面向agent技術(shù)在城軌交通自動監(jiān)控數(shù)字仿真中的應(yīng)用摘　要:針對國產(chǎn)化軌道交通列車自動監(jiān)控(ATS)系統(tǒng)建模、仿真方法存在的問題,研究采用agent技術(shù)進(jìn)行軌道交通ATS系統(tǒng)全數(shù)字仿真的思路和實現(xiàn)方法.設(shè)計了基于多Agent的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和語義描述,建立了6類agent的結(jié)構(gòu)模型,并制定了它們的功能屬性和控制流程.采用時間步長法的進(jìn)程推進(jìn)機(jī)制和活動掃描法的仿真策略,在VC++6.0開發(fā)環(huán)境下,實現(xiàn)了ATS系統(tǒng)可視化仿真.該方法降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度.系統(tǒng)具有可重用性和可擴(kuò)展性.關(guān)鍵詞:城市軌道交通;面向agent技術(shù);多agent系統(tǒng);自動監(jiān)控;數(shù)字仿真 城市軌道交通具有運能大、速度快、安全、準(zhǔn)時、乘坐舒適、節(jié)約能源以及能夠緩解地面交通擁擠和有利于環(huán)境保護(hù)等多方面的優(yōu)點,因此它將在城市市內(nèi)交通中占有重要地位.隨著城市社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,城市在交通問題上面臨著越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),采用自動化、智能化的快速軌道交通解決日益嚴(yán)重的城市交通問題已經(jīng)成為城市交通發(fā)展的大趨勢. 根據(jù)城市軌道交通系統(tǒng)列車運行的特征,既要保證列車運行安全可靠,又要盡量縮短行車間隔時間和提高軌道交通線路的輸送能力,列車運行控制系統(tǒng)(automatictraincontrol,ATC)可以較好地達(dá)到上述目的.ATC系統(tǒng)由列車超速防護(hù)(automatictrainprotection,ATP)、列車自動駕駛(automatictrainoperation,ATO)及列車自動監(jiān)控(automatictrainsupervision,ATS)3個子系統(tǒng)構(gòu)成[1].ATS子系統(tǒng)的功能主要是實現(xiàn)對列車運行的監(jiān)督和控制[2],輔助行車調(diào)度人員對全線列車運行進(jìn)行管理. 對ATS系統(tǒng)進(jìn)行全數(shù)字可視化仿真,具有成本低、高效率、操作方便、易觀測等顯著優(yōu)勢.1面向agent的ATS數(shù)字仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的建立　　 面向agent(AO)的方法是繼面向數(shù)據(jù)流(DFO)[3]、面向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(DSO)、面向?qū)ο?OO)之后成為新一代的軟件開發(fā)方法.面向agent的軟件系統(tǒng)具有自治性、協(xié)作性、反應(yīng)性和主動性的基本特性. ATS系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng),采用面向?qū)ο蠓椒ń＿^程復(fù)雜[4],同時考慮到ATS系統(tǒng)仿真適于分布式仿真,所以非常適合采用agent技術(shù)建模,因為軌道交通系統(tǒng)中對象的屬性隨時間的推移及事件的更新而發(fā)生有規(guī)可循的變化,鑒于ATS系統(tǒng)具有這種智能化自動控制的特點,所以ATS全數(shù)字仿真適合采用agent技術(shù)實現(xiàn). 在ATS系統(tǒng)中涉及的因素很多,根據(jù)仿真對象的側(cè)重,作者抽象出6大類agent,即仿真控制中心agent(SCC-agent)、實體agent(entity-agent)、仿真環(huán)境agent(VME-agent)、系統(tǒng)agent(system-agent)、人機(jī)界面agent(MMI-agent)、運行圖agent(TD-agent).