筑路機(jī)械機(jī)群智能化多智能主體研究論文_優(yōu)秀論文

1、 筑路機(jī)械機(jī)群智能化多智能主體研究論文摘要：多智能主體技術(shù)是人工智能領(lǐng)域的最新成果之一, 應(yīng)用它來進(jìn)行工程機(jī)械的機(jī)群智能化, 可提高機(jī)群整體的智能化水平。將多智能主體技術(shù)應(yīng)用于筑路工程機(jī)械機(jī)群, 建立并深入探究了改工程機(jī)械機(jī)群的分層混雜體系結(jié)構(gòu), 這種結(jié)構(gòu)能以較低的成本實(shí)現(xiàn)很高的智能化程度, 且具有靈活、易擴(kuò)展等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：多智能主體；筑路機(jī)械機(jī)群；研究1筑路機(jī)械機(jī)群智能化的多智能主體系統(tǒng)基礎(chǔ)1.1筑路機(jī)械機(jī)群系統(tǒng)混雜分層結(jié)構(gòu)與一般的多智能主體系統(tǒng)不同, 在本文中, 多智能主體系統(tǒng)被應(yīng)用于工程機(jī)械機(jī)群的智能化, 具體來說, 是以高等級路面施工機(jī)群的智能化為研究對象。高等級路面施工機(jī)群主要由以

2、下5種機(jī)械設(shè)備組成：瀝青拌合設(shè)備、攤鋪機(jī)、振動壓路機(jī)、裝載機(jī)和自卸車。由于是路面施工, 這些設(shè)備的工作環(huán)境以高噪聲、高振動、受天氣狀況影響大等為特點(diǎn)。而且, 結(jié)合現(xiàn)階段工程實(shí)際, 要盡量控制機(jī)群智能化所需成本, 否則, 將會降低施工企業(yè)對機(jī)群智能化改造的接受程度。當(dāng)前的筑路工程中, 主要靠人工指揮, 機(jī)械由人工操作, 存在著如下弊端：資源配置不夠合理；施工信息交換量小, 實(shí)時(shí)性差；易出現(xiàn)物料斷流或積壓（因?yàn)槲锪暇哂袑?shí)效性, 所以造成極大浪費(fèi)）；能耗大, 生產(chǎn)率低。當(dāng)前的筑路工程中, 主要靠人工指揮, 機(jī)械由人工操作, 存在著如下弊端：資源配置不夠合理；施工信息交換量小, 實(shí)時(shí)性差；易出現(xiàn)物料斷

3、流或積壓（因?yàn)槲锪暇哂袑?shí)效性, 所以造成極大浪費(fèi)）；能耗大, 生產(chǎn)率低。1.2機(jī)群系統(tǒng)中的多智能主體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般的, 在多智能主體系統(tǒng)中, 多采用分布式控制策略, 即各個智能主體的區(qū)別在于完成不同的職能, 相互之間并無控制關(guān)系。這樣做的好處是系統(tǒng)最大地體現(xiàn)了分布式控制的優(yōu)點(diǎn), 系統(tǒng)靈活性強(qiáng), 易擴(kuò)展, 魯棒性強(qiáng), 可重用性好。缺點(diǎn)在于這樣的系統(tǒng)史多地適用于純軟件環(huán)境, 在應(yīng)用于硬件實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)中時(shí), 會造成系統(tǒng)成本過高、設(shè)計(jì)過于復(fù)雜、系統(tǒng)反應(yīng)速度較低。對于本文所研究的機(jī)群系統(tǒng)而言, 為了降低系統(tǒng)的最終成本, 系統(tǒng)面向筑路工程機(jī)械機(jī)群設(shè)計(jì), 采用了混雜分層式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。采用該結(jié)構(gòu)的優(yōu)

4、點(diǎn)在于可以大大簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì), 將傳統(tǒng)的中央控制與分布式控制結(jié)合起來, 在提高系統(tǒng)靈活性的同時(shí), 保持系統(tǒng)的反應(yīng)速度和不過于增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。該系統(tǒng)中的智能主體可分為兩類：一類是動作執(zhí)行智能主體, 即各單機(jī)智能主體；另一類是控制智能主體, 包括中央智能控制主體及其他控制主體。該系統(tǒng)中, 各智能化單機(jī)（包括智能化拌和機(jī)、攤鋪機(jī)、壓路機(jī)、自卸車等）構(gòu)成了系統(tǒng)的底層。單機(jī)本身具有一定的智能和自主權(quán), 在一定范圍內(nèi)控制自身運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí), 這些單機(jī)都要受上層智能控制主體的控制。上層智能控制主體可按照其職能劃分為5個：中央控制智能主體, 混合料拌和智能主體, 混合料運(yùn)輸智能主體, 混合料攤鋪智能主體和道路

