分布式多Agent系统的研究

1、文章编号:1006-6705(200201-0065-04收稿日期:2001-08-18;修订日期:2001-12-18分布式多Agent 系统的研究黄敏,佟振声(华北电力大学仿控所,河北保定071003R esearch on Distributed Multi 2Agent SystemsHUAN G Min ,TON G Zhen -sheng(North China Electric Power University ,Baoding 071003,China Abstract :The concepts of Agent and Multi 2Agent System are in

2、2troduced.Several architectures of Multi 2Agent System are com 2pared.Main contents such as theory ,layer model ,communica 2tion language ,communication mechanism ,protocol ,strategy and so on which are involved in the research of interactive operation of Multi 2Agent System are expatiated in detail

3、.The instructive meaning of Multi 2Agent technique which is used in practical ap 2plication is presented.K ey w ords :Agent ;Multi 2Agent System ;architecture ;interac 2tion ;communication摘要:介绍Agent 和多Agent 系统的概念,对多Agent 系统的几种体系结构进行比较,系统地对多Agent 系统研究中的核心问题交互问题的理论、层次模型、通信语言、通信机制、交互协议、交互策略、协调与协作以及目前研究

4、中还存在的问题进行了阐述,最后指出多Agent 技术在实际中的应用以及对华北电力大学仿控所的分布式控制实验室建设的意见。关键词:Agent ;多Agent 系统;体系结构;交互;通信中图分类号:TP311.5文献标识码:A1Agent 的概念Agent 是运行于动态环境中具有较高自制能力的实体。目前,由于对Agent 研究的侧重点不同,A 2gent 尚没有一个统一和权威的定义,但在有关Agent 的特性方面,由Wooldridge 等人提出的Agent 的“弱定义”和“强定义”1最经典并被广为接受,即一个A 2gent 最基本的特性应包括:自治性、反应性、社会性、能动性、其行为符合理性要求,

5、这五条判定准则构成了Agent 的弱定义,而强定义下的Agent 还应具有如移动性、自适应性、通信能力(包括协作和协调等等特性以及一些如知识、信念、承诺、意图、义务等人类才具有的特性。Bratman 从哲学上对行为意图进行了研究,提出了关于Agent 特性的形式表示方法BDI 理论即:信念(Belief 、愿望(Desire 和意图(In 2tention ,被公认为Agent 的理论基础之一。2多Agent 系统(MAS 随着网络和分布计算技术的发展,一些现实系统往往异常复杂、庞大,并呈现出分布式特性,以至于单Agent 因个体所拥有的知识、计算资源和视图的限制而力不能及,因此对多Agent

6、 的研究迅速发展,逐渐成为人工智能研究的热点。2.1多Agent 系统的概念MAS (Multi 2Agent System 是由多个智能Agent 组成的系统。它一般具有个体行为独立自制、个体信息不完全、能力有限、无全局控制、数据分散化和计算异步等特点。MAS 作为解决复杂系统的一个有效方法,能够利用并行分布式处理技术和模块化设计思想,把复杂系统划分成相对独立的Agent 子系统,通过Agent 之间的合作与竞争来完成对复杂问题的求解。实际系统中的Agent 可由不同开发者在不同时间运用不同的工具和技术来实现,因此它们各自具有不同程度的问题求解能力。2.2多Agent 系统的体系结构由于MA

7、S 需要多个Agent 通过相互协商和合作来完成任务,因而它的体系结构包含了单个Agent 体系结构和Agent 群体结构两部分。其中单个Agent 体系结构与它们所处的Agent 群体所研究的内容紧密相关;而Agent 群体结构是指单个Agent 之间进行协调和合作的交互框架。2.2.1个体Agent 体系结构个体Agent 的体系结构描述了它的基本成分及其作用、各成分的联系与交互机制、使用的算法等。目前提出的个体Agent 的体系结构大致分为3类。(1推理式结构。特点是包含了显式表示的符号模型,并且其决策是通过逻辑推理、模式匹配和符号5612002电力情报INFORMA TION ON E

8、L ECTRIC POWER操作得出的。这种体系结构存在的问题是:将现实世界翻译成一个准确、合适的符号以及对这些信息进行推理和决策的实现都很困难。(2反应式结构。它不包含用符号表示的世界模型,不使用复杂的符号推理,而只是简单地对外部世界作出反应。当内部和外部环境符合Agent 的条件时,它就作出相应的反映。但是,当Agent 需要那些通过推理或记忆才能获得的知识时, 此种结构便面临着难以解决的问题。目前这种结构在主流的分布式系统中占主导地位。(3混合式结构。将以上两者结合起来以弥补两种结构的不足,可构造混合体系结构。不管采用哪种结构,个体Agent 的基本模型包括几个基本组成部分(如图1所示。

