碩士論文基于MAS的家居能量系統(tǒng)的Agent實(shí)現(xiàn)及其智能管理

1、重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文基于mas的家居能量系統(tǒng)的agent實(shí)現(xiàn)及其智能管理碩士研究生： 指導(dǎo)教師： 學(xué)科專業(yè)：控制理論與控制工程重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院二oo七年五月ph.d. dissertation of chongqing universitymas-based home energy management system and its intelligent agent ph.d. candidate: supervisor: prof. major: control theory and control engineeringcollege of automation chongqing u

2、niversitymay 2007摘 要隨著社會(huì)信息化的加快，人們的工作、生活和通訊、信息的關(guān)系日益緊密。信息化社會(huì)在改變?nèi)藗兩罘绞脚c工作習(xí)慣的同時(shí)，也對(duì)傳統(tǒng)的住宅提出了挑戰(zhàn)，社會(huì)、技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步更使人們的觀念隨之巨變。人們對(duì)家居的要求早已不只是物理空間，更為關(guān)注的是一個(gè)智能、安全、方便、舒適的居家環(huán)境。于是為了適應(yīng)信息化時(shí)代要求，智能這個(gè)概念被引入了家庭，由此產(chǎn)生了智能家居這個(gè)概念。智能家居可以定義為以住宅為平臺(tái)、兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通信、設(shè)備自動(dòng)化、信息家電，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體，實(shí)現(xiàn)高效、舒適、安全、便利、環(huán)保、節(jié)能的居住、娛樂(lè)的自動(dòng)化系統(tǒng)。作為人工智能成果之一的智能agent

3、技術(shù)也逐漸被中外學(xué)者引入并成為探討家居智能化的新方向。agent的原意是“代理”或“中介”的意思，也被稱為“智能主體”或者“智能代理”，它是一種能夠模擬人類行為，具備代理性、智能性并能提供相應(yīng)服務(wù)的計(jì)算實(shí)體。將具有不同目標(biāo)的多個(gè)agent進(jìn)行合理的組合，即構(gòu)成了多agent系統(tǒng)（mufti-agent system，mas）。mas作為分布式人工智能的典型應(yīng)用，具有按需協(xié)作、松散耦合的運(yùn)行方式，這些特點(diǎn)與智能控制系統(tǒng)的需求完全吻合。論文分析了現(xiàn)有家居能量設(shè)備集中控制解決方案的不足，結(jié)合多agent技術(shù)，建立了基于mas的家居能量系統(tǒng)模型maes(multi-agent-based home e

4、nergy system)，并給出了模型的主要組成結(jié)構(gòu)。同時(shí)，歸納出模型中的各種agent，設(shè)計(jì)出各種agent的功能、結(jié)構(gòu)模型和實(shí)現(xiàn)方式。論文重點(diǎn)研究了家居能量系統(tǒng)模型中的多agent通信與學(xué)習(xí)的問(wèn)題。首先系統(tǒng)地研究了現(xiàn)有的多agent通信方式和通信語(yǔ)言，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合家居環(huán)境的實(shí)際情況，提出了基于通信服務(wù)器模式的多agent通信模型。然后深入地研究了agent學(xué)習(xí)問(wèn)題，在家居能量系統(tǒng)中，對(duì)某些具有特殊功能的agent增加其學(xué)習(xí)能力，將會(huì)使系統(tǒng)的性能得到改善，于是本文提出了一種基于長(zhǎng)期得益的多agent協(xié)作學(xué)習(xí)算法。該算法將長(zhǎng)期得益的估計(jì)值作為動(dòng)作的選擇策略，最大的估計(jì)值相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作既是

5、當(dāng)前最好動(dòng)作。由于該算法使得每個(gè)agent都要考慮后繼狀態(tài)和動(dòng)作得益，并采用聯(lián)合動(dòng)作的長(zhǎng)期得益作為學(xué)習(xí)的線索，所以更有利于尋找最優(yōu)聯(lián)合動(dòng)作策略。本文將該算法應(yīng)用在熱水器的恒溫系統(tǒng)中，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該算法使學(xué)習(xí)過(guò)程建立在較好的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，從而更快地趨近于最優(yōu)狀態(tài)，達(dá)到快速恒溫的目的。基于mas技術(shù)對(duì)家居能量系統(tǒng)的研究，有利于對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)分析，可以較好的解決家居環(huán)境中即插即用的問(wèn)題，同時(shí)也有利于降低家庭組網(wǎng)的成本，有助于加快家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的制定。關(guān)鍵詞：智能家居，agent，mas，家居能量系統(tǒng)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)abstractkeywords：目 錄1 緒 論1.1 智能家居概述1.1.1 智能

