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agent技術在自動監控數字仿真中的應用

   2006-04-29 中國路橋網 佚名 6030
面向agent技術在城軌交通自動監控數字仿真中的應用摘 要:針對國產化軌道交通列車自動監控(ATS)系統建模、仿真方法存在的問題,研究采用agent技術進行軌道交通ATS系統全數字仿真的思路和實現方法.設計了基于多Agent的系統體系結構和語義描述,建立了6類agent的結構模型,并制定了它們的功能屬性和控制流程.采用時間步長法的進程推進機制和活動掃描法的仿真策略,在VC++6.0開發環境下,實現了ATS系統可視化仿真.該方法降低了系統設計的復雜度.系統具有可重用性和可擴展性.關鍵詞:城市軌道交通;面向agent技術;多agent系統;自動監控;數字仿真 城市軌道交通具有運能大、速度快、安全、準時、乘坐舒適、節約能源以及能夠緩解地面交通擁擠和有利于環境保護等多方面的優點,因此它將在城市市內交通中占有重要地位.隨著城市社會經濟的發展和城市化進程的加快,城市在交通問題上面臨著越來越嚴峻的挑戰,采用自動化、智能化的快速軌道交通解決日益嚴重的城市交通問題已經成為城市交通發展的大趨勢. 根據城市軌道交通系統列車運行的特征,既要保證列車運行安全可靠,又要盡量縮短行車間隔時間和提高軌道交通線路的輸送能力,列車運行控制系統(automatictraincontrol,ATC)可以較好地達到上述目的.ATC系統由列車超速防護(automatictrainprotection,ATP)、列車自動駕駛(automatictrainoperation,ATO)及列車自動監控(automatictrainsupervision,ATS)3個子系統構成[1].ATS子系統的功能主要是實現對列車運行的監督和控制[2],輔助行車調度人員對全線列車運行進行管理. 對ATS系統進行全數字可視化仿真,具有成本低、高效率、操作方便、易觀測等顯著優勢.1面向agent的ATS數字仿真系統體系結構的建立   面向agent(AO)的方法是繼面向數據流(DFO)[3]、面向數據結構(DSO)、面向對象(OO)之后成為新一代的軟件開發方法.面向agent的軟件系統具有自治性、協作性、反應性和主動性的基本特性. ATS系統是一個龐大的系統,采用面向對象方法建模過程復雜[4],同時考慮到ATS系統仿真適于分布式仿真,所以非常適合采用agent技術建模,因為軌道交通系統中對象的屬性隨時間的推移及事件的更新而發生有規可循的變化,鑒于ATS系統具有這種智能化自動控制的特點,所以ATS全數字仿真適合采用agent技術實現. 在ATS系統中涉及的因素很多,根據仿真對象的側重,作者抽象出6大類agent,即仿真控制中心agent(SCC-agent)、實體agent(entity-agent)、仿真環境agent(VME-agent)、系統agent(system-agent)、人機界面agent(MMI-agent)、運行圖agent(TD-agent).其中,實體agent在仿真控制中心agent內部,是線路agent(line-agent)、信號機agent(signal-agent)、列車agent(train-agent)和車站agent(station-agent)4個agent的統稱. 系統的體系結構被設計為3層結構:控制層、狀態層和顯示層(見圖1).結構中的每一個層次都代表不同的agent,每個agent都是一個高度自治的實體,具有各自的功能,解決一定的問題,當問題需要協作解決時,它們之間通過消息傳遞和信息共享相互協作,相互配合,實現對軌道交通的監控與管理. 該系統由system-agent存儲各個agent的狀態(未觸發或已觸發)和系統時鐘.系統啟動時,首先由SCC-agent讀取數據庫,初始化VME-agent、MMI-agent、系統時鐘比例和初始時間等.在系統按照系統時鐘掃描的一個周期內,系統事件按照時刻表被觸發,VME-agent中存儲的設備環境狀態發生變化.該變化被相應的entity-agent感知,entity-agent將感知的結果反映給SCC-agent,經SCC-agent整合與處理,制定出監控策略,下放到VME-agent.改變相應設備狀態,VME-agent再將這些變化與MMI-agent進行通信,MMI-agent將改變了的設備重新顯示.TD-agent通過VME-agent獲取時刻表信息,并將調整的列車計劃通過VME-agent傳送至SCC-agent.SCC-agent是一個智能的知識系統,其內部的entity-agent的各個設備間可實時進行數據通訊,SCC-agent主要負責區段運行監控任務,實時進行監控策略的調整.各層agent的具體功能如下: 1仿真控制中心agent.SCC-agent的職責是負責將列車運行計劃(列車運行圖信息)以及突發情況下的列車運行變更計劃實時下達到仿真環境agent,并對反饋的信息作出處理,即列車運行控制. 