域， 是描述、评价和验证船舶交通模拟和系统行为以及预测交通流的有力工具i s 。用计 算机模拟技术来进行海上交通的研究，具有安全、经济、可重复、可控制、可拓 展、快速真实等优势【6 】。船舶交通模拟对于海域交通组织结构的预研、雷达监测站 站址的选择、v t s 管理工作的改善、航线改变、航道改造、港口扩建等具有重要意 义。 本文结合m a s 技术，提出船舶a g e n t 描述模型，并研究了在j a f m a s 框架下如 何实现该模型。期望能更真实地展现船舶交通大系统的实况，进而掌握其变化规 律，为评估论证和系统优化提供科学依据。 基于j a f m a s 的船舶交通流模拟 1 3 论文组织结构 第1 章绪论简述了论文的研究范围，研究对象，研究目的及论文所完成的 工作等基本情况。 第2 章船舶交通流模拟基础及现状评述概述了船舶交通领域相关的定义、 船舶交通流模拟的分类、模拟的一般步骤及研究现状评述。 第3 章m a s 技术及j a f m a s 框架剖析介绍了a g e n t 及m a s 技术，并详细 论述了j a f m a s 框架的各层组件的作用及其工作机制。 第4 章船舶a g e n t 的描述模型提出了船舶a g e n t 的描述模型，设计了船舶 a g e n t 的描述模型架构，根据结构模型，确定了船舶a g e n t 的航路模型，决策算法 及学习机制。 第5 章基于j a f m a s 的船舶交通流模型的实现基于船舶a g e n t 的模型思想， 研究了扩展j a f m a s 相关的类，主要包括c r e a t e a g e n t 类，a g e n t 类，c o n v e r s a t i o n 类和c o n v r u l e 类。 第6 章总结与展望总结了论文所做工作，分析了存在的不足，对进一步结 合m a s 技术研究船舶交通流模拟进行了展望。 - 3 第2 章船舶交通流模拟基础及现状评述 第2 章船舶交通流模拟基础及现状评述 2 1船舶交通流模拟的概念 交通是指人与交通工具在特定的区域按照一定的方式运动，如人在路上行走、 车在道路或铁路上行驶、船在水上航行、飞行器在空中飞行等。由于海上的交通 工具是船舶，因此人们将船舶在海上的运动称为海上交通或船舶交通。但是作为 海上交通工程学的研究对象，海上交通或船舶交通的定义是确定的。综合国内外 学者的研究内容和成果，海上交通或船舶交通被定义为“指定区域内个别船舶运 动的组合与所有船舶行为的总体 【3 1 。由定义可知船舶交通的研究对象不是个体船 舶运动或行为( 区别与船舶运动控制) ，也不是指某几艘船舶的运动或行为，而 是指某一区域内所有船舶的运动或所有单个船舶行为组成的总体。其中船舶行为 包括船舶的一般航行行为和船舶的避碰行为，其内涵是船舶群体的同类行动的方 式与规律，而不是指某一具体船舶的某一具体行为。 交通流是一词最先出现在道路交通工程学中，为了从理论上研究一条道路上 连续不断地沿着这条道路朝着同一方向运动的各种交通工具的总体运动特性，根 据物理上的流体，如连续不断地顺着一条水槽向一个方向流动的水流的相似概念， 提出了交通流的概念【7 1 。船舶交通流的概念可以从物流和事件流两方面来理解和分 析。物流是指作为一种物体的船舶的运动像流水一样连续不断；事件流是指船舶 到达水域中某一地点( 港口、航道中某断面等) 的事件发生像流水一样连续不断。 根据船舶交通流的概念建立的交通流模型一般涉及五个基本要素：交通流的位置， 交通流的方向，交通流的宽度，交通流的密度，交通流的速度。 模拟通常也叫仿真，是指根据相似性原理建立与实际系统相应的模型进行实 验研究，通过展现实际系统的某种现象，以获得所需信息的实验方法【引。但模拟并 不完全等同于仿真，模拟侧重于模型与实际系统的内部机理的相似性，而仿真则 强调模型展现实际系统的外部特性逼真性。模拟分为基于物理模型的模拟和基于 基于，a 孙压a s 的船舶交通流模拟 数学模型的模拟，后者通常借助计算机来实现因此也叫计算机模拟。狭义上的船 舶交通流模拟就是利用计算机技术对船舶交通流模型所进行的一种模拟试验。 2 2 船舶交通流模拟的分类 在船舶交通模拟技术中，对船舶交通流模拟研究大致可以分为宏观模拟、微 观模拟和微一宏观模拟三种类型。 宏观模拟是把船舶交通流看作连续流，个体船舶不单独标识，通过对船舶交 通各要素的基本属性和船舶交通中的关键问题的描述来展示系统的总体特性。