5、壓實(shí)智能主體。中央主體處于最高層, 有最大的權(quán)限, 其他智能主體處于第二層, 負(fù)責(zé)各自的專項(xiàng)工作, 有相對的局部權(quán)限, 這是與工程實(shí)際相對應(yīng)的。中央控制智能主體負(fù)責(zé)監(jiān)督、協(xié)調(diào)工程現(xiàn)場, 綜合現(xiàn)場的各種信息, 為工程指揮提供決策支持, 并負(fù)責(zé)對工程指揮的決策進(jìn)行解釋和任務(wù)分配?；旌狭习韬椭悄苤黧w指揮拌和機(jī)完成混合料的拌和, 并指揮裝載機(jī)組協(xié)同完成工作?；旌狭线\(yùn)輸智能主體指揮自卸車組, 完成混合料由拌和機(jī)到攤鋪機(jī)的輸送, 以及混合料原料的運(yùn)輸?；旌狭蠑備佒悄苤黧w負(fù)責(zé)調(diào)度和指揮各攤鋪機(jī), 完成路面攤鋪工作。道路壓實(shí)智能主體負(fù)責(zé)調(diào)度和指揮壓路機(jī)組, 完成路面壓實(shí)任務(wù)。路面質(zhì)量檢測系統(tǒng)負(fù)責(zé)反饋路面質(zhì)量信

6、息給中央主體。各個主體之間由無線的微波信道構(gòu)成通訊鏈路, 交換信息, 共享信息, 構(gòu)成多智能主體協(xié)同工作的機(jī)群智能化系統(tǒng)中央控制主體是機(jī)群系統(tǒng)的核心, 用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)作。包括如下主要功能：任務(wù)規(guī)劃調(diào)度, 負(fù)責(zé)管理所有任務(wù)的內(nèi)容, 進(jìn)展?fàn)顟B(tài), 性質(zhì), 合作者情況等信息, 根據(jù)當(dāng)前所有任務(wù)的級別和調(diào)度規(guī)則, 形成任務(wù)調(diào)度隊(duì)列；協(xié)調(diào)控制中心負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的運(yùn)行, 是實(shí)現(xiàn)人-機(jī)交互的主要功能模塊, 同時(shí)還解決協(xié)作過程中的沖突和矛盾, 具有應(yīng)變意外情況的能力。在中央控制主體中構(gòu)建了知識庫系統(tǒng)作為決策支持。其余的控制主體有如下特征：空間的分布化：處于不同的物理坐標(biāo)；內(nèi)建的平行化：在同一時(shí)間各自執(zhí)行不同

7、的任務(wù)；功能的專門化：各控制主體的任務(wù)小同, 在各個控制主體內(nèi)部可采用不同的控制方式。1.3采用多智能主體設(shè)計(jì)機(jī)群系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（1）分布式智能。將一個復(fù)雜的筑路任務(wù)通過分布式智能主體分解為有限復(fù)雜程度的多個了任務(wù), 由中央主體、拌和主體、運(yùn)輸主體、攤鋪主體和壓實(shí)主體這5個主體各自負(fù)擔(dān)相應(yīng)的子任務(wù), 充分發(fā)揮各個主體的功能與能動性, 減輕了中央主體的工作負(fù)擔(dān)與控制的復(fù)雜程度。同時(shí), 由于各個主體也進(jìn)行了智能化, 提高了對環(huán)境的適應(yīng)性。在傳統(tǒng)的集中控制方式中, 中央控制系統(tǒng)由于承擔(dān)了所有的控制工作, 往往功能十分復(fù)雜, 設(shè)計(jì)與實(shí)施時(shí)都需要耗費(fèi)大量的人力物力。系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)也集中在中央控制系統(tǒng), 可靠性要

8、求高, 成本史是成倍提升。通過多智能主體設(shè)計(jì), 將系統(tǒng)的智能分布到各個主體上, 實(shí)現(xiàn)了分布式智能, 簡化了中央控制。（2）容錯性。由于各個主體具有不同等級的決策權(quán)限, 并依據(jù)其決策權(quán)限等級來共享機(jī)群系統(tǒng)的信息, 單個主體的出錯不會造成整個系統(tǒng)的失控。即使中央主體出故障, 機(jī)群其他部分還可以獨(dú)立完成當(dāng)前任務(wù)的作業(yè)。在筑路施工過程中, 由于環(huán)境惡劣, 系統(tǒng)出現(xiàn)故障在所難免。例如設(shè)備保障、通訊故障、電力供應(yīng)故障以及人為錯誤等, 都是施工現(xiàn)場現(xiàn)實(shí)存在的問題。當(dāng)中央主體出現(xiàn)故障, 發(fā)出錯誤指令時(shí), 下級控制主體可對本地的局部信息和系統(tǒng)共享信息進(jìn)行綜合, 對這個錯誤指令向中央主體發(fā)出疑問, 處理主體故障。

