基于多智能體系統(tǒng)的水泵群控制策略研究

李 潔，史騰飛

（青島市排水運營服務(wù)中心，山東 青島 266000）

水泵是城市水資源管理和利用的重要設(shè)備之一，其控制效率和穩(wěn)定性對于城市供水系統(tǒng)的運行具有重要意義。在實際應(yīng)用中，經(jīng)常需要對水泵進行群控制，以滿足不同的水需求。傳統(tǒng)的水泵群控制方法往往存在著效率低下、控制精度不高、容易產(chǎn)生能耗浪費等問題。因此，如何提高水泵群的控制性能成為當(dāng)前研究的熱點之一。多智能體系統(tǒng)作為一種新興的控制方法，具有協(xié)調(diào)控制、分布式計算等特點，已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。

1 緒論

1.1 研究背景及意義

水資源是人類生存和發(fā)展不可或缺的重要資源，而城市化進程的加速也使得水資源的管理和利用越來越受到關(guān)注。在城市供水系統(tǒng)中，水泵作為重要設(shè)備之一，其控制效率和穩(wěn)定性對于城市供水系統(tǒng)的運行具有重要意義。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外已經(jīng)有很多關(guān)于水泵群控制的研究，例如基于PID 控制算法的水泵群控制、基于模糊控制算法的水泵群控制、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水泵群控制等。這些方法在一定程度上提高了水泵群的控制性能，但仍然存在一些問題，例如控制精度不高、能耗浪費等。

2 多智能體系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識

2.1 多智能體系統(tǒng)的概念與特點

2.1.1 多智能體系統(tǒng)的概念

多智能體系統(tǒng)（Multi-Agent System，MAS）是由多個智能體（Agent）相互作用所形成的系統(tǒng)，其中每個智能體都具有自主決策和行為能力。多智能體系統(tǒng)是一種分布式計算系統(tǒng)，其特點是系統(tǒng)中的智能體相互協(xié)作、相互競爭、相互影響，從而實現(xiàn)系統(tǒng)整體的智能化。多智能體系統(tǒng)是人工智能領(lǐng)域的重要研究方向，在機器人、智能交通、智能制造等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

多智能體系統(tǒng)的研究內(nèi)容主要包括多智能體的建模、協(xié)調(diào)控制、學(xué)習(xí)和交互等方面。多智能體系統(tǒng)的建模是指將系統(tǒng)中的智能體、環(huán)境和任務(wù)等元素進行描述和抽象，以便進行系統(tǒng)分析和設(shè)計。多智能體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制是指如何對多個智能體進行協(xié)調(diào)控制，使得系統(tǒng)整體能夠達到預(yù)期的目標。多智能體系統(tǒng)的學(xué)習(xí)是指如何對多個智能體進行學(xué)習(xí)，提高系統(tǒng)整體的性能和適應(yīng)性。多智能體系統(tǒng)的交互是指系統(tǒng)中的智能體之間如何進行通信和信息交換，以便相互協(xié)作實現(xiàn)系統(tǒng)整體的目標[2]。

2.1.2 多智能體系統(tǒng)的特點

多智能體系統(tǒng)具有以下幾個特點：

1.分布式性：多智能體系統(tǒng)中的智能體分布在不同的位置，通過通信和協(xié)作實現(xiàn)系統(tǒng)整體的目標。

2.自主性：每個智能體都具有自主決策和行動的能力，能夠根據(jù)自身的知識和經(jīng)驗進行決策，并采取相應(yīng)的行動。

3.協(xié)作性：多智能體系統(tǒng)中的智能體相互協(xié)作，通過相互協(xié)作實現(xiàn)系統(tǒng)整體的目標。

4.競爭性：多智能體系統(tǒng)中的智能體之間存在競爭關(guān)系，通過競爭提高系統(tǒng)整體的效率和性能。

2.2 多智能體系統(tǒng)的分類與組成

2.2.1 多智能體系統(tǒng)的分類

多智能體系統(tǒng)的分類主要根據(jù)智能體之間的關(guān)系進行分類，包括獨立型多智能體系統(tǒng)、互動型多智能體系統(tǒng)和協(xié)同型多智能體系統(tǒng)。

具體如下：

1.獨立型多智能體系統(tǒng)：系統(tǒng)中的智能體之間相互獨立，各自為政。

2.互動型多智能體系統(tǒng)：系統(tǒng)中的智能體之間通過相互協(xié)作和競爭實現(xiàn)系統(tǒng)整體的目標。

3.協(xié)同型多智能體系統(tǒng)：系統(tǒng)中的智能體之間相互協(xié)作，通過相互協(xié)作實現(xiàn)系統(tǒng)整體的目標。

根據(jù)智能體之間的交互方式，多智能體系統(tǒng)還可以分為基于協(xié)商的多智能體系統(tǒng)、基于市場機制的多智能體系統(tǒng)、基于組織的多智能體系統(tǒng)和基于自組織的多智能體系統(tǒng)等。