在 宏观模拟模型中，不对某具体船舶的运动过程进行描述，而是从统计意义上成批 地考虑船舶的运动。宏观模拟模型能够通过交通流速度、密度、流量等重要参数 比较简明地反映船舶交通网络的主要特性和状态，适用于模拟分析复杂交通网络 的交通效率，改善方案和管理措施的总体评估等。 微观模拟是对船舶交通系统中所有个体特性行为及具体过程进行描述。微观 模拟将船舶交通系统的各要素作为研究对象，并对这些要素进行标识和定位，能 模拟出短时间内交通流的波动情况。微观模拟中重要的参数是每艘船舶的速度和 位置，适用于研究交通流与局部的航道设施的相互影响及交通控制模拟。 微一宏观模拟是在宏观交通网络的基础上，将个体船舶放入宏观交通流中进行 分析，根据模拟需要，对特定的船舶的速度、位置及其他属性进行标识，或对船 舶分组，再对每组船舶的速度、位置及其他属性进行标识。微一宏观模拟可以用来 拟定、评价在较大范围内进行交通控制和干预的措施和方法，从而对交通流进行 最优控制。 2 3 船舶交通流模拟的方法与步骤 船舶交通系统模拟的对象是含有多种随机成分和各种逻辑关系的复杂的交通 系统【9 】，因此，它本身就是一个复杂的系统工程。用计算机技术模拟船舶交通问题 的一般方法有如下步骤： ( 1 ) 问题描述：对拟要研究的问题进行详细的了解和描述，明确研究目的，划 定系统的范围和边界，以便对各种交通分析技术的适应性做出判断。 第2 章船舶交通流模拟基础及现状评述 ( 2 ) 确定模拟方法的适用性：确定在各种交通系统分析技术中，系统模拟对于 所论问题是最适宜的方法。 ( 3 ) 问题的系统化：一旦确定系统模拟对于所论问题是最好的解决方法，就要 着手构造一个模拟模型的第一级流程图，其中包括输入、处理、输出三个组成部 分。 ( 4 ) 数据的收集和处理：在船舶交通系统模拟前，需要进行船舶交通实态调查， 采集有关交通流参数，例如船舶种类、船型、船速、船舶到达的时空分布等数据， 并加以分析【l o 】。 ( 5 ) 建立模拟模型：针对船舶交通的规律，建立船舶模型、交通流产生模型、 航路模型以及船舶避碰模型等。 ( 6 ) 模拟实验设计及结果分析：通过设计模拟实验及结果分析，实现对模拟模 型进行检验。 2 4 国内外研究现状 海上交通模拟是海上交通工程学中的一个重要研究领域，这些年来国内外的 专家和学者进行了广泛深入的研究，但这些仿真研究主要是基于传统的数学模型。 如：利用r o c k w e l la r e n a 的航道通过能力仿真模型研究了港口主航道通过能力【l l 】； 利用排队论原理对船舶到港过程进行了仿真【1 2 】；利用离散事件仿真方法模拟了港 口通过能力【1 3 】；根据港口航道的特征，引入了船舶行为特征和运动模型，建立了 港口航道通过能力仿真模型1 4 1 ；根据流体动力学及交通流波动理论建立船舶交通 流的流体模型等等【1 5 1 。在这些的相关研究中，没有充分体现对运动主体一船舶( 驾 驶员) 的智能决策因素这一海上交通系统的最重要特点，没有揭示海上交通系统 实际的状况驾驶与船舶操纵人员的主观意志有着密不可分的联系，这些研究和模 型用于港口、航道评估论证尚可，用于船舶交通分析和仿真以及规则演进就存在 很大的不足。 目前基于a g e n t 的海上交通模拟研究较少，因此基于a g e n t 的海上交通模拟 是一个较新领域。h e n e s e y ( 2 0 0 9 ) 利用一个基于a g e n t 的仿真工具s i m p o r t ，在一 基于j a f m a s 的船舶交通流模拟 个集装箱码头对集装箱船舶交通流进行评估【幡1 刀。研究出一个更为合理的船舶调 度时间表。v i d a l 用基于a g e n t 的仿真模型模拟了一个集装箱码头，并将模型扩展 到集装箱堆场的操作【l 引。这些研究一般只涉及船舶交通模拟的某个或某些方面， 还没有从系统设计和船舶等实体行为相结合的角度进行研究，更没有形成一个系 统的、实用的基于船舶“自主性 的交通模拟系统。 近年来，海上交通模拟根据用途的不同正在向综合性模拟的方向发展，与雷 达标绘、电子海图平台、船舶操纵模拟器、v t s 等组合研究。结合智能体技术，充 分考虑海岸各主体的智能行为及反应对海上通航的影响，使系统具备更多的反应 性、自主性等因素，是海上交通模型发展的必然趋势【1 9 】。