基于MAS的農機系統組成與結構研究

王　英，徐詩陽，董雪萌，程　光

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱　150030)

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基于MAS的農機系統組成與結構研究

王英，徐詩陽，董雪萌，程光

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱150030)

摘要：針對目前農業機械化發展欠缺的系統領域研究，首先確定農機系統的組成，并結合實際農業生產情況將農機系統劃分為若干個相互關聯的子系統;其次，定義并描述農機子系統的自身行為及交互行為，并基于Agent理論對農機子系統的相關性質及結構進行分析研究;然后，提出由Agent個體進行結構拓展得到整個農機系統的Agent構架；最后，運用多Agent理論結合實際需求提出了基于MAS的農機系統結構。

關鍵詞：農機系統；MAS；Agent理論；系統結構

0引言

隨著我國農業的發展與農業機械化的推進，涉及農業機械與設備管理方面的研究必然成為其中的熱點和關注點。目前，相關研究主要涉及農機的更新、選型及配備[1]，且研究多數以計算單臺或機群的更新、配備等問題為主[2-4]。農業機器經濟壽命的計算方法按其追求目標分為3類， 其基本的計算方法有4種[5]，主要為在技術進步條件下研究農業設備經濟壽命的變化規律及技術進步對設備經濟壽命的影響等[6-8]。

國外的相關研究主要以技術進步為前提，通過非線性整數優化、多目標規劃及連續最優控制等數學方法對農業機器的更新進行研究[9-11]。同時，還涉及農機更新的技術變革分析[12-13]、基于連續和不連續技術變革的設備更換[14]、基于剩余價值考慮及基于人工神經網絡分析的預防性維修研究[15-16]等。目前，缺乏針對整個農機系統的深入分析與探討研究。

根據一定標準，可將所研究的某個農機系統劃分為若干個相互關聯子系統的集合，則該農機系統是由這些子系統構成的復合的、非紛繁的、非隨機的、非線性的復雜系統，因此農機系統問題是復雜系統問題。

MAS又稱多Agent系統，是由多個相交互的Agent個體組成的復雜系統[17-18]。由于單一的Agent個體很難對存在于動態開放環境中的大規模復雜問題進行求解[19]，因此將若干個Agent個體按照實際需求通過交互聯系構建一個MAS，從而解決存在于動態開放環境中的大規模復雜問題[20-23]。國內外相關研究文獻顯示:MAS的應用研究已廣泛經涉及工業制造、工業過程控制、噪聲控制、空中交通控制、軍事、農業、數據庫、遠程教育、信息提取、Internet網上信息處理等領域[24-26]。

本文從復雜系統的研究角度出發，以農機子系統為主要研究對象，運用復雜適應系統理論、復雜科學理論、人工智能技術和計算機仿真技術，并結合Multi-Agent System理論對農機系統的組成與結構進行深入的分析與研究。

1農機子系統分析

1.1　農機子系統的運行分析

本文研究的農機系統包括各種型號、各種機齡的農業裝備，將某一農機系統根據不同機器型號進行分類，每類相當于農機系統中的一個子系統。同屬一類的農機型號相同，按此方法將農機系統劃分為若干個子系統，每個子系統至少包含一臺農機。根據農業生產活動中的某項作業的工序，可以建立起各個子系統之間的聯系，作業中的每個步驟對應相應型號的農機，共同完成一項農業作業的不同型號的農機有先后次序的聯系[1]。考慮到功能相近的不同類農機之間存在替代作業的關系，因此替代作業也是子系統之間的一種交互聯系。

農機系統主要由農業設備構成，農業的生產需求決定了農機系統的組成和結構；反之，農機系統的組成和結構也會影響農業生產活動。研究農機系統就是研究系統運行規律和農機的種類及機齡數量分布。

