Ch7-基于多真体系统的控制

中南大学CentralSouthUniversity(CSU)IntelligentControl智能控制蔡自兴肖晓明余伶俐中南大学CentralSouthUniversity(CSU)智能控制第七章基于多真体系统的控制Chapter7ControlBasedonMultiAgentSystem2中南大学CentralSouthUniversity(CSU)37.1分布式人工智能与真体DistributedArtificialIntelligence&Agent7.1.1分布式人工智能(DAI)1.分布式人工智能的特点(FeaturesofDAI)（1）分布性Distribution（2）连接性Connection（3）协作性Collaboration（4）开放性Opening（5）容错性FaultToleration（6）独立性Independence中南大学CentralSouthUniversity(CSU)4智能控制2.分布式人工智能的分类ClassificationofDAI(1)分布式问题求解（DistributedProblemSolving,DPS）(2)多Agent系统（Multi-agentSystem，MAS）研究如何在多个合作的和共享知识的模块、结点或子系统之间划分任务，并求解问题。研究如何在一群自主的agent间进行智能行为的协调。中南大学CentralSouthUniversity(CSU)7.2Agent及其特性（characteristics)执行器环境作用感知传感器？图8.1Agent与环境的交互作用1.Agent的译法建议把agent译为“真体”（1）一种比较普遍的观点认为，agent是一种通过传感器感知其环境，并通过执行器作用于该环境的实体。（2）“主体”是用得较多的一种译法。（3）“代理”是另一种译法，过去用得较多，现在已较少使用。（4）把agent译为真体，不仅发音相近，而且含有一定的物理意义，即某种“真体”或事物。（5）历史上，把英文或其它外文名词术语按发音或其近似发音翻译成中文的成功先例很多。中南大学CentralSouthUniversity(CSU)2.真体的要素真体必须利用知识修改其内部状态（心理状态），以适应环境变化和协作求解的需要。真体的行动受其心理状态驱动。(1)信念（belief）描述真体对环境的认识，表示可能发生的状态。(2)愿望（desire）从信念直接得到，描述真体对可能发生情景的判断。(3)意图（intention）来自愿望，制约真体，是目标的组成部分。┉信念愿望意图行为图8.2BDI关系图中南大学CentralSouthUniversity(CSU)3.真体的特性characteristicsofAgent（1）行为自主性（6）工作协作性（2）作用交互性（7）运行持续性（3）环境协调性（8）系统适应性（4）面向目标性（9）结构分布性（5）存在社会性（10）功能智能性中南大学CentralSouthUniversity(CSU)7.1.3真体的结构StructureofAgent1.真体的结构特点StructureFeaturesofAgent真体、体系结构和程序之间具有如下关系：真体＝体系结构+程序（1）在计算机系统中，真体相当于一个独立的功能模块、独立的计算机应用系统。（2）真体程序的核心部分叫做决策生成器或问题求解器，起到主控作用。（3）真体的运行是一个或多个进程，并接受总体调度。（4）各个真体在多个计算机CPU上并行运行，其运行环境由体系结构支持。中南大学CentralSouthUniversity(CSU)2.真体的结构分类StructuralClassificationofAgent（1）反应式真体(ReflexorReactiveAgent)环境条件-作用规则世界现状传感器作用决策执行器真体图8.3反应式真体结构中南大学CentralSouthUniversity(CSU)（2）慎思式真体（DeliberativeorCognitiveAgent)环境状态知识库目标信息融合传感器作用决策执行器真体规划图8.4慎思式真体结构中南大学CentralSouthUniversity(CSU)（3）跟踪式真体环境原有内部状态世界发展艾真体信息真体影响世界信息条件-作用规则世界现状传感器作用决策执行器真体图8.5跟踪式真体结构中南大学CentralSouthUniversity(CSU)（4）基于目标的真体(Goal-basedAgent)环境原有内部状态世界发展艾真体信息真体影响世界信息目标世界现状传感器作用决策执行器真体作用对世界的影响图8.6一个具有显式目标的真体中南大学CentralSouthUniversity(CSU)（5）基于效果的真体(Utility-basedAgent)环境原有内部状态世界发展艾真体信息真体影响世界信息效果世界现状感知器作用决策执行器真体作用对世界的影响满意程度图8.7基于效果的真体结构中南大学CentralSouthUniversity(CSU)（6）复合式真体反射规划通信执行器建模感知器真体决策生成环境其它真体预测一般情况紧急和简单情况动作协作与协商请求/答应信息图8.8复合式真体的结构中南大学CentralSouthUniversity(CSU)7.2真体的通信7.2.1真体通信的类型和方式1.真体通信的类型（1）使用TELL和ASK通信数据库推理推理数据库真体A行为感知感知通过界面TELL和ASK通信行为真体B图8.9两真体通过TELL和ASK通信中南大学CentralSouthUniversity(CSU)（2）使用形式语言通信知识库推理推理知识库真体A行为感知感知语言行为真体B语言图8.10两真体使用语言通信中南大学CentralSouthUniversity(CSU)2.真体通信的方式（1）黑板结构方式在多真体系统中，黑板提供公共工作区，真体间可以通过黑板来交换信息、数据和知识。