筑路機械機群智能化多智能主體研究論文

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摘要：多智能主體技術是人工智能領域的最新成果之一，應用它來進行工程機械的機群智能化，可提高機群整體的智能化水平。將多智能主體技術應用于筑路工程機械機群，建立并深入探究了改工程機械機群的分層混雜體系結構，這種結構能以較低的成本實現很高的智能化程度，且具有靈活、易擴展等特點。

關鍵詞：多智能主體；筑路機械機群；研究

1筑路機械機群智能化的多智能主體系統基礎

1.1筑路機械機群系統混雜分層結構

與一般的多智能主體系統不同，在本文中，多智能主體系統被應用于工程機械機群的智能化，具體來說，是以高等級路面施工機群的智能化為研究對象。

高等級路面施工機群主要由以下5種機械設備組成：瀝青拌合設備、攤鋪機、振動壓路機、裝載機和自卸車。由于是路面施工，這些設備的工作環境以高噪聲、高振動、受天氣狀況影響大等為特點。而且，結合現階段工程實際，要盡量控制機群智能化所需成本，否則，將會降低施工企業對機群智能化改造的接受程度。

當前的筑路工程中，主要靠人工指揮，機械由人工操作，存在著如下弊端：資源配置不夠合理；施工信息交換量小，實時性差；易出現物料斷流或積壓（因為物料具有實效性，所以造成極大浪費）；能耗大，生產率低。

當前的筑路工程中，主要靠人工指揮，機械由人工操作，存在著如下弊端：資源配置不夠合理；施工信息交換量小，實時性差；易出現物料斷流或積壓（因為物料具有實效性，所以造成極大浪費）；能耗大，生產率低。

1.2機群系統中的多智能主體系統結構

一般的，在多智能主體系統中，多采用分布式控制策略，即各個智能主體的區別在于完成不同的職能，相互之間并無控制關系。這樣做的好處是系統最大地體現了分布式控制的優點，系統靈活性強，易擴展，魯棒性強，可重用性好。缺點在于這樣的系統史多地適用于純軟件環境，在應用于硬件實現的系統中時，會造成系統成本過高、設計過于復雜、系統反應速度較低。對于本文所研究的機群系統而言，為了降低系統的最終成本，系統面向筑路工程機械機群設計，采用了混雜分層式的系統結構（如圖1所示）。采用該結構的優點在于可以大大簡化系統設計，將傳統的中央控制與分布式控制結合起來，在提高系統靈活性的同時，保持系統的反應速度和不過于增加系統的復雜性。

該系統中的智能主體可分為兩類：一類是動作執行智能主體，即各單機智能主體；另一類是控制智能主體，包括中央智能控制主體及其他控制主體。

該系統中，各智能化單機（包括智能化拌和機、攤鋪機、壓路機、自卸車等）構成了系統的底層。單機本身具有一定的智能和自主權，在一定范圍內控制自身運行狀態。同時，這些單機都要受上層智能控制主體的控制。上層智能控制主體可按照其職能劃分為5個：中央控制智能主體，混合料拌和智能主體，混合料運輸智能主體，混合料攤鋪智能主體和道路壓實智能主體。中央主體處于最高層，有最大的權限，其他智能主體處于第二層，負責各自的專項工作，有相對的局部權限，這是與工程實際相對應的。中央控制智能主體負責監督、協調工程現場，綜合現場的各種信息，為工程指揮提供決策支持，并負責對工程指揮的決策進行解釋和任務分配。混合料拌和智能主體指揮拌和機完成混合料的拌和，并指揮裝載機組協同完成工作。混合料運輸智能主體指揮自卸車組，完成混合料由拌和機到攤鋪機的輸送，以及混合料原料的運輸。混合料攤鋪智能主體負責調度和指揮各攤鋪機，完成路面攤鋪工作。道路壓實智能主體負責調度和指揮壓路機組，完成路面壓實任務。路面質量檢測系統負責反饋路面質量信息給中央主體。各個主體之間由無線的微波信道構成通訊鏈路，交換信息，共享信息，構成多智能主體協同工作的機群智能化系統中央控制主體是機群系統的核心，用于協調系統的運作。包括如下主要功能：

①任務規劃調度，負責管理所有任務的內容，進展狀態，性質，合作者情況等信息，根據當前所有任務的級別和調度規則，形成任務調度隊列；

②協調控制中心負責協調整個系統的運行，是實現人-機交互的主要功能模塊，同時還解決協作過程中的沖突和矛盾，具有應變意外情況的能力。在中央控制主體中構建了知識庫系統作為決策支持。

