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多智能体技术及其在交通控制系统中的应用
作者:王雪茹 袁建清 崔然
来源:《中国新技术新产品》2011年第17期
摘要:多智能体技术是当前分布式人工智能的一个研究热点,通过各自治智能体间的通讯、协调、合作来表达实际的复杂系统。交通系统是一个分布式、非线性、时变的随机系统,本文把多智能体技术应用于城市交通控制系统中,为城市交通问题提供了良好的解决方案。 关键词:多智能体;协调;交通系统;城市交通控制 中图分类号:F407.47 文献标识码:A 1引言
多智能体系统(Multi-agent Systems,MAS)起源于20世纪70年代的分布式人工智能的研究,为分布式系统的综合、分析、实现和应用开辟了一条新的有效途径,促进了人工智能和计算机软件的发展。多智能体系统建立在Agent之间的交互协商和自我进化之上,系统中各个智能体之间目标一致,任务的执行和计算是异步的、并行的,提供一种在松散藕合的子系统之间进行协调的机制,通过增强子系统的自治能力提高控制系统的控制能力。交通系统是时间和空间上分布的、非线性、时变的随机系统,对它的实时优化控制不仅要求在系统稳定的前提下做到实时优化控制,而且还应具有一定的自适应和智能控制能力。交通系统的特性非常适合采用多智能体系统,基于多智能体的城市交通控制是实现城市交通智化控制的重要途径。 2 多智能体技术
Multi-Agent技术打破了目前知识工程领域仅使用一个专家的限制,可以完成大的复杂系统的作业任务。MAS系统的目标是将大的复杂系统构造成小的、彼此可以相互通讯及协调的、易于管理的系统。Multi-Agent技术在表达实际系统时,通过各Agent间的通讯、合作、互解、协调、调度和管理来表达系统的结构、功能及行为特性。Multi-Agent技术具有自主性、分布性、协调性,并具有自组织能力、学习能力和推理能力。 2.1 多智能体系统的定义
虽然Agent定义为具备特定功能,但能力有限,在解决现实中复杂的、大规模的问题时,常将各种具有不同能力的Agent结合起来,这些智能体不仅具备自身的问题求解能力和行为目标,而且能够相互协作,来达到共同的整体目标,这样的系统就成为多智能体系统。 多智能体系统是由多个Agent组成的一种分布式自主系统,系统功能通过Agent的交互来实现,主要研究多個Agent为了联合采取行动或求解问题,如何协调各自的知识、目标、策略和规划。由于在同一个多智能体系统中各Agent可以异构,因此多智能体技术对于复杂系统具
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有无可比拟的表达力,它为各种实际系统提供了一种统一的模型,从而为各种实际系统的研究提供了一种统一的框架,因而可完成大的复杂系统的作业任务。采用多智能体系统解决实际应用问题,具有很强的鲁棒性和可靠性,并具有较高的问题求解效率,其应用领域十分广阔,具有潜在的巨大市场。目前,多智能体技术己经用于智能机器人,网络自动化与智能化,协调专家系统、电子政务、交通控制和分布式智能决策等多个领域的研究和应用中。 2.2 多智能体系统的特点
多智能体系统作为基于分布式问题求解的整体,除了具有单个Agent的特征外,还具有如下特点:
(1)多智能体系统中,每个Agent具有独立性、自主性和问题求解能力,能够自主推理和规划并选择恰当的策略,并以特定的方式影响周围的环境。
(2)系统中数据是分布或者是分散的,多智能体系统支持分布式应用,所以具有良好的模块性、易于扩展、设计简单灵活,克服了建造一个庞大知识库所带来的知识管理和扩展的困难,能有效降低系统构造成本。
(3)在多智能体系统的实现过程中,不追求单个、庞大、复杂的体系,而是按照面向对象的方法构造多层次、多元化的智能体,其结果降低了系统的复杂性,也降低了各个智能体问题求解的复杂性。
