基于Swarm的礦難救援復雜系統研究

秦國興,李大鵬

(唐山學院計算中心,河北唐山 063000)

基于Swarm的礦難救援復雜系統研究

秦國興,李大鵬

(唐山學院計算中心,河北唐山 063000)

針對當前我國各地突發礦難大規模救援活動存在組織、調度較慢等問題,提出了綜合運用計算機Swarm仿真來改進救援行動的方案。在總結了Swarm仿真平臺的基本思想和特點,以及對礦難救援主體因素和礦難復雜適應性系統分析的基礎上,給出了Swarm平臺下礦難救援系統的框架模型,為礦難救援復雜系統的研究提供思路。

Swarm仿真;復雜系統;趨勢分析;礦難救援系統

0 引言

我國是一個發展中的大國,在迅速崛起的各個行業中采掘業具有基礎地位,有效利用礦產資源是國民經濟和社會發展的重要基礎和基本源泉。在開采和利用有效資源的同時,我們必須將礦產的開采安全提到首位。據粗略統計,從1990年后,每年的礦難傷亡人數達到4位數字甚至5位數字,并且隨著采礦規模的進一步擴大,傷亡人數有增長的趨勢,瓦斯爆炸、煤礦透水等事故使生命和社會財產嚴重損失,令人觸目驚心。如果通過救援能進一步將礦難損失降低,會有利于經濟建設和和諧社會的發展。

礦難救援涉及救助主體、受災主體等多主體,還涉及多種要素,面對這種復雜局面如果利用傳統數學工具建模來進行分析存在明顯弊端,其模型不能涵蓋礦難救援過程中涉及到的具有多樣性、突發性、隨機性的主體。而基于主體的計算機模擬仿真則可以做到這一點,利用它進化性和非線性的特點來模擬各種參數,這樣可以和礦難后的救援過程更加相符[1]。

本文將分析Swarm仿真方法,細化礦難救援的多主體和多參數,構建Swarm平臺框架,為突發礦難提供可借鑒的救援過程指導數據,為礦難救援指揮者的決策提供科學依據,找到優化的救援流程和救援資源配置方案,減少人員傷亡,降低經濟損失,提高礦難救援的效率和成功率,最大限度地實現減災的目的。

1 基于Agent的Swarm仿真基本理論及方法

多主體系統發展源自分布式人工智能領域,它把問題分解為多個主體(Agent),再以聯合或群集的方式找到整體更優的解決方案。Swarm是一個多主體復雜適應系統(CAS)仿真建模軟件平臺,非常適合于涉及因素或主體較多的仿真分析,是一種支持“自下而上”(bottom2up)的建模工具。在Swarm中將模型涉及的參與者看作一個個主體(agent),首先描述各種主體細節,包括其屬性、行為、對信息的評價、期望、學習過程和決策等,然后構建各類不同主體間的交互關系。Swarm還提供一些輸入/輸出的接口,以便對系統模擬情況進行觀察,因此實際上就是一個面向對象的類庫,用戶可以通過調用這些類庫簡化模擬工作。通過建立基于Swarm的計算機模型,調用平臺中提供的豐富的類庫,可以方便地對許多領域的研究進行模擬。

對于礦難救援這樣的規模較大、各種因素息息相關的復雜系統,通常可以采用兩種方法進行研究:一種是在實際問題產生時直接進行研究;另一種就是采取在虛擬的系統模型上進行研究。我們能夠在解決實際問題過程中得到很多方法和經驗,但這樣的研究速度非常慢,而且要考慮很多因素,比如安全性、系統的不可逆、研究時間過長、系統多樣性等,因此第一種方法是不適合的。這就需要我們采用第二種方法來進行研究:在模仿真實環境的各種參數基礎上建立模型,通過不同的參數變化來模擬真實場景,以得出有效的方法或經驗。

Swarm平臺的構架是模塊化的,用面向對象的思維去理解Swarm的主體結構和程序仿真實現會起到事半功倍的效果。Swarm系統的Swarm對象就是一個頂層容器,它將各種對象封裝在里面。要建立一個模擬環境,需要針對多種主體直接調用相關類就可以實現模型的建立,對于Swarm的高級用戶來說,可能需要對Swarm基本類庫進行設計加工,產生更實用的子類。Swarm中的基本類庫包括:swarm.a-nalysis(分析工具),swarm.defobj(為objective2c擴展提供對象),swarm.sim tools(提供數據分析和顯示支持),swarm.sim tool.sgui(GU I相關工具)等等。Swarm仿真系統模型結構都大同小異,其核心是模型Swarm文件、觀察員Swarm文件和Main文件。由于仿真系統的模板化程度非常高,建立仿真主要是考慮主體屬性和方法[2-3]。

圖1是基于Agent多決策系統仿真框架。

圖1 Swarm仿真框架示意圖

2 礦難救援主體因素分析

礦井災害的發生都具有突發性、毀滅性,要提高礦難后的救援效率和控制災后的損失,首先要熟知影響救援效果的各種因素,也就是在仿真系統中各種起作用的主體(Agent)。現將主要的因素和主體以及它們之間的關系總結歸納如下。

災難控制及救援要素包括以下主體因素:礦難發生的位置、礦井的深度及規模、采礦人員、人員傷亡、財產損失程度、礦難發生強度、礦難發生時間、救援人力資源、救援時間、救援設備資源、救援指揮調度、救援策略、救援知識和現場信息等。這些多主體因素共同牽制著礦難規模、破壞能量及救援結果。礦難救援因素關系圖如圖2所示。

