面向agent技术在城轨交通自动监控数字仿真中的应用摘 要:针对国产化轨道交通列车自动监控(ATS)系统建模、仿真方法存在的问题,研究采用agent技术进行轨道交通ATS系统全数字仿真的思路和实现方法.设计了基于多Agent的系统体系结构和语义描述,建立了6类agent的结构模型,并制定了它们的功能属性和控制流程.采用时间步长法的进程推进机制和活动扫描法的仿真策略,在VC++6.0开发环境下,实现了ATS系统可视化仿真.该方法降低了系统设计的复杂度.系统具有可重用性和可扩展性.关键词:城市轨道交通;面向agent技术;多agent系统;自动监控;数字仿真 城市轨道交通具有运能大、速度快、安全、准时、乘坐舒适、节约能源以及能够缓解地面交通拥挤和有利于环境保护等多方面的优点,因此它将在城市市内交通中占有重要地位.随着城市社会经济的发展和城市化进程的加快,城市在交通问题上面临着越来越严峻的挑战,采用自动化、智能化的快速轨道交通解决日益严重的城市交通问题已经成为城市交通发展的大趋势. 根据城市轨道交通系统列车运行的特征,既要保证列车运行安全可靠,又要尽量缩短行车间隔时间和提高轨道交通线路的输送能力,列车运行控制系统(automatictraincontrol,ATC)可以较好地达到上述目的.ATC系统由列车超速防护(automatictrainprotection,ATP)、列车自动驾驶(automatictrainoperation,ATO)及列车自动监控(automatictrainsupervision,ATS)3个子系统构成[1].ATS子系统的功能主要是实现对列车运行的监督和控制[2],辅助行车调度人员对全线列车运行进行管理. 对ATS系统进行全数字可视化仿真,具有成本低、高效率、操作方便、易观测等显著优势.1面向agent的ATS数字仿真系统体系结构的建立 面向agent(AO)的方法是继面向数据流(DFO)[3]、面向数据结构(DSO)、面向对象(OO)之后成为新一代的软件开发方法.面向agent的软件系统具有自治性、协作性、反应性和主动性的基本特性. ATS系统是一个庞大的系统,采用面向对象方法建模过程复杂[4],同时考虑到ATS系统仿真适于分布式仿真,所以非常适合采用agent技术建模,因为轨道交通系统中对象的属性随时间的推移及事件的更新而发生有规可循的变化,鉴于ATS系统具有这种智能化自动控制的特点,所以ATS全数字仿真适合采用agent技术实现. 在ATS系统中涉及的因素很多,根据仿真对象的侧重,作者抽象出6大类agent,即仿真控制中心agent(SCC-agent)、实体agent(entity-agent)、仿真环境agent(VME-agent)、系统agent(system-agent)、人机界面agent(MMI-agent)、运行图agent(TD-agent).其中,实体agent在仿真控制中心agent内部,是线路agent(line-agent)、信号机agent(signal-agent)、列车agent(train-agent)和车站agent(station-agent)4个agent的统称. 系统的体系结构被设计为3层结构:控制层、状态层和显示层(见图1).结构中的每一个层次都代表不同的agent,每个agent都是一个高度自治的实体,具有各自的功能,解决一定的问题,当问题需要协作解决时,它们之间通过消息传递和信息共享相互协作,相互配合,实现对轨道交通的监控与管理.
该系统由system-agent存储各个agent的状态(未触发或已触发)和系统时钟.系统启动时,首先由SCC-agent读取数据库,初始化VME-agent、MMI-agent、系统时钟比例和初始时间等.在系统按照系统时钟扫描的一个周期内,系统事件按照时刻表被触发,VME-agent中存储的设备环境状态发生变化.该变化被相应的entity-agent感知,entity-agent将感知的结果反映给SCC-agent,经SCC-agent整合与处理,制定出监控策略,下放到VME-agent.改变相应设备状态,VME-agent再将这些变化与MMI-agent进行通信,MMI-agent将改变了的设备重新显示.TD-agent通过VME-agent获取时刻表信息,并将调整的列车计划通过VME-agent传送至SCC-agent.SCC-agent是一个智能的知识系统,其内部的entity-agent的各个设备间可实时进行数据通讯,SCC-agent主要负责区段运行监控任务,实时进行监控策略的调整.各层agent的具体功能如下: 1仿真控制中心agent.SCC-agent的职责是负责将列车运行计划(列车运行图信息)以及突发情况下的列车运行变更计划实时下达到仿真环境agent,并对反馈的信息作出处理,即列车运行控制. 2仿真环境agent.VME-agent通过在输入、输出通信器总线上侦听,可以获取模拟盘上设备的状态(道岔的定、反位等),把这些区段占用、空闲状态,线路、车站的构成,列车群的运行等信息发送到环境模型中,控制列车的运行方向.向SCC-agent提供轨道电路占用情况,列车计划的调整信息,并将处理SCC-agent的列控编码输出写入仿真环境中. 