污水處理智能化系統(tǒng)的Multi-Agent通信技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

分布式人工智能(Distributed Artificial Intelligence，DAI)理論主要研究在邏輯上或物理上分散的智能系統(tǒng)如何并行地、相互協(xié)作地進(jìn)行問題求解[1]。作為DAI研究的一個(gè)重要分支和前沿學(xué)科，基于多智能體系統(tǒng)(Multi-Agents System，MAS)的分布式智能系統(tǒng)已受到控制領(lǐng)域研究人員的極大關(guān)注[2][4]。MAS的基本思想是將大的復(fù)雜系統(tǒng)建造成小的、彼此能相互通信及協(xié)調(diào)的、易于管理的Agent(智能體，代理)。當(dāng)單一智能系統(tǒng)沒有足夠的知識(shí)、資源和信息去解決一個(gè)復(fù)雜的問題時(shí)，有必要研究如何使較多的小型智能系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)、相互合作，以解決較大規(guī)模的復(fù)雜問題。本文基于Multi-Agent理論對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的強(qiáng)大表現(xiàn)力及其開放性、智能化的特性，提出了一種構(gòu)建污水處理智能化系統(tǒng)通用模型的新思想，用MAS理論集成污水處理系統(tǒng)中分散分布的眾多模型和參數(shù)，從而有效解決污水處理這一復(fù)雜工業(yè)過程的控制問題。
1  基于Multi-Agent的污水處理分布式智能化系統(tǒng)
　　基于Multi-Agent的污水處理智能化系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中每個(gè)Agent根據(jù)環(huán)境信息完成各自承擔(dān)的工作，多個(gè)Agent分工協(xié)作，形成一個(gè)有組織、有秩序的群體，共同完成特定的任務(wù)。

　　執(zhí)行Agent位于現(xiàn)場層，實(shí)現(xiàn)參數(shù)采集及現(xiàn)場控制的功能；沖突消解Agent是該智能化系統(tǒng)的核心，其功能是通過對(duì)任務(wù)規(guī)劃信息、故障信息、系統(tǒng)狀態(tài)信息以及其他Ａgent的協(xié)作請(qǐng)求信息等的融合，對(duì) Agent行為所產(chǎn)生的沖突進(jìn)行消解；數(shù)據(jù)服務(wù)Agent的功能是為其他Agent提供統(tǒng)一、靈活的訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的接口；軟測量Agent的功能是通過易測變量與難測變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)難測變量的測量；故障診斷Agent是一個(gè)專家系統(tǒng)，可對(duì)污泥膨脹、污泥解絮、曝氣池泡沫等故障現(xiàn)象進(jìn)行診斷，并提出解決對(duì)策。
Agent間相互交換信息、進(jìn)行協(xié)調(diào)或合作、解決超出單個(gè)Agent能力或知識(shí)的問題，并真正具有社會(huì)性的關(guān)鍵是Agent間可以通信。因此， Agent通信是Multi-Agent系統(tǒng)研究的重要問題之一。
2  MAS的通信語言
　　Agent通信語言(Agent Communication Language，ACL)提供了Agent之間交換信息和知識(shí)的工具，使Agent之間相互作用達(dá)到求解問題的目的。ACL使Agent通信建立在知識(shí)級(jí)別（Knowledge Level）上，從而使Agent間的通信效率大大高于傳統(tǒng)的分布式計(jì)算中的通信。
　　目前主要有兩種ACL，一種是1993年美國ARPA的KSE 研究小組提出的KQML(Knowledge Query and Manipulation Language)；另一種是1997年歐洲的FIPA(Foundation for Intelligent Physical Agents)協(xié)會(huì)制定的開放性標(biāo)準(zhǔn)FIPA-ACL。FIPA標(biāo)準(zhǔn)由一系列規(guī)范組成，用于規(guī)范一個(gè)應(yīng)用程序內(nèi)部Agent之間和不同應(yīng)用程序Agent之間的互操作，并對(duì)多Agent應(yīng)用程序互操作中相應(yīng)的功能模塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。由于FIPA-ACL在構(gòu)建新的原語方面具有很強(qiáng)的能力,并且采用SL(Semantic Language)作為它的內(nèi)容語言來描述Agent的狀態(tài)，所以，F(xiàn)IPA-ACL有逐漸代替KQML的趨勢。
2.1 FIPA-ACL的系統(tǒng)組成