2.2.2 多智能體系統(tǒng)的組成

多智能體系統(tǒng)通常由以下幾個部分組成：

1.智能體：多智能體系統(tǒng)中的基本單元，每個智能體都具有自主決策和行為的能力。

2.通信網(wǎng)絡(luò)：多智能體系統(tǒng)中的智能體之間通過通信網(wǎng)絡(luò)進行通信和信息交換。

3.環(huán)境：多智能體系統(tǒng)中智能體的行為受到環(huán)境的影響，環(huán)境對智能體的行為產(chǎn)生反饋。

4.控制器：多智能體系統(tǒng)中的控制器通過對智能體的行為進行調(diào)節(jié)和控制，實現(xiàn)系統(tǒng)整體的目標。

2.3 多智能體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方法

在多智能體系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)控制是實現(xiàn)系統(tǒng)整體目標的關(guān)鍵。目前，常用的協(xié)調(diào)控制方法包括以下幾種：

1.集中式控制：集中式控制是指通過一個中央控制器對多個智能體進行控制和調(diào)度。

2.分布式控制：分布式控制是指每個智能體都具有一定的控制能力，通過相互協(xié)作實現(xiàn)系統(tǒng)整體的目標。

3.基于市場機制的控制：基于市場機制的控制是指通過市場機制對智能體的行為進行調(diào)節(jié)和控制，實現(xiàn)系統(tǒng)整體的目標。

4.基于自組織的控制：基于自組織的控制是指智能體通過相互協(xié)作和競爭，自發(fā)形成系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)和行為。

在實際應(yīng)用中，不同的協(xié)調(diào)控制方法適用于不同的場景和問題。因此，需要根據(jù)實際情況選擇合適的協(xié)調(diào)控制方法。

3 水泵群控制的基本原理

3.1 水泵群控制的概念與應(yīng)用

水泵群控制是指通過控制多臺水泵的啟停、流量和壓力等參數(shù)，實現(xiàn)對水泵群的智能化控制。水泵群控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于供水、排水、循環(huán)水處理等領(lǐng)域，能夠提高水泵群的運行效率和安全性，降低能耗和維護成本。

水泵群控制的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.城市供水系統(tǒng)，水泵群控制可以實現(xiàn)城市供水系統(tǒng)的智能化控制和管理，提高供水系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性。

2.排水系統(tǒng)，水泵群控制可以實現(xiàn)排水系統(tǒng)的智能化控制和管理，提高排水系統(tǒng)的運行效率和安全性。

3.工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)，水泵群控制可以實現(xiàn)工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的智能化控制和管理，提高循環(huán)水系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性。

4.農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，水泵群控制可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的智能化控制和管理，提高灌溉效率和節(jié)約水資源[3]。

3.2 水泵群控制的技術(shù)路線

水泵群控制的技術(shù)路線主要包括：

1.系統(tǒng)建模，根據(jù)水泵群的工作原理和系統(tǒng)特點，建立水泵群控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

2.控制策略設(shè)計：根據(jù)水泵群的工作特點和實際需求，設(shè)計適合的控制策略，包括啟停控制、流量控制和壓力控制等。

3.控制器設(shè)計：根據(jù)控制策略，設(shè)計相應(yīng)的水泵群控制器，包括硬件電路和軟件控制程序。

4.通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計：設(shè)計水泵群控制系統(tǒng)所需的通信網(wǎng)絡(luò)，包括局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等。

5.系統(tǒng)實現(xiàn)：將控制器和通信網(wǎng)絡(luò)等組成完整的水泵群控制系統(tǒng)，并進行調(diào)試和測試。

6.系統(tǒng)優(yōu)化：根據(jù)實際運行情況對水泵群控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。

3.3 水泵群控制的關(guān)鍵問題

1.系統(tǒng)建模：水泵群控制的系統(tǒng)建模是實現(xiàn)控制的基礎(chǔ)，需要準確地描述水泵群的工作原理和系統(tǒng)特點。

2.控制策略設(shè)計：水泵群控制的控制策略直接影響系統(tǒng)的控制效果，需要根據(jù)實際需求設(shè)計合適的控制策略。

3.控制器設(shè)計：水泵群控制器的設(shè)計需要考慮硬件電路的實現(xiàn)和軟件控制程序的編寫，同時需要保證控制器的穩(wěn)定性和可靠性。

4.通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計：水泵群控制的通信網(wǎng)絡(luò)需要滿足實時性和可靠性的要求，同時需要考慮網(wǎng)絡(luò)的安全性和擴展性。

5.系統(tǒng)實現(xiàn)：水泵群控制系統(tǒng)的實現(xiàn)需要對控制器、通信網(wǎng)絡(luò)和其他硬件設(shè)備進行選型、集成和調(diào)試等工作，確保系統(tǒng)能夠正常運行。

6.系統(tǒng)優(yōu)化：水泵群控制系統(tǒng)的優(yōu)化需要通過實際運行情況對系統(tǒng)進行監(jiān)測和調(diào)整，包括控制策略、控制器參數(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)等方面的優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。