3底层控制agent.底层控制agent包括线路agent、列车agent、信号机agent、车站agent.分别接收来自VME-agent的轨道电路控制信息、列车信息、信号机信息和车站信息,它们并不直接对这些状态信息作出处理,而是将其实时通知给SCC-agent, 由其作出决策. 4人机界面agent.通过MMI-agent的控制界面,设置设备运行环境模型中的线路设备状态,实现特定环境的仿真.通过MMI-agent提供的监视控制界面,可以观察列车在线路上运行的完整仿真过程.实现系统控制功能,包括初始化条件的选择、模型的选择、系统启动和停止等功能以及电务维护检测信息的接收和查询等.各种条件和故障的设置:轨道电路、信号机、道岔等设备的故障设置;线路断轨、区控中心故障等的设置及测试结果数据的报表输出. 5运行图agent.运行图agent提供用户操作界面进行列车运行图的编制,提供列车运行图绘制修改工具;调整列车运行计划,通过VME-agent向SCC-agent设备下达控制命令. 6系统agent.系统agent实时显示各个agent子系统运行状态及协调各个agent子系统的系统时钟,使agent保持同步.2agent的结构模型和语义表达[5～9] 在本系统中,有两种结构的agent,其中SCC-agent是混合式agent,这里称为agentI ;entity-agent,VME-agent,system-agent,MMI-agent,TD-agent是反应式agent,被统称为agentII .agentI 的结构定义为:局部数据、知识库、处理过程、处理机和通信器等,如图2所示.
agentII 是不包含符号表示,并且不使用复杂的符号推理的主体.它仅根据当前环境状态和功能模块作出相应的反应.agent 的结构定义为:感知器、行为器、功能模块和通信器. 在具体实现中,agent主要由感知模块、通信模块、处理模块、知识库、信念库和数据库组成.感知模块负责感知环境中与问题有关的信息.它表示agent感知能力,当触发条件满足时激活.通信模块负责与其它agent之间可靠的数据通信,这里采用端-端基于消息的通信方式.处理模块是一个推理机模块,它使agent具有智能化,可以进行复杂的知识处理.知识库是指导多agent协同工作的核心,也是所有智能活动的依据.数据库存放系统的运行参数.信念库存放调度员的偏好信息,如运行图人工调整时的参考量等.它与数据库及知识库的区别在于存放的数据是针对具体决策人员的,其大部分信息都是在用户使用系统过程中形成的偏好信息.agent的语义描述采用数理逻辑的范式表达:〈Aid,目标,感知器,通信机制,信息处理器,效应器,知识库,数据库,信念库〉其中各因素又可进一步用巴科斯范式(Backus-NaurForm,BNF)给出其语义描述为:〈agent〉∷=〈Aid〉〈目标〉〈感知器〉〈通信机制〉〈效应器〉〈信息处理器〉〈知识库〉〈数据库〉〈信念库〉〈Aid〉∷=〈agent名〉〈目标〉∷=〈任务表〉〈感知器〉∷=〈激活条件〉〈信息流〉〈通信机制〉∷={〈通信原语〉(〈通信内容〉)}〈通信原语〉∷=〈command〉|〈require〉|〈accept〉|〈reject〉|〈information〉|〈cancel〉〈通信内容〉∷=〈发送者〉〈接收者〉〈时间〉〈信息流〉〈效应器〉∷={〈信息处理名〉(〈信息处理描述〉)}〈信息处理模块〉∷=〈控制器〉〈类比匹配机制〉〈内部执行机制〉〈推理机制〉〈控制器〉∷={〈控制命令〉}〈类比匹配机制〉∷=〈映射机制〉〈匹配度计算方法〉〈内部执行机制〉∷={〈内部执行动作〉}〈推理机制〉∷={〈推理规则〉}〈数据库〉∷={〈数据库文件〉}〈信念库〉∷={〈数据库文件〉}3系统的实现方案 系统由仿真数据库为仿真现场提供各种数据.仿真核心软件根据站场及列车信息,按照列车运行与信号控制逻辑规则模拟出列车的运行情况,给以图像显示,提供逼真、稳定的仿真环境.仿真数据库系统采用SQLServer2000开发,系统核心软件通过ADO对其进行访问.数据库的数据由静态数据和动态数据组成,由数据库管理员系统管理.其中静态数据由描述信号点逻辑关系和时刻表数据构成.动态数据由系统运行后不断变化的列车信息、信号点状态等构成.数据库管理员具有一般数据库的维护管理功能,如数据查询、增加、删除、修改和报表输出等.数据库表包括列车时刻表(分为车次信息、车站信息、线路信息等)、信号机、仿真线路(分为无岔区段、单动道岔区段等)、列车(群)等设备信息和图形信息. 本仿真系统由前面所划分的6个agent子系统和数据库构成.ATS仿真系统是一个MAS(多agent系统),可以更好地解决分布式系统的协作问题,包括各agent之间的通信方式、编码规则、通信过程和具体的DCOM接口实现. agent之间通信协作的必要条件是每个agent要有标准的通信接口,通信接口之间交互的信息流要按照标准的格式组织,即按照一定的编码规则(相当于通信协议)进行通信.系统中详细定义了这些编码规则. 实现6个agent通信是通过有6个DCOM接口,ILine,ITrain,ISignal,IStation,ISystem,INotify.