其中,實體agent在仿真控制中心agent內(nèi)部,是線路agent(line-agent)、信號機(jī)agent(signal-agent)、列車agent(train-agent)和車站agent(station-agent)4個agent的統(tǒng)稱. 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)被設(shè)計為3層結(jié)構(gòu):控制層、狀態(tài)層和顯示層(見圖1).結(jié)構(gòu)中的每一個層次都代表不同的agent,每個agent都是一個高度自治的實體,具有各自的功能,解決一定的問題,當(dāng)問題需要協(xié)作解決時,它們之間通過消息傳遞和信息共享相互協(xié)作,相互配合,實現(xiàn)對軌道交通的監(jiān)控與管理. 該系統(tǒng)由system-agent存儲各個agent的狀態(tài)(未觸發(fā)或已觸發(fā))和系統(tǒng)時鐘.系統(tǒng)啟動時,首先由SCC-agent讀取數(shù)據(jù)庫,初始化VME-agent、MMI-agent、系統(tǒng)時鐘比例和初始時間等.在系統(tǒng)按照系統(tǒng)時鐘掃描的一個周期內(nèi),系統(tǒng)事件按照時刻表被觸發(fā),VME-agent中存儲的設(shè)備環(huán)境狀態(tài)發(fā)生變化.該變化被相應(yīng)的entity-agent感知,entity-agent將感知的結(jié)果反映給SCC-agent,經(jīng)SCC-agent整合與處理,制定出監(jiān)控策略,下放到VME-agent.改變相應(yīng)設(shè)備狀態(tài),VME-agent再將這些變化與MMI-agent進(jìn)行通信,MMI-agent將改變了的設(shè)備重新顯示.TD-agent通過VME-agent獲取時刻表信息,并將調(diào)整的列車計劃通過VME-agent傳送至SCC-agent.SCC-agent是一個智能的知識系統(tǒng),其內(nèi)部的entity-agent的各個設(shè)備間可實時進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,SCC-agent主要負(fù)責(zé)區(qū)段運行監(jiān)控任務(wù),實時進(jìn)行監(jiān)控策略的調(diào)整.各層agent的具體功能如下: 1仿真控制中心agent.SCC-agent的職責(zé)是負(fù)責(zé)將列車運行計劃(列車運行圖信息)以及突發(fā)情況下的列車運行變更計劃實時下達(dá)到仿真環(huán)境agent,并對反饋的信息作出處理,即列車運行控制. 2仿真環(huán)境agent.VME-agent通過在輸入、輸出通信器總線上偵聽,可以獲取模擬盤上設(shè)備的狀態(tài)(道岔的定、反位等),把這些區(qū)段占用、空閑狀態(tài),線路、車站的構(gòu)成,列車群的運行等信息發(fā)送到環(huán)境模型中,控制列車的運行方向.向SCC-agent提供軌道電路占用情況,列車計劃的調(diào)整信息,并將處理SCC-agent的列控編碼輸出寫入仿真環(huán)境中. 3底層控制agent.底層控制agent包括線路agent、列車agent、信號機(jī)agent、車站agent.分別接收來自VME-agent的軌道電路控制信息、列車信息、信號機(jī)信息和車站信息,它們并不直接對這些狀態(tài)信息作出處理,而是將其實時通知給SCC-agent, 由其作出決策. 4人機(jī)界面agent.通過MMI-agent的控制界面,設(shè)置設(shè)備運行環(huán)境模型中的線路設(shè)備狀態(tài),實現(xiàn)特定環(huán)境的仿真.通過MMI-agent提供的監(jiān)視控制界面,可以觀察列車在線路上運行的完整仿真過程.實現(xiàn)系統(tǒng)控制功能,包括初始化條件的選擇、模型的選擇、系統(tǒng)啟動和停止等功能以及電務(wù)維護(hù)檢測信息的接收和查詢等.各種條件和故障的設(shè)置:軌道電路、信號機(jī)、道岔等設(shè)備的故障設(shè)置;線路斷軌、區(qū)控中心故障等的設(shè)置及測試結(jié)果數(shù)據(jù)的報表輸出. 5運行圖agent.運行圖agent提供用戶操作界面進(jìn)行列車運行圖的編制,提供列車運行圖繪制修改工具;調(diào)整列車運行計劃,通過VME-agent向SCC-agent設(shè)備下達(dá)控制命令. 6系統(tǒng)agent.