基于IA思想的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)優(yōu)勢及實(shí)現(xiàn)方案

引言

現(xiàn)場總線的出現(xiàn)促進(jìn)了現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，并且使現(xiàn)場控制的功能功咿大。它基本上可以很好地解決DCS所存在的問題?；诂F(xiàn)場總線產(chǎn)品的控制系統(tǒng)（FCS）將是工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。不過目前統(tǒng)一的總線通訊協(xié)議尚未形成，雖然現(xiàn)場總線在其它領(lǐng)域應(yīng)用較多，如：智能建筑，但是在現(xiàn)場控制系統(tǒng)中應(yīng)用的并不是十分廣泛。

針對目前控制系統(tǒng)中存在的問題，考慮到長遠(yuǎn)發(fā)展趨勢和實(shí)際情況，國內(nèi)已經(jīng)提出現(xiàn)場總線和DCS網(wǎng)絡(luò)集成的現(xiàn)場控制系統(tǒng)。同時(shí)，許多生產(chǎn)廠家推出了遠(yuǎn)程智能I/O裝置，作為DCS向FCS發(fā)展的中間過度產(chǎn)品。

但不管怎樣改進(jìn)，其控制系統(tǒng)的可靠性都是通過單個(gè)設(shè)備的可靠性和關(guān)鍵部件的冗余來實(shí)現(xiàn)的。有鑒于此，我們借鑒了分布式人工智能領(lǐng)域中智能代理協(xié)同工作的思想，提出一種基于IA（Intelligent Agent）思想的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的研究思路。本文就該思路的學(xué)術(shù)構(gòu)想、有關(guān)IA理論及其基于IA思想的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工作原理和實(shí)施方案進(jìn)行了探討。

1、IA有關(guān)理論

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其基于網(wǎng)絡(luò)的分布計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，智能Agent技術(shù)已經(jīng)成為人工智能領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。那究竟什么是Intelligent Agent呢？

廣義的Intelligent Agent包括人類、物理世界里的移動機(jī)器人和信息世界中的軟件機(jī)器人。狹義的Intelligent Agent是指信息世界中的軟件機(jī)器人或機(jī)器。具體地說，能完成一定任務(wù)的一臺計(jì)算機(jī)就可算是一個(gè)Agento它是代表用戶或其他程序，以主動服務(wù)的方式完成一組操作的機(jī)動計(jì)算實(shí)體。這里講的“主動服務(wù)”有兩層含義，一方面是指主動適應(yīng)：即在完成操作的過程中，利用關(guān)于操作對象的知識以及關(guān)于用戶意圖和偏好的知識；另一方面是指主動代理：即對一些任務(wù)無須用戶發(fā)出具體指令，只要當(dāng)前狀態(tài)符合某種條件，就可以代表用戶或其他程序完成相應(yīng)的操作。

Intelligent Agent具有以下一些特性：

（1）代理性（Agent）；

（2）智能性（Intelligent）；

（3）自主性（Autonomy）；

（4）移動性（Mobility）。

一個(gè)系統(tǒng)中一般有多個(gè)Intelligent Agent，這樣的系統(tǒng)就稱為多Agent系統(tǒng)。多Agent系統(tǒng)必須找出一種使各個(gè)Agent能夠協(xié)同工作的適當(dāng)方法。這種方法是建立在多個(gè)Agent系統(tǒng)資源共享和各Agent自主性之上的。雖然獨(dú)立的Agent有各自分散的目標(biāo)、知識和推理過程，但它們之間必須有一種方法能夠相互協(xié)調(diào)、相互幫助以找到整個(gè)系統(tǒng)的目標(biāo)。這樣，多個(gè)Agent完成整個(gè)系統(tǒng)目標(biāo)的過程便稱為多Agent之間的協(xié)作及協(xié)商［刻。它一直是多Agent系統(tǒng)研究的核心問題。它的實(shí)現(xiàn)涉及到多Agent系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)、通信、開發(fā)方法和智能體編程語言等問題。

在此，我們最關(guān)心的是多Agent系統(tǒng)之間的通信。它包含3個(gè)方面的內(nèi)容：通信范式、通信協(xié)議和通信語言。多Agent系統(tǒng)的通信范式有共享全局內(nèi)存、消息傳遞及二者的結(jié)合。它的通信協(xié)議包含3種含義：網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議、高層交互行框架和對所交換的通信原語的約束。至于多Agent系統(tǒng)之間的通信語言有以下要求：形式簡單，易于理解，語法可開展，方便與其它系統(tǒng)集成，內(nèi)容具有層次性，語義規(guī)范，能保證Agent間通信的可靠性和安全性等等。

2、系統(tǒng)原理與實(shí)現(xiàn)方案

根據(jù)以上Intelligent Agent協(xié)同工作的思想，我們提出了一種基于IA思想的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

何謂基于IA的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)呢？即在一個(gè)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)、智能儀表為具有一定智能的自主代理，它們具有Intelligent Agent的一些特性，通過它們之間的協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)多Agent之間的協(xié)作及協(xié)商思想，從而共同完成整個(gè)控制系統(tǒng)的任務(wù)，以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

在傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)和各個(gè)智能儀表便可以構(gòu)成了一個(gè)個(gè)Intelligent Agent單元。我們在采用現(xiàn)場總線作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提升網(wǎng)絡(luò)中所連接的智能儀表、控制器等的功能，加之一定軟、硬件就可以將其設(shè)計(jì)成為一個(gè)個(gè)Intelligent Agent?；贗A思想的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工作原理大致可用圖1來簡單說明。

在上圖中，I1占、E1、E2、C1、C2均為Intelligent Agent單元，I1、I2為智能儀表，它們負(fù)責(zé)信號采集及預(yù)處理，并確定將信號發(fā)往何處；E1、E2為智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)；C1、C2為控制器，它們負(fù)責(zé)各自節(jié)點(diǎn)的控制任務(wù)，并定期給各自節(jié)點(diǎn)的智能儀表發(fā)送存在信號。整個(gè)控制系統(tǒng)采用總線式結(jié)構(gòu)，以便于控制節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)充和通信。

在傳統(tǒng)的DCS或FCS系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性是建立在關(guān)鍵部件控制器C1和C2的身上。一旦C1或C2出現(xiàn)故障，則它們所負(fù)責(zé)的控制節(jié)點(diǎn)便癱瘓。為了確保整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，一般需要給控制器C1和C2作一備份控制器。這樣一來，整個(gè)系統(tǒng)的工程造價(jià)便變得十分昂貴，性能價(jià)格比低下。

而基于IA思想的總線控制系統(tǒng)又是如何工作的呢？

正常工作情況下，控制器Cl從智能儀表I1接收現(xiàn)場信號，并負(fù)責(zé)執(zhí)行機(jī)構(gòu)E1的控制任務(wù)；控制器C2從智能儀表I2接收現(xiàn)場信號，并負(fù)責(zé)執(zhí)行機(jī)構(gòu)E2的控制任務(wù)。兩個(gè)小系統(tǒng)之間互不干擾，相互獨(dú)立地工作。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，例如：C1出現(xiàn)故障，I1不能接收到C1的存在信號，便確認(rèn)CI出現(xiàn)故障，于是將現(xiàn)場信號傳送給控制器C2；C2在完成其正常的工作情況下，承擔(dān)起C1的工作，使整個(gè)系統(tǒng)仍能正常地運(yùn)行工作。當(dāng)C1恢復(fù)正常以后，I1停止向C2發(fā)送現(xiàn)場信號，C1重新把控制任務(wù)接管過來。這樣就實(shí)現(xiàn)了依靠各個(gè)智能代理之間的合作來提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，而不需要通過單個(gè)設(shè)備的可靠性和關(guān)鍵部件的冗余來提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性的做法。

另外，由于各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)之間可以任意通信，當(dāng)面對復(fù)雜的控制任務(wù)時(shí)，可以通過多個(gè)控制器代理來協(xié)同完成該任務(wù)。

實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)的具體方案如下：

考慮到本系統(tǒng)降低成本的要求，結(jié)合現(xiàn)有總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，以CAN總線作為整個(gè)系統(tǒng)的通信平臺。在此，我們只要在設(shè)計(jì)每個(gè)Intelligent Agent的時(shí)候，給每個(gè)模塊加上CAN通信控制器芯片和CAN總線收發(fā)器芯片，通信線路只需普通雙絞線即可，這樣便可實(shí)現(xiàn)各個(gè)Intelligent Agent之間的任意通信。同時(shí)以單片機(jī)系統(tǒng)作為硬件支撐，用C51語言作為軟件開發(fā)工具，使其與傳統(tǒng)的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成智能信號檢測代理和智能執(zhí)行代理，從而構(gòu)成整個(gè)基于IA的自動控制系統(tǒng)。

總的來說，與現(xiàn)存的各種現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)相比較，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）不同于現(xiàn)有控制系統(tǒng)通過單個(gè)設(shè)備的可靠性和關(guān)鍵部件的冗余來提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性的做法，依靠各個(gè)智能代理之間的合作來提高可靠性。這樣，單個(gè)智能代理的可靠性不一定高，但整個(gè)系統(tǒng)的可靠性很高。

（2）整個(gè)控制系統(tǒng)在處理系統(tǒng)故障等異常突發(fā)事件方面具有智能性。具有智能的自主代理知道在什么情況下將信息傳送到何處，該做何種處理，處理功能具有智能化。

（3）系統(tǒng)的性能如可靠性和快速性可以具有很好的擴(kuò)展性。在現(xiàn)場總線上可以增加控制器代理或其他信息處理代理，并在系統(tǒng)中注冊。這樣，對于復(fù)雜的任務(wù)可以通過多個(gè)代理的協(xié)同工作來完成。

3、結(jié)論

本論文的研究是在Intelligent Agent的理論基礎(chǔ)上，針對當(dāng)今各種現(xiàn)場控制中存在的不足，進(jìn)行改進(jìn)嘗試。目前本研究項(xiàng)目已經(jīng)完成硬件平臺和軟件的設(shè)計(jì)調(diào)試工作，正處于系統(tǒng)調(diào)試階段。期望最終實(shí)現(xiàn)具有成本低、可靠性高、智能化等特點(diǎn)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

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