基于多主体的楼宇智能控制体系结构

基于多主体的楼宇智能控制体系结构叶俊1刘贤德1韩露21（华中科技大学光电系，武汉430074）1（华中科技大学电信系，武汉430074）摘要该文提出了一种基于多主体系统的楼宇智能控制体系结构。该体系结构以房间作为基本的逻辑控制单位，其中控制设备的互联基于BACnet协议，然后通过BACnet路由器路由到以太网；多主体系统驻留在以太网的工作站上，从结构上划分为网络层、中间件层、应用层、用户层，其中中间件层使上层的控制应用不依赖于底层语义；为支持系统的互操作性及与未来应用的兼容性，多主体系统基于FIPA;标准参考模型实现。关键词Multi-agentBACnet楼宇自控路由器FIPA文章编号1002-8331-(2004)19-0203-03文献标识码A中图分类号TP181引言现代建筑在为人们提供安全、舒适的居住及办公环境方面已经取得了长足的进步，同时技术的发展和人们需求的变化对建筑的智能化、自适应性提出了更高的要求。而建筑智能化的一个关键研究领域是楼宇的智能控制问题。传统的楼宇控制系统通常由控制器、总线、计算机以集中式的结构组成，这与日趋复杂的控制任务及分散的智能控制部件间的互操作需求相矛盾，因此，分布自治的楼宇控制体系结构成为研究的主要方向，如MIT人工智能实验室提出的“智能居所工程（TheIntelligentRoomProject）采用Agent技术的控制体系结构设计思想，通过语音识别和视频监控获得人的一些简单行为判断，从而为住户提供所要求的信息；英国Essex大学的智能居住环境小组也提出了一个面向智能建筑的软计算分布式人工智能体系结构，系统采用了基于模糊逻辑的嵌入式Agent技术，控制网采用以太网与LonWorks的混合。嵌入在各个控制器和设备中的Agent能够通过传感器获取环境信息，并根据当前状态完成节能、安防等操作任务；瑞士AppliedScienceRapperswil大学提出的“自适应居所自动化（AdaptiveHomeAutomation）”项目则是基于软件实现的多交互主体，这些主体能够从大量不精确的数据集输入中学习及预测人的需求并调整系统适应这些需求。该文提出了一种基于多主体（Multi-agent）的楼宇智能控制体系结构。该体系结构与已有方案的不同在于：（1）控制设备的互联基于BACnet协议，通过BACnet路由器路由到以太网；（2）多主体系统从结构上划分为网络层、中间件层、应用层、用户层，其中中间件层使上层的控制应用不依赖于底层语义；（3）为支持系统的互操作性及与未来应用的兼容性，多主体系统基于FIPA标准参考模型实现。2楼宇智能控制体系结构由于楼宇中的每个房间通常为某一特定的功能服务，而感应器、效应器的输入、输出也主要联系于各个房间。因此，在该文提出的楼宇智能控制体系结构里，是以房间作为多主体的基本逻辑单位，即每个房间逻辑上对应于多主体系统的一个主体。同一层楼里各个房间的感应器和效应器通过BACnet局域网联接在一起，然后通过BACnet路由器路由到以太网上，而多主体系统就驻留在以太网的工作站上。由于多主体系统基于软件实现，避免了嵌入式硬件主体实现的有限资源限制，提供了配置、升级的极大灵活性。从图1中可以看出，整个控制体系结构可以分为BACnet局域网和以太网两部分，其中比较关键的部件是把BACnet,局域网路由到以太网上的BACnet,路由器。图1楼宇智能控制体系结构2.1BACnet路由器图2是由笔者自主开发实现的BACnet路由器模块结构框图，已经通过BACnet协议测试系统的测试。路由器的硬件平台是一个基于嵌入式Linux操作系统的单板计算机，使用内部的FLASH存储器存储所开发的路由器程序，具有一个BACnet/IP以太网，两个MS/TPEIA485接口，一个PTPRS232接口，一个本地配置使用的RS232接口。图2BACnet路由器模块结构BACnet路由器的功能是互联两个BACnet局域网段。BACnet路由器把来自一个端口的报文，转发到另一个端口所连接的网络，这种转发根据报文中的BACnet分组中的信息。对于一个由单个局域网段所构成的BACnet网络，网络的节点地址由分配给网络中每个节点的MAC地址完全确定。在这种网络内部，每个节点必须具有唯一的MAC地址。例如，以太网段的MAC地址具有6个字节；ARCNET网段的MAC地址具有1个字节；MS/TP网段的MAC地址具有1个字节。当使用BACnet路由器把两个或者多个BACnet局域网段连接起来，就构成BACnet互联网。在这种情况下，必须给每个BACnet,局域网段分配一个唯一的BACnet网络号，网络号的取值范围是：1-65534（FFFE十六进制）。在BACnet互联网内，每个网段都有一个全局唯一的网络号，对于网络中的每个节点，组合使用网络号和节点的MAC地址，可以确定这个节点（设备）。在这种网络中，两个节点可能具有相同的MAC地址，但是它们一定具有不同的网络号。BACnet路由器的功能就是在它所连接的两个BACnet局域网段之间转发报文，为了实现这个功能BACnet路由器必须知道它所连接的两个网段所分配的网络号。