CN103425818A - 基于分布式多智能体塔群防碰撞系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式多智能体塔群防碰撞系统的控制方法，步骤包括：步骤1：在塔群的每个塔机上都设置一个子Agent，子Agent之间进行联网；步骤2：分布式塔群多智能体采用并行工作模式，其中的子Agent实现单机功能，通过信息采集模块、功能决策模块及输出控制模块，分别实现本塔机的信息采集、功能决策及输出控制；步骤3：按照预先设定在子Agent的通讯模块内的通讯协议，实现子Agent之间的分时调度控制。本发明的系统控制方法，塔群塔机之间的通讯顺畅，防碰计算实时性好，控制过程可靠，各个塔机运行安全顺利。

Description

基于分布式多智能体塔群防碰撞系统的控制方法

技术领域

本发明属于塔群安全控制技术领域，用于多塔机协同作业时的防碰撞控制，具体涉及一种基于分布式多智能体塔群防碰撞系统的控制方法。

背景技术

塔式起重机（亦称塔机）是建设房屋和桥梁的主要运输作业工具。塔机工作重心高、起重载荷大、运行速度快，工作中蕴藏较多的危险因素，特别是在现代大型建筑工地，在多塔机协同工作的塔群情景下，塔机之间更容易发生碰撞等恶性事故。

智能体（Agent）最早出现在人工智能领域，是一种具有感知、决策以及交互、控制能力的个体。分布式多智能体(Multi-Agent System简称MAS)是由多个智能体组成的系统，多智能体系统（MAS）作为解决复杂系统的一个有效方法，能够利用并行分布式处理技术和模块化设计思想，把复杂系统划分成相对独立的智能体，通过各个智能体之间的合作与竞争来完成相对复杂问题的求解。

塔群系统是典型的分布式离散系统，系统在执行塔群防碰撞功能时，需要获得自身塔机的运行状态信息，以及相邻塔机的位置信息，由于塔机空间位姿复杂，三维防碰撞空间计算量大，现有技术中存在算法实时性差，工作效率低。利用分布式多智能体系统理论建立系统模型，由于并行处理保证控制系统的实时性，解决离散系统的随机性，成为一种可行的系统研究方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于分布式多智能体塔群防碰撞系统的控制方法，解决了现有技术中存在的塔群防碰撞系统计算量大，实时性差，工作效率低的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于分布式多智能体塔群防碰撞系统的控制方法，按照以下步骤实施：

步骤1：设置分布式多智能体

在塔群的每个塔机上都设置一个子Agent，子Agent之间进行联网；

步骤2：实现子Agent的单独功能模块

分布式塔群多智能体采用并行控制，其中的子Agent实现单机功能，通过信息采集模块、功能决策模块及输出控制模块，分别实现本塔机的信息采集、功能决策及输出控制；

步骤3：实现子Agent之间的通讯及调度控制

按照预先设定在子Agent的通讯模块内的通讯协议，实现子Agent之间的分时调度控制。

本发明有益效果是：采用分布式多智能体系统理论建模，1）在分布式多智能体结构中，整个系统的防碰撞任务被分散到各个塔机的子Agent中，各子Agent决策的制定和任务的执行表现出并行的特点，这种并行处理机制大大提高了问题求解的效率。2）考虑到各个塔机工作的随机性，采用分布式多智能体模型，各塔机的Agent在结构和功能上彼此独立，即使其中个别塔机的子Agent出现故障，不会影响其他塔机的Agent的正常工作，也不会影响整个系统的控制节奏。3）各个塔机的Agent之间的信息交互机制，采用广播与时分调度相结合的控制方式，主节点自主产生，不会因一个主节点发生故障导致整个系统瘫痪，确保通讯网络顺利重组，确保了塔机信息交互的实时性。

附图说明

图1是本发明方法中的塔群分布式多智能体的通讯协议流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

根据分布式多智能体理论，塔群防碰撞系统可以采用集中控制模式或分布式控制模式。集中控制模式，要求每一个塔机上安装子Agent（控制器）外，每一个工地需要配制一个主Agent，负责收集工地每一个子Agent采集到的数据，根据所有塔机的状态进行决策计算，并对各个塔机发送相应的控制信息。在集中控制模式中，子Agent只负责获取本机信息并与主Agent进行信息交互，子Agent之间不直接进行通讯，子Agent不进行决策计算；这样一来，主Agent需要同时完成多台塔机的调度和控制，数据处理负荷大，主Agent要求具有很强的计算能力。塔机在高速运转时，线速度较高，要求塔机防碰撞系统的实时性较高，集中控制方式信息传输效率低，不能满足塔群系统防碰撞的实时性要求。此外，集中控制模式中，整个塔群的功能决策完全依赖于主Agent，一旦主Agent出现问题，将导致整个塔群的瘫痪，系统的容错性能差。最后，集中式控制不适用于建筑工地上塔机工作随机性的特点。

