基于多智能體系統(tǒng)的頻譜規(guī)劃研究＊

陳偉尚 劉金霞

（中國(guó)電波傳播研究所 青島 266107）

1 引言

在現(xiàn)代高技術(shù)條件下，為了實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)中的通信、指揮、控制以及偵察、監(jiān)視等功能，各個(gè)作戰(zhàn)單元在不同的作戰(zhàn)時(shí)節(jié)、在有限的作戰(zhàn)空間內(nèi)部署了眾多的通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等電子設(shè)備。隨著電子設(shè)備電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的不斷完善，單個(gè)電子設(shè)備本身已經(jīng)基本能滿(mǎn)足國(guó)軍標(biāo)的要求，但許多設(shè)備工作頻段很寬，靈敏度極高，很容易造成電磁頻譜擁擠，電磁干擾嚴(yán)重。尤其是針對(duì)艦艇平臺(tái)上，狹小的空間往往需要布置多個(gè)用頻裝備，因此，對(duì)各用頻裝備用頻情況進(jìn)行規(guī)劃、分配已經(jīng)顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的頻譜規(guī)劃分配主要是采用固定信道分配方式，由指揮人員對(duì)各用頻裝備靜態(tài)地分配固定的頻率，在現(xiàn)代化作戰(zhàn)條件下，這種頻譜規(guī)劃分配方式難以滿(mǎn)足戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的快速實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性的要求。需要提出一種分布式的動(dòng)態(tài)的頻譜規(guī)劃分配方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各分散和活動(dòng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行自動(dòng)化的管理。

分布式人工智能技術(shù)是有效解決分布式動(dòng)態(tài)控制問(wèn)題的途徑之一，其中興起的多智能體技術(shù)在有關(guān)的應(yīng)用研究中取得了一定程度的應(yīng)用，并取得了較好的效果。本文提出一種基于多智能體（Multi－Agent）系統(tǒng)的頻譜規(guī)劃分配技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)用頻裝備進(jìn)行自動(dòng)化、智能化的頻率規(guī)劃分配。

2 多智能體系統(tǒng)的定義和屬性

多智能體系統(tǒng)指的是一些自主的智能體（Agent）通過(guò)協(xié)作共同完成某些任務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它實(shí)質(zhì)上是在一定的環(huán)境下，獨(dú)立的、具有一定的自主性和推斷能力，又能和系統(tǒng)中的其它智能體通信交互以及能對(duì)周?chē)沫h(huán)境做出反應(yīng)，從而完成一個(gè)或多個(gè)功能目標(biāo)的計(jì)算實(shí)體。其典型結(jié)構(gòu)主要包括五個(gè)部分［1］，如圖1所示。

智能體一般具有以下屬性：

1）交互性。交互是智能體最重要的屬性之一，它包括與用戶(hù)的交互和與其它智能體的交互。智能體從用戶(hù)處接受指令，根據(jù)自己的“經(jīng)驗(yàn)知識(shí)”為用戶(hù)提供建議；同時(shí)充分提高效率。這種交互本身包涵了一個(gè)定義，即智能體必須具備主動(dòng)性，能和環(huán)境及其它智能體進(jìn)行通信。

2）自主性。能夠在沒(méi)有操作用戶(hù)或其它智能體直接干涉和指導(dǎo)的情況下感知環(huán)境，對(duì)于預(yù)知的和非預(yù)知的事件做出適時(shí)的反應(yīng)，并能獨(dú)立地根據(jù)其內(nèi)部狀態(tài)和感知的環(huán)境信息決定并控制內(nèi)部狀態(tài)和自身的行為。能根據(jù)目標(biāo)采取主動(dòng)行為，表現(xiàn)出目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的特性。該屬性是智能體為了適應(yīng)巨大、復(fù)雜的分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境而具有的一項(xiàng)基本能力。

圖1 智能體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3）適應(yīng)性。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)資源在不斷地發(fā)展、變化，所以智能體應(yīng)具有適應(yīng)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)、調(diào)整自身規(guī)程的能力，即智能體具有學(xué)習(xí)功能，能在一定程度上對(duì)其他智能體和外部環(huán)境做出響應(yīng)，更高形式的智能體的適應(yīng)性使其能根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)修改自身的行為。

除此以外，智能體還具有協(xié)作性、協(xié)調(diào)性、反應(yīng)性、智能性等優(yōu)越特性。

3 多智能體系統(tǒng)應(yīng)用于頻譜規(guī)劃分配的可行性

多智能體系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和分布式人工智能技術(shù)等多學(xué)科交叉的一個(gè)新的的科研分支，一般來(lái)說(shuō)，具有如下特點(diǎn)的場(chǎng)合，均適宜采用多智能體系統(tǒng)進(jìn)行研究［3］：

1）數(shù)據(jù)、控制和資源處于分布式環(huán)境，需要協(xié)調(diào)運(yùn)作；

2）系統(tǒng)中軟件模塊相互獨(dú)立但又相互通信，需要通過(guò)合作或者競(jìng)爭(zhēng)方式實(shí)現(xiàn)某些功能或任務(wù)；