9、图1个体Agent 的基本体系结构图2.2.2Agent 群体体系结构一般来说,多Agent 系统的体系结构是指各A 2gent 之间的通信和控制模式,它的选取影响到整个系统的性能。从运行控制的角度来看,多Agent 系统的体系结构可分为3种:集中式、分布式和混合式2。(1集中式结构(如图2所示将系统分成多个组,每个组采取集中式管理,即每一组Agent 提供一个具有全局知识的控制Agent ,通过它来实现多A 2图2集中式体系结构图gent 合作的局部控制,如任务规划和分配等,并且由一个消息传递Agent 来承担消息传递任务,而整个系统采用同样的方式对各成员Agent 组进行管理。集中式能保持

10、系统内部信息的一致性,实现系统的管理、控制和调度较为容易。此方式的缺点是:随着各Agent 复杂性和动态性的增加,控制的瓶颈问题也愈加突出,其致命的缺点还在于,一旦控制局部或全局区域的管理Agent 崩溃,将导致整个区域或系统崩溃。(2分布式结构(如图3所示各Agent 组之间和组内各 Agent 之间均为分布式结构,各Agent 组或Agent 无主次之分,处于平等地位。Agent 是否被激活以及激活后做什么动作取决于系统状况、周围环境、自身状况以及当前拥有的数据。此结构中可以存在多个中介服务机构,为Agent 成员寻求协作伙伴时提供服务。这种结构的优点是:增加了灵活性、稳定性,控制的瓶颈问

11、题也能得到缓解,但仍有不足之处:因每个Agent 组或Agent 的运作受限于局部和不完整的信息(如局部目标、局部规划,很难实现全局一致的行为 。图3分布式体系结构图(3混合式结构(如图4所示一般是由集中式和分布式两类结构组成,它包含一个或多个管理服务机构,此机构只对部分成员Agent 以某种方式进行统一管理,参与解决Agent 之间的任务划分和分配、共享资源的分配和管理、冲突的协调等。其它成员之间是平等的,它们的所有行为由自身作出决策。此种结构平衡了集中式和分布式两种结构的优点和不足,适应分布式MAS 复杂、开放的特性,因此是目前MAS 普遍采用的系统结构。图4混合式体系结构图3多Agent

12、 系统的交互Agent 的交互机制是Agent 社会性的重要表现,66电力情报2002也是多Agent 系统研究的核心问题。理性、完善的交互机制是多Agent 之间进行协调、协作和协商的基础。在分布式开放环境中,涉及的多个Agent 往往是异构的(各Agent 之间存在语法、控制及语义上的差异、动态的(Agent 的个数、能力、规划及拓扑结构可能是不断变化的、不可预测的(如Agent 的行为结果往往无法预料,Agent 的“心理”状态变化无常,这些特征使得Agent 之间的合作较为困难和复杂,这也就必须通过各Agent 之间的交互来实现资源的共享、冲突的协调以及总体目标的完成。3.1多Agen

13、t 交互层次模型本文所讨论的Agent 交互是一种广泛的概念,它包括Agent 之间所进行的任何通信、 协商、协作的行为。Agent 交互层次模型分为4个层次(如图5所示3。图5多Agent 交互层次模型结构图其中,由下向上的第1层为计算机网络协议层,负责将通信协议层的消息通过某种具体的计算机网络协议来表达,从而保证Agent 之间各种交互行为的最终实现,这里的网络协议可以是TCP/IP ,X.25或IPX/SPX 等,根据具体的Agent 应用来决定;第2层是通信协议层,主要保证Agent 之间能够相互交换和理解信息,目前,该层一般建立在语言行为理论的基础上,被广泛接受的Agent 通信语言

14、是知识查询和操纵语言(KQML ;第3层是交互协议层,它的作用是保证Agent 之间能够进行具有一定结构的信息交换,即让交互的双方能够在上层策略指导下,通过一系列对话来实现协调、协商或协作的目的,目前已经有许多比较成功的交互协议,如:黑板结构、合同网协议、投票协议和拍卖协议等;第4层是交互策略层,它直接面向问题,通过对各方面问题的综合分析,确定A 2gent 在交互过程中表现的行为,交互策略的制定是Agent 智能特性的重要体现,也是Agent 成功交互的关键。3.2多Agent 系统交互的通信问题要使多Agent 系统能进行交互,协同完成工作,通信是重要的基础和服务保障。通信部分主要涉及到通

