基于ICMMS框架的多智能體泵站系統(tǒng)建模技術(shù)研究

王 萌，任傳勝

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，合肥 230026）

當(dāng)前，自動化與智能化的融合、智能控制系統(tǒng)的研究成為了工業(yè)控制自動化領(lǐng)域的焦點[1]。泵站作為水利工程中的重要設(shè)施，承擔(dān)著防洪防澇、調(diào)水灌溉以及生活供水等任務(wù)，其自動化水平在一定程度上影響著工程的運(yùn)行狀況。多年來，專家學(xué)者針對泵站系統(tǒng)的自動化控制提出一些方法模型，如ICMMS系統(tǒng)、MAS系統(tǒng)等，但是系統(tǒng)內(nèi)不同子系統(tǒng)間和設(shè)備間的信息集成和交互問題仍是難點。IEC61850是國際電工委針對變電站系統(tǒng)內(nèi)相似問題提出的一種標(biāo)準(zhǔn)，解決了系統(tǒng)內(nèi)信息的集成和共享問題，現(xiàn)已成為電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域唯一的全球通用標(biāo)準(zhǔn)。

本文以ICMMS框架下的多智能體泵站模型為研究對象，借鑒IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)思想，針對多智能體泵站系統(tǒng)模型實現(xiàn)的關(guān)鍵點，提出了泵站智能體的信息建模方法和系統(tǒng)的通信實現(xiàn)。

1 ICMMS框架的多智能體泵站系統(tǒng)

1.1 ICMMS和多智能體系統(tǒng)

早期，工業(yè)系統(tǒng)控制系統(tǒng)、維護(hù)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)通常獨(dú)立設(shè)計，系統(tǒng)間缺乏信息交互，形成了信息孤島。針對這一現(xiàn)狀，自動化控制領(lǐng)域出現(xiàn)了一種新概念：智能控制維護(hù)管理系統(tǒng)ICMMS。ICMMS是以現(xiàn)場智能執(zhí)行器和傳感器為基礎(chǔ)，借助計算機(jī)軟硬件技術(shù)、自動化技術(shù)、信息技術(shù)及管理技術(shù)，將控制、維護(hù)和管理集成到一個系統(tǒng)中，實現(xiàn)控制、維護(hù)和管理的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化[2-3]。

多智能體系統(tǒng)MAS是一種分布式系統(tǒng)，由多個智能體（Agent）聯(lián)合組成。每個Agent都是一個物理或抽象的實體，能獨(dú)立作用于自身及周圍環(huán)境，并能與其他Agent通信。多智能體間通過相互協(xié)調(diào)合作、通信管理、調(diào)度控制等表達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能行為特性[4]。

1.2 ICMMS框架的多智能體泵站系統(tǒng)

圖1 ICMMS框架的多智能體泵站系統(tǒng)Fig.1 Multi-agent pumping station system based on the structure of ICMMS

根據(jù)泵站系統(tǒng)的認(rèn)識，結(jié)合南水北調(diào)東線工程泵站的典型實例，建立了一種ICMMS框架的MAS泵站系統(tǒng)，如圖1所示?，F(xiàn)控層的Agent主要完成泵站系統(tǒng)各類信息如電量、溫度、壓力等的采集、機(jī)組以及站內(nèi)公用系統(tǒng)如油、氣、水、電等系統(tǒng)的監(jiān)控保護(hù)。管維層中控制協(xié)調(diào)Agent管理協(xié)調(diào)下層Agent的運(yùn)行；維護(hù)Agent對主要設(shè)備實監(jiān)測，故障分析診斷，對可能出現(xiàn)的故障做出判斷，給出相應(yīng)的維護(hù)措施；技術(shù)管理Agent根據(jù)控制和維護(hù)Agent的報告，對系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)做出安排。應(yīng)用層的Agent主要是根據(jù)實時信息給出優(yōu)化方案，存儲系統(tǒng)被控對象或設(shè)備說句信息，與上級調(diào)度中心或外部系統(tǒng)如水情、氣象等信息交互。

