污水處理智能化系統(tǒng)的Multi-Agent通信技術與實現(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)作地進行問題求解[1]。作為DAI研究的一個重要分支和前沿學科，基于多智能體系統(tǒng)(Multi-Agents System，MAS)的分布式智能系統(tǒng)已受到控制領域研究人員的極大關注[2][4]。MAS的基本思想是將大的復雜系統(tǒng)建造成小的、彼此能相互通信及協(xié)調的、易于管理的Agent(智能體，代理)。當單一智能系統(tǒng)沒有足夠的知識、資源和信息去解決一個復雜的問題時，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、相互合作，以解決較大規(guī)模的復雜問題。本文基于Multi-Agent理論對于復雜系統(tǒng)的強大表現(xiàn)力及其開放性、智能化的特性，提出了一種構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)模型結構如圖1所示。系統(tǒng)中每個Agent根據(jù)環(huán)境信息完成各自承擔的工作，多個Agent分工協(xié)作，形成一個有組織、有秩序的群體，共同完成特定的任務。

　　執(zhí)行Agent位于現(xiàn)場層，實現(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，其功能是通過對任務規(guī)劃信息、故障信息、系統(tǒng)狀態(tài)信息以及其他Ａgent的協(xié)作請求信息等的融合，對 Agent行為所產(chǎn)生的沖突進行消解；數(shù)據(jù)服務Agent的功能是為其他Agent提供統(tǒng)一、靈活的訪問實時數(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)學關系，實現(xiàn)難測變量的測量；故障診斷Agent是一個專家系統(tǒng)，可對污泥膨脹、污泥解絮、曝氣池泡沫等故障現(xiàn)象進行診斷，并提出解決對策。
Agent間相互交換信息、進行協(xié)調或合作、解決超出單個Agent能力或知識的問題，并真正具有社會性的關鍵是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的工具，使Agent之間相互作用達到求解問題的目的。ACL使Agent通信建立在知識級別（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)會制定的開放性標準FIPA-ACL。FIPA標準由一系列規(guī)范組成，用于規(guī)范一個應用程序內部Agent之間和不同應用程序Agent之間的互操作，并對多Agent應用程序互操作中相應的功能模塊進行標準化。由于FIPA-ACL在構建新的原語方面具有很強的能力,并且采用SL(Semantic Language)作為它的內容語言來描述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標準由一系列規(guī)范組成，每個規(guī)范對多Agent應用程序互操作中相應的功能模塊進行標準化。FIPA-ACL規(guī)范集合在整個FIPA規(guī)范中的位置及其內部的功能規(guī)范組成結構如圖2所示。

　　由圖2可見，F(xiàn)IPA-ACL規(guī)范集合是整個FIPA標準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)范集合構成了FIPA標準的主體部分。Interaction Protocols規(guī)范集合定義了FIPA-ACL可采用的互操作協(xié)議(如請求互操作協(xié)議)；Communicative Acts規(guī)范集合則將Agent在使用FIPA-ACL進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CAL(Communicative Acts Library)庫規(guī)范；Content Languages規(guī)范集合定義了應用在FIPA-ACL消息的內容上不同的表示方式（如：SL），它們可提供不同標準的編碼形式。
2.2 FIPA-ACL通信機制
　　Agent之間的通信是通過構造、封裝、傳輸ACL消息進行的，ACL消息的主要結構如表1所示。

　　Agent A為了和Agent B進行通信，首先應該構建ACL消息。如果B提供的服務應采用請求互操作協(xié)議，則ACL的Protocol參數(shù)就設為fipa-request。A是此次互操作對話的發(fā)起者，它與B的第一次通信應視為請求互操作協(xié)議的第一個請求動作，這在CAL庫規(guī)范中描述為request行為，所以ACL的performative參數(shù)應為request。封裝好整個ACL消息后，Agent A選用適當?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進行通信所使用協(xié)議對應的協(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)消息具體的內容加以判斷后，按照請求互操作協(xié)議所規(guī)定的操作流程對A進行回答。
3? 系統(tǒng)的通信技術與實現(xiàn)
　　基于FIPA-ACL的污水處理Multi-Agent智能化系統(tǒng)是在開源Java項目JADE(Java Agent Development Framework)提供的多Agent平臺上實現(xiàn)的。JADE完全符合FIPA標準，為多Agent系統(tǒng)的開發(fā)者提供了一個功能強大的開發(fā)框架，使開發(fā)者無需親自從頭實現(xiàn)FIPA的具體規(guī)范就能開發(fā)出符合FIPA標準的多Agent系統(tǒng)。