農機的種類主要由農業作業項目直接決定，還受資金等因素的影響。農機數量變化的直接影響因素是農機的報廢率、更新率及更新規模。

其中，根據農機報廢情況的不同，有待被更新的農機可以分為3類：第1類為達到機齡上限報廢的農機；第2類為沒達到機齡上限卻達到經濟壽命報廢的農機；第3類為沒報廢但已經達到經濟壽命的農機。設e為某類農機的經濟壽命值，更新農機的分類如表1所示。其中，數字1表示存在這種情況，數字0表示不存在這種情況。

表1　更新農機分類

農機的報廢和更新發生在同一研究周期內，且農機報廢的情況發生在農機更新之前，但農機的報廢和農機的更新對農機系統的影響發生在當前研究周期結束與下一個研究周期開始的交接部分。

更新率可由需要更新農機數量和實際更新農機數量決定，相應的農機更新率為

(1)

其中，Wc,t表示第c類農機在第t個研究周期需要更新的總數，即該類超過經濟壽命的農機的數量總和；Nc,t表示第c類農機在第t個研究周期實際被更新的農機數量；βc,t表示在第t個研究周期該類農機的農機更新率。

農機更新在具備該周期內某類的農機報廢統計數據后，依據該類農機經濟壽命，確定待更新的農機機齡范圍和數量，并結合相應的報廢數據，判斷有待被更新的農機分類；根據實際需求設置更新優先的次序，在資金受限下篩選出待更新的農機，選擇更新模式，確定更新方案，并在實施更新前判斷更新方案滿足資金受限的條件；其他類農機依次類推，即可完成整個農機系統的更新。相應的農機更新步驟流程圖如圖1所示。

農機系統中農機的行為主要包括：按作業工序作業、替代作業、閑置保管、報廢、更新及維修。其中，按作業工序作業及替代作業是不同子系統之間的聯系，子系統內部也可能存在替代作業的聯系。農機的報廢和更新是每類子系統的自身行為，報廢率同農機型號和機齡相關，更新率同農機型號相關。農機的報廢會直接導致某類農機數量的減少，而農機的更新因為有待被更新農機分類的不同及更新模式的不同會導致某類農機數量的減少、增加或不變，從而可知導致農機系統中農機種類、數量變化的直接影響因素即為農機的報廢和更新。

圖1　農機更新步驟流程圖

1．2　農機子系統的結構分析

Agent是指駐留在某一環境下能持續自主地發揮作用，具備駐留性、反應性、社會性、主動性等特征的計算實體。Agent可以看作是一類特殊的對象，即具有心智狀態和智能的對象。Agent本身可以通過對象技術進行構造，而且大多數Agent都采用面向對象的技術，其本身具有的特性又彌補了對象技術本身存在的不足，成為繼對象技術后計算機領域的又一次飛躍。

Agent的基本結構主要由環境感知模塊、信息處理模塊、通訊模塊、決策與智能控制模塊、知識庫、任務表及執行模塊構成，如圖2所示。

圖2　Agent基本結構圖示

將每個農機子系統看成一個Agent個體，則構成農機子系統的每個Agent由環境感知模塊、執行模塊及訊通模塊構成。該子系統與系統環境及其他子系統之間交互與聯系，任務表記錄該子系統應具備的功能和所需完成的任務，信息處理模塊則負責對感知和對接收到信息進行初步地加工、處理與存儲。決策與智能控制模塊是農機子系統的核心部分，通過運用知識庫中的知識對信息處理模塊處理所得到的外部環境信息和其他子系統的通訊信息進行進一步的分析及推理，為子系統做出作業、替代作業、更新及閑置等行為做出合理的決策。基于Agent的農機子系統結構如圖3所示。

圖3　農機子系統結構圖示

Agent子系統的結構描述了農機系統運行的復雜屬性，其特點符合基于MAS構建的農機系統模型的研究思想。農機系統復雜建模的主要思想是：首先，依據Agent的自然描述特點和其人性化的特征，以一定的標準在一定的程度上對農機系統內部進行分類；然后，實現對應的每個Agent子系統的建立。結合上文，對每個Agent進行封裝，建立MAS體系結構，實現多個Agent的綜合集成，具體研究過程如圖4所示。

