基于多Agent數據協調的無線智能抄表系統設計

林 濤，李 輝，郭 曉，趙宏科，陳 恩

（河北工業大學 控制科學與工程學院，天津 300130）

手工操作的抄表收費方式不但費時費力費用過高還存在安全隱患。隨著無線網絡技術的飛速發展與成熟，將其應用于抄表系統可使抄表工作變得方便、快捷。傳統的無線抄表系統大多是利用分布式器件（如采集器）采集數據，然后把數據傳至上位機，由上位機進行處理。這種方式存在一定的問題：由于所有的數據都交由上位機統一處理，一旦出現某種干擾阻止它運行，就會造成整個抄表系統數據錯誤或丟失；并且，由單一的主機處理所有數據限制了整個抄表系統的規模，大量的數據同時傳輸將會導致網絡通信過載，從而導致整個系統的實時性差，系統節點之間難以實現互操作。如果出現可疑數據，系統很難判定是數據在傳輸過程中產生，還是表具本身故障所致。

Agent是具有智能和較高自治能力的實體，對動態變化作出適當反應，Agent能夠模擬人類的行為，且具有良好的智能性、協調性、適應性[1-2]。由于Agent的這些特性，設計了一種基于多Agent技術的無線抄表系統，實現了采集節點獨立采集分析數據，并且重點研究了系統對錯誤數據的判別及協調功能，在物業中心Agent和采集器Agent加入遞推算法和最小二乘法，使系統能夠快速解決可疑數據的問題，保證了無線抄表系統的安全、可靠。

1 MAS系統

Agent理論和技術起源于20世紀80年代，隨著計算機軟、硬件技術飛速發展，Agent理論得到了強大的技術支持，使Agent的實現能力不斷增強，應用逐漸擴展到了工業、農業、醫療、交通等領域[3]。Agent是具有智能和較高自治能力的實體。相對于傳統技術而言，它不僅可以在目標的驅動下實現目標，還可感知、適應環境，對動態變化作出適當反應；Agent能夠模擬人類的行為，且具有良好的智能性、協調性、適應性等特性，特別是在滿足分布式應用方面的優勢受到越來越多的關注。

多 Agent系統 MAS（multi-Agent system）是分布式人工智能的拓展，是由多個Agent組成的一種分布式自主系統。MAS中的每個Agent擁有解決不同問題的不完全信息和能力，不存在全局控制。數據是分散的，計算過程是異步的。它旨在于把一個復雜的系統分散成若干個易于管理的小系統，這些小系統可以相互通信、相互協作，從而實現信息、知識的共享。

在開放的MAS系統中，每個Agent都具有自主性，在求解過程中會按自己的目的、知識與能力進行活動，由于封閉世界假設對MAS不成立，因此不能用演繹邏輯的方法解決矛盾，必須引入協調機制[4]。MAS協調是指具有不同目標的多個Agent對其目標、資源等進行合理安排，以協調各自行為，最大限度地實現各自目標。對于無線抄表系統而言，通過MAS協調機制，調節每個Agent的能力，降低復雜系統的難度，使復雜系統變得易于實現。MAS有3種結構形式[5-6]：純分布式結構、黑板結構和聯邦式結構。筆者采用黑板結構實現設計無線抄表系統。黑板結構中的黑板是一個公共數據存儲區，各個Agent通過對黑板的直接讀寫來完成數據共享。

2 系統網絡拓撲結構及硬件組成

抄表系統中的通信主要是末端節點（水表）與物業中心的通信，本文設計采用SI4432和GPRS相結合的方式實現通訊。本系統中共存在3種設備：水表、帶有SI4432的采集器、帶有SI4432和GPRS的集中器。其中采集器用來采集水表數據，也是多Agent系統中重要的組成部分，集中器作為遠程設備之間的中繼器來進行通信，能夠用于拓展網絡的范圍。無線抄表系統拓撲結構如圖1所示。

圖1 無線抄表系統拓撲結構Fig.1 Topological structure of wireless meter reading system

本系統的網絡拓撲分為3層。系統中的每個節點都是一個獨立的Agent。集中器Agent與物業中心Agent之間采用GPRS通訊，集中器Agent與采集器Agent之間采用SI4432無線通訊。物業中心Agent是系統的核心，其知識庫中存有系統的全局知識，它能夠接受來自表具的數據，然后根據知識庫內的知識判定數據的正誤，將正確的數據貼入黑板，以供協調時所用。集中器Agent靠集中器地址進行識別，有自己的知識算法及數據庫。采集器Agent負責采集數據，并傳送給集中器，同時對數據進行存儲。抄表方式有2種：一種是定時通訊，采集器定時采集表具數據，上報給物業中心；另一種是即時通訊，操作人員不定時讀取某個表具數據。

系統集中器上的GPRS模塊選用華為的MG323芯片，與采集器通訊使用的是SI4432無線通訊模塊，采集器與集中器采用SI4432無線模塊通訊，將Agent嵌入到系統的各個節點形成多Agent的無線抄表系統。

