第八章 多智能体实现

第八章 多智能体实现

8.1 新一代信息物理系统

信息物理系统（CPS，Cyber-Physical Systems）是一个综合计算、网络和物理环境的

多维复杂系统，通过3C（Computing、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。信息物理系统通过人机交互接口实现和物理进程的交互，使用网络化空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控一个物理实体。

8.1.1信息物理系统简介

CPS将来无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。它注重计算资源与物理资源的紧密结合与协调，主要用于一些智能系统上如机器人，智能导航等。CPS不仅已成为国内外学术界和科技界研究开发的重要方向，预计也将成为企业界优先发展的产业领域。开展CPS研究与应用对于加快中国培育推进工业化与信息化融合具有重要意义。 2005年5月，美国国会要求美国科学院评估美国的技术竞争力，提出维持和提高这种竞争力的建议。基于此项研究的报告《站在风暴之上》随后发布。在此基础上于2006年2月发布的《美国竞争力计划》则将信息物理系统CPS列为重要的研究项目。2007年7月，美国总统科学技术顾问委员会（PCAST）在题为《挑战下的领先——竞争世界中的信息技术研发》的报告中列出了8大关键的信息技术，其中CPS位列首位，其余分别是软件，数据、数据存储与数据流，网络，高端计算，网络与信息安全，人机界面，NIT与社会科学。欧盟计划从2007年到2013年在嵌入智能与系统的先进研究与技术（ARTMEIS）上投入54亿欧元（超过70亿美元），以其在2016年成为智能电子系统的世界领袖。

一、信息物理系统(cyber physical systems,简称CPS)作为计算进程和物理进程的统一体，是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统。信息物理系统通过人机交互接口实现和物理进程的交互，使用网络化空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控一个物理实体信息物理系统包含了将来无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。它注重计算资源与物理资源的紧密结合与协调，主要用于一些智能系统上如机器人，智能导航等。目前，信息物理系统还是一个比较新的研究领域。CPS是在环境感知的基础上，深度融合计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进

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程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式检测或者控制一个物理实体。

二、2005年5月，美国国会要求美国科学院评估美国的技术竞争力，并提出维持和提高这种竞争力的建议。5个月后，基于此项研究的报告《站在风暴之上》问世。在此基础上于2006年2月发布的《美国竞争力计划》则将信息物理系统(CyberPhysicsSystem，CPS)列为重要的研究项目。到了2007年7月，美国总统科学技术顾问委员会(PCAST)在题为《挑战下的领先——竞争世界中的信息技术研发》的报告中列出了八大关键的信息技术，其中CPS位列首位，其余分别是软件、数据、数据存储与数据流、网络、高端计算、网络与信息安全、人机界面、NIT与社会科学 何积丰院士认为，CPS的意义在于将物理设备联网，特别是连接到互联网上，使得物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。本质上说，CPS是一个具有控制属性的网络，但它又有别于现有的控制系统。控制对于我们并不陌生。从20世纪40年代麻省理工学院发明了数控技术到如今基于嵌入式计算系统的工业控制系统遍地开花，工业自动化早已成熟，其在人们日常居家生活中，各种家电具有控制功能。但是，这些控制系统基本是封闭的系统，即便其中一些工控应用网络也具有联网和通信的功能，但其工控网络内部总线大都使用的都是工业控制总线，网络内部各个独立的子系统或者说设备难以通过开放总线或者互联网进行互联，而且，通信的功能比较弱。而CPS则把通信放在与计算和控制同等地位上，这是因为CPS强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。CPS在对网络内部设备的远程协调能力、自治能力、控制对象的种类和数量，特别是网络规模上远远超过现有的工控网络。在资助CPS研究上扮演重要角色的美国国家科学基金会(NSF)认为，CPS将让整个世界互联起来。“如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将会改变我们与物理世界的互动。”NSF计算机与信息科学和工程总监Branicky表示。

8.1.2 cps的机遇与挑战

如果物联网的市场规模像人们所说的有上万亿元，那么，CPS的市场规模则难以计数，因为CPS涵盖了小到智能家庭网络大到工业控制系统乃至智能交通系统等国家级甚至世界级的应用。更为重要的是，这种涵盖并不仅仅是将物与物简单地连在一起，而是要催生出众多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的设备。下一代工业将建立在CPS之上，随着CPS技术的发展和普及，使用计算机和网络实现功能扩展的物理设备无处不在，并将推动工业产品和技术的升级换代，极大地提高汽车、航空航天、国防、工业自动化、健康/医疗设备、重大基础设施等主要工业领域的竞争力。”何积丰表示，“CPS不仅会催生出新的工业，甚至会重新排列现有产业布局。”但CPS带来的挑战也是物联网所无法比拟的。这些挑战很大程度上来自控制与计算之间的差异。通常，控制领域是通过微分方程和连续的边界条件来

