基于現場總線通訊環(huán)境的Multi-Agent系統模型

　　1. 引言

　　隨著計算機技術和人工智能的發(fā)展以及網絡的出現與發(fā)展，集中式系統已不能完全適應科學技術的發(fā)展需要。并行計算和分布式處理的技術應運而生。近10年來，Agent和Multi-Agent系統的研究成為分布式人工智能研究的一個熱點，引起計算機、人工智能、自動化、工業(yè)控制等領域科技工作者的濃厚興趣。

　　現場總線控制系統在控制領域發(fā)展迅速。促進了現場設備的數字化和網絡化，并且使現場控制的功能更加強大。因此現場總線控制系統將是工業(yè)現場控制系統的發(fā)展方向。現場總線完成了各個Agent之間的通訊，因而使得Multi-Agent系統在工業(yè)中的應用成為了可能。

　　因此，本文提出了一種基于Agent思想的智能化“三軸門架搬運系統”。在該系統中，具有多個自主性和自適應性能力的Agent。并通過多個Agent之間的協同工作來提高整個系統的可靠性、穩(wěn)定性和工作效率。

　　2. Agent及Multi-Agent

　　Agent在英語中是個多義詞，主要含義是有主動者、代理人、作用力（因素）或者媒介物（體）等。目前國內對Agent尚無公認的統一譯法。有的譯成主體、智能主體、智能體，還有些人把Agent譯為代理、媒體、個體、實體。在工業(yè)控制中，可把Agent看作是能夠通過傳感器感知環(huán)境，在通過控制器進行理解，最后借助執(zhí)行器作用于該環(huán)境的任何事物，如圖1所示。Agent具有自主性、交互性、協調性、目標性、社會性、協作性、持續(xù)性、適應性、分布性和智能性10個特性[1]。

　　圖1 Agent與環(huán)境的互交作用

　　一個含有多個Agent并且協同完成目標的系統稱之為Multi-Agent系統（MAS，Multi-Agent System）。采用MAS具有系統運行速度加快、可靠性高、反應速度快等優(yōu)點。系統中這些Agent在物理上或邏輯上是分散的，其行為是自治的，他們?yōu)榱斯餐瓿赡硞€任務或達到某些目標而連接起來，通過交互與合作實現復雜問題的求解。MAS必須找出一種使各個Agent能夠協同工作的適當方法。這種方法是建立在多個Agent系統資源共享和各Agent自主性之上的。因此，Multi-Agent之間的通訊成為了我們關心的問題。它包括3個方面的內容：通信范式、通信協議和通信語言[7]。MAS的通信范式由共享全局內存、消息傳遞及二者的結合。他的通信協議包含3種含義：網絡傳輸協議、高層交互型框和對所交換的通信原語的約束。至于MAS之間的通信語言有形式簡單、易于理解、語法可開展、方便與其他系統集成，內容具有層次性、語義規(guī)范、能保證Agent間通信的可靠性和安全性的要求。

　　3. 現場總線系統（FCS）

　　我們可以認為現場總線就是通信總線一直延伸到現場儀表，使得許多現場儀表，如變送器、調節(jié)閥、基地式控制器、記錄儀、顯示器、PLC、便攜式終端和控制室自動化設備間可以在同一總線上進行雙向多信息數字通信。通常，我們將建立在現場總線基礎上的控制系統稱為現場總線控制系統（FCS，Field-bus Control System）。FCS具有開放性、互可操作性與互換性、現場設備的智能化、系統結構的高度分散性、現場環(huán)境的適應性、系統可靠性和準確性、信息一致性等特性[8]。

　　1) 系統結構的高度分散性

　　FCS廢棄了DSC的控制站，由現場控制設備議表取而代之，即把DSC控制站的功能化整為零，分散的分配給現場儀表設備，實現徹底的全分布式網絡控制。開創(chuàng)了測量與控制領域的新紀元——分布控制時代。

　　2) 現場設備的智能化

　　現場總線節(jié)點為現場控制設備或儀表，如傳感器、變送器、執(zhí)行器和控制器等，其具有綜合功能的智能節(jié)點。具有傳感測量、信號變換、工程量處理、補償計算、控制決策、驅動與執(zhí)行、自校驗和自診斷等多項功能，在某節(jié)點出現故障的情況能自行關斷而不影響整個控制網絡系統的繼續(xù)運行。因此，現場總線控制系統中的現場設備儀表具有高度自主性與自治性的智能節(jié)點。