　　FIPA標(biāo)準(zhǔn)由一系列規(guī)范組成，每個(gè)規(guī)范對(duì)多Agent應(yīng)用程序互操作中相應(yīng)的功能模塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。FIPA-ACL規(guī)范集合在整個(gè)FIPA規(guī)范中的位置及其內(nèi)部的功能規(guī)范組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　由圖2可見，F(xiàn)IPA-ACL規(guī)范集合是整個(gè)FIPA標(biāo)準(zhǔn)中極其重要的組成部分，它與Agent管理規(guī)范集合、Agent消息傳輸規(guī)范集合構(gòu)成了FIPA標(biāo)準(zhǔn)的主體部分。Interaction Protocols規(guī)范集合定義了FIPA-ACL可采用的互操作協(xié)議(如請(qǐng)求互操作協(xié)議)；Communicative Acts規(guī)范集合則將Agent在使用FIPA-ACL進(jìn)行通信過程中的各種語言行為單元（如：request、agree、refuse等）規(guī)范為一個(gè)CAL(Communicative Acts Library)庫規(guī)范；Content Languages規(guī)范集合定義了應(yīng)用在FIPA-ACL消息的內(nèi)容上不同的表示方式（如：SL），它們可提供不同標(biāo)準(zhǔn)的編碼形式。
2.2 FIPA-ACL通信機(jī)制
　　Agent之間的通信是通過構(gòu)造、封裝、傳輸ACL消息進(jìn)行的，ACL消息的主要結(jié)構(gòu)如表1所示。

　　Agent A為了和Agent B進(jìn)行通信，首先應(yīng)該構(gòu)建ACL消息。如果B提供的服務(wù)應(yīng)采用請(qǐng)求互操作協(xié)議，則ACL的Protocol參數(shù)就設(shè)為fipa-request。A是此次互操作對(duì)話的發(fā)起者，它與B的第一次通信應(yīng)視為請(qǐng)求互操作協(xié)議的第一個(gè)請(qǐng)求動(dòng)作，這在CAL庫規(guī)范中描述為request行為，所以ACL的performative參數(shù)應(yīng)為request。封裝好整個(gè)ACL消息后，Agent A選用適當(dāng)?shù)木幋a方式將其編碼，形成有效載荷（Payload），然后再添加信封，信封中包含A和B進(jìn)行通信所使用協(xié)議對(duì)應(yīng)的協(xié)議地址。最后，A采用此傳輸協(xié)議將信息傳送給Agent B。Agent B收到A發(fā)送的消息并根據(jù)消息具體的內(nèi)容加以判斷后，按照請(qǐng)求互操作協(xié)議所規(guī)定的操作流程對(duì)A進(jìn)行回答。
3  系統(tǒng)的通信技術(shù)與實(shí)現(xiàn)
　　基于FIPA-ACL的污水處理Multi-Agent智能化系統(tǒng)是在開源Java項(xiàng)目JADE(Java Agent Development Framework)提供的多Agent平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的。JADE完全符合FIPA標(biāo)準(zhǔn)，為多Agent系統(tǒng)的開發(fā)者提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的開發(fā)框架，使開發(fā)者無需親自從頭實(shí)現(xiàn)FIPA的具體規(guī)范就能開發(fā)出符合FIPA標(biāo)準(zhǔn)的多Agent系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]
3.1 通信方式的確定
　　MAS通信主要有四種連接方式：黑板模式、聯(lián)邦方式、廣播方式、點(diǎn)到點(diǎn)方式。通信傳遞方式有消息傳遞、方案傳遞兩種。本系統(tǒng)Agent之間通信前都通過Agent管理平臺(tái)提供的服務(wù)查詢機(jī)制來定位欲通信的Agent，然后兩個(gè)Agent進(jìn)行直接通信；而Agent之間傳輸?shù)男畔⑹腔ゲ僮髅?、參?shù)和操作結(jié)果，沒有設(shè)計(jì)到方案傳遞。所以本系統(tǒng)采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的消息傳遞通信方式。
3.2 通信策略
　　本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)服務(wù)Agent、沖突消解Agent、故障診斷Agent分別為整個(gè)系統(tǒng)中的其他Agent提供數(shù)據(jù)查詢和寫入服務(wù)、沖突識(shí)別和消解服務(wù)、故障診斷服務(wù)，請(qǐng)求每種服務(wù)的Agent必須要先定位到服務(wù)提供者，這就要求一種服務(wù)注冊(cè)和定位機(jī)制。FIPA標(biāo)準(zhǔn)中定義了在Agent系統(tǒng)中必須存在的DF(Directory Facilitator)Agent。上述三個(gè)服務(wù)提供者啟動(dòng)時(shí)就會(huì)在DF中注冊(cè)自己提供的服務(wù)，如：某個(gè)執(zhí)行Agent需要沖突消解服務(wù)時(shí)，它會(huì)通過查詢DF來得到?jīng)_突消解Agent的通信地址和服務(wù)使用的互操作協(xié)議等信息，然后根據(jù)互操作協(xié)議規(guī)定的對(duì)話方式與協(xié)調(diào)Agent通信。
　　JADE提供了默認(rèn)的DF Agent，服務(wù)提供者（如數(shù)據(jù)服務(wù)Agent）欲注冊(cè)自己的服務(wù)，其主要代碼如下：
　　Service Description sd=new Service Description( )；
　　　　　　　　　　//創(chuàng)建服務(wù)描述對(duì)象，描述服務(wù)屬性
　　DF Agent Description DFad=new DF Agent Description( )；
　　　　　　　　　　//創(chuàng)建自身描述對(duì)象，描述自身信息
　　Codec language=new SLCodec( )；//采用SL內(nèi)容語言規(guī)范