9、（3）高可靠性。由于實(shí)現(xiàn)了功能的分布化, 提高了整個機(jī)群系統(tǒng)的可靠性。機(jī)群中的各個主體具有相對獨(dú)立性, 自行其是, 單機(jī)智能主體或者單個控制主體的故障不會造成全局失控。特別是中央主體一旦失效, 其他智能控制主體可以通過相互間的通訊和協(xié)調(diào), 在一定時(shí)間內(nèi)保證施工的正常進(jìn)行。這一點(diǎn), 集中控制方式的機(jī)群系統(tǒng)根本無法實(shí)現(xiàn), 因?yàn)樗闹醒肟刂葡到y(tǒng)一旦失效就全局癱瘓了。（4）高效率。強(qiáng)調(diào)機(jī)群系統(tǒng)的交互性和協(xié)作性, 有利于提高機(jī)群系統(tǒng)的工作效率, 降低能耗, 節(jié)省物料, 從而降低整個施工的成本。2筑路機(jī)械機(jī)群智能化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題2.1筑路機(jī)械機(jī)群多智能主體系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)各主體間的通訊網(wǎng)絡(luò)。通訊網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施是

10、主體間信息共享與交換的基礎(chǔ)。物理實(shí)現(xiàn)以無線通訊為主, 采用自建的微波通訊系統(tǒng)或者GSM/GPRS短信系統(tǒng), 保證各主體間信道的暢通。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎镁W(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 在本系統(tǒng)的5個控制主體之間均存在獨(dú)立的數(shù)據(jù)鏈路, 實(shí)現(xiàn)信息的交換與共享。各智能主體的決策推理機(jī)設(shè)計(jì)與功能定義。包括多主體的協(xié)同決策模式研究, 各智能主體的決策規(guī)則, 中央智能控制主體和各智能控制主體在決策樹中所處的地位以及各自的權(quán)限分配。管理層指令的基于多智能主體的分布式計(jì)算求解的算法, 就是怎樣把管理層下達(dá)的一個筑路任務(wù)分解并分配給相應(yīng)的智能主體, 形成任務(wù)調(diào)度序列, 由中央智能控制主體居中協(xié)調(diào), 共同完成施工任務(wù), 實(shí)現(xiàn)施工調(diào)度的優(yōu)化。

11、多智能主體的信息處理與融合算法。機(jī)群調(diào)度決策系統(tǒng)信息綜合（含機(jī)群多智能主體狀態(tài)參數(shù)、故障參數(shù), 環(huán)境參量與突發(fā)事件）研究, 其中包含了一個基于專家知識庫的故障診斷系統(tǒng)。2.2筑路機(jī)械各單機(jī)智能主體的實(shí)現(xiàn)單機(jī)智能主體的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖3所示, 主要采用人-機(jī)共棲模式的智能主體形式, 核心是研究“人-機(jī)”協(xié)調(diào)決策的方法。由于各機(jī)種的自動化程度不同, 人在決策中參與的程度也就有所區(qū)別。實(shí)現(xiàn)的要點(diǎn)在于：主體對象的定義, 包括單機(jī)的功能、屬性、需要檢測的信息等；主體的定位方式, 主體之間通訊方式與主體內(nèi)部異構(gòu)通訊協(xié)議的集成, 包括主體間的通訊方式, 主體內(nèi)部各子系統(tǒng)的通訊, 以及二者間的交互；對應(yīng)各機(jī)種

12、的知識庫, 確定最優(yōu)工藝路線與參數(shù), 并集成于各智能主體。最終建立各單機(jī)智能主體的智能決策控制體系。3基于多智能主體的機(jī)群智能化技術(shù)的實(shí)施路線當(dāng)前, 國內(nèi)外的工程機(jī)械廠商已經(jīng)推出了全系列的智能化的單機(jī), 單機(jī)智能化的技術(shù)己經(jīng)成熟了。但是, 這樣的智能單機(jī)還不能直接應(yīng)用到智能化的機(jī)群之中, 需要添加通訊設(shè)備和智能主體控制裝置。因此, 實(shí)施基于多智能主體的機(jī)群系統(tǒng)的最好方式是：充分利用國內(nèi)外現(xiàn)有的工程機(jī)械單機(jī)智能化技術(shù), 將機(jī)群智能化技術(shù)作為獨(dú)立的專有技術(shù)開發(fā), 作為單機(jī)的智能主體可以兼容國內(nèi)外主要廠商的產(chǎn)品。另外, 采用開放式的開發(fā)方式, 可成立機(jī)群智能化的標(biāo)準(zhǔn)化組織, 定義當(dāng)前的智能單機(jī)改造成單機(jī)智能主體所需提供的外部接口, 由各個廠商作為組織成員提供, 這樣既保護(hù)了各自的知識產(chǎn)權(quán), 又帶動了我國工程機(jī)械行業(yè)的科技進(jìn)步, 有利于將機(jī)群智能化標(biāo)準(zhǔn)樹立為在我國實(shí)現(xiàn)的國際工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。特別是在我國加入WTO以后, 它對實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)國際化, 搶占技術(shù)制高點(diǎn),