2仿真環境agent.VME-agent通過在輸入、輸出通信器總線上偵聽,可以獲取模擬盤上設備的狀態(道岔的定、反位等),把這些區段占用、空閑狀態,線路、車站的構成,列車群的運行等信息發送到環境模型中,控制列車的運行方向.向SCC-agent提供軌道電路占用情況,列車計劃的調整信息,并將處理SCC-agent的列控編碼輸出寫入仿真環境中. 3底層控制agent.底層控制agent包括線路agent、列車agent、信號機agent、車站agent.分別接收來自VME-agent的軌道電路控制信息、列車信息、信號機信息和車站信息,它們并不直接對這些狀態信息作出處理,而是將其實時通知給SCC-agent, 由其作出決策. 4人機界面agent.通過MMI-agent的控制界面,設置設備運行環境模型中的線路設備狀態,實現特定環境的仿真.通過MMI-agent提供的監視控制界面,可以觀察列車在線路上運行的完整仿真過程.實現系統控制功能,包括初始化條件的選擇、模型的選擇、系統啟動和停止等功能以及電務維護檢測信息的接收和查詢等.各種條件和故障的設置:軌道電路、信號機、道岔等設備的故障設置;線路斷軌、區控中心故障等的設置及測試結果數據的報表輸出. 5運行圖agent.運行圖agent提供用戶操作界面進行列車運行圖的編制,提供列車運行圖繪制修改工具;調整列車運行計劃,通過VME-agent向SCC-agent設備下達控制命令. 6系統agent.系統agent實時顯示各個agent子系統運行狀態及協調各個agent子系統的系統時鐘,使agent保持同步.2agent的結構模型和語義表達[5~9]   在本系統中,有兩種結構的agent,其中SCC-agent是混合式agent,這里稱為agentI ;entity-agent,VME-agent,system-agent,MMI-agent,TD-agent是反應式agent,被統稱為agentII .agentI 的結構定義為:局部數據、知識庫、處理過程、處理機和通信器等,如圖2所示. agentII 是不包含符號表示,并且不使用復雜的符號推理的主體.它僅根據當前環境狀態和功能模塊作出相應的反應.agent 的結構定義為:感知器、行為器、功能模塊和通信器. 在具體實現中,agent主要由感知模塊、通信模塊、處理模塊、知識庫、信念庫和數據庫組成.感知模塊負責感知環境中與問題有關的信息.它表示agent感知能力,當觸發條件滿足時激活.通信模塊負責與其它agent之間可靠的數據通信,這里采用端-端基于消息的通信方式.處理模塊是一個推理機模塊,它使agent具有智能化,可以進行復雜的知識處理.知識庫是指導多agent協同工作的核心,也是所有智能活動的依據.數據庫存放系統的運行參數.信念庫存放調度員的偏好信息,如運行圖人工調整時的參考量等.它與數據庫及知識庫的區別在于存放的數據是針對具體決策人員的,其大部分信息都是在用戶使用系統過程中形成的偏好信息.agent的語義描述采用數理邏輯的范式表達:〈Aid,目標,感知器,通信機制,信息處理器,效應器,知識庫,數據庫,信念庫〉其中各因素又可進一步用巴科斯范式(Backus-NaurForm,BNF)給出其語義描述為:〈agent〉∷=〈Aid〉〈目標〉〈感知器〉〈通信機制〉〈效應器〉〈信息處理器〉〈知識庫〉〈數據庫〉〈信念庫〉〈Aid〉∷=〈agent名〉〈目標〉∷=〈任務表〉〈感知器〉∷=〈激活條件〉〈信息流〉〈通信機制〉∷={〈通信原語〉(〈通信內容〉)}〈通信原語〉∷=〈command〉|〈require〉|〈accept〉|〈reject〉|〈information〉|〈cancel〉〈通信內容〉∷=〈發送者〉〈接收者〉〈時間〉〈信息流〉〈效應器〉∷={〈信息處理名〉(〈信息處理描述〉)}〈信息處理模塊〉∷=〈控制器〉〈類比匹配機制〉〈內部執行機制〉〈推理機制〉〈控制器〉∷={〈控制命令〉}〈類比匹配機制〉∷=〈映射機制〉〈匹配度計算方法〉〈內部執行機制〉∷={〈內部執行動作〉}〈推理機制〉∷={〈推理規則〉}〈數據庫〉∷={〈數據庫文件〉}〈信念庫〉∷={〈數據庫文件〉}3系統的實現方案 系統由仿真數據庫為仿真現場提供各種數據.仿真核心軟件根據站場及列車信息,按照列車運行與信號控制邏輯規則模擬出列車的運行情況,給以圖像顯示,提供逼真、穩定的仿真環境.仿真數據庫系統采用SQLServer2000開發,系統核心軟件通過ADO對其進行訪問.數據庫的數據由靜態數據和動態數據組成,由數據庫管理員系統管理.其中靜態數據由描述信號點邏輯關系和時刻表數據構成.動態數據由系統運行后不斷變化的列車信息、信號點狀態等構成.數據庫管理員具有一般數據庫的維護管理功能,如數據查詢、增加、刪除、修改和報表輸出等.數據庫表包括列車時刻表(分為車次信息、車站信息、線路信息等)、信號機、仿真線路(分為無岔區段、單動道岔區段等)、列車(群)等設備信息和圖形信息. 