基于多Agent數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)的無線智能抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林 濤，李 輝，郭 曉，趙宏科，陳 恩

（河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

手工操作的抄表收費(fèi)方式不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)用過高還存在安全隱患。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展與成熟，將其應(yīng)用于抄表系統(tǒng)可使抄表工作變得方便、快捷。傳統(tǒng)的無線抄表系統(tǒng)大多是利用分布式器件（如采集器）采集數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行處理。這種方式存在一定的問題：由于所有的數(shù)據(jù)都交由上位機(jī)統(tǒng)一處理，一旦出現(xiàn)某種干擾阻止它運(yùn)行，就會(huì)造成整個(gè)抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或丟失；并且，由單一的主機(jī)處理所有數(shù)據(jù)限制了整個(gè)抄表系統(tǒng)的規(guī)模，大量的數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸將會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信過載，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性差，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間難以實(shí)現(xiàn)互操作。如果出現(xiàn)可疑數(shù)據(jù)，系統(tǒng)很難判定是數(shù)據(jù)在傳輸過程中產(chǎn)生，還是表具本身故障所致。

Agent是具有智能和較高自治能力的實(shí)體，對(duì)動(dòng)態(tài)變化作出適當(dāng)反應(yīng)，Agent能夠模擬人類的行為，且具有良好的智能性、協(xié)調(diào)性、適應(yīng)性[1-2]。由于Agent的這些特性，設(shè)計(jì)了一種基于多Agent技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了采集節(jié)點(diǎn)獨(dú)立采集分析數(shù)據(jù)，并且重點(diǎn)研究了系統(tǒng)對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的判別及協(xié)調(diào)功能，在物業(yè)中心Agent和采集器Agent加入遞推算法和最小二乘法，使系統(tǒng)能夠快速解決可疑數(shù)據(jù)的問題，保證了無線抄表系統(tǒng)的安全、可靠。

1 MAS系統(tǒng)

Agent理論和技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代，隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)飛速發(fā)展，Agent理論得到了強(qiáng)大的技術(shù)支持，使Agent的實(shí)現(xiàn)能力不斷增強(qiáng)，應(yīng)用逐漸擴(kuò)展到了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、交通等領(lǐng)域[3]。Agent是具有智能和較高自治能力的實(shí)體。相對(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)而言，它不僅可以在目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，還可感知、適應(yīng)環(huán)境，對(duì)動(dòng)態(tài)變化作出適當(dāng)反應(yīng)；Agent能夠模擬人類的行為，且具有良好的智能性、協(xié)調(diào)性、適應(yīng)性等特性，特別是在滿足分布式應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)受到越來越多的關(guān)注。

多 Agent系統(tǒng) MAS（multi-Agent system）是分布式人工智能的拓展，是由多個(gè)Agent組成的一種分布式自主系統(tǒng)。MAS中的每個(gè)Agent擁有解決不同問題的不完全信息和能力，不存在全局控制。數(shù)據(jù)是分散的，計(jì)算過程是異步的。它旨在于把一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)分散成若干個(gè)易于管理的小系統(tǒng)，這些小系統(tǒng)可以相互通信、相互協(xié)作，從而實(shí)現(xiàn)信息、知識(shí)的共享。

在開放的MAS系統(tǒng)中，每個(gè)Agent都具有自主性，在求解過程中會(huì)按自己的目的、知識(shí)與能力進(jìn)行活動(dòng)，由于封閉世界假設(shè)對(duì)MAS不成立，因此不能用演繹邏輯的方法解決矛盾，必須引入?yún)f(xié)調(diào)機(jī)制[4]。MAS協(xié)調(diào)是指具有不同目標(biāo)的多個(gè)Agent對(duì)其目標(biāo)、資源等進(jìn)行合理安排，以協(xié)調(diào)各自行為，最大限度地實(shí)現(xiàn)各自目標(biāo)。對(duì)于無線抄表系統(tǒng)而言，通過MAS協(xié)調(diào)機(jī)制，調(diào)節(jié)每個(gè)Agent的能力，降低復(fù)雜系統(tǒng)的難度，使復(fù)雜系統(tǒng)變得易于實(shí)現(xiàn)。MAS有3種結(jié)構(gòu)形式[5-6]：純分布式結(jié)構(gòu)、黑板結(jié)構(gòu)和聯(lián)邦式結(jié)構(gòu)。筆者采用黑板結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)無線抄表系統(tǒng)。黑板結(jié)構(gòu)中的黑板是一個(gè)公共數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，各個(gè)Agent通過對(duì)黑板的直接讀寫來完成數(shù)據(jù)共享。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及硬件組成