1.3 多智能體泵站系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵點

ICMMS框架的多智能體泵站系統(tǒng)是一種復(fù)雜的分布式系統(tǒng)，控制、維護(hù)和管理子系統(tǒng)集成為一體，各子系統(tǒng)間信息交互頻繁。泵站子系統(tǒng)不同Agent間需要傳遞相關(guān)狀態(tài)、控制、告警等信息。鑒于此，系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵點主要分為兩個方面：第一，Agent間的信息交換采用何種數(shù)據(jù)描述方式更有利于數(shù)據(jù)集成、管理和維護(hù)；第二，針對系統(tǒng)中不同類型的信息特點，選用什么樣的通信方式更有利于信息的傳輸。

2 多智能體泵站系統(tǒng)信息建模

2.1 IEC61850分層信息模型

IEC61850面向?qū)ο蟮慕２捎梅謱拥男畔⒛Ｐ?。如圖2所示，分層模型中上一層的類模型均是由若干個下一層類模型組成。邏輯設(shè)備（LD）、邏輯節(jié)點（LN）、數(shù)據(jù)對象（DO）、數(shù)據(jù)屬性（DA）均是從名稱類集成對象名和對象引用屬性，服務(wù)器提供設(shè)備的外部可視行為，是物理設(shè)備的通信接口，一臺物理設(shè)備映射為一個或多個服務(wù)器。邏輯設(shè)備（LD）代表一組功能，每個功能定義為一個邏輯節(jié)點（LN），每個邏輯設(shè)備至少包含2個基本邏輯節(jié)點LLN0和LPHD，用于描述對應(yīng)設(shè)備的一般屬性和物理裝置信息。邏輯節(jié)點（LN）代表特定的功能如過壓保護(hù)。數(shù)據(jù)對象（DO）代表特定的信息，例如狀態(tài)或測量值。數(shù)據(jù)屬性（DA）定義可能數(shù)值的名稱、格式、范圍等。

圖2 IEC61850分層信息模型Fig.2 Hierarchical information model of IEC61850

此外標(biāo)準(zhǔn)還給出了信息傳遞的通信服務(wù)，設(shè)備間的交互實際上就是通過這些服務(wù)對LN和設(shè)備中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。具體的服務(wù)實現(xiàn)在此就不敘述，詳細(xì)信息見 IEC61850 7-1、7-2部分[5-6]。

2.2 多智能體泵站系統(tǒng)信息建模方法

采用IEC61850建模思想，為泵站系統(tǒng)內(nèi)Agent建立統(tǒng)一信息模型，這樣不僅解決了數(shù)據(jù)的互相理解問題，提高互操作性；而且傳輸?shù)浇邮辗降臄?shù)據(jù)都帶有自我說明，不需要再對數(shù)據(jù)進(jìn)行物理量對應(yīng)、標(biāo)度轉(zhuǎn)換等工作，方便了數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)。

機(jī)組監(jiān)控是泵站系統(tǒng)中非常重要的一環(huán)，現(xiàn)以機(jī)組LCU Agent的信息建模為例。

第一步 了解機(jī)組LCU Agent功能。機(jī)組LCU主要對主輔設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、安全運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控、異常報警、越線檢查等，接受和完成遠(yuǎn)方控制操作等。

第二步 劃分機(jī)組LCU的LD類。機(jī)組LCU功能主要分為控制、監(jiān)視、接口日志三個方面。因此分別定義為LD1、LD2和LD3。

第三步 具體到每個LD中，定義所含功能LN，詳細(xì)信息如圖3所示。首先確定各個LD包含的功能，判斷IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中提供的邏輯節(jié)點類是否滿足功能要求，若滿足則選用該邏輯節(jié)點類；若不滿足，則需新建邏輯節(jié)點類。新建LN類時，名稱首字母應(yīng)當(dāng)遵從標(biāo)準(zhǔn)中給出的LN組表，如M表示計量和測量，S表示監(jiān)控等。

圖3 機(jī)組LCU模型Fig.3 Model of the pumping LCU

第四步 確定每個LN的數(shù)據(jù)對象（DO）和數(shù)據(jù)屬性（DA）。IEC61850 7-410中定義了許多水電站公用數(shù)據(jù)信息和公用數(shù)據(jù)類（CDC），泵站系統(tǒng)與水電站系統(tǒng)類似，因此從參照標(biāo)準(zhǔn)中選取LN的DO和DA[7]。