本仿真系統由前面所劃分的6個agent子系統和數據庫構成.ATS仿真系統是一個MAS(多agent系統),可以更好地解決分布式系統的協作問題,包括各agent之間的通信方式、編碼規則、通信過程和具體的DCOM接口實現. agent之間通信協作的必要條件是每個agent要有標準的通信接口,通信接口之間交互的信息流要按照標準的格式組織,即按照一定的編碼規則(相當于通信協議)進行通信.系統中詳細定義了這些編碼規則. 實現6個agent通信是通過有6個DCOM接口,ILine,ITrain,ISignal,IStation,ISystem,INotify.下面舉例說明線路接口的定義.interfaceISimLine:Iunknown{HRESULTGetLine([in]intlineId,[out]DCOM_Line*line);獲取一條線路的簡化屬性HRESULTGetSimLine([in]intlineId,[out]DCOM_SimLine*simline);獲取一條線路的屬性HRESULTGetLineArray([out,in]int*psizeInOut,[out,size_is(*psizeInOut)]DCOM_Lineline[]);獲取一組線路的簡化屬性HRESULTGetLineArrayById([out,in]int*psizeInOut,[out,in,size_is(*psizeInOut)]DCOM_Lineline[];根據線路ID獲取其簡化屬性HRESULTSetTempSpeed([in]intdevId,[in]floatTempSpeed);設置臨時線速……}; 在本系統仿真中,實現了可視化的數據輸入和數據顯示.前者的可視化通過輔助繪圖工具ATSDraw實現,后者可視化體現在MMI-agent和TD-agent圖形界面.在程序實現時,借助了MFC的GDI功能. 利用計算機初步實現了ATS基本功能,驗證了系統設計的正確性.實現的具體功能有: 1仿真列車控制中心(SCC)對全線控制范圍內的列車運行狀態進行監視; 2實現由控制中心時刻表或人工控制車站聯鎖設備,排列進路,開放信號,可人工設置設備運行環境模型中的線路設備狀態,實現特定環境的仿真; 3實現列車的跟蹤及車次號碼顯示; 4系統工作狀態、進路狀態、軌道占用、車次信息、道岔位置,故障報警等信息在控制中心顯示裝置(MMI)上顯示; 5列車運行計劃自動下達; 6列車運行圖的編輯和生成; 7對列車運行圖(行車計劃)進行人工調整. 系統的編程環境為Win98/2000/NT,開發平臺采用VC++6.0.實現agent的技術基礎是計算機的進程與線程技術.4 結 論 本仿真系統采用agent技術進行模型的建立和系統模塊的設計,使得系統中各個實體對象(agent)具有高度自治性,能夠對外界刺激自動作出反應,使得系統具有智能性. MAS系統采用功能分解方式對仿真任務進行劃分,將系統不同功能分配給不同的agent.各agent之間以標準接口進行通信,并相互協作完成ATS系統任務.每個agent可以存在于網絡中任何位置,客戶無需知道被調用對象的位置和實現細節,可以通過發送消息來調用對象所擁有的方法,具有靈活性的優點.系統具有良好的可重用性和可擴展(升級)性. 本仿真系統實現了北京一號線上,仿真列車在線路上運行的全過程. 基于監控系統的需要,作者采用可視化界面顯現列車運行全過程,具有友好的人機交互界面功能,使得調度人員易于觀察和控制. 基于agent的軌道交通控制與仿真的研究是一個嶄新的研究領域,是計算機技術、人工智能技術在交通領域的最新應用,是運用當今最新的科技成果解決軌道交通問題的內在要求.參考文獻:[1] 孫有望,李云清.城市軌道交通概論[M].北京:中國鐵道出版社,2000.SunYouwang,LiYunqing.Conspectusofurbanguidedtransport[M].Beijing:ChinaRailwayPublishingHouse,2000.(inChinese)[2] 孫 章,何宗華,徐金祥.城市軌道交通概論[M].北京:中國鐵道出版社,2000.SunZhang,HeZonghua,XuJinxiang.Conspectusofurbanguidedtransport[M].Beijing:ChinaRailwayPublishingHouse,2000.(inChinese)[3] 凌 云,王 勛,費玉蓮.智能技術與信息處理[M].北京:科學出版社,2003.LingYun,WangXun,FeiYulian.Artificaltechnologyandinformationprocessing[M].Beijing:SciencePress,2003.(inChinese)[4]PaolucciM,PesentlR.Anobject-orientedapproachTODiscrete-eventsimulationappliedtoundergroundrailwaysystems[J].Simulation,1999(6):372-383.[5] 王紅衛.建模與仿真[M].北京:科學出版社,2003. 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