系統(tǒng)agent實時顯示各個agent子系統(tǒng)運行狀態(tài)及協(xié)調(diào)各個agent子系統(tǒng)的系統(tǒng)時鐘,使agent保持同步.2agent的結(jié)構(gòu)模型和語義表達(dá)[5～9]　　 在本系統(tǒng)中,有兩種結(jié)構(gòu)的agent,其中SCC-agent是混合式agent,這里稱為agentI ;entity-agent,VME-agent,system-agent,MMI-agent,TD-agent是反應(yīng)式agent,被統(tǒng)稱為agentII .agentI 的結(jié)構(gòu)定義為:局部數(shù)據(jù)、知識庫、處理過程、處理機(jī)和通信器等,如圖2所示. agentII 是不包含符號表示,并且不使用復(fù)雜的符號推理的主體.它僅根據(jù)當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)和功能模塊作出相應(yīng)的反應(yīng).agent 的結(jié)構(gòu)定義為:感知器、行為器、功能模塊和通信器. 在具體實現(xiàn)中,agent主要由感知模塊、通信模塊、處理模塊、知識庫、信念庫和數(shù)據(jù)庫組成.感知模塊負(fù)責(zé)感知環(huán)境中與問題有關(guān)的信息.它表示agent感知能力,當(dāng)觸發(fā)條件滿足時激活.通信模塊負(fù)責(zé)與其它agent之間可靠的數(shù)據(jù)通信,這里采用端-端基于消息的通信方式.處理模塊是一個推理機(jī)模塊,它使agent具有智能化,可以進(jìn)行復(fù)雜的知識處理.知識庫是指導(dǎo)多agent協(xié)同工作的核心,也是所有智能活動的依據(jù).數(shù)據(jù)庫存放系統(tǒng)的運行參數(shù).信念庫存放調(diào)度員的偏好信息,如運行圖人工調(diào)整時的參考量等.它與數(shù)據(jù)庫及知識庫的區(qū)別在于存放的數(shù)據(jù)是針對具體決策人員的,其大部分信息都是在用戶使用系統(tǒng)過程中形成的偏好信息.agent的語義描述采用數(shù)理邏輯的范式表達(dá):〈Aid,目標(biāo),感知器,通信機(jī)制,信息處理器,效應(yīng)器,知識庫,數(shù)據(jù)庫,信念庫〉其中各因素又可進(jìn)一步用巴科斯范式(Backus-NaurForm,BNF)給出其語義描述為:〈agent〉∷=〈Aid〉〈目標(biāo)〉〈感知器〉〈通信機(jī)制〉〈效應(yīng)器〉〈信息處理器〉〈知識庫〉〈數(shù)據(jù)庫〉〈信念庫〉〈Aid〉∷=〈agent名〉〈目標(biāo)〉∷=〈任務(wù)表〉〈感知器〉∷=〈激活條件〉〈信息流〉〈通信機(jī)制〉∷={〈通信原語〉(〈通信內(nèi)容〉)}〈通信原語〉∷=〈command〉|〈require〉|〈accept〉|〈reject〉|〈information〉|〈cancel〉〈通信內(nèi)容〉∷=〈發(fā)送者〉〈接收者〉〈時間〉〈信息流〉〈效應(yīng)器〉∷={〈信息處理名〉(〈信息處理描述〉)}〈信息處理模塊〉∷=〈控制器〉〈類比匹配機(jī)制〉〈內(nèi)部執(zhí)行機(jī)制〉〈推理機(jī)制〉〈控制器〉∷={〈控制命令〉}〈類比匹配機(jī)制〉∷=〈映射機(jī)制〉〈匹配度計算方法〉〈內(nèi)部執(zhí)行機(jī)制〉∷={〈內(nèi)部執(zhí)行動作〉}〈推理機(jī)制〉∷={〈推理規(guī)則〉}〈數(shù)據(jù)庫〉∷={〈數(shù)據(jù)庫文件〉}〈信念庫〉∷={〈數(shù)據(jù)庫文件〉}3系統(tǒng)的實現(xiàn)方案 系統(tǒng)由仿真數(shù)據(jù)庫為仿真現(xiàn)場提供各種數(shù)據(jù).仿真核心軟件根據(jù)站場及列車信息,按照列車運行與信號控制邏輯規(guī)則模擬出列車的運行情況,給以圖像顯示,提供逼真、穩(wěn)定的仿真環(huán)境.仿真數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用SQLServer2000開發(fā),系統(tǒng)核心軟件通過ADO對其進(jìn)行訪問.數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)由靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)組成,由數(shù)據(jù)庫管理員系統(tǒng)管理.