3 MAS數據協調機制及通訊協議

圖2為MAS數據協調機制流程圖。

圖2 MAS數據協調機制流程圖Fig.2 Data flow chart of MAS coordinateon mechanism

通信協議是通信雙方為實現信息交換而制定的規則，本系統通訊協議的設計基于188協議，無線通訊時，為了防止雜波的干擾，在188協議的基礎上進行了個人的定義，通信數據是成幀成包發送的，數據包格式為：前導碼、起始符、表具類型、同步字（采集器的地址）、控制字、數據長度、數據標識位、數據、校驗、結束符。前導碼、起始符是同步的每一包數據的引導頭；數據標識是系統的控制指令，本系統的控制命令有很多種，除設置類以外其他的3種比較重要分別是：抄表命令AA、錯誤重發命令BB、系統協調命令CC；校驗碼是每包數據的校驗標志，采用求和的校驗方式，確保通訊正確；結束符是整個通訊包結束的標志。這里給出即時抄表指令為：

FE FE FE FE 68 80 BB BB BB BB 03 08 AA 99 99 99 99 99 99 99 99 CS 16

其中：4個BB為采集器地址；7個99為表具地址；AA代表抄表。

4 系統數據協調的實現

本系統采集的數據為用戶用水量，該類數據具有一定的規律。針對這一特點，物業中心采用遞推算法判斷新的采樣數據是否符合歷史規律；對于需要協調的數據，集中器Agent采用最小二乘法進行協調，通過數據擬合，得出合理的實時數據。

遞推算法是一種通過已知條件，利用特定關系得出中間推論，直至得到結果的算法[7]。表1為某用戶4月份上半月的用水量，描點畫圖，繪制出隨時間累計用水量的曲線。

表1 某小區4月份的用水量表Tab.1 Water consumption of a district in April

根據采樣數據，繪制用水量與時間的關系圖如圖3所示。

圖3 用水量y與時間x關系圖Fig.3 Half a month curve of water cumulative consumption

圖中，圓點是用戶的實際用水數據，將2014-4-1的凌晨作為0，每小時加1獲得，通過線性回歸，得出實際數據的趨勢線，很明顯該用戶趨勢曲線為直線，用水基本均勻，沒有出現過異常數據，用待定系數法求出趨勢線表達式為

此線性公式即為用水量的理想線性規律。然而用戶水量不可能嚴格符合這一線性關系，因此需要根據歷史用水量設置一個偏差，同樣運用描點畫圖的方法，繪制時間與每單獨半個月用水量曲線如圖4所示。

圖4 半個月累計用水量及每天用水量與時間曲線Fig.4 Half a month cumulative water consumption and daily water consumption curve

顯然用戶半年內拋去粗大誤差，最大偏差為0.6978，則設定用水量遞推公式為

例如在第12天的9：00采集數據，即x=11×24+9代入上式中，得到181.2133＜y＜182.6088。而采集到的實際數據為181.657，在此范圍內，說明此數據是正確的；若一旦超出了這一范圍，則判定數據是可疑的，繼而系統自動進入重發或協調模式。

需要說明的是用戶的趨勢線及允許偏差值并不是一成不變的，物業中心的知識庫可以根據用戶的歷史數據動態地改變用戶的趨勢線及允許偏差，例如：用戶的某次采樣數據超出了其允許偏差，但是由用戶正常用水造成（有外來居住人員），不存在表具錯誤和數據傳輸錯誤，這種情況下，系統將會更改趨勢線及允許偏差。

當已判定某個數據為錯誤數據時，用最小二乘法對其進行數據擬合，使得這些求得的數據與實際數據之間誤差的平方和為最小，最小二乘法的判定效果主要取決于多重可決系數R2和殘差，多重可決系數R2是趨勢線的可用度，范圍在0～1之間，越接近1相似度越高，殘差則波動范圍越小越好[8]。本文中采取的變量是集中器Agent從黑板中讀取問題節點最近多少次的歷史數據，最終得出n為多少時取得合理的實時數據。

由于本系統的數據大體上滿足線性關系，所以設定經驗公式為

其中：

5 結語

多Agent的無線抄表系統末端節點具有的獨立存儲和處理數據的功能，既減輕了上位機的工作負擔，也減少了系統的通信負載；同時在無線抄表正常工作的基礎上，對可疑數據進行了分析，通過遞推算法和最小二乘法，使系統快速判別數據是否正確，如果錯誤則對錯誤數據進行協調糾正；系統對數據實施的重發或協調模式，保證了系統數據的準確性和安全性，并能實現對表具的預警；所采集的數據或者擬合后的數據與實時數據的偏差可以忽略不計，保證了系統的實時性和穩定性。

[1] 楊繼東，朱瑞龍，苗淼.基于多Agent的無線網絡水表抄表系統應用研究[J].測控技術，2014，33（1）：99-103.

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[8] 馬斌，遲鐵，戴敬，等.針對多Agent的無線網絡中數據協調方法研究[J].沈陽建筑大學學報：自然科學版，2011，27（1）：184-189.■