6、家居的出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)的高速發(fā)展給整個(gè)社會(huì)帶來(lái)了巨大變化，以信息為紐帶實(shí)現(xiàn)人、家電設(shè)備以及社會(huì)的融通，是人們對(duì)舒適、方便生活方式的追求，也是社會(huì)發(fā)展的必然。為了適應(yīng)信息化時(shí)代的要求，在家居方面，世界上一些科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)將智能大廈的概念和模式引進(jìn)智能小區(qū)，并進(jìn)一步引進(jìn)家庭，由此產(chǎn)生了智能家居這一概念。家庭是社會(huì)的細(xì)胞，只有家庭實(shí)現(xiàn)信息化，才能真正實(shí)現(xiàn)社會(huì)的信息化，才可能建立一個(gè)名副其實(shí)的信息社會(huì)。實(shí)現(xiàn)家庭信息化，建立完善的智能家居系統(tǒng)則是必由之路。智能家居是指將各種信息設(shè)備和住宅設(shè)備通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，并保持這些設(shè)備與住宅的協(xié)調(diào)，從而構(gòu)筑成舒適安全的信息化居住空間，以便于實(shí)現(xiàn)在信息社會(huì)中富有創(chuàng)

7、造性的生活。智能家居旨在提供安全、舒適、方便的居住環(huán)境，滿足人們?cè)诩抑猩睢⒐ぷ?、娛?lè)和交流的需要，提供安全防護(hù)、社區(qū)管理和人們外出時(shí)了解家居狀況的手段。智能家居主要實(shí)現(xiàn)的功能可大致歸納為六類：1) 安防及消防報(bào)警自動(dòng)化；2) 家電設(shè)施智能化；3) 物業(yè)管理自動(dòng)化；4) 信息和通訊自動(dòng)化；5) 各設(shè)備之間的協(xié)同工作；6) 環(huán)境與節(jié)能，即家居能量系統(tǒng)的智能控制。1.1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r隨著人們對(duì)生活質(zhì)量、居住條件、信息獲取的需求更加迫切，家居信息化成為社會(huì)信息化過(guò)程中的一個(gè)很重要環(huán)節(jié)。信息社會(huì)是一個(gè)極度廣泛的概念，一般說(shuō)來(lái)，信息社會(huì)主要包括三個(gè)內(nèi)容，即辦公信息化、家庭信息化、公共設(shè)施信息化。目

8、前，辦公信息化和公共設(shè)施信息化已經(jīng)受到各方面的極大重視，而且已經(jīng)在一定深度和廣度上加以實(shí)施。相對(duì)于辦公信息化和公共設(shè)施的信息化，家居信息化還處于滯后狀態(tài)。近年來(lái)，世界上不少有識(shí)之士已意識(shí)到家庭信息化的重要性，把發(fā)展家庭信息化作為一個(gè)極其重要的方向來(lái)考慮。要實(shí)現(xiàn)家庭信息化，建立完善的智能家居系統(tǒng)則是必由之路。智能家居系統(tǒng)在發(fā)達(dá)國(guó)家起步較早，始于20世紀(jì)80年代，某智能化住宅小區(qū)裝備有各種通信、家電、安保等設(shè)施，通過(guò)總線技術(shù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、控制與管理等智能功能。自此之后，美國(guó)、加拿大、歐洲、澳大利亞和東南亞等經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家先后提出了各種智能家居的方案。目前，全球最大的智能化住宅

9、群位于美國(guó)，其占地3359公頃，約由8000棟小別墅組成，每棟別墅設(shè)置有16個(gè)信息點(diǎn)，僅綜合布線造價(jià)就達(dá)2200萬(wàn)美元。日本幕張也建有一個(gè)類似的高標(biāo)準(zhǔn)示范性住宅小區(qū)。在新加坡、歐洲和臺(tái)灣地區(qū)等，也都建有不少應(yīng)用智能化系統(tǒng)的住宅小區(qū)。美國(guó)、日本都已對(duì)住宅小區(qū)智能化系統(tǒng)制定了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而一些發(fā)達(dá)國(guó)家已把應(yīng)用于智能化居住小區(qū)的基礎(chǔ)產(chǎn)品形成系列，相當(dāng)一部分產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)了國(guó)際質(zhì)量認(rèn)證，在國(guó)際市場(chǎng)上占據(jù)優(yōu)勢(shì)。目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)的智能信息家電和智能家居類的產(chǎn)品主要有：1) neywell公司的智能家庭產(chǎn)品；2) jds公司出品的stargate家居自動(dòng)化系統(tǒng)；3) hai公司出品的ni智能家居系統(tǒng)；4) ha

10、l公司出品的aldeluxe智能家居系統(tǒng)；5) vantage公司的家居自動(dòng)化系統(tǒng)。我國(guó)智能家居的發(fā)展始于上個(gè)世紀(jì)九十年代末，由建設(shè)部住宅產(chǎn)業(yè)中心頒布的全國(guó)智能化住宅小區(qū)系統(tǒng)示范工程建設(shè)要點(diǎn)與技術(shù)導(dǎo)則（試行稿）帶動(dòng)和促進(jìn)了我國(guó)智能化住宅小區(qū)的建設(shè)。目前，我國(guó)的智能化住宅小區(qū)還僅建于經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，如大部分省會(huì)城市和直轄市以及經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的沿海大中城市等。隨著時(shí)間的推移，隨著技術(shù)的發(fā)展，隨著人們生活水平的提高，智能化住宅小區(qū)將會(huì)逐漸擴(kuò)展，在一些中小城市，也將建成一大批智能化住宅小區(qū)，甚至將小區(qū)擴(kuò)大為一個(gè)智能化社區(qū)或城市。自2000年以來(lái)，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)開(kāi)始研究網(wǎng)絡(luò)家電，并且相繼推出了自己的產(chǎn)品