（2）消息/对话通信消息/对话通信是实现灵活和复杂的协调策略的基础。各真体使用规定的协议相互交换信息，用于建立通信和协调机制。中南大学CentralSouthUniversity(CSU)7.2.2真体的通信语言1.知识询问与操作语言（KnowledgeQueryandManipulationLanguage，KQML）KQML规定的消息格式和消息传送系统为多真体系统的通信和协作提供一种通用框架，特别是提供了一套识别、建立连接和交换消息的协议。KQML分为三个层次：通信、消息和内容。通信层规定全部技术通信参数协议。消息层规定与消息有关的言语行为的类型，内容层规定消息内容。2.知识交换语言（KnowledgeInterchangeFormat，KIF）中南大学CentralSouthUniversity(CSU)7.3多真体系统7.3.1多真体系统的模型和结构1.多真体的基本模型(1)BDI模型(2)协商模型(3)协作规划模型(4)自协调模型2.多真体系统的体系结构(1)真体网络(2)真体联盟(3)黑板结构中南大学CentralSouthUniversity(CSU)7.3.2多真体的协作、协商和协调1.多真体的协作方法(1)决策网络和递归建模采用决策网络（又称作用图）来建立真体的动态模型。递归建模方法是：真体获取环境知识、其它真体知识和状态知识，并在此基础上建立递归决策模型。利用动态规划方法求解真体行为决策的表达。(2)Markov对策Markov对策以Nash平衡点（Nashequillibrum）作为协作的目标，从而将真体协作过程的收敛性和稳定性引入到真体协作的研究中。(3)真体学习方法主要的学习方法包括假设回合、贝叶斯学习和强化学习等。(4)决策树和对策树中南大学CentralSouthUniversity(CSU)2.多真体的协商技术协商是多真体系统实现协同、协作、冲突消解和矛盾处理的关键环节，其关键技术有协商协议、协商策略和协商处理三种。3.多真体的协调方法真体间的负面交互关系导致冲突，一般包括资源冲突、目标冲突和结果冲突。为实现冲突消解，必须研究真体的协调。真体间的不同协作类型将导致不同的协调过程。当前主要有4种协调方法，即基于集中规划的协调、基于协商的协调、基于对策的协调和基于社会规划的协调。中南大学CentralSouthUniversity(CSU)7.3.3多真体的学习与规划1.多真体的学习对于一些应用，在设计多真体系统时，要准确定义系统的行为以适应各种需求是相当困难的，甚至是无法做到的。这就要求多真体系统具有学习能力。学习能力是衡量多真体系统和其它智能系统的重要特征之一。多真体学习有许多需要深入研究的课题，包括多真体学习的概念和原理、具有学习能力的MAS模型和体系结构、适应MAS学习特征的新方法以及MAS多策略和多观点学习等。2.多真体的规划规划是连接精神状态（如打算、设想等）与执行动作的桥梁。对MAS的规划研究，目前主要方法有二种：一种可在世界状态间转换的抽象结构，如与或图。另一种是一类复杂的真体精神状态。中南大学CentralSouthUniversity(CSU)7.4多真体控制系统的工作原理7.4.1MAS控制系统的基本原理和结构图8.11基于真体的控制原理执行器环境传感器真体中南大学CentralSouthUniversity(CSU)规则库决策与任务分配传感器n传感器1传感器2控制器n控制器1控制器2执行器n执行器1执行器2真体1真体2真体n环境（受控对象）………图8.12反应式MAS控制系统原理中南大学CentralSouthUniversity(CSU)任务级优化级上级真体世界模型关节真体PID控制器电动机环境角度传感器碰撞传感器实际位置碰撞期望角度角度位置数据目标矢量···关节真体PID控制器电动机角度传感器碰撞传感器实际位置碰撞期望角度角度位置数据中南大学CentralSouthUniversity(CSU)真体世界协作层受控对象规划层控制层通信模块协作模块协作模型规划推理模块自体模型控制模块对象模型知识库图8.14复合式MAS分层控制系统结构中南大学CentralSouthUniversity(CSU)7.4.2MAS控制系统的信息模型1.控制层模型与功能受控对象接口信息服务状态判断、计算或推理对象感知、采集模型维护预处理模型库知识库参数库任务请求执行规划层对象模型中南大学CentralSouthUniversity(CSU)2.规划层模型与功能联合行动请求直接任务协作层修改失败失败失败结果信息任务信息接口、监控规划与中间结果分析一致性处理与执行跟踪信念维护事件监控执行任务调度当前规划栈plans接口控制层SLPlanLibIntsGoalsBeliefs自体模型信息服务激活选择中南大学CentralSouthUniversity(CSU)3.协作层模型与功能分解真体执行部分信息接口、监控接口信息处理一致性检查JPlans真体世界规划层任务结果信息失败任务JP访问、修改Jints直接任务与访问联合规划产生修改协商JGJIntsSLJPLibPlibMB信息接口、监控信息服务激活评估中南大学CentralSouthUniversity(CSU)7.5MAS控制系统的设计示例产品模型具有优先关系的装配规划任务分解离线阶段在线阶段高层任务指令低层机器人指令机械手1机械手2机械手3已装配产品任务分配轨迹规划与机器人控制误差消除监控任务执行基于MAS的多机械手装配系统规划与控制1.系统操作流程中南大学CentralSouthUniversity(CSU)机械手1机械手控制器1奔腾400零件进料器旋转台OmronPLC奔腾400局域以太网机械手2机械手控制器2奔腾400机械手3机械手控制器3奔腾4002.系统硬件描述中南大学CentralSouthUniversity(CSU)3.真体系统结构调度真体世界状态真体辅件真体容错真体监控真体用户用户接口通讯真体轨迹规划真体图形模拟图机械手真