本文拟结合人工智能领 域多智能体技术，提出了一种新的、更为符合海上交通系统实际特性的研究方法。 - 7 第3 章b i a s 技术及i a n 压a s 框架剖析 第3 章g a s 技术及j a f m a s 框架剖析 3 1 a g e n t 概述 3 1 1a g e n t 定义 a g e n t 一词中文一般译做主体、智能体等，但不论哪种译法均不能涵盖a g e n t 本身的全部意义，因此本文直接采用a g e n t ，而不牵强译成中文，以避免遗漏或曲 解其本身意义。对于a g e n t 的定义现在尚无公认的被统一接受的说法，w o o l d r i d g e 和j e n n i n g s 提出的关于a g e n t 的定义得到了广泛的认同，他们认为可以从广义和 狭义两个方面去理解a g e n t ，并提出了a g e n t 的弱概念和强概念。广义上的a g e n t 可以指具有智能的任何实体，包括硬件和软件，如人、机器人、智能软件等。狭 义的a g e n t 则专指信息世界中的软件机器人或称软件a g e n t 加1 。 ( 1 ) a g e n t 的弱定义 a g e n t 的弱定义是从广义的角度来规定a g e n t 的特性，该定义要求a g e n t 软件 或硬件系统都具有以下的特性【2 1 】： 自治性( a u t o n o m y ) ，a g e n t 作为独立个体，对其行为和内部状态有某种控 制能力，能在不需要外界干预的情况下独立运作。 反应性( r e a c t i v i t y ) ，a g e n t 处于一定的环境中，能够感知环境，并对环境 的变化及时地做出反应以满足其目标。 能动性( p r e a c t i v e n e s s ) ，a g e n t 不仅简单地对其环境做出反应，而且能够通 过接受某些启示信息，表现出有目标地行为。 社会性( s o c i a l i t y ) ，a g e n t 可以通过某种语言和其他的a g e n t 进行交互。 ( 2 ) a g e n t 的强定义 a g e n t 的强概念是指a g e n t 除了具备弱概念中所有特性外，还应具备一些人类 才具有地特性，知识、信念、意图、目的、承诺等心智状态2 2 1 。 从a g e n t 的定义中可以看出a g e n t 具有非常多的属性。但在实现a g e n t 时，不 可能让一个a g e n t 具有所有的属性。拥有不同的属性集，就会形成不同的a g e n t 。 基于j a f m a s 的船舶交通流模拟 3 1 2a g e n t 的体系结构 a g e n t 的体系结构是指构造a g e n t 的特殊方法学，它描述了a g e n t 由哪些模块 组成，各模块的作用及其之间的联系与交互机制、如何通过感知到的内外部信息 确定a g e n t 应采取的不同行动的算法，以及a g e n t 的行为对其内部状态和外部环境 的影响等等【2 3 1 。a g e n t 的体系结构的确切形式将取决于其任务和执行这些任务的环 境。目前，典型的a g e n t 体系结构主要有以下三种【冽： ( 1 ) 慎思型a g e n t ( d e l i b e r a t i v ea g e n t ) ：慎思型a g e n t 是一种基于知识的系统， 它包含一个显式表示环境的符号模型，通过基于模板匹配和符号操作的逻辑推理 做出决策。在慎思型a g e n t 知识库中，外部环境模型通过使用符号显示来体现， 这样它就能够基于符号进行推理而改变其内部状态。慎思型a g e n t 虽然智能较高， 但内部模型过于复杂，常常对环境变化反应不及时，不适用于动态环境。 ( 2 ) 反应型a g e n t ( r e a c t i v ea g e n t ) ：反应型a g e n t 主要包含了感知内外部状 态的感知器，一组对相关事件做出反应的过程和一个依据感知器激活某一过程执 行的控制器。反应型a g e n t 没有外部环境模型，也不使用符号推理，只是通过感 知器简单地对内外部某种“刺激做出反应，因此能对环境变化做出快速反应。 反应型a g e n t 整个结构中没有一个中心模块，各种能力模块独自运行，而且它们 之间的交互关系是一对一关系。