基于MAS的管樁專用起重機集成管理研究

朱建新，江葉峰，蘇萬斌，徐廣晨

(1. 嘉興市特種設(shè)備檢驗檢測院，浙江 嘉興 314050； 2. 營口理工學院，遼寧 營口 115000)

0 引言

為了提高工作效率、節(jié)約能耗，管樁車間專用起重機要求實現(xiàn)工作區(qū)域化、自動化、專業(yè)化[1]，集結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、管理的最優(yōu)化組合，為管樁車間提供一個安全、高效的生產(chǎn)環(huán)境[2]。隨著管樁流水線的不斷升級，管樁車間專用起重機主要存在和急需解決的問題有：管樁車間內(nèi)存在眾多子系統(tǒng)，如混凝土泵送系統(tǒng)、混凝土料計量系統(tǒng)、張拉控制系統(tǒng)等，各子系統(tǒng)采用不同的設(shè)備、系統(tǒng)和平臺，不同的接口無法實現(xiàn)高度的集成管理[3]，要實現(xiàn)專用起重機與相應(yīng)子系統(tǒng)之間的相互操作是非常復雜和困難的。

因此，構(gòu)建管樁車間專用起重機集成管理系統(tǒng)，提高專用起重機之間、各子系統(tǒng)及其相互之間的協(xié)同合作，將各自獨立的子系統(tǒng)有機地聯(lián)系起來，集成到同一個系統(tǒng)平臺上，實現(xiàn)相互協(xié)調(diào)、優(yōu)化，已成為管樁車間發(fā)展的當務(wù)之急。

1 集成管理模型的提出

伴隨著人工智能科學的迅速發(fā)展，為管樁專用起重機的集成管理控制提供了新的思路。以MAS系統(tǒng)[4](multi-agent system)技術(shù)思想構(gòu)筑管樁專用起重機集成管理體系與現(xiàn)有技術(shù)相比，有以下優(yōu)點：管樁專用起重機依靠各個Agent之間的協(xié)同合作來節(jié)約能耗，避免起重機間相互緊急避讓、追逐，甚至相撞的現(xiàn)象，不同于現(xiàn)有技術(shù)通過單個設(shè)備的控制和關(guān)鍵部件的冗余來減少整個系統(tǒng)能耗的做法，能最大程度達到管樁專用起重機的協(xié)同合作，體現(xiàn)其智能性。

本文引入MAS技術(shù)，把管樁設(shè)備中的各個子系統(tǒng)都作為一個Agent，通過多臺專用起重機的協(xié)同合作提升整體的功能，結(jié)合多層體系結(jié)構(gòu)集成模式的思想[5-7]，根據(jù)管樁專用起重機集成管理要實現(xiàn)的控制功能和工藝要求，提出了基于Multi-Agent技術(shù)的管樁專用起重機集成管理模型。

2 集成管理模型的建立

管樁專用起重機的控制協(xié)調(diào)機制自上而下根據(jù)不同的功能劃分為多個協(xié)調(diào)層，分別是中央?yún)f(xié)調(diào)Agent層、區(qū)域協(xié)調(diào)Agent層和設(shè)備Agent層，如圖1所示。命令的分解和讀取分別在上下協(xié)調(diào)層以及相鄰層之間實現(xiàn)，不同的層次有不同的目標和功能。

集成管理系統(tǒng)由單個Agent以及Agent組形成，為了實現(xiàn)對不同控制系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)專用起重機以及各設(shè)備子系統(tǒng)信息的相互交換。這里對不同的Agent體進行封裝，對不同功能的專用起重機以及各設(shè)備子系統(tǒng)設(shè)計相應(yīng)的Agent與Agent組。通過管樁專用起重機MAS系統(tǒng)模型，以專用起重機運行能耗最小為目標函數(shù)，建立優(yōu)化模型進行管樁專用起重機生產(chǎn)最優(yōu)能耗決策，以實現(xiàn)實際生產(chǎn)過程中的起重機的節(jié)能問題。

圖1 基于MAS的管樁專用起重機集成管理框架圖

2.1 中央?yún)f(xié)調(diào)Agent層

中央?yún)f(xié)調(diào)Agent層是整個管理系統(tǒng)的核心，具有最高的智能水平，涉及知識的表達與處理，目的是尋求總體的集成控制效果最優(yōu)，具有自組織、自學習能力，負責任務(wù)的動態(tài)分配和資源的動態(tài)調(diào)度，協(xié)調(diào)各智能體間的合作與競爭，如圖2所示。

圖2 中央?yún)f(xié)調(diào)Agent層結(jié)構(gòu)

2.2 區(qū)域協(xié)調(diào)Agent層

區(qū)域協(xié)調(diào)Agent層主要包括：混凝土泵送Agent、混凝土料計量Agent、張拉控制系統(tǒng)Agent、輸送控制系統(tǒng)Agent以及自動噴涂脫模劑系統(tǒng)Agent。它能夠根據(jù)中央?yún)f(xié)調(diào)Agent層的指令完成相應(yīng)的功能，并將處理的結(jié)果發(fā)送給中央?yún)f(xié)調(diào)Agent層，不僅降低了中央?yún)f(xié)調(diào)Agent層的負載，而且減少了管理系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)流量，如圖3所示。