圖2 礦難救援因素關系圖

3 基于CAS視角的礦難復雜適應性系統的分析

復雜適應系統(CAS)理論把系統各種成員看成是相互獨立、有自己目的與主動性的積極主體(Agent)。這種主體在與環境的交互作用中遵循一般的刺激-反應模型,所謂適應能力表現在它能夠根據行為的效果修改自己的行為規則,以便更好地在客觀環境中生存,這是CAS理論思想的精髓所在。復雜適應系統理論的提出為人們認識、理解、控制、管理復雜系統提供了新的思路。用Swarm來仿真復雜適應性系統流程一般通過 Main文件啟動模型,然后由觀察員Swarm文件結合設置好的時間表對各主體模型進行跟蹤記錄調整。Swarm模板化程度非常高,主要核心工作是對各個Agent主體進行詳細的屬性和方法設計,盡可能表述現實中的主體行為[4]。

礦難的發生和救援過程由于涉及到多個主體,各獨立主體相互影響相互制約從而影響最終結果,所以將其歸結為復雜系統。從復雜適應系統理論角度對礦難救援系統進行分析,主要表現在以下幾方面:一是多層次性。礦難救援活動可以在地方政府、省級相關部門乃至國家相關部委等不同層面分別進行,有多種不同調配組合,這就會產生完全不同的救援效果,多結構多層次性也正是復雜性產生的原因之一;二是多主體主動適應性。礦難的受災人員主體和救援人員群體呈現“聚集”特性和智能性,有一定的決策能力,多主體并存且可依環境變化和自身意愿進行規則調整,使得混沌狀態轉化為有序結構,不斷演變;三是系統非線性及動態開放性。災難與救援是雙方向性的,它的發展是隨時間和環境的不斷變化而非線性變化,在這個開放性的環境中存在多樣性的各種因素相互影響和制約,導致最終結果的不確定。基于以上對諸多因素和特性的分析可以充分說明礦難救援是一個復雜適應系統(CAS),可以應用積木機制來構建不同的內部模型,通過分析各Agent之間的相互作用和適應性,得出整個系統的發展趨勢,為不同救援策略提供參考和指導[5]。

4 基于Swarm的礦難救援體系結構及模型構建

礦難救援體系結構由多個子系統構成,包括管理主系統、時間分配管理子系統、數據服務子系統、主體對象序列管理系統、模型庫、觀察員管理子系統等。在救援復雜適應系統中,更著重強調主體對象序列管理系統,利用主體(Agent)的思想,通過仿真主體以及主體之間關系來精確模擬現實系統,用主體(Agent)來描述目標系統中單個個體的行為,進而達到控制整個系統的目的。

根據礦井災難發生的不同情況,需要將救援行為量化,包括救援點、救援資源、受災范圍、主體的多少,根據量化的數據所采取的救援模式也會有所區分,可以采用不同的救援模擬方式來進行:順序救援模式、全局分散救援模式、局部重點救援模式、混合救援模式。每種模式都有其適用對象、適用范圍、適用的特別環境,要根據現場或模擬需求來進行選擇。

借助以上對救援復雜系統的分析,依據Swarm框架的構建思想,將系統中不同的要素抽象成不同類型的個體(A-gent)序列,讓一系列獨立的Agent通過獨立事件進行交互。在構建Swarm模型時設置觀察員(ObserverSwarm),根據模擬不同的受災和救援主體(Agent)和不同環境的變化,如災難位置、交通情況等構建Swarm礦難救援系統模型,如圖3所示。

5 結論

針對采掘業發生礦難的現狀分析了救援方法,針對礦難救援復雜系統多主體、多參數的特點提出了使用Swarm模型的思路。基于Agent的Swarm仿真方法構建的Swarm礦難救援基本框架模型,可以為進一步研究礦難救援提供參考。

圖3 Swarm礦難救援系統框架模型

[1] 王正中.復雜系統仿真方法及應用[J].計算機仿真, 2001(1):3-6.

[2] 曹慕昆,馮玉強.基于多Agent計算機仿真實驗平臺Swarm的綜述[J].計算機應用研究,2005(9):1-3.

[3] 李蕭,田寶國.基于多智能體與Swarm的復雜適應系統研究[J].軟件導刊,2007(3):10-12.

[4] 范新南,徐立中.基于Swarm平臺的復雜系統建模仿真及其應用分析[J].河海大學常州分校學報,2006,20 (4):1316.

[5] 孫建,葉民強.基于主體的Swarm建模分析及其應用[J].福建電腦,2002(11):26-30.

(責任編校:夏玉玲)

Research of Complex System of Mine Accident Rescure Based on Swarm

QIN Guo-xing,LIDa-peng
(Computer Center Tangshan College,Tangshan 063000,China)

In light of the problems in rescue work in frequent mine accidents all over the country such as slow organization and scheduling,the paper proposes making comprehensive use of computer Swarm simulation to imp rove the rescue efficiency.Based on the summary of basic idea of Swarm simulation platform and features and the analysis of the rescue subjective factors and mine accident complexity adaption system,fremwork model for mine accident rescue system under Swarm platform,providing some guidance for the research of mine disaster rescue complexity.

Swarm Simulation;complex system s;trend analysis;mine accident rescue system

TP391.1

A

1672-349X(2010)06-0054-02

2010-09-28

唐山市科學技術研究與發展指導計劃項目(09130211c)

秦國興(1976-),男,講師,碩士,主要從事圖形、圖像處理和數據庫的研究開發。