其中靜態(tài)數(shù)據(jù)由描述信號點邏輯關(guān)系和時刻表數(shù)據(jù)構(gòu)成.動態(tài)數(shù)據(jù)由系統(tǒng)運行后不斷變化的列車信息、信號點狀態(tài)等構(gòu)成.數(shù)據(jù)庫管理員具有一般數(shù)據(jù)庫的維護(hù)管理功能,如數(shù)據(jù)查詢、增加、刪除、修改和報表輸出等.數(shù)據(jù)庫表包括列車時刻表(分為車次信息、車站信息、線路信息等)、信號機(jī)、仿真線路(分為無岔區(qū)段、單動道岔區(qū)段等)、列車(群)等設(shè)備信息和圖形信息. 本仿真系統(tǒng)由前面所劃分的6個agent子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫構(gòu)成.ATS仿真系統(tǒng)是一個MAS(多agent系統(tǒng)),可以更好地解決分布式系統(tǒng)的協(xié)作問題,包括各agent之間的通信方式、編碼規(guī)則、通信過程和具體的DCOM接口實現(xiàn). agent之間通信協(xié)作的必要條件是每個agent要有標(biāo)準(zhǔn)的通信接口,通信接口之間交互的信息流要按照標(biāo)準(zhǔn)的格式組織,即按照一定的編碼規(guī)則(相當(dāng)于通信協(xié)議)進(jìn)行通信.系統(tǒng)中詳細(xì)定義了這些編碼規(guī)則. 實現(xiàn)6個agent通信是通過有6個DCOM接口,ILine,ITrain,ISignal,IStation,ISystem,INotify.下面舉例說明線路接口的定義.interfaceISimLine:Iunknown{HRESULTGetLine([in]intlineId,[out]DCOM_Line*line);獲取一條線路的簡化屬性HRESULTGetSimLine([in]intlineId,[out]DCOM_SimLine*simline);獲取一條線路的屬性HRESULTGetLineArray([out,in]int*psizeInOut,[out,size_is(*psizeInOut)]DCOM_Lineline[]);獲取一組線路的簡化屬性HRESULTGetLineArrayById([out,in]int*psizeInOut,[out,in,size_is(*psizeInOut)]DCOM_Lineline[];根據(jù)線路ID獲取其簡化屬性HRESULTSetTempSpeed([in]intdevId,[in]floatTempSpeed);設(shè)置臨時線速……}; 在本系統(tǒng)仿真中,實現(xiàn)了可視化的數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)顯示.前者的可視化通過輔助繪圖工具ATSDraw實現(xiàn),后者可視化體現(xiàn)在MMI-agent和TD-agent圖形界面.在程序?qū)崿F(xiàn)時,借助了MFC的GDI功能. 利用計算機(jī)初步實現(xiàn)了ATS基本功能,驗證了系統(tǒng)設(shè)計的正確性.實現(xiàn)的具體功能有: 1仿真列車控制中心(SCC)對全線控制范圍內(nèi)的列車運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視; 2實現(xiàn)由控制中心時刻表或人工控制車站聯(lián)鎖設(shè)備,排列進(jìn)路,開放信號,可人工設(shè)置設(shè)備運行環(huán)境模型中的線路設(shè)備狀態(tài),實現(xiàn)特定環(huán)境的仿真; 3實現(xiàn)列車的跟蹤及車次號碼顯示; 4系統(tǒng)工作狀態(tài)、進(jìn)路狀態(tài)、軌道占用、車次信息、道岔位置,故障報警等信息在控制中心顯示裝置(MMI)上顯示; 5列車運行計劃自動下達(dá); 6列車運行圖的編輯和生成; 7對列車運行圖(行車計劃)進(jìn)行人工調(diào)整. 系統(tǒng)的編程環(huán)境為Win98/2000/NT,開發(fā)平臺采用VC++6.0.實現(xiàn)agent的技術(shù)基礎(chǔ)是計算機(jī)的進(jìn)程與線程技術(shù).4 結(jié)　論 本仿真系統(tǒng)采用agent技術(shù)進(jìn)行模型的建立和系統(tǒng)模塊的設(shè)計,使得系統(tǒng)中各個實體對象(agent)具有高度自治性,能夠?qū)ν饨绱碳ぷ詣幼鞒龇磻?yīng),使得系統(tǒng)具有智能性. MAS系統(tǒng)采用功能分解方式對仿真任務(wù)進(jìn)行劃分,將系統(tǒng)不同功能分配給不同的agent.