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、點到點方式。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管理平臺提供的服務查詢機制來定位欲通信的Agent，然后兩個Agent進行直接通信；而Agent之間傳輸?shù)男畔⑹腔ゲ僮髅睢?shù)和操作結果，沒有設計到方案傳遞。所以本系統(tǒng)采用的是點對點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Agent、沖突消解Agent、故障診斷Agent分別為整個系統(tǒng)中的其他Agent提供數(shù)據(jù)查詢和寫入服務、沖突識別和消解服務、故障診斷服務，請求每種服務的Agent必須要先定位到服務提供者，這就要求一種服務注冊和定位機制。FIPA標準中定義了在Agent系統(tǒng)中必須存在的DF(Directory Facilitator)Agent。上述三個服務提供者啟動時就會在DF中注冊自己提供的服務，如：某個執(zhí)行Agent需要沖突消解服務時，它會通過查詢DF來得到?jīng)_突消解Agent的通信地址和服務使用的互操作協(xié)議等信息，然后根據(jù)互操作協(xié)議規(guī)定的對話方式與協(xié)調Agent通信。
　　JADE提供了默認的DF Agent，服務提供者（如數(shù)據(jù)服務Agent）欲注冊自己的服務，其主要代碼如下：
　　Service Description sd=new Service Description( )；
　　　　　　　　　　//創(chuàng)建服務描述對象，描述服務屬性
　　DF Agent Description DFad=new DF Agent Description( )；
　　　　　　　　　　//創(chuàng)建自身描述對象，描述自身信息
　　Codec language=new SLCodec( )；//采用SL內容語言規(guī)范
　　Ontology ontology=Basic Ontology.getInstance( )；
　　　　　　　　　　//采用基本本體語言構建服務描述對象
　　sd.setName(getLocalName( ))；
　　sd.setType(″SwageDisposeDataService″)；//為服務命名，其他Agent查詢服務時就用此名字
　　sd.addProtocols(InteractionProtocol.FIPA_REQUEST)；
　　　　　　　　　　//服務所采用的互操作協(xié)議
　　sd.addLanguages(language.getName( ))；
　　sd.addOntologies(ontology.getName( ))；
　　　　　　　　　//構建自身描述對象
　　DFad.addProtocols(InteractionProtocol.FIPA_REQUEST)；
　　DFad.addLanguages(language.getName( ))；
　　DFad.addOntologies(ontology.getName( ))；
　　DFad.setName(getAID( ))；
　　　　　　　　　//使自身具有構建的服務描述對象
　　DFad.addServices(sd)；
　　try{
　　　????? DFService.register(this，DFad)；//在平臺提供的默認DF中注冊自己的服務
　　}catch(FIPAException e){
????? 　　　　　　　　　//處理異常
　　}
　　當沖突消解Agent需要此服務時，可通過下面的代碼來搜索DF，并定位到此服務的提供者，即數(shù)據(jù)服務Agent[6]。
　　……? //部分變量申明與上段代碼相同
　　DFAgentDescription dfd[ ]；//用于存儲提供此服務的
　　　　　　　　　　　　　　　//Agent描述信息（服務提供者可能不止一個）
　　　　　　　　　　　　　　　//構建服務描述對象
　　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DF中搜索服務提供者
　????? ……? //與服務提供者通信
　　}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提供服務所需的參數(shù)和操作結果都包含在ACL消息的content參數(shù)中。
3.4 通信內容
　　在本系統(tǒng)中，Agent之間的通信內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對象作為ACL消息的content參數(shù)在任意Agent之間傳遞，能達到很好的可擴展效果。CSO的類結構如下：
　　public class CSO implements Serializable {
　　　??private String[ ] arg；//服務參數(shù)
　　　??private float[ ] value；//服務結果
　　　??private String comment；//注釋
　　?……
　　}
　　系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)服務Agent提供數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)寫入服務，它根據(jù)服務使用者在CSO.arg[ ]中傳送的參數(shù)進行實時數(shù)據(jù)庫操作，并將查詢結果存儲在CSO.value[ ]中返回給請求者。沖突消解Agent接收執(zhí)行Agent的沖突識別請求(此請求不帶參數(shù))，并根據(jù)沖突識別算法的需要請求數(shù)據(jù)服務Agent的數(shù)據(jù)查詢服務或故障診斷Agent的故障診斷服務，將消解結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提供故障診斷服務時也需要從CSO.arg[ ]中獲取參數(shù)，并將診斷結果存放于CSO.value[ ]中，以表明請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，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)平臺上的實現(xiàn)方法。