一个模块的失败对其他模块的影响不是很大，整 个系统的主要任务不会因为个别模块的失败而失败。因此这种松散的结构增强了 系统的容错性和鲁棒性。但是反应型a g e n t 缺乏逻辑推理能力，显得智能程度较 低，不能预测其局部行为对全局造成的影响。 ( 3 ) 混合型a g e n t ( h y b r i da g e n t ) ：混合型a g e n t 融合了上述两种a g e n t 体系 结构，一般包含两个或以上的子系统：一个是慎思型子系统，另一个是反应型子 系统。一般情况下用慎思型子系统生成规划并进行相应的决策，当环境中出现一 些紧急事件时通过反应型子系统直接做出反应。混合型a g e n t 既有严密的逻辑推 理能力，又具快速反应能力，在实际应用中最常用。 第3 章m a s 技术及j a f m a s 框架剖析 3 2 m a s 技术 m a s ( m l l l t i a g e n ts y s t e m ) 即多a g e n t 系统是指由多个a g e n t 采用组成一个松 散耦合又协作共事的系统【2 5 1 。在m a s 中，各a g e n t 成员有各自的目标，并且他们 的活动是自治，他们之间相互协同，相互服务，通过竞争或协商等手段协调解决 各a g e n t 成员的目标和行为之间存在的矛盾与冲突【2 6 】。m a s 的组织结构主要有的 分布式结构和集中式结构。 3 2 1m a s 的通信 v l 4 s 的通信主要包括三方面：通信方式、通信内容和通信协议【2 7 1 。 通信方式通常有黑板模型、消息传递及二者的结合。黑板模型是通过黑板写 下消息，传递部分结果，寻求信息。黑板通常分为几层，分别对应当前问题的不 同描述或不同的抽象层次。黑板模型能将数据驱动问题转化为目标驱动问题。但 是黑板模型并不实用，因为如果只有一块黑板，则容易产生瓶颈问题；如果存在 几块黑板，则几块黑板之间必须通信，这实际上成为消息的传递方式。所以许多 系统都采用黑板模型与消息传递相结合的形式。在消息传递中各a g e n t 之间直接 进行信息交换。消息传递方式的语义明确，可理解性强，但要求各a g e n t 相互之 间的了解要多一些。 通信的内容具有三个特性：信息的相关性、及时性和完整性。 通信协议包括高层的应用协议和底层的网络协议。此外，还有协商协议、部 分全局规划等 2 引。 3 2 3m s 的协同 m a s 的协同是指一组a g e n t 完成一些集体活动时，为了达成一致、和谐的工 作方式而进行交互的过程f 2 9 】。协同的目的是为了避免a g 即t 之间出现死锁或活锁。 死锁是指多个a g e n t 无法进行各自的下一步动作；活锁是指多个a g e n t 不断工作却 无任何进展。 当前主要有以下四种协同方式： ( 1 ) 基于集中规划的协同。如果v l 久s 中至少有一个a g e n t 具备其他a g e n t 的知识、能力和环境资源知识，那么该a g e n t 可作为主控a g e n t 对该l v l a s 的目标 进行分解，对任务进行规划，并指示或建议其他a g e n t 执行相关任务。 ( 2 ) 基于协商的协同。系统中没有作为规划的主控a g e n t ，而通过协商来实 现任务的分配。协商是a g e n t 之间交换信息、讨论和达成共识的方式。 ( 3 ) 基于对策论的协同。该协调方法包括有通信协同和无通信协同两类。 无通信协同是在没有通信的情况下，a g e n t 根据对方及自身效益模型，按照对策论 选择适当的行为。 ( 4 ) 基于社会规划的协同。这一类是以每个a g e n t 都必须遵循的社会规则、 过滤策略、标准和惯例为基础的协调方法。这些规则对各a g e n t 的行为加以限制， 过滤某些有冲突的意图和行为，保证其他a g e n t 必须的行为方式，从而确保本a g e n t 的行为可能性，以实现整个a g e n t 系统的社会行为的协同【3 0 1 。 3 3 m a s 技术在船舶交通模拟中的应用 3 3 1 利用m a s 技术进行船舶交通流模拟的可行性 i v l a s 模拟了一个特定条件下，复杂社会环境中的人、设施等众多个体，以及 这些个体之间具有的复杂的关联【3 1 1 。