圖4　基于Agent的農機系統研究過程

2多Agent系統

由分布在網絡上的多個問題求解器松散耦合而成的大型復雜系統稱為MAS，有多個Agent相互關聯作用，從而解決了單個個體能力和知識所不能處理的復雜問題。MAS研究的理論基礎觀點包括開放信息系統的觀點、對策論觀點、計算生態學觀點和復雜適應系統觀點[27]，其涉及的復雜適應系統，符合本文所要研究的對象—農機系統。

根據MAS的結構特點[28]：首先，已知每個Agent具有有限的信息資源和問題求解能力，缺乏實現協作的全局觀點，農機系統中由每類農機構成的子系統對應MAS中的單個Agent，每類農機構成的子系統符合該特點。其次，MAS不存在全局控制，即控制是分布的。當農機系統依據農機型號分類后，每個子系統代表著與其他子系統是不同的一類，對農機系統的控制是通過分別對子系統控制實現的，滿足控制分布。然后，MAS中的知識與數據都是分散的，農機系統中每個子系統具有自身的知識庫和任務表，符合該特點。最后，MAS的計算是異步執行的，顯然通過子系統交互涉及報廢、更新等行為的農機系統的運行符合該特點。

MAS的結構為內部的Agent個體提供了它們之間交互的框架，為每個子系統的交互提供問題求解的基礎與平臺。在開放、動態環境中，基于MAS的農機系統的結構適應性十分重要。MAS研究主要包含3種典型的Agent體系結構：慎思型、反應型、混合型。其中，在考慮慎思型Agent和反應型Agent各自特點的基礎上，混合型Agent綜合了二者的優點，相對來說具有較強的靈活性和快速響應的特點。

本文采用混合型的Agent實現子系統的建立，其復合型Agent是在一個Agent體內組合多種相對獨立和并行執行的智能形態，結構包括感知、動作、反應、信息處理、通信和決策等模塊，如圖3所示。在農機子系統中，子系統Agent通過內部的環境感知模塊反映實際時間，并對系統所處環境的信息做出一個抽象，然后進行其他模塊的處理，并按照一定的要求作出相應的決策，最后通過執行模塊產生相應的行為反饋于環境。基于農機系統的主要組成，則個體與個體間的交互抽象成相對應的MAS結構建立MAS概念模型如圖5所示。

圖5　MAS的概念模型

3農機系統一般結構分析

農機系統的組成和結構是研究農機系統的基礎和前提，MAS的體系結構有3種：網絡結構、聯盟結構及黑板結構。

根據農機系統的特點，本文選擇Agent聯盟結構的MAS體系結構。其中，協作Agent的實現方法有很多，如可以考慮通過人機交互實現，或除了農機構成的Agent外，特別設置這種負責子系統之間交互協作的Agent來實現。

農機系統是一個由許多相對獨立的子系統組成的復雜動態系統。其中，子系統具有一定的智能、自控性，存在學習和適應行為；子系統間存在著復雜的聯系與相互作用，聯系與作用的實現以MAS的體系結構為基礎。農機系統是現代農業生產的關鍵組成部分，也是提高農業生產率的核心所在，因此研究農機系統的內在結構和運行規律十分必要。根據文中的分析結果，依據農機系統中農機不同的型號將系統中所有的農機分成不同的Agent子系統，再根據子系統間功能是否相近形成一定范圍的子系統群體。

子系統的行為包括：進行正常的農業作業、代替其他農機進行的替代作業、不需要作業時的閑置保管，以及農機的報廢、更新及維修。其中，子系統之間的聯系為按照作業工序有序地共同完成作業，或當工作的農機存在故障時，聯系功能相近的農機進行替代作業，以及農機系統進行更新時子系統間更新資金分配的協商；而農機的閑置保管和報廢主要是子系統的自身行為，一般情況下，不存在與其他子系統的交互。農機維修一般是分為群體行為和個體行為，但不影響農機種類和數量的變化。