圖3 區(qū)域協(xié)調(diào)Agent層結(jié)構(gòu)

2.3 設(shè)備Agent層

設(shè)備管理層由多個設(shè)備Agent組成，其中包括：泵設(shè)備Agent、可編程設(shè)備Agent、稱重設(shè)備Agent等。位于整個管樁專用起重機集成管理系統(tǒng)的最底層，用來對物理設(shè)備進行管理。設(shè)備Agent層應(yīng)具有一定的反應(yīng)能力，對物理設(shè)備層的工況變化有一定適應(yīng)，如圖4所示。

圖4 設(shè)備Agent層結(jié)構(gòu)

3 集成管理系統(tǒng)協(xié)調(diào)機制

管樁專用起重機管理系統(tǒng)協(xié)調(diào)機制的核心就是協(xié)調(diào)策略S，表示主體(起重機及各管樁設(shè)備)的所有可能的策略或行動的集合，起重機及各管樁設(shè)備中某一個主體的全部可行策略稱為它的策略空間，每個Agent均有一個純策略的有限集。本文提出的是基于博弈論(game theory)的Multi-Agent協(xié)調(diào)機制[8-9]，實現(xiàn)對管樁專用起重機集成管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)合作。

其公式表示為：

Si=Ni⊕(Eia,Eib，Eic)

其中：Ni表示第i個Agent在正常工作狀況下的內(nèi)部因素，可表示為：

Ei表示第i個Agent相對于其他(n-1)個Agent的關(guān)聯(lián)值，它是關(guān)聯(lián)矩陣E1×n中的第i個元素，表示Agent的外部因素，外部因素包括了起重機間的相互因素Eia，起重機與管樁設(shè)備間的相互因素Eib，管樁設(shè)備之間的相互因素Eic；⊕表示綜合決策符，即綜合運用Agent的內(nèi)外部因素對其進行綜合決策，如圖5所示。

圖5 因素綜合決策關(guān)系圖

由此，可以得到在起重機之間、起重機和管樁設(shè)備之間、管樁設(shè)備之間在正常工作狀況下的博弈協(xié)調(diào)策略：

S=S1⊕S2⊕S3⊕…⊕Sn。

Qi(s)表示在管樁專用起重機集成管理協(xié)調(diào)策略S下第i個Agent單元能耗公式：

Qi(s)={Qia(s)，Qib(s)，Qic(s)}

其中：Qia，Qib，Qic分別表示每個Agent單元中專用起重機和管樁設(shè)備運行模式，運行時間，運行功率的閾值，閾值可根據(jù)具體情況進行修改。

因此在協(xié)調(diào)策略S的協(xié)調(diào)下，管樁專用起重機的最小能耗的目標可表示為：

4 集成管理系統(tǒng)實例

根據(jù)協(xié)調(diào)博弈理論,研究管樁專用起重機集成管理控制的協(xié)調(diào)機制。集成管理系統(tǒng)的開發(fā)采用PLC和VC++,實現(xiàn)專用起重機和各設(shè)備Agent之前的相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)低能耗。系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型分為3個層次，分別為用戶層，邏輯層和數(shù)據(jù)層。在用戶層分別設(shè)置3個專用模塊：專用起重機模塊、工藝要求模塊和供應(yīng)商模塊；在邏輯層分別設(shè)置了8個專用模塊：混凝土泵送料系統(tǒng)模塊、混凝土料計量系統(tǒng)模塊、張拉控制系統(tǒng)模塊、輸送控制系統(tǒng)模塊、自動噴涂脫模劑系統(tǒng)模塊、管理和分解Agent模塊、協(xié)調(diào)Agent模塊和博弈論Agent模塊；在數(shù)據(jù)層分別設(shè)置了4個模塊：數(shù)據(jù)庫模塊、設(shè)備庫模塊、知識庫模塊和材料庫模塊，整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型圖6所示。

圖6 系統(tǒng)模型

針對一條年產(chǎn)量為20萬根的管樁車間，單跨內(nèi)采用有5臺10t橋式起重機,之前基本都是通過人為命令控制起重機的啟動-制停。采用新的集成管理系統(tǒng)之后，根據(jù)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)實時調(diào)動起重機的運行。在整個生產(chǎn)車間實現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化的基礎(chǔ)上，管樁專用起重機的耗電量減少到了原來的97%(從原來占車間能耗的8%降低到了后來的7.76%)，實現(xiàn)了很好的節(jié)能效果，充分說明了模型的可行性，各子系統(tǒng)的耗能情況如表1所示。

表1 能耗比較 %

5 結(jié)語

傳統(tǒng)的管樁生產(chǎn)流水線，同跨中多臺起重機共同作業(yè)，存在著相互緊急避讓、追逐，甚至相撞的現(xiàn)象，工作區(qū)域嚴重交叉，安全性能不高，效率低下，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代高效智能化生產(chǎn)線的要求。本文將Multi-Agent和博弈協(xié)調(diào)理論運用于管樁專用起重機系統(tǒng)集成，能較好地解決管樁專用起重機及相應(yīng)管樁設(shè)備之間的通信和協(xié)作問題，實現(xiàn)了管樁專用起重機的節(jié)能，為管樁專用起重機的集成管理提出了新的思路。