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处理问题，而计算则建立在离散数学的基础上;控制对时间和空间都十分敏感，而计算则只关心功能的实现。通俗地说，搞控制的人和搞计算机的人没有“共同语言”。这种差异将给计算机科学和应用带来基础性的变革。在国外，CPS的声音很强劲，欧盟计划从2007年到2013年在嵌入智能与系统的研究与技术(ARTMEIS)上投入54亿欧元(超过70亿美元)，以期在2016年成为智能电子系统的世界领袖。

8.1.3 cps的意义

CPS的意义在于将物理设备联网，是连接到互联网上，让物理设备具有计算、通信、精

确控制、远程协调和自治等五大功能。CPS本质上是一个具有控制属性的网络，但它又有别于现有的控制系统。CPS则把通信放在与计算和控制同等地位上，因为CPS强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。CPS对网络内部设备的远程协调能力、自治能力、控制对象的种类和数量，特别是网络规模上远远超过现有的工控网络。美国国家科学基金会（NSF）认为，CPS将让整个世界互联起来。如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将会改变我们与物理世界的互动。

8.1.4 cps的挑战性

尽管CPS前景无限，但挑战性也是巨大的，这其中很大程度上来自控制与计算之间的差异。通常，控制领域是通过微分方程和连续的边界条件来处理问题，而计算则建立在离散数学的基础上；控制对时间和空间都十分敏感，而计算则只关心功能的实现。通俗地说，搞控制的人和搞计算机的人缺乏“共同语言”。这种差异将给计算机科学和应用带来基础性的变革

8.2 软件实现框架

根据第二章和第四章的讨论框架，整个控制系统从软件结构上可分为三层：现场功能Agent在底层完成要求较高的实时信息处理、实时监控任务等，主要由PLC完成。由于现场控制系统(FCS、DCS和PLC)在功能上的不断完善，在提供越来越多的控制功能的同时，系统的开放性也越来越强，大部分系统提供了用户自定义功能块元件的功能，用户可根据要求自己编写具有自定义功能的功能块，如横河CS1000/CS3000用户可用C语言自己编写功能块，西门子S7300用户可用类似Pascal语言编写功能块，这为我们在已有的控制系统中实现第二章讨论的控制Agent和控制Agent组提供了很大的支持。在框架的中上层，中层功能Agent具体实现MIICS相关的监控和诊断功能，上层功能Agent则完成深层的故

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障诊断、系统局部的协调和优化控制等。每一功能Agent能自主完成一定的子系统，相互之间通过协作可以完成对复杂控制任务的求解。这两层Agent具有相似功能结构，可以在统一的结构上完成。

人机系统集成 开放式系统接口 Broker Agent 映射 Agent System Server Object 监视 Agent 分布式对象中间件（CORBA） 移动 Sensor Agent 控制Agent 决策 Agent 公共知识公共知识服务对象 库、数据库 分布式对象中间件（OPC） 过程自动化系统 现场总线 反应 Agent 数据 Agent 传感 Agent 执行 Sensor Agent 图8-1 集成智能控制系统软件开发结构

根据系统结构，整个系统从硬件和软件开发考虑，可有以下选择方案： （1）模型与仿真软件包

这类软件包允许对物理系统建模和仿真。如MATLAB中的SIMULINK[121]、20SIM[122]、G2[123]等，选用这类软件包作为平台的优点是提供了大量传统控制算法的分析和设计工具，可对被控对象建模并根据模型测试控制器算法。为了实现实时控制，系统提供与硬件输入输出接口模块的软件接口或代码自动生成。但这类软件包主要基于方块图、联系图和模型方程等，没有提供框架结构来直接实现控制Agent功能，需要设计者设计实现控制Agent的内部原则和机制。

（2）Agent语言和平台

这类平台包括AgentBuilder、the Open Agent Architecture以及OMG和FIPA标准等。其最大优势在于提供了实现Agent的框架，包括跨越不同硬件平台分布式Agent系统，并且提供Agent的通信语言和机制，还有功能强大的管理和实用工具。缺点是要求一定的硬件和系统平台，如PC机等，当前难以实现底层的现场嵌入式控制Agent，但随着嵌入式PC和工业以太网现场总线的发展，该方案

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