本发明采用的塔群防碰撞系统实施例，在N台塔机组成的塔群，每个塔机上都设置一个子Agent（即一个嵌入式塔机安全监控智能体），它们之间无主次之分，处于平等地位，所有子Agent组成一个通讯网络，按预先设定的通讯协议，进行信息的交换，同时，子Agent并行工作，执行各自的功能决策与控制输出。这种分布式多智能体结构中，整个塔群的防碰撞任务被分散到各个塔机的子Agent中，各个子Agent选择有利于自己局部利益的控制策略和决策目标，自主地做出决策，决策的制定和任务的执行表现出并行的特点，这种并行处理机制大大提高了问题求解效率。

本发明的子Agent（多智能体）内含的功能模块，包括

1）信息采集模块：主要用于采集本塔机的状态参数，包括塔机转角、吊重、小车变幅、吊重高度以及风速参数。

2）功能决策模块：利用相邻塔机的状态信息数据，实时作出决策与控制的判断；

3）输出控制模块：输出控制信号及时阻止司机的危险操作，保证安全；

4）（无线）通讯模块：预置有通讯协议流程程序，实现各个塔机上子Agent之间的数据传输。

本发明的基于分布式多智能体塔群防碰撞系统的控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：设置分布式多智能体

在塔群采用分布式多智能体的结构，每个塔机上都设置一个子Agent，子Agent之间进行联网，每个Agent各自具有信息获取、控制决策以及信息交换的功能，以及对本塔机实施输出控制，能够满足系统实时性的要求。

步骤2：实现子Agent的单独功能模块

对塔群分布式多智能体进行并行控制，其中的子Agent实现单机功能，采用嵌入式系统结构或采用PLC实现，通过信息采集模块、功能决策模块及输出控制模块，分别实现本塔机的信息采集、功能决策及输出控制，（即各种传感器数据的采集、塔机防碰撞算法的实现以及被动控制输出），上述功能的实现在已公开的专利如“塔式起重机运行安全状态监控仪”（ZL200620078954.5），或者一些论文如“塔机群防互撞及区域保护系统设计”（太原师范学院学报，作者：洪志刚，张纪龙，2004年6月，Vol3,No.2）中有详细描述，这些方法都能用于子Agent的实现。

步骤3：实现子Agent之间的通讯及调度控制

对于分布式多智能体，子Agent之间的通讯是塔机获取相邻塔机状态的手段，通讯协议的设定必须保证子Agent之间通讯的实时性。子Agent的通讯模块采用ISM的433MHz频段，解决了2.4GHz频段绕射能力差的缺陷；子Agent采用Cortex-M3平台为核心，解决了普通无线模块处理速度和存储资源不足的缺点，最终实现较复杂的无线传感网络路由协议。

参照图1，本发明控制方法中的通讯协议的一种实施例是，基于分时调度算法，（同一工地的塔群）塔机启动，子Agent首先采集其他塔机节点的序号，并根据节点间序号排序，并判断本塔机序号是否最低，序号最小则本塔机为工地通讯网络的主节点，其他的塔机子Agent则称为子节点，不是主节点的塔机子Agent则等待本工地主节点发送调度时隙；

如果本塔机确定为主节点，主节点将在规定时隙内向各子节点发送时隙调度信息以及本塔机的测量参数，该规定时隙（定时周期T1）根据塔群数据发送频率确定，一般设置为250ms；然后，本塔机将返回重新判断自己是否为主节点；

如果本塔机确定为子节点，则等待主节点发送时隙调度信息，如果接收到主节点的时隙调度信号，本塔机子Agent将在规定时隙内发送本塔机的测量参数，如果在规定时隙内不能收到主节点的调度时隙，本塔机将返回重新判断自己是否为主节点；

主节点每循环一次都会检测自己序号是否最小，子节点在时隙调度周期内无法收到主节点的时隙调度信息，也会重新判断自己的序号是否最小。

该协议模式，主要是为了避免主节点停机或者其它原因死机造成通讯网络的失效的事故，保证网络在主节点停机或有新的小序号节点上线的情况下，网络能够自动重组，产生新的主节点，从而保证整个塔群的无线数据传输顺畅。

