基于多Agent的船舶電力系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王征 王家林 姚剛 程路堯

（1. 華中科技大學(xué)控制科學(xué)與工程系，武漢 430074；2. 海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,武漢 430033;3.中國(guó)人民解放軍海軍92557部隊(duì)，廣州 510720；4. 中國(guó)人民解放軍海軍91336部隊(duì)，秦皇島066326）

1 引言

現(xiàn)代船舶電力系統(tǒng)日趨大型化和復(fù)雜化，一旦發(fā)生故障，便會(huì)有大量的報(bào)警信息集中涌現(xiàn)。近幾年來(lái)，雖然船舶電力系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)通用的采集顯示功能以外還進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單的故障判斷，但是當(dāng)一些故障發(fā)生時(shí)，它只是將大量報(bào)警信息不加選擇地提供給管理員，而在此情況下要求調(diào)度員迅速、正確地判斷故障是非常困難的，所以，船舶電力系統(tǒng)故障診斷的研究就成為一個(gè)非常有意義的研究課題，它能輔助船舶管理人員處理事故，可起到縮短事故處理時(shí)間、防止事故擴(kuò)大的作用，對(duì)保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[1]。

在船舶電力系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)方面已開展了不少研究。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)研究，建立被診斷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，使用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行電力系統(tǒng)故障診斷。因系統(tǒng)規(guī)模、復(fù)雜程序和不確定因素等的限制，系統(tǒng)故障診斷難以達(dá)到理想的效果。多Agent技術(shù)具有自主性、分布性、協(xié)調(diào)性，并具有自組織能力、學(xué)習(xí)能力和推理能力。采用Agent系統(tǒng)解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，具有很強(qiáng)的魯棒性和可靠性，并具有較高的問(wèn)題求解效率。多Agent已經(jīng)成為繼面向?qū)ο蠓椒ㄖ蟪霈F(xiàn)的又一種進(jìn)行系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的強(qiáng)有力思想方法與工具，其適用條件與船舶電力系統(tǒng)的故障診斷特征幾乎完全吻合，能夠解決普通電力系統(tǒng)故障診斷不易或無(wú)法解決的問(wèn)題[2-3]。

2 多Agent技術(shù)的原理和船舶電力系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1 Agent與多Agent基本概念[4]

Agent與多 Agent系統(tǒng)(MAS)的概念起源于人工智能領(lǐng)域，是分布式人工智能的主要方向之一Agent是對(duì)過(guò)程運(yùn)行中的決策或控制任務(wù)進(jìn)行抽象而得到的一種具有主動(dòng)行為能力的實(shí)體，它可以利用數(shù)學(xué)計(jì)算或規(guī)則推理完成特定操作任務(wù)，并通過(guò)消息機(jī)制與過(guò)程對(duì)象及其他Agent交互以完成信息傳遞與協(xié)調(diào)。

Agent基本特性包括:自治性、可通信性、反應(yīng)性、面向目標(biāo)性和針對(duì)環(huán)境性等。自治性是指Agent對(duì)自己的行為或動(dòng)作具有控制權(quán)，無(wú)需外部干預(yù)，自主地完成其特定的任務(wù)；可通信性是指每個(gè)Agent在有組織的群體中，通過(guò)相互通信接受任務(wù)指派和反饋任務(wù)執(zhí)行的信息；反應(yīng)性是指 Agent應(yīng)具備感知環(huán)境并做出相應(yīng)動(dòng)作的能力；面向目標(biāo)性是指Agent能對(duì)自己的行為做出評(píng)價(jià)并使其逐步導(dǎo)向目標(biāo)；針對(duì)環(huán)境性是指Agent只能工作在特定的環(huán)境中一般說(shuō)來(lái)，具有以上特性的主動(dòng)行為能力的實(shí)體，如生物體、軟件系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)中的控制器等，均可以作為Agent對(duì)象。

2.2 船舶電力系統(tǒng)特點(diǎn)

船舶電力系統(tǒng)供電系統(tǒng)和配電網(wǎng)絡(luò)集中配置，表現(xiàn)為由若干個(gè)配電區(qū)間按照一定的結(jié)構(gòu)形式通過(guò)主匯流排聯(lián)結(jié)起來(lái)構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的電力網(wǎng)絡(luò)或多個(gè)相互獨(dú)立的電氣子網(wǎng)。