而船舶交通系统本身是一个包含了人、船舶、 助航设施、航行通道、航行规则等众多元素的复杂系统，并且各元素之间以及元 素与整个系统之间都有着纷繁复杂的联系。利用m a s 技术进行船舶交通流模拟的 可行性表现在以下几方面： ( 1 ) 根据船舶交通系统的分布式特点，可以结合i v i a s 分布式特性进行对其 模拟。船舶交通系统是一种地理空间和功能都呈分布式的复杂系统。地理空间呈 现分布式表现为：船舶交通系统各个组成元素，如船舶、助航设施、航行通道、 船舶通航管理与控制部门等都是分布在不同地理空间位置的，它们的地理空间位 置还可能随着时间而变化；船舶交通系统在功能上呈分布式表现为：系统中的各 个职能部门是按照层次化结构划分的，其中的每个组成元素，如交通工具、交通 设施都具有自己的目标与任务，完成所处交通网络的一部分功能。在m a s 中各 务，通过相 自治性就是 ，船舶作为 在m a s 中 a g e n t 作为独立个体，对其行为和内部状态有某种控制能力，能在不需要外界干预 的情况下独立运作。 ( 3 ) 船舶对环境有反应性，而a g e n t 能通过感知环境变化及时做出反应。处 于海上环境中船舶能通过雷达等相关技术设备主动获取周围环境信息，并根据所 获得的信息采取相应的行动。m a s 中的a g e n t 处于一定的环境中，能够感知外界 环境，并对相关事件做出迅速、恰当的反应，执行一定的动作，改变内部状态， 向外部环境发送相应的信息等。 ( 4 ) 船舶交通系统中的船舶之间存在交互，m a s 中的a g e n t 具有社会性。在 现实的船舶交通中，船舶之间通常需要通过通信交流进行协同，以达到各自的目 标。m a s 中a g e n t 与a g e n t 之间能够基于高级的通信语言进行交互，通过交换知 识、信念和规划等达成合作关系或基于协商协议进行协同解决冲突。 ( 5 ) 运用m a s 建立船舶交通流模型便于在计算机上实现。m a s 建立船舶 交通流模型将采用面向a g e n t 技术在计算机上实现。面向a g e n t 技术是继面向对 象技术之后发展起来的一种新型的软件开发思想。面向a g e n t 技术在面向对象技 术的基础是对思想模型、传输信息类型、通信协议、功能组织等方面做了扩展， 对系统进行了更高层次抽象，特别适合用于复杂系统的分析、设计与实现。因而 能较好地模拟复杂系统中个体的智能性、自治性与自适应性等特性【3 2 1 。 因此，上述特点使得多智能体特别适合像船舶交通系统这样具有分布式特征 的复杂系统的模拟研究。 3 3 2 基于m a s 的船舶交通流模拟 船舶交通系统作为一个整体系统而言，并没有固定的规律、特征，只是通过 其各个组成部分的行为集合反映出系统整体的特征【3 3 1 。在m a s 中各a g e n t 是一个 基于j a f m a s 的船舶交通流模拟 独立自治的个体，每个a g e n t 根据内部状态、规则及外部环境做出相应的决策， 从而体现系统的整体特性。用多个智能、自治、分布、异构及协作的a g e n t 来模 型化和构造船舶交通系统中的各种实体单元，使系统成为一个多a g e n t 系统，每 个a g e n t 都具有自己的知识、目标和求解问题的能力( 即具有独立的个体行为) ； 同时，由于a g e n t 间共享同样的通信语言和合作协议，所以系统的全局目标则可 以通过这些a g e n t 间的协作来实现。这种从个体出发研究整体行为的研究思路与 实际船舶交通系统相符。 3 4j a f m a s 系统框架 j a f m a s ( j a v ab a s e da g e n tf r a m e w o r kf o rm u l t i - - a g c a ts y s t e m s ) 是由美国辛 辛那提大学开发的一个基于j a v a 的多a g e n t 系统( d e 印i k ac h a u h a n l 9 9 8 ) 3 4 1 。 j a f m a s 提供1 6 个主要的j a v a 类。通过这些划分成不同的层次的类提供的服务， 它为应用开发人员提供了a g e n t 之间必要的沟通、交流和协调机制3 5 1 。 图3 1 显示了整个j a f m a s 结构和组成的不同层次的类，它由用户接口层、 应用层、社会模型层、本地模型层、通信层等组成。