(4)多智能体系统是一个协调式的系统,各个智能体之间相互协调合作可以解决大规模的复杂问题;多智能体系统也是一个集成系统,它采用信息集成技术,将各子系统信息集成在一起,完成复杂系统的集成。
(5)在多智能体系统中,智能体之间相互通讯,彼此协调和合作,并行地求解问题,其计算过程是异步、并发或并行的,因此,能有效提高问题求解效率。
(6)同一个多智能体系统中各个智能体可以异构,因此多智能体技术对于复杂系统具有无可比拟的表达力,它为各种实际系统的研究提供了一种统一的框架,因而可完成大的复杂系统的作业任务。
(7)多智能体技术打破了当前知识工程领域中仅使用一个专家系统的限制,在多智能体系统中,不同领域、同一领域不同的专家系统可以协作求解单一专家系统无法解决或无法很好解决的问题。
2.3 多智能体系统的组织结构
多智能体系统的体系结构是整个系统执行协调合作任务的基础,决定了系统的能力和局限性。多智能体系统的体系结构是系统中Agent间的信息关系和控制关系,以及问题求解能力的
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分布模式,它是结构和控制的有机结合,是提供Agent活动和交互的框架。从运行的控制角度来看,组织结构方式可以分为集中式、分布式和混合式三种。具体结构如图1所示。 集中式系统有一个核心Agent和多个与之在结构上分散的、独立的协作Agent构成。核心Agent负责任务的动态分配与资源的动态调度,协调各协作Agent间的竞争与合作,该类系统比较容易实现系统的管理、控制和调度;分布式系统中各Agent彼此独立、完全平等、无逻辑上的主从关系,各Agent按预先规定的协议,根据系统的目标、状态与自身的状态、能力、资源和知识,利用通信网络相互间通过协商与谈判,确定各自的任务,协调各自的行为活动,实现资源、知识、信息和功能的共享,协作完成共同的任务,以达到整体目标,该系统具有良好的封装性、容错性、开放性和可扩展性;混合式结构则兼有分布式和集中式的特征,是经常采用的形式。
图1 多智能体组织结构
3 多智能体在交通控制系统中的应用
交通控制系统是一个自然的、分布的、随机的、实时性要求高、同时拓扑复杂分散的动态庞大系统,城市交通环境复杂多变,影响交通控制系统的偶然因素极多,研究城市交通控制系统必须考虑这些实际特征。传统的城市交通控制系统难以适应城市交通流的特征,将多智能体技术应用于交通控制系统,其优越性和可行性如下:
(1)分布性:多智能体系统中的数据、资源分散在系统的各个Agent中,而交通控制系统的拓扑结构具有分布式特性,因此,非常适合应用MAS的分布式处理和协调技术。基于多智能体技术的城市交通控制系统,结构上具有易于实现系统间的信息共享、易于扩张、可靠性高、灵活性强等特点。
(2)协作性:MAS间的协作和协商机制非常有助于解决多目标优化中的目标冲突问题。系统中各个Agent相互协调以解决大规模复杂问题,解决了建立一个庞大知识库所造成的知识管理和扩展的困难。
(3)并行性:MAS的分布式结构能缓解运算过于集中,计算负荷大的问题。把一个复杂系统问题,分解为相对独立的问题,降低计算复杂性,更易于处理、调试与维护,并且使系统对于软件、硬件的错误具有容错能力,使系统更为简单可靠。
(4)可靠性:采用Multi-Agent技术,系统具有很强的鲁棒性和可靠性,MAS不依赖于某个单一的控制器去协调所有的任务,不会像集中控制那样因为某一控制器的崩溃而导致系统瘫痪。如果某些Agent不能正常工作,系统的整体性能也不会显著下降或引起系统崩溃,并具有较高的问题求解率。
(5)异构性:由于在同一个MAS中各个Agent可以异构,因此,针对不同的主体对象,构建不同精度和智能的Agent,可以充分表达主体的性质。