圖1是一典型船舶電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，主要由兩個(gè)大的部分組成，分別為交流電力網(wǎng)絡(luò)和直流電力網(wǎng)絡(luò)。交流網(wǎng)絡(luò)主要有2臺(tái)發(fā)電機(jī)組ACG1和ACG2，直流網(wǎng)絡(luò)主要有4臺(tái)發(fā)電機(jī)組DCG1、DCG2、DCG3和DCG4。兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中間通過(guò)AC/DC變流器進(jìn)行互聯(lián)。

圖1 船舶電力系統(tǒng)框圖

對(duì)于該船舶電力系統(tǒng)的交流網(wǎng)絡(luò)按照物理區(qū)域的分布進(jìn)行劃分，主要分為1號(hào)交流發(fā)電機(jī)及其相關(guān)設(shè)備、2號(hào)交流發(fā)電機(jī)及其相關(guān)設(shè)備、1號(hào)變流器及其相關(guān)設(shè)備、2號(hào)變流器及其相關(guān)設(shè)備、3號(hào)變流器及其相關(guān)設(shè)備、4號(hào)變流器及其相關(guān)設(shè)備。如圖2。相關(guān)設(shè)備一般包括斷路器、同期裝置、勵(lì)磁裝置、調(diào)速裝置、其他安全保護(hù)裝置等。對(duì)于船舶電力系統(tǒng)直流網(wǎng)絡(luò)按照物理區(qū)域的分布進(jìn)行劃分，主要分為1號(hào)直流發(fā)電機(jī)及其相關(guān)設(shè)備、2號(hào)直流發(fā)電機(jī)及其相關(guān)設(shè)備、3號(hào)直流發(fā)電機(jī)及其相關(guān)設(shè)備、4號(hào)直流發(fā)電機(jī)及其相關(guān)設(shè)備、1號(hào)DC/DC變流器及其相關(guān)設(shè)備、2號(hào)DC/DC變流器及其相關(guān)設(shè)備、1號(hào)DC/AC變流器及其相關(guān)設(shè)備、2號(hào)DC/AC變流器及其相關(guān)設(shè)備飛輪儲(chǔ)能及其相關(guān)設(shè)備、蓄電池及其相關(guān)設(shè)備、電力推進(jìn)1及其相關(guān)設(shè)備、電力推進(jìn)2及其相關(guān)設(shè)備，如圖3。

圖2 船舶交流網(wǎng)絡(luò)故障診斷多Agent分布設(shè)計(jì)

圖3 船舶直流網(wǎng)絡(luò)故障診斷多Agent分布設(shè)計(jì)

3 多Agent船舶電力系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 多Agent船舶電力系統(tǒng)故障診斷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在船舶電力系統(tǒng)故障診斷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提出了兩種方案，方案一為軟件分布式多Agent故障診斷。圖4為方案一的信息流程，即模擬量和數(shù)字量通過(guò)綜合智能監(jiān)控模塊進(jìn)行采集，然后通過(guò)主通信模塊將采集的所有數(shù)據(jù)上傳到主數(shù)據(jù)服務(wù)器和備份數(shù)據(jù)服務(wù)器。最后多Agent故障診斷工作站進(jìn)行軟件分布式故障診斷。圖5為多Agent故障診斷工作站進(jìn)行軟件分布式故障診斷的示意框圖。

方案二如圖6所示，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中就充分應(yīng)用了硬件分布式多Agent，系統(tǒng)中有處于底層的分布式并行結(jié)構(gòu)的ITU-Agent（智能終端－Agent）、中間層SCM－Agent（子通信管理－Agent）、上層的DFS－Agent（故障診斷融合－Agent）、MDBAgent（主數(shù)據(jù)服務(wù)Agent）、BDB－Agent（備份數(shù)據(jù)服務(wù)Agent）、OPC－Agent（OPC通信Agent）幾部分組成。其中處于底層的分布式并行結(jié)構(gòu)的ITU－Agent完成基本的區(qū)域故障的診斷，主要采用的方法是模糊認(rèn)知圖推理和模糊關(guān)系型合同網(wǎng)協(xié)作。底層的診斷的信息以及原始數(shù)據(jù)通過(guò)SCM－Agent，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)上傳到DFS－Agent，完成最后整個(gè)電力系統(tǒng)的故障診斷。