每层有一组相关的j a v a 类来 实现其功能，下层对上层提供透明的服务，并通过j a v a 构造跨平台的分布式系统。 本地模型层是留给用户根据需要去实现具体应用的层。本地模型层提供具有 j b d c 的数据库访问和本地方法调用。 用户接口层用于创建领域a g e n t 。用户通过接口层提供的相关类来创建a g e n t ， 设置a g e n t 的属性和有关系统全局的知识，并通过相关的组件类来显示a g e n t 的属 性、状态。接口层采用g u i 与用户交互，使用户可根据自己的需要构造a g e n t 并 加入到系统中。 应用层提供两个基本抽象类a g e n t 和k n o w l c d g c o b j c c t 供用户继承，用户需要 重写两个抽象类中的一些抽象方法。开发任何一个多a g e n t 系统，用户除了需要 定义领域a g e n t 和类k n o w l c d g c o b j c c t 外，还需要定义领域a g e n t 的会话类和会话 规则类【3 6 1 。 社会模型层提供a g e n t 进行交互，协作的会话类c o n v e r s a t i o n 和会话规则 c o n v r u l e 以供用户继承【3 刀。c o n v e r s a t i o n 是a g e n t 为了完成某一任务与其它a g e n t 这使得一个a g e n t 可同时定购多个组，从而可同时接受、响应不同组得消息和请 求。 、 a g e n t s c o n v e r s a t i o n ( c o n v e r s a t i o n c o n v r u l e ) j d b c e x i s t i n g 卜一 d a t a b a s e s l e g s 叫n + 一a t i v e s o f t w a r e r l 几t l - a g e ! n ta p p l i c a t l o n s o c i a lm o d e l ll i n g u i s t i cl a y e r l o c a lr 一一一一一一一一一一一一 m o d e li c o 汛小l c a t i o n ip r o t o c a l l a y e r li n r r a s t u c t i 瓜e ( i n k l 1 ) o p e l 泔i n gs y s t e m h a r d w a r e a g e n tc r e a t i o n ( c r e a t e a g e n t ) a g e n to p e r a t o ri n t e r f a c e ( a g e n t o p i n t e r f a c e & a g c n t c a n v a s ) c o n v c r a t i o no p e r a t o ri n t e r f a c e ( c o n v o p i n t e r f a c e c o n v c a n v a s ) r e q u e s t e dr e s o u r c ep r o v i d e r i - - ( r e q u e s t e d r e s o u r c ep r o v i d e r & 1 4r o q d r 船咖锵) lc o n v e r s a t i o nm a n a g e m e n t v l s g r o u l c r 、m c s s c ：g e r m u l t i c a s t i ( m u l t i c a s t c o m ) l d i 咒c t c d ( d i 矧e d c o m l m p ) i i m p l e m e n t s d i r c c t c d c o mi n t 硼a c , 图3 1j a f m a s 体系结构 f i g 3 1j a f m a sa r c h i t e c t u r e 在上述五层中通信模型层、社会模型层、多a g e n t 应用层等为j a f m a s 的核 ：d 三层。其中，通信模型层又细分成为通信协议层和通信语言层；社会模型层指 a g e n t 之间的交互【3 引，包括a g e n t