3）用不同編程語(yǔ)言或在不同的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需要的相互間協(xié)作完成的某些功能或任務(wù)，進(jìn)而需要將原有的軟件進(jìn)行包裝并增加通信功能。

對(duì)于頻譜規(guī)劃分配來(lái)說(shuō)［10］，艦艇平臺(tái)上的無(wú)線(xiàn)電通信裝備、頻譜的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、短波探測(cè)數(shù)據(jù)等都具有分布特性。需要通過(guò)這些信息的綜合與分析，才能完成整個(gè)平臺(tái)上用頻裝備的頻譜規(guī)劃分配。并且數(shù)據(jù)采集程序、分析計(jì)算程序和人機(jī)界面程序等是由不同的編程語(yǔ)言或者在不同的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，并且不同部門(mén)在各個(gè)作戰(zhàn)時(shí)節(jié)從傳感器采集頻譜感知數(shù)據(jù)和頻譜規(guī)劃分配方案到用頻裝備的頻率協(xié)同等的傳輸通信也是需要解決的重要問(wèn)題。所以，多智能體系統(tǒng)是非常合適的建模方法。

4 頻譜規(guī)劃分配的架構(gòu)和建模原則

本部分的目標(biāo)是通過(guò)把各個(gè)分離部分的頻譜規(guī)劃分配的小智能體綜合集成為一個(gè)系統(tǒng)，使得大系統(tǒng)的工作更加協(xié)調(diào)，從而發(fā)揮大系統(tǒng)整體的最大效益，達(dá)到更加靈活的進(jìn)行頻譜的監(jiān)測(cè)與分析、短波探測(cè)與分析，合理地進(jìn)行頻譜的規(guī)劃、分配頻率，使得各系統(tǒng)之間兼容工作的目的。

4.1 頻譜分配算法

頻率分配的前提是基于可分配頻率f1，f2，f3，…，fL，從中選擇合適的頻率分配給各個(gè)未分配頻率的頻道，直到每一頻道都分到合適的頻率。這種分配必須滿(mǎn)足所要求的頻道間隔，并且使被分配頻率中的最高頻率盡可能地小。

首先建立各個(gè)頻道之間的兼容矩陣，如下：

其中F代表各個(gè)需求之間要求的頻率間隔。

其次針對(duì)各個(gè)需求頻道進(jìn)行排序，總的原則是，先難后易，把頻率分配難度大的頻道排在前面，先分配頻率；反之，排在后邊，后分配頻率。頻道兼容矩陣元素FCij的取值，當(dāng)它取較大值時(shí)，可供選擇的頻率就比較少；當(dāng)它取較小值時(shí)，可供選擇的頻率就多些。所以定義各兼容矩陣行的元素之總和作為第i頻道的頻率分配難度系數(shù)是合理的。

最后遵循以下原則進(jìn)行頻率的分配［6］：

1）可供分配的最低頻率首先分配給排序居首位的頻道。

2）選擇滿(mǎn)足頻道兼容矩陣的最低可供分配頻率依序分配給后續(xù)的信道。當(dāng)后續(xù)信道是頻率復(fù)用信道時(shí)，若有已分配的復(fù)用頻率并且滿(mǎn)足頻道兼容矩陣，則把該復(fù)用頻率也分配給該頻道，否則分配滿(mǎn)足頻道兼容矩陣的最低可供分配頻率。

4.2 頻譜規(guī)劃分配多智能體系統(tǒng)架構(gòu)

頻譜規(guī)劃分配多智能體系統(tǒng)架構(gòu)［5］如圖2所示。通過(guò)采集智能體從頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備和短波探測(cè)設(shè)備中采集頻譜感知數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析智能體綜合分析計(jì)算后，由決策智能體結(jié)合頻譜分析結(jié)果和頻率分配算法給出頻譜規(guī)劃分配決定，該決定通過(guò)控制智能體控制通信設(shè)備進(jìn)行通信。

圖2 頻譜規(guī)劃分配多智能體架構(gòu)

核心專(zhuān)家決策智能體群結(jié)構(gòu)與基本節(jié)點(diǎn)的專(zhuān)家決策智能體群類(lèi)似，但是決策級(jí)別最高，基本節(jié)點(diǎn)決策智能體無(wú)法做出的決策需要通過(guò)請(qǐng)示核心節(jié)點(diǎn)完成，實(shí)現(xiàn)了頻譜規(guī)劃分配的集中控制與分級(jí)管理。

4.3 頻譜規(guī)劃分配智能體系統(tǒng)分類(lèi)