3.2 各Agent的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

ITU-Agent內(nèi)部為基于決策的BDI框架Agent邏輯結(jié)構(gòu)模型[5-7]。

圖4 多Agent故障診斷的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（方案一）

圖5 軟件多Agent故障診斷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（方案一）

圖6 硬件多Agent故障診斷的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（方案二）

BDI框架結(jié)構(gòu)是最早出現(xiàn)的慎思型Agent基本結(jié)構(gòu)的重要代表，是將Agent作為意識(shí)系統(tǒng)的具體體現(xiàn)，BDI框架產(chǎn)生的根基在于實(shí)用推理理論的哲學(xué)基礎(chǔ)，它模仿了人們?yōu)閷?shí)現(xiàn)一定的目標(biāo)而采取的一系列行動(dòng)的過(guò)程。簡(jiǎn)單的說(shuō)，它是由信念、愿望和意圖三個(gè)基本概念構(gòu)成，其中信念反映了Agent的認(rèn)知特性，愿望反映了Agent的感情偏好，Agent做出承諾的目標(biāo)形成意圖。定義BDI框架的 Agent結(jié)構(gòu)如下的十一元組：

定義Bel為Agent所有可能的信念構(gòu)成的集合，則有B∈γ(Bel)表示某個(gè)確定的信念集；定義Des為Agent所有可能的愿望構(gòu)成的集合，則有D∈γ(Des)表示某個(gè)確定的愿望集；定義Int為Agent所有可能的意圖構(gòu)成的集合，則有I∈γ(Int)表示某個(gè)確定的意圖集。根據(jù)以上定義，元組中Agent的內(nèi)部行為可以表示為如下映射：

see:S→P表示信念確定的過(guò)程；

bmp:γ(Bel) ×P→γ(Bel)表示信念修正過(guò)程；

opt:r(Bel) ×r(Int) →r(Des)表示愿望確定過(guò)程；

filter:γ(Bel) ×γ(Des) ×γ(Int) →γ(Int)表示意圖確定過(guò)程；

exe:γ(Int) →A表示對(duì)某一確定的意圖實(shí)施特定的行為。

圖7 基于BDI框架的Agent結(jié)構(gòu)框圖

由于BDI理論建立在實(shí)用推理理論的基礎(chǔ)之上，具有深刻的認(rèn)知心理學(xué)和哲學(xué)基礎(chǔ)，因此據(jù)此建立實(shí)現(xiàn)Agent的結(jié)構(gòu)符合人工智能當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，在Agent的實(shí)際構(gòu)造中，對(duì)于表達(dá)信念、愿望、意圖等反映思維狀態(tài)的概念，并合理完成相應(yīng)的推理轉(zhuǎn)化還有很大的困難。要真正實(shí)現(xiàn)基于BDI框架的成熟的Agent模型，就必須在完善BDI形式化研究的同時(shí)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用背景和應(yīng)用目的，綜合邏輯、決策理論以及其它理論研究成果，在Agent知識(shí)推理過(guò)程中，以及Agent與環(huán)境交互方面選用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ右詼?zhǔn)確的描述。

3.3 故障診斷主要功能

該系統(tǒng)的故障診斷的主要目的是盡可能快速實(shí)時(shí)的檢測(cè)出系統(tǒng)運(yùn)行中的各種故障，并隔離故障、診斷并修復(fù)故障以減少其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。該系統(tǒng)的故障診斷主要完成以下功能：

1）故障監(jiān)測(cè)與檢測(cè)：主要通過(guò)采集的信息由各單元的ITU-Agent監(jiān)測(cè)設(shè)備層故障，由各單元ITU-Agent與其他ITU-Agent協(xié)同診斷電力系統(tǒng)區(qū)域故障。通過(guò)SCM－Agent和DFS－Agent實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)級(jí)故障。

2）故障實(shí)時(shí)通知（告警）：簡(jiǎn)單故障信息實(shí)時(shí)投遞到SCM-Agent，復(fù)雜故障通過(guò)故障診斷融合Agent實(shí)現(xiàn)。

3）告警即時(shí)展示：告警在GUI上即時(shí)展示給維護(hù)人員，保證故障及時(shí)處理。

4）告警狀態(tài)設(shè)置以及活動(dòng)告警列表：告警產(chǎn)生后，設(shè)置相應(yīng)產(chǎn)生告警設(shè)備的告警狀態(tài)，并維護(hù)活動(dòng)告警消息列表，以供了解當(dāng)前的告警狀態(tài)及詳細(xì)的活動(dòng)告警信息。

5）告警清除：故障恢復(fù)后，需要清除相應(yīng)設(shè)備的告警狀態(tài)以及活動(dòng)告警消息列表的相應(yīng)條目，支持告警的自動(dòng)清除和管理人員清除兩種操作機(jī)制。