4 控制策略的設(shè)計思路

基于多智能體系統(tǒng)的水泵群控制策略是一種分布式控制策略，它將多個智能體組成一個智能體系統(tǒng)，每個智能體負責(zé)控制一個水泵，通過智能體之間的通信和協(xié)作，實現(xiàn)對整個水泵群的控制。

該控制策略的設(shè)計思路是將水泵群控制問題轉(zhuǎn)化為多智能體系統(tǒng)的協(xié)作問題，通過智能體之間的信息交換和協(xié)作，實現(xiàn)對水泵群的啟停、流量和壓力等參數(shù)的智能化控制。其中，每個智能體需要具備自主決策能力和協(xié)作能力，能夠根據(jù)當(dāng)前的工作狀態(tài)和群體目標，自主地調(diào)整自己的控制策略，同時與其他智能體進行協(xié)作，共同實現(xiàn)群體的控制目標[4]。

5 仿真實驗及結(jié)果分析

5.1 實驗環(huán)境及參數(shù)設(shè)置

為了驗證基于多智能體系統(tǒng)的水泵群控制策略的有效性，我們進行了仿真實驗。實驗環(huán)境采用MATLAB/Simulink 軟件，仿真模型由水泵群、控制器和通信網(wǎng)絡(luò)三部分組成。水泵群包括四臺水泵，控制器采用基于多智能體系統(tǒng)的控制策略，通信網(wǎng)絡(luò)采用無線局域網(wǎng)。

實驗參數(shù)設(shè)置如下：

1.水泵參數(shù)：每臺水泵的額定流量為500m3/h，額定揚程為100m，額定功率為90kW。

2.控制器參數(shù)：每個智能體的決策規(guī)則采用模糊控制算法，控制周期為1s。

3.通信網(wǎng)絡(luò)參數(shù)：無線局域網(wǎng)通信半徑為50m，通信延時為0.1s。

4.工況參數(shù)：仿真工況包括常規(guī)工況和突發(fā)工況。常規(guī)工況下，水泵群需滿足穩(wěn)定的供水需求；突發(fā)工況下，水泵群需迅速響應(yīng)并處理突發(fā)水位上升的情況。

5.2 實驗結(jié)果及分析

在仿真實驗中，我們對基于多智能體系統(tǒng)的水泵群控制策略進行了測試和驗證。實驗結(jié)果顯示，在常規(guī)工況下，控制器能夠及時響應(yīng)水泵群的流量和壓力變化，保證水泵群的穩(wěn)定供水；在突發(fā)工況下，控制器能夠迅速調(diào)整水泵的啟停和流量，有效處理水位上升的情況，保證水泵群的安全運行。

同時，我們對控制策略的性能進行了評估。實驗結(jié)果表明，基于多智能體系統(tǒng)的水泵群控制策略具有較高的控制精度和響應(yīng)速度，能夠有效降低能耗和維護成本，提高水泵群的運行效率和可靠性[5]。

5.3 實驗結(jié)論

綜上，基于多智能體系統(tǒng)的水泵群控制策略是一種有效的水泵群控制方法。該控制策略能夠通過智能體之間的通信和協(xié)作實現(xiàn)對水泵群的智能化控制，具有較高的控制精度和響應(yīng)速度，能夠降低能耗和維護成本，提高水泵群的運行效率和可靠性。在實際應(yīng)用中，該控制策略可以有效應(yīng)用于城市供水、排水、循環(huán)水處理等領(lǐng)域，實現(xiàn)對水泵群的智能化控制和管理。

6 研究不足與展望

盡管本文所提出的基于多智能體系統(tǒng)的水泵群控制策略在實驗中取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。首先，本文只考慮了水泵群的控制問題，未對水泵的故障診斷和維護進行研究。其次，本文的實驗環(huán)境和參數(shù)設(shè)置較為簡單，需要進一步擴展和優(yōu)化。最后，本文只對控制策略進行了仿真實驗，需要進一步在實際應(yīng)用中進行驗證。

針對以上不足之處，我們展望未來的研究方向：

1.水泵故障診斷和維護：在基于多智能體系統(tǒng)的水泵群控制策略的基礎(chǔ)上，進一步研究水泵的故障診斷和維護問題，提高水泵群的運行可靠性和效率。

2.現(xiàn)場實驗和優(yōu)化：在實際應(yīng)用中進行現(xiàn)場實驗，優(yōu)化控制策略參數(shù)，提高控制效果和穩(wěn)定性。

3.與其他系統(tǒng)的協(xié)同控制：將基于多智能體系統(tǒng)的水泵群控制策略與其他系統(tǒng)的協(xié)同控制相結(jié)合，實現(xiàn)對整個供水、排水、循環(huán)水處理系統(tǒng)的智能化控制和管理。

4.機器學(xué)習(xí)和人工智能的應(yīng)用：引入機器學(xué)習(xí)和人工智能的技術(shù)，優(yōu)化控制策略和算法，提高控制效果和精度。