其余的控制主體有如下特征：

①空間的分布化：處于不同的物理坐標；

②內建的平行化：在同一時間各自執行不同的任務；

③功能的專門化：各控制主體的任務小同，在各個控制主體內部可采用不同的控制方式。

1.3采用多智能主體設計機群系統的優點

（1）分布式智能。將一個復雜的筑路任務通過分布式智能主體分解為有限復雜程度的多個了任務，由中央主體、拌和主體、運輸主體、攤鋪主體和壓實主體這5個主體各自負擔相應的子任務，充分發揮各個主體的功能與能動性，減輕了中央主體的工作負擔與控制的復雜程度。同時，由于各個主體也進行了智能化，提高了對環境的適應性。在傳統的集中控制方式中，中央控制系統由于承擔了所有的控制工作，往往功能十分復雜，設計與實施時都需要耗費大量的人力物力。系統的風險也集中在中央控制系統，可靠性要求高，成本史是成倍提升。通過多智能主體設計，將系統的智能分布到各個主體上，實現了分布式智能，簡化了中央控制。

（2）容錯性。由于各個主體具有不同等級的決策權限，并依據其決策權限等級來共享機群系統的信息，單個主體的出錯不會造成整個系統的失控。即使中央主體出故障，機群其他部分還可以獨立完成當前任務的作業。在筑路施工過程中，由于環境惡劣，系統出現故障在所難免。例如設備保障、通訊故障、電力供應故障以及人為錯誤等，都是施工現場現實存在的問題。當中央主體出現故障，發出錯誤指令時，下級控制主體可對本地的局部信息和系統共享信息進行綜合，對這個錯誤指令向中央主體發出疑問，處理主體故障。

（3）高可靠性。由于實現了功能的分布化，提高了整個機群系統的可靠性。機群中的各個主體具有相對獨立性，自行其是，單機智能主體或者單個控制主體的故障不會造成全局失控。特別是中央主體一旦失效，其他智能控制主體可以通過相互間的通訊和協調，在一定時間內保證施工的正常進行。這一點，集中控制方式的機群系統根本無法實現，因為它的中央控制系統一旦失效就全局癱瘓了。

（4）高效率。強調機群系統的交互性和協作性，有利于提高機群系統的工作效率，降低能耗，節省物料，從而降低整個施工的成本。

2筑路機械機群智能化系統實現的關鍵問題

2.1筑路機械機群多智能主體系統的實現

各主體間的通訊網絡。通訊網絡的實施是主體間信息共享與交換的基礎。物理實現以無線通訊為主，采用自建的微波通訊系統或者GSM/GPRS短信系統，保證各主體間信道的暢通。網絡拓撲采用網狀結構，在本系統的5個控制主體之間均存在獨立的數據鏈路，實現信息的交換與共享。

各智能主體的決策推理機設計與功能定義。包括多主體的協同決策模式研究，各智能主體的決策規則，中央智能控制主體和各智能控制主體在決策樹中所處的地位以及各自的權限分配。

管理層指令的基于多智能主體的分布式計算求解的算法，就是怎樣把管理層下達的一個筑路任務分解并分配給相應的智能主體，形成任務調度序列，由中央智能控制主體居中協調，共同完成施工任務，實現施工調度的優化。

多智能主體的信息處理與融合算法。

機群調度決策系統信息綜合（含機群多智能主體狀態參數、故障參數，環境參量與突發事件）研究，其中包含了一個基于專家知識庫的故障診斷系統。

2.2筑路機械各單機智能主體的實現

單機智能主體的控制系統實現如圖3所示，主要采用人-機共棲模式的智能主體形式，核心是研究“人-機”協調決策的方法。

由于各機種的自動化程度不同，人在決策中參與的程度也就有所區別。實現的要點在于：

①主體對象的定義，包括單機的功能、屬性、需要檢測的信息等；

②主體的定位方式，主體之間通訊方式與主體內部異構通訊協議的集成，包括主體間的通訊方式，主體內部各子系統的通訊，以及二者間的交互；

③對應各機種的知識庫，確定最優工藝路線與參數，并集成于各智能主體。

④最終建立各單機智能主體的智能決策控制體系。

3基于多智能主體的機群智能化技術的實施路線

當前，國內外的工程機械廠商已經推出了全系列的智能化的單機，單機智能化的技術己經成熟了。但是，這樣的智能單機還不能直接應用到智能化的機群之中，需要添加通訊設備和智能主體控制裝置。因此，實施基于多智能主體的機群系統的最好方式是：充分利用國內外現有的工程機械單機智能化技術，將機群智能化技術作為獨立的專有技術開發，作為單機的智能主體可以兼容國內外主要廠商的產品。

另外，采用開放式的開發方式，可成立機群智能化的標準化組織，定義當前的智能單機改造成單機智能主體所需提供的外部接口，由各個廠商作為組織成員提供，這樣既保護了各自的知識產權，又帶動了我國工程機械行業的科技進步，有利于將機群智能化標準樹立為在我國實現的國際工程技術標準。特別是在我國加入WTO以后，它對實現產業國際化，搶占技術制高點，有著尤為重要的意義。

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