15、信机制和通信语言。3.2.1多Agent 交互的通信机制常用的通信机制有直接通信、广播通信、联邦系统(Federation System 和公共黑板系统(Blackboard System 。(1直接通信用于需要通信的Agent 已确切知道通信的另一方是谁,二者之间进行直接交流。(2广播通信用于一Agent 将消息广播给同组的所有成员或者不知道通信对方的地址。(3联邦系统的特点是:各Agent 之间的交互是通过联邦体来实现的,Agent 可以动态地加入联邦体,接受联邦体提供的服务。这些服务包括:接受A 2gent 加入联邦体并进行登记;记录加入联邦体的A 2gent 能力和任务;为加入联邦体的

16、Agent 提供通信服务;对Agent 提出的请求提供响应;在联邦体之间提供知识转换与消息路由等等。(4公共黑板系统是一种集中控制的方式,每个Agent 把信息放在其它所有Agent 都可以存取的黑板上,供其它成员共享。3.2.2多Agent 交互的通信语言设计一种通用的Agent 通信语言是Agent 交互的关键问题。Agent 采用ACL (Agent 通信语言进行通信。ACL 由两种语言构成:一种是知识交换格式(KIF ,它是一阶谓词逻辑的扩展形式,用于表示信息的内容;另一种是知识与查询操纵语言(KQML ,它以Lisp 语言为基础,是ACL 的主体。KQML (Knowledge Qu

17、ery and Manipulation Lan 2guage 语言是目前使用最为广泛的一种Agent 通信语言,它的最大特点是有助于理解信息内容的所有信息都包含于通信信息当中。在KQML 中,既有标准的通信操作原语如ask ,tell ,query ,delete ,insert 等,又有面向协议的通信原语,如subscribe ,还有许多用于Agent 进行信息交换的协议。它的核心是预先定义的许多行为,其中包含了希望接受方执行的动作。KQML 可以视为由内容、信息和通信构成的3层结构(如图6所示。内容层说明信息的实际内容,可以是Prolog 代码、c 代码、自然语言描述或其它表达方式,该层

18、对KQML 是不透明的,KQML 仅对其进行简单打包和传送而不进行处理或理解。信息层是KQML 语言的核心,基本功能是标识用以发送信息的协议,提供讲话动作或执行发送者在内容中附加的行为,另外,信息层还包括一些用以描述内容层信息的可选部分,如语言、术语、通信主题描述符等,以便KQML 对要传递的内容进行分析、路由和发送4。761电力情报 图6KQML的3层结构图3.3多Agent交互协议和交互策略(1多Agent交互协议是对Agent有组织的信息交换过程的一种抽象和规定,它直接反映了Agent交互目的和交互规则,与Agent内部的推理机制也紧密相关,是多Agent系统研究的重点。多Agent交互

19、协议根据交互目的可分为协调协议、协作协议和协商协议;根据交互协议的作用时间可分为长期协议、中期协议和短期协议等,也可根据不同的需要采用综合性的交互协议。(2多Agent的交互策略涉及到对待求问题的分析,对相关Agent情况的了解,以及对相关交互协议的分析。虽然现在的应用研究大都采用多Agent系统的设计阶段由设计人员预先分析解决Agent的交互策略,但Agent在运行状态下自主进行交互策略的制定即动态交互策略的制定更为重要,目前这方面的理论研究还不成熟,有待进一步拓展。3.4多Agent系统中的协调与协作MAS的研究重点在于如何协调在逻辑上或物理上分离的、具有不同目标的多个Agent的行为,使

20、其为了联合采取行动或求解问题,协调各自的知识、希望、意图、规划、行动,以对其资源进行合理安排,最大程度地实现各自和总体目标。因此,MAS中各A2 gent在社会层次上的知识和行为、协调与协作成为多Agent系统研究的核心问题。20世纪80年代中期,Rosenschein在其博士论文中运用对策论,建立了“理性Agent”交互的静态模型,成为多Agent协调与协作问题的形式化理论基础。因为对策论被公认为研究人类交互的最佳数学工具,将这一工具运用于多Agent的交互是自然的。多Agent的协调与协作有如下3个实现方法5:(1无通讯的协调与协作。其方法与传统对策论相似。(2有控制中心的通讯协调和协作。

21、它类似于传统操作系统的方法:即为每个Agent群体增设一个可称为助理器的装置,所有的位于同一群体中的Agent 通过向助理器声明一组描述信息的方式与此装置通信,同时助理器还负责完成与其它群体中助理器的交互,实现与别的助理器管理下的Agent的协作。(3协商。协商方式的种类繁多,主要有基于Nash合作对策求解的二Agent协商、基于Nash非合作对策求解的多Agent协商和基于Robinstein协商理论的方法。3.5多Agent系统交互中存在的问题目前,对MAS的研究才刚刚起步,由于Agent技术的不成熟和MAS系统的复杂性,MAS中多Agent 的交互和协作还有许多问题没有解决,譬如:(1缺

