基于MAS的管樁專用起重機集成管理研究

朱建新，江葉峰，蘇萬斌，徐廣晨

(1. 嘉興市特種設備檢驗檢測院，浙江 嘉興 314050； 2. 營口理工學院，遼寧 營口 115000)

0 引言

為了提高工作效率、節約能耗，管樁車間專用起重機要求實現工作區域化、自動化、專業化[1]，集結構、系統、管理的最優化組合，為管樁車間提供一個安全、高效的生產環境[2]。隨著管樁流水線的不斷升級，管樁車間專用起重機主要存在和急需解決的問題有：管樁車間內存在眾多子系統，如混凝土泵送系統、混凝土料計量系統、張拉控制系統等，各子系統采用不同的設備、系統和平臺，不同的接口無法實現高度的集成管理[3]，要實現專用起重機與相應子系統之間的相互操作是非常復雜和困難的。

因此，構建管樁車間專用起重機集成管理系統，提高專用起重機之間、各子系統及其相互之間的協同合作，將各自獨立的子系統有機地聯系起來，集成到同一個系統平臺上，實現相互協調、優化，已成為管樁車間發展的當務之急。

1 集成管理模型的提出

伴隨著人工智能科學的迅速發展，為管樁專用起重機的集成管理控制提供了新的思路。以MAS系統[4](multi-agent system)技術思想構筑管樁專用起重機集成管理體系與現有技術相比，有以下優點：管樁專用起重機依靠各個Agent之間的協同合作來節約能耗，避免起重機間相互緊急避讓、追逐，甚至相撞的現象，不同于現有技術通過單個設備的控制和關鍵部件的冗余來減少整個系統能耗的做法，能最大程度達到管樁專用起重機的協同合作，體現其智能性。

本文引入MAS技術，把管樁設備中的各個子系統都作為一個Agent，通過多臺專用起重機的協同合作提升整體的功能，結合多層體系結構集成模式的思想[5-7]，根據管樁專用起重機集成管理要實現的控制功能和工藝要求，提出了基于Multi-Agent技術的管樁專用起重機集成管理模型。

2 集成管理模型的建立

管樁專用起重機的控制協調機制自上而下根據不同的功能劃分為多個協調層，分別是中央協調Agent層、區域協調Agent層和設備Agent層，如圖1所示。命令的分解和讀取分別在上下協調層以及相鄰層之間實現，不同的層次有不同的目標和功能。

集成管理系統由單個Agent以及Agent組形成，為了實現對不同控制系統的集成，實現專用起重機以及各設備子系統信息的相互交換。這里對不同的Agent體進行封裝，對不同功能的專用起重機以及各設備子系統設計相應的Agent與Agent組。通過管樁專用起重機MAS系統模型，以專用起重機運行能耗最小為目標函數，建立優化模型進行管樁專用起重機生產最優能耗決策，以實現實際生產過程中的起重機的節能問題。

圖1 基于MAS的管樁專用起重機集成管理框架圖

2.1 中央協調Agent層

中央協調Agent層是整個管理系統的核心，具有最高的智能水平，涉及知識的表達與處理，目的是尋求總體的集成控制效果最優，具有自組織、自學習能力，負責任務的動態分配和資源的動態調度，協調各智能體間的合作與競爭，如圖2所示。

圖2 中央協調Agent層結構

2.2 區域協調Agent層

區域協調Agent層主要包括：混凝土泵送Agent、混凝土料計量Agent、張拉控制系統Agent、輸送控制系統Agent以及自動噴涂脫模劑系統Agent。它能夠根據中央協調Agent層的指令完成相應的功能，并將處理的結果發送給中央協調Agent層，不僅降低了中央協調Agent層的負載，而且減少了管理系統內的數據流量，如圖3所示。