各agent之間以標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行通信,并相互協(xié)作完成ATS系統(tǒng)任務(wù).每個agent可以存在于網(wǎng)絡(luò)中任何位置,客戶無需知道被調(diào)用對象的位置和實現(xiàn)細(xì)節(jié),可以通過發(fā)送消息來調(diào)用對象所擁有的方法,具有靈活性的優(yōu)點.系統(tǒng)具有良好的可重用性和可擴(kuò)展(升級)性. 本仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了北京一號線上,仿真列車在線路上運行的全過程. 基于監(jiān)控系統(tǒng)的需要,作者采用可視化界面顯現(xiàn)列車運行全過程,具有友好的人機(jī)交互界面功能,使得調(diào)度人員易于觀察和控制. 基于agent的軌道交通控制與仿真的研究是一個嶄新的研究領(lǐng)域,是計算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)在交通領(lǐng)域的最新應(yīng)用,是運用當(dāng)今最新的科技成果解決軌道交通問題的內(nèi)在要求.參考文獻(xiàn):[1]　孫有望,李云清.城市軌道交通概論[M].北京:中國鐵道出版社,2000.SunYouwang,LiYunqing.Conspectusofurbanguidedtransport[M].Beijing:ChinaRailwayPublishingHouse,2000.(inChinese)[2]　孫　章,何宗華,徐金祥.城市軌道交通概論[M].北京:中國鐵道出版社,2000.SunZhang,HeZonghua,XuJinxiang.Conspectusofurbanguidedtransport[M].Beijing:ChinaRailwayPublishingHouse,2000.(inChinese)[3]　凌　云,王　勛,費玉蓮.智能技術(shù)與信息處理[M].北京:科學(xué)出版社,2003.LingYun,WangXun,FeiYulian.Artificaltechnologyandinformationprocessing[M].Beijing:SciencePress,2003.(inChinese)[4]PaolucciM,PesentlR.Anobject-orientedapproachTODiscrete-eventsimulationappliedtoundergroundrailwaysystems[J].Simulation,1999(6):372-383.[5]　王紅衛(wèi).建模與仿真[M].北京:科學(xué)出版社,2003. WangHongwei.Modelandsimulation[M].Beijing:SciencePress,2003.(inChinese)[6]ShohamY.Agent-orientedprogramming[J].ArtificialIntelligence,1993,60(1):51-92.[7]LarssonJE,Hayes-RothB.Guardian:Anintelligentautonomousagentformedicalmonitoringanddiagnosis[J].IEEEIntelligentSystems&TheirApplications,1998,13(1):58-64.[8]HuangJ,JenningsNR,FoxJ.Anagent-basedapproachtohealthcaremanagement[J].IntJournalofAppliedArtificialIntelligence,1995,9(4):401-420.[9]　趙懷慈,黃莎白.基于Agent的復(fù)雜系統(tǒng)智能仿真建模方法的研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2003,15(7):910-913.ZhaoHuaici,HuangShabai.Modelingandsimulationofagent-orientedcomplexsystem[J].JournalofSystemSimulation,2003,15(7):910-913.(inChinese)