如圖2所示，頻譜規(guī)劃分配多智能體系統(tǒng)包括決策智能體、分析智能體、采集智能體和控制智能體，共四類(lèi)智能體。

1）決策智能體。依據(jù)分析智能體的綜合分析結(jié)果，運(yùn)用頻譜規(guī)劃分配優(yōu)化算法，結(jié)合全頻段電波傳播預(yù)測(cè)模型和EMI／EMC干擾分析預(yù)測(cè)模型，給出最優(yōu)的頻譜規(guī)劃分配方案，包括靜態(tài)信道分配和動(dòng)態(tài)信道分配。最高級(jí)的核心決策智能體運(yùn)行于作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)最高指揮中心的控制計(jì)算機(jī)中，基本節(jié)點(diǎn)的決策智能體運(yùn)行于作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)其它作戰(zhàn)部門(mén)的控制計(jì)算機(jī)中。在作戰(zhàn)區(qū)域任務(wù)下達(dá)后，決策智能體將根據(jù)作戰(zhàn)部門(mén)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用設(shè)備、天線(xiàn)等信息，擬定最佳的頻率分配方案，自主地控制通信設(shè)備。還可以在部分設(shè)備受到干擾的情況下，給出頻率調(diào)整方案。通信指揮人員也可以通過(guò)人機(jī)交互界面參與決策。

2）分析智能體。專(zhuān)門(mén)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理功能，每個(gè)分析智能體分別負(fù)責(zé)完成場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)、干擾分析和頻譜規(guī)劃等相關(guān)的各項(xiàng)分析工作。它們有各自的計(jì)算推理機(jī)制，但是可以共享數(shù)據(jù)庫(kù)和分析結(jié)果。

3）采集智能體。采集頻譜監(jiān)測(cè)和短波探測(cè)數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)整理，添加到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，建立設(shè)備目錄，進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合。

4）控制智能體。根據(jù)決策智能體的命令快速地控制監(jiān)測(cè)、探測(cè)或通信設(shè)備。在決策智能體授權(quán)的情況下，也可以自主擬制優(yōu)化控制方案。

4.4 建模原則

為使頻譜規(guī)劃分配能夠真正的保證各通信網(wǎng)系兼容工作，達(dá)到提高頻譜利用率的目的，建模需要遵循四項(xiàng)原則［3］：

1）集中控制與分級(jí)管理

各個(gè)作戰(zhàn)單元所能使用的頻譜資源是有限的，必須集中統(tǒng)一控制和使用。集中控制的功能由核心節(jié)點(diǎn)的核心決策智能體實(shí)現(xiàn)，通過(guò)和核心分析智能體共同分析各個(gè)基本節(jié)點(diǎn)決策智能體發(fā)送來(lái)的請(qǐng)求和數(shù)據(jù)，進(jìn)行最高決策。核心決策智能體也可以在無(wú)人干預(yù)的情況下，可以根據(jù)自己的推理機(jī)做出決定，核心節(jié)點(diǎn)的指揮參謀也可以通過(guò)人機(jī)界面參與決策過(guò)程。

基本節(jié)點(diǎn)的決策智能體功能與核心節(jié)點(diǎn)類(lèi)似，只是決策權(quán)利范圍有限。在職責(zé)范圍內(nèi)的頻譜規(guī)劃分配工作可以自主進(jìn)行，不用請(qǐng)示核心節(jié)點(diǎn)。如果超出職責(zé)范圍，就要向核心節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求響應(yīng)。

通過(guò)這樣的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)集中控制與分級(jí)管理相結(jié)合，使系統(tǒng)更具主動(dòng)性、靈活性和實(shí)時(shí)性，也可避免集中管理的中央處理機(jī)負(fù)擔(dān)過(guò)重，出現(xiàn)其軟、硬件方面的問(wèn)題，影響正常工作。同時(shí)在作戰(zhàn)狀態(tài)下，即使核心節(jié)點(diǎn)受到攻擊，運(yùn)行核心決策智能體的計(jì)算機(jī)受損，可迅速將基本節(jié)點(diǎn)的專(zhuān)家決策群升級(jí)，代替核心節(jié)點(diǎn)的決策工作，使系統(tǒng)的可靠性得到大幅度的提升。

2）互連、互通與互操作

頻譜感知數(shù)據(jù)是頻譜規(guī)劃的基礎(chǔ)，因此與頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備、短波探測(cè)設(shè)備和通信設(shè)備的互連、互通和互操作顯得尤為重要。系統(tǒng)中通過(guò)采集智能體和控制智能體監(jiān)控其工作狀態(tài)，智能體的交互性可以保證它們之間的通信、交互信息和共享資源。

3）通用化、模塊化和系列化

系統(tǒng)中的每個(gè)智能體都是一個(gè)可以獨(dú)立運(yùn)行的計(jì)算機(jī)實(shí)體程序，具有良好的通訊接口，并可以通過(guò)簡(jiǎn)單的修改和補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)功能升級(jí)，具有通用化、模塊化和系列化的特性。

4）整體效益最優(yōu)化

由于各個(gè)智能體具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和協(xié)作性，所以各個(gè)智能體可以相互交流計(jì)算結(jié)果，并由決策智能體通過(guò)優(yōu)化推理機(jī)做出決策，從而達(dá)到系統(tǒng)整體效益最優(yōu)化。

5 結(jié)語(yǔ)

多智能體技術(shù)作為軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的一種新范例，近年來(lái)引起了人們廣泛的關(guān)注。本文所介紹的將多智能體技術(shù)應(yīng)用于艦艇平臺(tái)，可有效解決各用頻裝備之間兼容工作的問(wèn)題。

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