6）告警過(guò)慮：設(shè)置告警過(guò)濾的條件，對(duì)設(shè)備告警消息進(jìn)行抑制或有選擇的投遞。

7）故障隔離：將產(chǎn)生故障的設(shè)備從工作資源中刪除，這個(gè)功能體現(xiàn)在狀態(tài)管理的狀態(tài)設(shè)置功能中。

8）故障分析：分析故障產(chǎn)生的原因，以及指導(dǎo)恢復(fù)設(shè)備正常工作。

9）告警歷史數(shù)據(jù)保存：收集設(shè)備產(chǎn)生的各種告警信息，以長(zhǎng)時(shí)存儲(chǔ)，供將來(lái)進(jìn)行告警分析使用。

3.4 多Agent的管理和協(xié)作功能[8-9]

系統(tǒng)中的多個(gè)Agent必須進(jìn)行自主、有序的工作，是實(shí)現(xiàn)多Agent故障診斷的重要前提。為保證ITU-Agent之間的協(xié)調(diào)有效的工作，采用文中研究的模糊關(guān)系合同網(wǎng)協(xié)作模型，從而使ITU-Agent之間能夠利用互為主從關(guān)系，從分利用信息資源合作診斷。

ITU－Agent之間、ITU-Agent與SCM-Agent之間采用消息通信的方式，SCM－Agent與DFS-Agent之間也是采用消息通信的方式。消息通信較為簡(jiǎn)單，這種通信滿足三個(gè)條件：首先要有通信協(xié)議，其次要基于共同的Agent通信語(yǔ)言；另外還需要對(duì)使用的詞語(yǔ)有共同的理解。從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)說(shuō)，Agent與對(duì)象一樣，需要提供一個(gè)與其內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法無(wú)關(guān)、基于消息的接口。在面向?qū)ο蟮念I(lǐng)域中，通信是采用方法調(diào)用，消息的含義對(duì)于每個(gè)對(duì)象是不同的。但是在面向Agent的軟件工程中，消息使用通用的語(yǔ)言，與Agent的語(yǔ)義無(wú)關(guān)。

圖8 消息通信結(jié)構(gòu)示意圖

采用消息的通信，使得MADS的通信具有以下特點(diǎn)：通信數(shù)據(jù)量小、可以很大程度縮短網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間，減少延時(shí)，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；消息中描述的是診斷程序的協(xié)作行為，屬于高級(jí)語(yǔ)義信息，語(yǔ)義級(jí)集成的協(xié)同應(yīng)用程序之間耦合度低、異構(gòu)性高，有利于實(shí)現(xiàn)分布式異構(gòu)系統(tǒng)的故障診斷。因此文中設(shè)計(jì)了層次化通信結(jié)構(gòu)，規(guī)范了通信協(xié)議，并采用適當(dāng)?shù)耐ㄐ耪Z(yǔ)言和基于消息的通信方式，能夠使得MADS中的Agent更好的通信和協(xié)作，以實(shí)現(xiàn)分布式智能化的故障診斷。

3.5 數(shù)據(jù)庫(kù)Agent設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)Agent設(shè)計(jì)包括MDB－Agent（主數(shù)據(jù)服務(wù)Agent）和BDB－Agent（備份數(shù)據(jù)服務(wù)Agent），兩者的結(jié)構(gòu)基本一致。數(shù)據(jù)庫(kù)Agent設(shè)計(jì)是為系統(tǒng)多Agent故障診斷的詳細(xì)設(shè)計(jì)、編程和測(cè)試提供數(shù)據(jù)支持。

選取ORACLE公司的數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品，版本號(hào)為9.0，該產(chǎn)品功能完善、可靠性高、操作維護(hù)方便、易于獲得技術(shù)支持。SCM－Agent通過(guò)調(diào)用ORACAL數(shù)據(jù)庫(kù)提供的OCI（Oracle Call Interface）接口庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中為了調(diào)用方便將其進(jìn)一步封裝。DFS－Agent通過(guò)調(diào)用微軟提供的ADO（ActiveX Data Objects）接口訪問(wèn)ODBC，而ODBC與ORACAL數(shù)據(jù)庫(kù)連接，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)ORACAL數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。

4 結(jié)語(yǔ)

將多Agent技術(shù)應(yīng)用到船舶電力系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，各Agent能自主完成任務(wù)，并通過(guò)通信相互傳遞信息與其他Agent發(fā)生聯(lián)系，相互協(xié)作；各Agent之間功能劃分清晰，能較好的相互協(xié)作共同解決診斷問(wèn)題。整個(gè)系統(tǒng)不僅有一定的自主性，還擁有較好的交互性，使得診斷系統(tǒng)具有一定的自主性、自適應(yīng)性，是船舶電力系統(tǒng)故障診斷的一種新的有效途徑。

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