　　Ontology ontology=Basic Ontology.getInstance( )；
　　　　　　　　　　//采用基本本體語言構(gòu)建服務(wù)描述對(duì)象
　　sd.setName(getLocalName( ))；
　　sd.setType(″SwageDisposeDataService″)；//為服務(wù)命名，其他Agent查詢服務(wù)時(shí)就用此名字
　　sd.addProtocols(InteractionProtocol.FIPA_REQUEST)；
　　　　　　　　　　//服務(wù)所采用的互操作協(xié)議
　　sd.addLanguages(language.getName( ))；
　　sd.addOntologies(ontology.getName( ))；
　　　　　　　　　//構(gòu)建自身描述對(duì)象
　　DFad.addProtocols(InteractionProtocol.FIPA_REQUEST)；
　　DFad.addLanguages(language.getName( ))；
　　DFad.addOntologies(ontology.getName( ))；
　　DFad.setName(getAID( ))；
　　　　　　　　　//使自身具有構(gòu)建的服務(wù)描述對(duì)象
　　DFad.addServices(sd)；
　　try{
　　　      DFService.register(this，DFad)；//在平臺(tái)提供的默認(rèn)DF中注冊(cè)自己的服務(wù)
　　}catch(FIPAException e){
      　　　　　　　　　//處理異常
　　}
　　當(dāng)沖突消解Agent需要此服務(wù)時(shí)，可通過下面的代碼來搜索DF，并定位到此服務(wù)的提供者，即數(shù)據(jù)服務(wù)Agent[6]。
　　……  //部分變量申明與上段代碼相同
　　DFAgentDescription dfd[ ]；//用于存儲(chǔ)提供此服務(wù)的
　　　　　　　　　　　　　　　//Agent描述信息（服務(wù)提供者可能不止一個(gè)）
　　　　　　　　　　　　　　　//構(gòu)建服務(wù)描述對(duì)象
　　sd.setType(″SwageDisposeDataService″)；
　　sd.addLanguages(language.getName( ))；
　　sd.addOntologies(ontology.getName( ))；
　　sd.addProtocols(InteractionProtocol.FIPA_REQUEST)；
　　DFad.addServices(sd)；
　　try{
　　　      dfd=DFService.search(this，DFad)；//在默認(rèn)DF中搜索服務(wù)提供者
　      ……  //與服務(wù)提供者通信
　　}catch (FIPAException e){
　　　　      //處理異常
　　}
3.3 通信協(xié)議
　　本系統(tǒng)Agent之間通信都采用請(qǐng)求互操作協(xié)議，即ACL消息的protocol參數(shù)均為fipa-request，用UML表示的該協(xié)議流程如圖3所示。

　　Agent提供服務(wù)所需的參數(shù)和操作結(jié)果都包含在ACL消息的content參數(shù)中。
3.4 通信內(nèi)容
　　在本系統(tǒng)中，Agent之間的通信內(nèi)容是封裝在自定義的CSO(Communication Seriable Object)類中，通過JADE提供的串行化接口，可將CSO對(duì)象作為ACL消息的content參數(shù)在任意Agent之間傳遞，能達(dá)到很好的可擴(kuò)展效果。CSO的類結(jié)構(gòu)如下：
　　public class CSO implements Serializable {
　　　  private String[ ] arg；//服務(wù)參數(shù)
　　　  private float[ ] value；//服務(wù)結(jié)果
　　　  private String comment；//注釋
　　 ……
　　}
　　系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)服務(wù)Agent提供數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)寫入服務(wù)，它根據(jù)服務(wù)使用者在CSO.arg[ ]中傳送的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫操作，并將查詢結(jié)果存儲(chǔ)在CSO.value[ ]中返回給請(qǐng)求者。沖突消解Agent接收?qǐng)?zhí)行Agent的沖突識(shí)別請(qǐng)求(此請(qǐng)求不帶參數(shù))，并根據(jù)沖突識(shí)別算法的需要請(qǐng)求數(shù)據(jù)服務(wù)Agent的數(shù)據(jù)查詢服務(wù)或故障診斷Agent的故障診斷服務(wù)，將消解結(jié)果命令或無沖突命令存放于CSO.arg[0]中，再向執(zhí)行Agent傳送。故障診斷Agent向沖突消解Agent提供故障診斷服務(wù)時(shí)也需要從CSO.arg[ ]中獲取參數(shù)，并將診斷結(jié)果存放于CSO.value[ ]中，以表明請(qǐng)求診斷的故障是否出現(xiàn)。
　　本文基于FIPA-ACL提出了污水處理Multi-Agent智能化系統(tǒng)的通信技術(shù)，確定了其通信方式、通信策略與通信協(xié)議，并給出了JADE 3.1軟件開發(fā)平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)方法。