圖3 區域協調Agent層結構

2.3 設備Agent層

設備管理層由多個設備Agent組成，其中包括：泵設備Agent、可編程設備Agent、稱重設備Agent等。位于整個管樁專用起重機集成管理系統的最底層，用來對物理設備進行管理。設備Agent層應具有一定的反應能力，對物理設備層的工況變化有一定適應，如圖4所示。

圖4 設備Agent層結構

3 集成管理系統協調機制

管樁專用起重機管理系統協調機制的核心就是協調策略S，表示主體(起重機及各管樁設備)的所有可能的策略或行動的集合，起重機及各管樁設備中某一個主體的全部可行策略稱為它的策略空間，每個Agent均有一個純策略的有限集。本文提出的是基于博弈論(game theory)的Multi-Agent協調機制[8-9]，實現對管樁專用起重機集成管理系統的協調合作。

其公式表示為：

Si=Ni⊕(Eia,Eib，Eic)

其中：Ni表示第i個Agent在正常工作狀況下的內部因素，可表示為：

Ei表示第i個Agent相對于其他(n-1)個Agent的關聯值，它是關聯矩陣E1×n中的第i個元素，表示Agent的外部因素，外部因素包括了起重機間的相互因素Eia，起重機與管樁設備間的相互因素Eib，管樁設備之間的相互因素Eic；⊕表示綜合決策符，即綜合運用Agent的內外部因素對其進行綜合決策，如圖5所示。

圖5 因素綜合決策關系圖

由此，可以得到在起重機之間、起重機和管樁設備之間、管樁設備之間在正常工作狀況下的博弈協調策略：

S=S1⊕S2⊕S3⊕…⊕Sn。

Qi(s)表示在管樁專用起重機集成管理協調策略S下第i個Agent單元能耗公式：

Qi(s)={Qia(s)，Qib(s)，Qic(s)}

其中：Qia，Qib，Qic分別表示每個Agent單元中專用起重機和管樁設備運行模式，運行時間，運行功率的閾值，閾值可根據具體情況進行修改。

因此在協調策略S的協調下，管樁專用起重機的最小能耗的目標可表示為：

4 集成管理系統實例

根據協調博弈理論,研究管樁專用起重機集成管理控制的協調機制。集成管理系統的開發采用PLC和VC++,實現專用起重機和各設備Agent之前的相互協調，實現低能耗。系統數據模型分為3個層次，分別為用戶層，邏輯層和數據層。在用戶層分別設置3個專用模塊：專用起重機模塊、工藝要求模塊和供應商模塊；在邏輯層分別設置了8個專用模塊：混凝土泵送料系統模塊、混凝土料計量系統模塊、張拉控制系統模塊、輸送控制系統模塊、自動噴涂脫模劑系統模塊、管理和分解Agent模塊、協調Agent模塊和博弈論Agent模塊；在數據層分別設置了4個模塊：數據庫模塊、設備庫模塊、知識庫模塊和材料庫模塊，整個系統數據模型圖6所示。

圖6 系統模型

針對一條年產量為20萬根的管樁車間，單跨內采用有5臺10t橋式起重機,之前基本都是通過人為命令控制起重機的啟動-制停。采用新的集成管理系統之后，根據控制系統協調實時調動起重機的運行。在整個生產車間實現節能優化的基礎上，管樁專用起重機的耗電量減少到了原來的97%(從原來占車間能耗的8%降低到了后來的7.76%)，實現了很好的節能效果，充分說明了模型的可行性，各子系統的耗能情況如表1所示。

表1 能耗比較 %

5 結語

傳統的管樁生產流水線，同跨中多臺起重機共同作業，存在著相互緊急避讓、追逐，甚至相撞的現象，工作區域嚴重交叉，安全性能不高，效率低下，已經無法滿足現代高效智能化生產線的要求。本文將Multi-Agent和博弈協調理論運用于管樁專用起重機系統集成，能較好地解決管樁專用起重機及相應管樁設備之間的通信和協作問題，實現了管樁專用起重機的節能，為管樁專用起重機的集成管理提出了新的思路。