　　4. Multi-Agent控制理論的理想實現平臺——FCS

　　Multi-Agent控制理論的要點就在于構建一個實時的、分布式的網絡化控制計算環(huán)境，網絡中的各智能具有高度的自主性和自治性，分布式網絡環(huán)境為各智能體之間的相互協調合作提供一種交互機制。顯而易見，根據FCS和MAS特性的分析表明，FCS正是提供了一個這樣的實時的、全分布式的網絡化控制計算環(huán)境，FCS中的現場控制儀表設備智能節(jié)點即相當一個個Agent,具有高度的自主性和自治性，開放的現場總線通訊協議和現場總線技術標準為現場儀表設備各個Agent之間提供了相互協調合作的具可互操作性的交互機制?，F場總線控制系統成本低，具有理論應用實現的切實經濟可行性。因此，FCS和Multi-Agent控制理論相似意味著前者是后者實現的天然理想系統平臺[5]。

　　5. 實現硬件平臺

　　本文采用CAN總線作為系統的通訊平臺，構建一個“三軸門架搬運系統”（如圖2所示）。三軸門架搬運系統模擬了一個在工作區(qū)域為直角平面的機械臂，它用來傳送或者揀選工件。該模型由一個能在X軸、Y軸線性方向移動的機器臂②、一個適合沿Z軸方向運動的電磁手（未顯示在圖片上）、一個帶有傳輸帶的工件箱①、工件存放站點③和控制單元④組成。在每個運動方向的末端各有一個限位傳感器，控制軟件由此判斷機器臂的工作區(qū)域。

　　模擬的過程是：金屬的工件因工件箱的傳輸帶從工件箱被傳送到入站待定位，途中經過識別單元，對工件型號進行識別。機械臂移動到入站待定位上方，電磁手在負Z軸方向運動抓住工件，電磁手復位，機械臂移動到工件型號相對應的存放站的上方，電磁手再次在負Z軸方向運動，電磁手失電消磁，工件被放在這個規(guī)定位置，電磁手復位。這個過程就完成了工件的煉選搬運工作。

　　圖2 三軸門架搬運系統硬件設備圖

　　整個系統底層現場總線控制網絡采用CAN總線網絡?，F場監(jiān)控主機⑤的監(jiān)控應用程序采用VC編程實現。現場監(jiān)控主機也作為CAN網絡服務器，安裝倍福公司的CANOPEN FC510X現場總線接口卡和TWINCAT網絡管理和服務工具軟件。監(jiān)控應用程序通過TWINCAT實現與設備節(jié)點的通訊。

　　為了實現整個系統，系統共有分類煉選Agent、單元化Agent、控制Agent和監(jiān)控Agent四個Agent組成（如圖3所示）。

　　圖3 三軸門架搬運系統Agent結構圖

　　1) 控制Agent

　　控制Agent的主要功能是完成自身的控制算法，并根據任務需要與其他Agent組成動態(tài)的Multi-Agent合作系統。控制Agent所需要的控制命令和數據均通過CAN總線傳輸。在該系統中，控制Agent主要完成的任務是目標位置計算、運輸帶控制、機械手控制和狀態(tài)監(jiān)視。

　　2) 單元化Agent

　　單元化Agent相當于一個感知與執(zhí)行Agent[7]。該Agent不僅能完成信號的采集，提取傳感器的信號的特征形成監(jiān)控變量，通過CAN總線傳送給控制Agent。同時從控制Agent接受控制指令，并轉化為與現場設備匹配的開關量。該系統中，單元化Agent主要完成的任務是檢測工具箱中是否有工件，如果有工件，啟動傳輸帶將工具箱最底層的一個工件傳送到準備入站的位置。無工件時，就停止傳輸帶。

　　3) 分類煉選Agent

　　分類Agent業(yè)相當于一個感知與執(zhí)行Agent。該系統中，該Agent主要完成的任務是分析并確定工件的類型，電磁手的控制和機械手的運動。

　　4) 監(jiān)控Agent

　　監(jiān)控Agent主要的任務就是在在遠程的操作室內對工業(yè)現場的觀察并且根據情況需要可以對現場設備布置任務。

　　通過CAN總線整個三軸門架搬運系統實現了各個Agent的通訊，使每個Agent可共享系統資源又可在同一時刻完成各自的任務。因此，整個系統可以安全、協調的完成工件的單元化、分類和搬運一系列任務。

　　6. 結論

　　本文結合現場總線技術和Agent理論給出了“三軸門架搬運系統”的Multi-Agent結構，并基于CAN總線技術構建了該系統。系統具有成本低、可靠性和穩(wěn)定性好，智能化程度高等特點。各個Agent根據不斷變化的環(huán)境所做出的局部決策，動態(tài)的顯現出一個切實可行的調度，這樣系統就具有較好的反應性和適應性。

　　本文作者創(chuàng)新點：分布式人工智能中的Agent和Multi-Agent理論在智能機器人的研究中有了一定的發(fā)展，但此理論未用于工業(yè)控制領域。各個Agent之間的通訊是Multi-Agent 系統在工業(yè)控制領域應用的關鍵，而與現場總線通訊的完美結合使的應用Multi-Agent理論在工業(yè)控制領域成為了可能。本文還結合了工業(yè)模型三軸門架搬運系統證明了此理論的可行性。