BACnet协议没有动态向网段分配网络号的机制，所以必须人工配置BACnet,互联网中各个网段的网络号。当BACnet路由器启动时，它要从某个本地的配置文件中读取它所连接的网段的网络号。然后，这个BACnet路由器通过向其它的BACnet路由器发送BACnet路由器控制报文进行通信，获得其它的网段的网络号。所有的由两个或者多个网段所组成的BACnet互联网中，都必须配置成为在任何两个网段的节点之间，只能够有唯一一条通信路由的路径。BACnet路由器不能使用在BACnet互联网中存在的冗余网络路径，而且一旦存在这种冗余的网络路径，就应该使得BACnet路由器产生故障报警。2.2多主体系统体系结构多主体系统体系结构如图3所示，其中每个主体自主地依目标规划相应动作，实现各自功能，为其它主体提供服务，通过协调协作完成任务。主体之间利用ACL语言进行通信。多主体系统从结构上划分为四个层次：（1）网络层：提供基础服务与数据访问的功能。（2）中间件层：定义领域公共语义、提供参数转换服务。（3）应用层：实现智能控制的应用逻辑。（4）用户层：提供用户界面、个性化用户需求。图3多主体系统体系结构在多主体系统中，基础架构主体为整个体系结构提供公共服务，如主体管理服务、定位服务等。本体论主体提供楼宇智能控制的公用上下文作为语义基础。在网络层，有两类主体：反应主体和日志主体。其中每个反应主体对应于一个房间，反应主体基于态势规则（SituatedRule）实现，它不依赖于历史事件，直接针对目前所处态势做出反应行为。反应主体具有鲁棒性和容错性，能够适应楼宇控制中的对于基本控制行为的需求，这些控制行为往往必须得到保证，或者要求短的响应时间，如保证房间的温度总是处于安全界限之内、保证房间无人时关闭温度调节设备以节省能源、在晚间遇到火警时提高照明等等。每个日志主体对应于一个日志数据库，为上层主体访问日志数据库存储的历史数据提供主体包装接口。在中间件层，有经纪主体和映射主体。中间件层的主要价值在于抽象出统一的楼宇控制基础数据类型及操作语义，使上层应用不依赖于底层语义，同时兼容不同现场总线结构，如LonWorks。映射主体提供不同现场总线结构的参数映射服务，每个映射主体对应于一种现场总线结构。经纪主体作为应用主体与底层主体之间的中介代理，负责把应用主体的复杂控制逻辑传递到相应的反应主体、或融合不同日志主体的历史数据提供给应用主体。在应用层，应用主体负责实现楼宇智能控制的上层应用逻辑。每个应用主体对应于一个房间，应用主体是BDI类型主体，它包含：（1）信念库，存储有关楼宇智能控制的当前信念或事实。（2）知识库，以说明性的过程规范描述达成控制任务的知识及应用这些知识的条件。（3）目标组，将楼宇智能控制的目标划分为三类：安全、效率、舒适。（4）意图结构，是系统选择的执行任务，这些任务可能立即执行，也可能在未来某个时刻执行。意图具有三种状态：激活、挂起和有条件挂起。（5）推理机，基于当前目标和信念，推理机调用相关过程知识，选取一个执行，放入意图结构中，在意图执行过程中产生的新的子目标被放入目标组中，等待下一周期的手段目的推理。因为有新的信念出现，推理机还需要运行一致性检查过程。在用户层，用户主体提供用户界面，个性化用户需求，在遇到相关情况时发送通知。用户主体可以驻留在每个用户的个人联网设备上，每个用户主体对应于房间的一个用户。2.3多主体系统的实现为支持系统的互操作性及与未来应用的兼容性，多主体系统建立在FIPA标准之上，图4是其实现的参考模型。参考模型提供了主体生存与操作的标准化框架。结合主体的生命周期，建立了主体创建、操作和撤销的逻辑与时间上下文。其中目录服务器（DF）和主体管理器（AMS）是特殊类型的主体，用于支持主体管理。主体通信管道（ACC）是一个低层实体，是消息传输服务（MTS）的一个部分。DF为其它主体提供黄页服务，AMS提供平台管理功能（白页服务），并保证平台内部和平台之上的实体的正确行为。ACC支持平台内部和跨平台之间的互操作性。因此，它可以看作是MTS的一个部件。MTS提供特定平台上的主体的消息路由服务。上述主体必须是可靠有序的并遵循FIPA消息传输服务规范中的要求。AMS、MTS和DF共同组成了主体平台（AP），这些都是FIPA参考模型必备的、标准化的部件。图4FIPA参考模型多主体系统中的各类型主体都是GenericAgent的Java扩展类，GenericAgent封装了主体最基本的功能，为其它主体的构建提供了一个统一的基础。图5是GenericAgent的Java代码片断。图5GenericAgent3结论该文提出了一种基于多主体系统的楼宇智能控制体系结构。该体系结构的特点在于遵循开放的标准，保持了最大的兼容性及与其它系统的互操作性。另外，通过BACnet路由器将BACnet局域网路由到基于IP的以太网上，使多主体系统能够完全基于软件技术实现，避免了嵌入式设备只具备有限计算资源的限制。进一步的研究工作包括提高应用主体对的连续学习能力、在个性化用户需求的基础上如何协调不同用户相互矛盾的需求等等。（收稿日期：2003年10月）