22、乏规范系统结构和机制的统一标准以及描述,构造和评价MAS应用系统的有效方法。(2缺乏对Agent成员的行为、协作、通信等进行描述、设计、编程和调试的MAS工具。(3不同的系统拥有各自的运行环境、访问控制、安全策略、命名规则和指令系统等,相互之间不能兼容,此即不同组织的异构Agent成员之间的协作问题。(4缺乏Agent成员与MAS之间的行为、意图和目标一致性,以及良好、高效的协同机制、任务和资源的分配与管理机制等。4多Agent技术的应用多Agent技术主要涉及复杂和并发系统的建立与管理、流动访问与管理、信息搜集与处理、语言处理、工业制造、空中交通控制、监控、分布计算与协同工作、电子商务、用户

23、界面和中间件以及机器人6等。以上讨论的关于多Agent系统的体系结构及其交互问题的解决方案可为实际应用系统的开发提供参考模型,其中的Agent可由不同领域的开发者针对具体问题和环境采用不同工具和技术实现。在华北电力大学仿真与控制技术研究所的分布式控制实验室中,装备着一套覆盖面广、应用灵活的控制系统和综合仿真试验研究系统,其中包括仿真工作站,INFI290OPEN兼容Symphony DCS,OVA2 TION DCS,EDPF22000分散控制系统等DCS控制设备,FF和LONWOR K现场总线设备以及G2专家系统,LABview等应用软件工具等。由于各种系统的内部结构、功能、数据结构和类型以

24、及接口方式等都存在着很大的差异,因此要实现这些异构系统在局域网上的通信和数据交换存在着一定的困难。(下转70页装在阻尼线外侧,处于振幅较大的位置。该方案的缺点是防振装置较长,防振锤由于振幅大而容易疲劳,影响防振效果。鉴于此,设计开发了新的大跨越防振方案。新方案由大、小阻尼线花边和防振锤组成,其特点是阻尼线花边较短(0.44m,并将小花边进行剥皮处理。另外,防振锤安装在靠近悬垂线夹的大阻尼线花边中点的导线上,避免了防振锤的疲劳损伤。2舞动舞动是一种由导线上的非对称覆冰引起的低频率(03Hz、大振幅(几m至十几m的振动现象。舞动多在导线覆冰厚度3mm以上、气温0°C左右时发生。此时,如遇

25、上616m/s的风力(47级风,极易发生舞动。舞动时,全档架空线做定向的波浪式起伏运动。由于振幅较大,容易引起相间或导线对地间的闪络,造成金具损坏、线路跳闸停电、拉倒杆塔、导线折断等事故。舞动研究的现状及发展趋势在文献2中已有论述。舞动研究的根本目的是防止舞动发生,或减小舞动的强度,从而避免或减少舞动所造成的损失。国内外专家普遍认为,加强各种防舞器的研究和开发是当前防止舞动发生的重要任务。通常对有可能发生舞动的线路采取加大相间距离或加装相间绝缘间隔棒等措施。3次档距振动随着大容量、远距离输电技术的发展,分裂导线已普遍被采用。目前,我国330kV线路多采用2分裂导线;500kV线路多采用4分裂导

26、线;即将兴建的750kV线路可能采用6分裂导线。为保证同相各导线间的相对位置,必须在线路上安装各种类型的间隔棒。次档距振动就是间隔棒之间导线的振动。其频率为12Hz,振幅为100500mm,介于微风振动和舞动之间。次档距振动造成分裂导线相互撞击,损伤导线和间隔棒。国外一般采用增大分裂导线间的距离,缩短次档距长度,采用不同的导线排列方式,以及换成柔性间隔棒等措施来防止次档距振动。4结束语架空输电线路导线的振动和防振越来越受到科技工作者的重视。经过多年的努力,取得了可喜的成果。但由于影响导线振动的因素很复杂,问题远没有根本解决。特别是我国在该领域起步较晚,在基础理论研究方面仍较落后,设计资料也十分匮乏。因此,今后除要进一步加强基础理论研究外,还应注重现场观测和试验研究,不断充实和完善导线振动分析和防振设计所需的技术资料,实现振动分析和防振设计的计算机化。参考文献:1郑玉琪.架空输电线路微风振动M.北京:水利电力出版社,1987.2张忠河,王藏柱.舞动研究现状及