抄表系統(tǒng)中的通信主要是末端節(jié)點(diǎn)（水表）與物業(yè)中心的通信，本文設(shè)計(jì)采用SI4432和GPRS相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)通訊。本系統(tǒng)中共存在3種設(shè)備：水表、帶有SI4432的采集器、帶有SI4432和GPRS的集中器。其中采集器用來采集水表數(shù)據(jù)，也是多Agent系統(tǒng)中重要的組成部分，集中器作為遠(yuǎn)程設(shè)備之間的中繼器來進(jìn)行通信，能夠用于拓展網(wǎng)絡(luò)的范圍。無線抄表系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線抄表系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of wireless meter reading system

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞譃?層。系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)獨(dú)立的Agent。集中器Agent與物業(yè)中心Agent之間采用GPRS通訊，集中器Agent與采集器Agent之間采用SI4432無線通訊。物業(yè)中心Agent是系統(tǒng)的核心，其知識(shí)庫(kù)中存有系統(tǒng)的全局知識(shí)，它能夠接受來自表具的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)知識(shí)庫(kù)內(nèi)的知識(shí)判定數(shù)據(jù)的正誤，將正確的數(shù)據(jù)貼入黑板，以供協(xié)調(diào)時(shí)所用。集中器Agent靠集中器地址進(jìn)行識(shí)別，有自己的知識(shí)算法及數(shù)據(jù)庫(kù)。采集器Agent負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，并傳送給集中器，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。抄表方式有2種：一種是定時(shí)通訊，采集器定時(shí)采集表具數(shù)據(jù)，上報(bào)給物業(yè)中心；另一種是即時(shí)通訊，操作人員不定時(shí)讀取某個(gè)表具數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)集中器上的GPRS模塊選用華為的MG323芯片，與采集器通訊使用的是SI4432無線通訊模塊，采集器與集中器采用SI4432無線模塊通訊，將Agent嵌入到系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)形成多Agent的無線抄表系統(tǒng)。

3 MAS數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)機(jī)制及通訊協(xié)議

圖2為MAS數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)機(jī)制流程圖。

圖2 MAS數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)機(jī)制流程圖Fig.2 Data flow chart of MAS coordinateon mechanism

通信協(xié)議是通信雙方為實(shí)現(xiàn)信息交換而制定的規(guī)則，本系統(tǒng)通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)基于188協(xié)議，無線通訊時(shí)，為了防止雜波的干擾，在188協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行了個(gè)人的定義，通信數(shù)據(jù)是成幀成包發(fā)送的，數(shù)據(jù)包格式為：前導(dǎo)碼、起始符、表具類型、同步字（采集器的地址）、控制字、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)位、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)、結(jié)束符。前導(dǎo)碼、起始符是同步的每一包數(shù)據(jù)的引導(dǎo)頭；數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)是系統(tǒng)的控制指令，本系統(tǒng)的控制命令有很多種，除設(shè)置類以外其他的3種比較重要分別是：抄表命令A(yù)A、錯(cuò)誤重發(fā)命令BB、系統(tǒng)協(xié)調(diào)命令CC；校驗(yàn)碼是每包數(shù)據(jù)的校驗(yàn)標(biāo)志，采用求和的校驗(yàn)方式，確保通訊正確；結(jié)束符是整個(gè)通訊包結(jié)束的標(biāo)志。這里給出即時(shí)抄表指令為：

FE FE FE FE 68 80 BB BB BB BB 03 08 AA 99 99 99 99 99 99 99 99 CS 16

其中：4個(gè)BB為采集器地址；7個(gè)99為表具地址；AA代表抄表。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為用戶用水量，該類數(shù)據(jù)具有一定的規(guī)律。針對(duì)這一特點(diǎn)，物業(yè)中心采用遞推算法判斷新的采樣數(shù)據(jù)是否符合歷史規(guī)律；對(duì)于需要協(xié)調(diào)的數(shù)據(jù)，集中器Agent采用最小二乘法進(jìn)行協(xié)調(diào)，通過數(shù)據(jù)擬合，得出合理的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