下面举例说明线路接口的定义.interfaceISimLine:Iunknown{HRESULTGetLine([in]intlineId,[out]DCOM_Line*line);获取一条线路的简化属性HRESULTGetSimLine([in]intlineId,[out]DCOM_SimLine*simline);获取一条线路的属性HRESULTGetLineArray([out,in]int*psizeInOut,[out,size_is(*psizeInOut)]DCOM_Lineline[]);获取一组线路的简化属性HRESULTGetLineArrayById([out,in]int*psizeInOut,[out,in,size_is(*psizeInOut)]DCOM_Lineline[];根据线路ID获取其简化属性HRESULTSetTempSpeed([in]intdevId,[in]floatTempSpeed);设置临时线速……}; 在本系统仿真中,实现了可视化的数据输入和数据显示.前者的可视化通过辅助绘图工具ATSDraw实现,后者可视化体现在MMI-agent和TD-agent图形界面.在程序实现时,借助了MFC的GDI功能. 利用计算机初步实现了ATS基本功能,验证了系统设计的正确性.实现的具体功能有: 1仿真列车控制中心(SCC)对全线控制范围内的列车运行状态进行监视; 2实现由控制中心时刻表或人工控制车站联锁设备,排列进路,开放信号,可人工设置设备运行环境模型中的线路设备状态,实现特定环境的仿真; 3实现列车的跟踪及车次号码显示; 4系统工作状态、进路状态、轨道占用、车次信息、道岔位置,故障报警等信息在控制中心显示装置(MMI)上显示; 5列车运行计划自动下达; 6列车运行图的编辑和生成; 7对列车运行图(行车计划)进行人工调整. 系统的编程环境为Win98/2000/NT,开发平台采用VC++6.0.实现agent的技术基础是计算机的进程与线程技术.4 结 论 本仿真系统采用agent技术进行模型的建立和系统模块的设计,使得系统中各个实体对象(agent)具有高度自治性,能够对外界刺激自动作出反应,使得系统具有智能性. MAS系统采用功能分解方式对仿真任务进行划分,将系统不同功能分配给不同的agent.各agent之间以标准接口进行通信,并相互协作完成ATS系统任务.每个agent可以存在于网络中任何位置,客户无需知道被调用对象的位置和实现细节,可以通过发送消息来调用对象所拥有的方法,具有灵活性的优点.系统具有良好的可重用性和可扩展(升级)性. 本仿真系统实现了北京一号线上,仿真列车在线路上运行的全过程. 基于监控系统的需要,作者采用可视化界面显现列车运行全过程,具有友好的人机交互界面功能,使得调度人员易于观察和控制. 基于agent的轨道交通控制与仿真的研究是一个崭新的研究领域,是计算机技术、人工智能技术在交通领域的最新应用,是运用当今最新的科技成果解决轨道交通问题的内在要求.参考文献:[1] 孙有望,李云清.城市轨道交通概论[M].北京:中国铁道出版社,2000.SunYouwang,LiYunqing.Conspectusofurbanguidedtransport[M].Beijing:ChinaRailwayPublishingHouse,2000.(inChinese)[2] 孙 章,何宗华,徐金祥.城市轨道交通概论[M].北京:中国铁道出版社,2000.SunZhang,HeZonghua,XuJinxiang.Conspectusofurbanguidedtransport[M].Beijing:ChinaRailwayPublishingHouse,2000.(inChinese)[3] 凌 云,王 勋,费玉莲.智能技术与信息处理[M].北京:科学出版社,2003.LingYun,WangXun,FeiYulian.Artificaltechnologyandinformationprocessing[M].Beijing:SciencePress,2003.(inChinese)[4]PaolucciM,PesentlR.Anobject-orientedapproachTODiscrete-eventsimulationappliedtoundergroundrailwaysystems[J].Simulation,1999(6):372-383.[5] 王红卫.建模与仿真[M].北京:科学出版社,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] 赵怀慈,黄莎白.基于Agent的复杂系统智能仿真建模方法的研究[J].系统仿真学报,2003,15(7):910-913.ZhaoHuaici,HuangShabai.Modelingandsimulationofagent-orientedcomplexsystem[J].JournalofSystemSimulation,2003,15(7):910-913.(inChinese)