本发明方法采用的无线通讯协议具有以下优点：1）基于分时调度算法，该算法主节点拥有分配各个塔机节点发送数据的时隙，大大提高了频段利用率，解决了无线数据的冲突问题；2）主节点通过自主产生机制，该算法采用主节点序号选举法，当由于某个塔机停机或者其它原因导致主节点不能正常工作时，其它塔机节点以节点序号排序重新选择新的主节点，实现剩余塔机节点的有序传输，保证整个网络的正常运行。

实施例

塔群包括6台塔机构成，每台塔机的子Agent均采用嵌入式Cortex-M3平台，对塔机的5个状态信息进行采样（包括转角、幅度、高度、吊重和风速），单台塔机的数据采样频率为100毫秒，子Agent执行一次防碰撞算法的周期为200毫秒。考虑塔机的最快转速为270度/分钟（或4度/秒），为了保证防碰撞算法的实时性，子Agent之间的通讯频率设置为250毫秒/次（即所有塔机之间信息交换频率为250毫秒/次），

对于塔机之间的防碰撞算法，塔机之间无线通讯方式设置为：通讯波特率为9600b/s的异步传送，塔机之间每帧数据采用10位时隙调度信息符号传送，包括无奇偶校验位、8位数据位和1位停止位，

时隙调度信息符号的10位格式为：每帧数据均以‘’符开始，‘\n’结束，格式为“+A+S+R+H+J+\n”；其中，A为本机塔号(0～9)，B为令牌目标机号(0～9)，S为本机塔臂转角信息，R为本机小车幅度位置信息（或动臂塔机仰角信息），H为本机吊钩高度信息，J为循环校验码。塔机各种状态信息采用ASCII编码方式，高位在前，低位在后，如，塔机转角为140度，则转角信息的发送顺序为“1”+“4”+“0”，按三个字符发送；

通过实施本发明的分布式多智能体防碰撞控制方法，该工地6台塔机之间的通讯顺畅，防碰计算实时性好，控制过程可靠，各个塔机运行安全顺利。

Claims (4)

1.一种基于分布式多智能体塔群防碰撞系统的控制方法，其特点在于：按照以下步骤实施：

步骤1：设置分布式多智能体

在塔群的每个塔机上都设置一个子Agent，子Agent之间进行联网；

步骤2：实现子Agent的单独功能模块

分布式塔群多智能体采用并行控制，其中的子Agent实现单机功能，通过信息采集模块、功能决策模块及输出控制模块，分别实现本塔机的信息采集、功能决策及输出控制；

步骤3：实现子Agent之间的通讯及调度控制

按照预先设定在子Agent的通讯模块内的通讯协议，实现子Agent之间的分时调度控制。

2.根据权利要求1所述的基于分布式多智能体塔群防碰撞系统的控制方法，其特点在于：所述的步骤3中，子Agent的通讯模块基于Cortex-M3的平台，采用ISM的433MHz频段。

3.根据权利要求1所述的基于分布式多智能体塔群防碰撞系统的控制方法，其特点在于：所述的步骤3中，通讯协议的程序设置基于分时调度算法，子Agent首先采集其他塔机节点的序号，并根据节点间序号排序，并判断本塔机序号是否最低，序号最小则本塔机为工地通讯网络的主节点，其他的塔机子Agent则称为子节点；

如果本塔机确定为主节点，主节点将在规定时隙内向各子节点发送时隙调度信息以及本塔机的测量参数，然后，本塔机将返回重新判断自己是否为主节点；

如果本塔机确定为子节点，则等待主节点发送时隙调度信息，如果接收到主节点的时隙调度信号，本塔机子Agent将在规定时隙内发送本塔机的测量参数，如果在规定时隙内不能收到主节点的调度时隙，本塔机将返回重新判断自己是否为主节点；

主节点每循环一次都会检测自己序号是否最小，子节点在时隙调度周期内无法收到主节点的时隙调度信息，也会重新判断自己的序号是否最小。

4.根据权利要求3所述的基于分布式多智能体塔群防碰撞系统的控制方法，其特点在于：所述的塔机之间每帧数据采用10位时隙调度信息符号传送，包括无奇偶校验位、8位数据位和1位停止位，

时隙调度信息符号的10位格式为：每帧数据均以‘’符开始，‘\n’结束，格式为“+A+S+R+H+J+\n”；其中，A为本机塔号，B为令牌目标机号，S为本机塔臂转角信息，R为本机小车幅度位置信息，H为本机吊钩高度信息，J为循环校验码；

塔机各种状态信息采用ASCII编码方式，高位在前，低位在后。