LD1：控制LD模型。ACTM控制模式選擇；KMOT電機(jī)信息；KPMP水泵信息；KERD接地裝置信息；KEXF排風(fēng)機(jī)；KBRK制動器

LD2：保護(hù)LD模型。SPRS壓力監(jiān)控；STMP溫度監(jiān)控；SVBR振動監(jiān)控；SLEV液位監(jiān)控；SFLW流量監(jiān)控；SOPM操作機(jī)械監(jiān)控。

LD3：接口和日志LD模型。IHND物理人機(jī)模型；ITCI遠(yuǎn)方控制接口；GGIO通用過程；GLOG通用日志。

以KPMP類為例，其具體描述如表1所示。此LN的DO主要分為狀態(tài)信息、定值、測量值和控制4個方面。表1中CDC表示公用數(shù)據(jù)類，包含若干數(shù)據(jù)屬性（DA）。SPS表示單點狀態(tài)，ASG表示模擬量定值等，CDC具體信息見IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中的7-3、7-4部分[8-9]；T表示瞬變數(shù)據(jù)，帶有該標(biāo)識的數(shù)據(jù)狀態(tài)瞬時變化；M/O，M表示“必備”，O表示“可選”，為實例化過程中數(shù)據(jù)對象的選取提供參考，條件C1下的數(shù)據(jù)屬性可采用一個或兩個，但至少采用其中一個。此外，圖3中定義的LN均為邏輯節(jié)點類，在具體到某個設(shè)備時，需要進(jìn)行實例化處理。

表1 KPMP邏輯節(jié)點詳細(xì)信息Tab.1 Detail of the logical node BPMP

3 多智能體泵站系統(tǒng)通信實現(xiàn)

3.1 IEC61850通信服務(wù)

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)提供了多種通信服務(wù)模型，如采樣值（SV）服務(wù)模型、面向通用對象的變電站事件（GOOSE）服務(wù)模型、以及制造報文規(guī)范（MMS）服務(wù)模型等。SV報文以固定時間間隔傳輸采樣值信息；GOOSE報文在無事件觸發(fā)情況下以固定時間間隔傳輸報文信息，當(dāng)事件觸發(fā)時，快速發(fā)送當(dāng)前狀態(tài)信息。SV和GOOSE通信直接從通信七層模型中的應(yīng)用層、表示層映射到第二層數(shù)據(jù)鏈路層，減少了中間層間協(xié)議解析時間，傳輸?shù)膶崟r性更高，可組播通信。而MMS傳輸需要經(jīng)過應(yīng)用層、表示層、TCP/IP層再到數(shù)據(jù)鏈路層間，實時性相對較低，對等通信[10]。

3.2 多智能體泵站系統(tǒng)信息交互

綜上所述，提出了泵站系統(tǒng)信息交互模型如圖4所示。應(yīng)用層內(nèi)與管維層間主要交互一些控制信息、指令、文件等，通信實時性要求不高，采用MMS傳輸即可滿足要求；管維層內(nèi)、現(xiàn)控層內(nèi)以及兩層間信息交互大多是一些設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、開關(guān)量信息，采用GOOSE傳輸事件驅(qū)動的開入開出信號、事故信號及告警等服務(wù)，從而保證實時性和可靠性；智能采集Agent交互信息多是溫度量、轉(zhuǎn)速、振動等周期性的采集值，采用SV通信規(guī)約即可保證傳輸?shù)膶崟r性和快速性[11]。

圖4 信息交互模型Fig.4 Model of information exchange

4 結(jié)語

泵站系統(tǒng)設(shè)備采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)描述和特定的通信方式，有利于提高不同廠商設(shè)備間的互操作，便于系統(tǒng)的集成與擴(kuò)展，為優(yōu)化MAS泵站系統(tǒng)的信息交互提供了一種新的思路。IEC61850是一個復(fù)雜通信標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)體系，在具體應(yīng)用時，應(yīng)結(jié)合泵站系統(tǒng)特點，不斷探索和優(yōu)化，逐步實現(xiàn)泵站系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、智能化。

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