遞推算法是一種通過已知條件，利用特定關(guān)系得出中間推論，直至得到結(jié)果的算法[7]。表1為某用戶4月份上半月的用水量，描點(diǎn)畫圖，繪制出隨時(shí)間累計(jì)用水量的曲線。

表1 某小區(qū)4月份的用水量表Tab.1 Water consumption of a district in April

根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，繪制用水量與時(shí)間的關(guān)系圖如圖3所示。

圖3 用水量y與時(shí)間x關(guān)系圖Fig.3 Half a month curve of water cumulative consumption

圖中，圓點(diǎn)是用戶的實(shí)際用水?dāng)?shù)據(jù)，將2014-4-1的凌晨作為0，每小時(shí)加1獲得，通過線性回歸，得出實(shí)際數(shù)據(jù)的趨勢(shì)線，很明顯該用戶趨勢(shì)曲線為直線，用水基本均勻，沒有出現(xiàn)過異常數(shù)據(jù)，用待定系數(shù)法求出趨勢(shì)線表達(dá)式為

此線性公式即為用水量的理想線性規(guī)律。然而用戶水量不可能嚴(yán)格符合這一線性關(guān)系，因此需要根據(jù)歷史用水量設(shè)置一個(gè)偏差，同樣運(yùn)用描點(diǎn)畫圖的方法，繪制時(shí)間與每單獨(dú)半個(gè)月用水量曲線如圖4所示。

圖4 半個(gè)月累計(jì)用水量及每天用水量與時(shí)間曲線Fig.4 Half a month cumulative water consumption and daily water consumption curve

顯然用戶半年內(nèi)拋去粗大誤差，最大偏差為0.6978，則設(shè)定用水量遞推公式為

例如在第12天的9：00采集數(shù)據(jù)，即x=11×24+9代入上式中，得到181.2133＜y＜182.6088。而采集到的實(shí)際數(shù)據(jù)為181.657，在此范圍內(nèi)，說明此數(shù)據(jù)是正確的；若一旦超出了這一范圍，則判定數(shù)據(jù)是可疑的，繼而系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入重發(fā)或協(xié)調(diào)模式。

需要說明的是用戶的趨勢(shì)線及允許偏差值并不是一成不變的，物業(yè)中心的知識(shí)庫(kù)可以根據(jù)用戶的歷史數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地改變用戶的趨勢(shì)線及允許偏差，例如：用戶的某次采樣數(shù)據(jù)超出了其允許偏差，但是由用戶正常用水造成（有外來居住人員），不存在表具錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，這種情況下，系統(tǒng)將會(huì)更改趨勢(shì)線及允許偏差。

當(dāng)已判定某個(gè)數(shù)據(jù)為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)時(shí)，用最小二乘法對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，使得這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小，最小二乘法的判定效果主要取決于多重可決系數(shù)R2和殘差，多重可決系數(shù)R2是趨勢(shì)線的可用度，范圍在0～1之間，越接近1相似度越高，殘差則波動(dòng)范圍越小越好[8]。本文中采取的變量是集中器Agent從黑板中讀取問題節(jié)點(diǎn)最近多少次的歷史數(shù)據(jù)，最終得出n為多少時(shí)取得合理的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

由于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)大體上滿足線性關(guān)系，所以設(shè)定經(jīng)驗(yàn)公式為

其中：

5 結(jié)語

多Agent的無線抄表系統(tǒng)末端節(jié)點(diǎn)具有的獨(dú)立存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的功能，既減輕了上位機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，也減少了系統(tǒng)的通信負(fù)載；同時(shí)在無線抄表正常工作的基礎(chǔ)上，對(duì)可疑數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，通過遞推算法和最小二乘法，使系統(tǒng)快速判別數(shù)據(jù)是否正確，如果錯(cuò)誤則對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)糾正；系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施的重發(fā)或協(xié)調(diào)模式，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和安全性，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)表具的預(yù)警；所采集的數(shù)據(jù)或者擬合后的數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的偏差可以忽略不計(jì)，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

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