農機系統中，子系統的主要行為與交互行為描述如下：

1)按照作業工序正常作業，子系統間的交互行為。一般來說，某項農業生產活動具有一定的作業工序，不同的農業設備機器要按照作業工序進行有序的配合才能完成該項目，因此產生了子系統間的交互。

2)替代作業，子系統間的交互行為。在進行農機作業時，若某臺農機發生故障，導致其作業無法正常進行或按時完成，那么就要考慮用其他農機來替代繼續作業；當子系統內部的農機無法實現及時替代時，則需考慮功能相近的農機進行替代，因此產生了功能相近的子系統間的交互。

3)閑置保管及維修。閑置屬于子系統的自身行為，完成了所分配的農業作業或在非農忙時期不使用進行閑置保管；在被其他農機需要替代作業時，與其他子系統才產生聯系。農機維修屬于人機交互部分。

4)農機報廢，子系統的自身行為。相關數據存在于Agent結構的任務表及知識庫中，農機報廢如農機故障產生一樣是非可控因素。

5)農機更新。在農機系統中，子系統內部的執行模塊負責實現子系統的行為，子系統的行為概括如圖6所示。

圖6　子系統行為

綜上所述，則基于MAS的混合型、開放式、動態、聯盟結構的農機系統的結構如圖7所示。

圖7　基于MAS的農機系統結構圖

基于MAS的農機系統中，每個子系統都是依據農機型號的不同進行分類形成的單個Agent，每個Agent子系統間的交互與農業作業工序有關。功能相近的子系統構成了一個子系統群體，替代作業是其內部子系統間的交互聯系。協助Agent也是一種子系統，是聯盟結構的MAS結構體系中協助子系統間交互的子系統。

4結論

從Agent復雜系統角度出發，分析了農機系統的組成及結構，提出并建立了基于MAS的混合型、開放式、動態聯盟的農機系統結構。在農業機械化的發展中，農機系統的研究是不可避免的重點，掌握農機系統內部特點及運行規律有助于優化農業機械在農業實踐中的運用從而提高農業經濟效益。因此，基于MAS的農機系統的理論研究與實際應用均存在著極大的經濟價值和廣闊的發展前景。

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Research of Composition and Structure for Agricultural Machinery System Based on Multi-Agent System

Wang Ying, Xu Shiyang, Dong Xuemeng, Cheng Guang

(College of Engineering, University of Northeast Agricultural, Harbin 150030, China)

Abstract：In view of the lack of the present agricultural mechanization development about system research,this paper firstly determined the composition of agricultural machinery system, and connected with the actual situation of agricultural production demarcated farm machinery system into a number of interrelated subsystems. Secondly, It defined and described the behavior and the interaction of agriculture machinery subsystems , based on the Agent theory and analysized the relevant properties and structure of the agriculture machinery subsystems. Then, it put forward to expand the system structure frame from the individual Agent. Finally, on the basis of the theory of multiple Agent according to the actual demand of agricultural ,this analysis built agricultural machinery system structure based on Multi-Agent System.

Key words：agriculture machinery system; multi-agent system; agent theory; system structure

中圖分類號：S232.3；TP39

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0032-05

作者簡介：王英(1976-)，女，哈爾濱人，教授，博士。通訊作者：徐詩陽(1990-)，女，黑龍江牡丹江人，碩士研究生,(E-mail) walxmlxmaw@163.com 。

基金項目：國家自然科學基金面上項目(71171044)；高等學校博士學科點專項科研基金-新教師類項目(20132325120022)；黑龍江省博士后科研啟動基金項目(LBH-Q13021);黑龍江省自然科學基金項目(G201206)；東北農業大學博士啟動基金項目(2009RC46)

收稿日期：2015-11-29