11、。但是，由于沒(méi)有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各廠家所用的技術(shù)差異較大。為此，原國(guó)家經(jīng)貿(mào)委、信息產(chǎn)業(yè)部及數(shù)家企業(yè)于2000年聯(lián)合成立了工作組，討論制定了一個(gè)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，2003年1月中國(guó)家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范已提交信息產(chǎn)業(yè)部，相關(guān)技術(shù)規(guī)范將進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)制定流程。雖然我國(guó)智能家居相關(guān)產(chǎn)品的研制相對(duì)于國(guó)外起步較晚，尚未形成一定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但近幾年在政府的大力扶持下，國(guó)內(nèi)很多公司和科研機(jī)構(gòu)紛紛參與到家庭網(wǎng)絡(luò)及信息家電相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)工作中，并著手制定中國(guó)的家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。2000年12月，中美科龍智能控制聯(lián)合研發(fā)中心研制開(kāi)發(fā)的“現(xiàn)代家居信息服務(wù)及智能集散控制系統(tǒng)”問(wèn)世，并在北京通過(guò)專家鑒定。該系統(tǒng)有

12、效地集成了家電控制、家電遠(yuǎn)程故障診斷維護(hù)和家庭娛樂(lè)等功能。2001年，清華同方推出了“e-home數(shù)字家園”，e-home是清華同方為中國(guó)家庭及社區(qū)提供的全方位數(shù)字化解決方案，著眼于最基本的社會(huì)單元家庭。e-home包括三個(gè)層次：家庭自動(dòng)化、小區(qū)智能化、社區(qū)信息化。其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)人們生活、工作的網(wǎng)絡(luò)化。2001年，在信息產(chǎn)業(yè)部的組織下，由國(guó)內(nèi)海爾、長(zhǎng)虹、春蘭、上廣電、小天鵝、長(zhǎng)信佳、廈新、阜國(guó)、清華同方、tcl、中興和中電科技集團(tuán)三所12家單位組成“家庭網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)接口標(biāo)準(zhǔn)組”，經(jīng)過(guò)近三年的努力，借鑒和參考國(guó)際上現(xiàn)有的各種智能互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)多次論證形成了標(biāo)準(zhǔn)并提交標(biāo)準(zhǔn)組進(jìn)行討論，目前大組中的討論還在

13、繼續(xù)。2003年6月，合肥工業(yè)大學(xué)分布式控制實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的國(guó)家十五攻關(guān)項(xiàng)目“信息家電及嵌入式組網(wǎng)技術(shù)研究”通過(guò)省級(jí)鑒定。該項(xiàng)目對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的共性關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，提出的信息家電組網(wǎng)方案及智能家居的體系架構(gòu)先進(jìn)合理、可行性好，研制的家居服務(wù)器和智能家居系統(tǒng)功能齊全、性價(jià)比高。2003年7月，以聯(lián)想為首的5家中國(guó)企業(yè)結(jié)成“閃聯(lián)”。“閃聯(lián)”的意圖不在制定標(biāo)準(zhǔn)本身，而是利用中國(guó)的市場(chǎng)和生產(chǎn)要素來(lái)提高中國(guó)企業(yè)在“數(shù)字家庭聯(lián)盟”標(biāo)準(zhǔn)制定中的地位。這說(shuō)明在“信息家電時(shí)代”的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，中國(guó)企業(yè)已經(jīng)從產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)上升到標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)的層面。1.2 智能代理技術(shù)概述1.2.1 智能代理（agent）智能代理(age

14、nt)的概念起源于20世紀(jì)70年代，是一個(gè)新的研究和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，其內(nèi)容涉及到人工智能、信息檢索、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘、自然語(yǔ)言處理等領(lǐng)域的理論和技術(shù)，主要是人工智能(ai, artificial intelligence)方面的研究。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及基于網(wǎng)絡(luò)的分布式計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，智能代理(agent)技術(shù)研究逐漸成為人工智能領(lǐng)域的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，也成為分布式人工智能(distributed artificial intelligence, dai)的重要研究方向。agent的原意是“代理”或“中介”的意思，也被稱為“智能主體”或者“智能代理”，由于agent在不同學(xué)科領(lǐng)域中應(yīng)用時(shí)，

15、其結(jié)構(gòu)形式、功能要求和內(nèi)部特征上都存在著一定的差別，因此不同領(lǐng)域?qū)gent的定義也有所不同。雖然關(guān)于agent至今仍未有統(tǒng)一的定義，但有一種觀點(diǎn)得到眾多研究者的認(rèn)可，即具有以下屬性的硬件系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)被稱為agent：1) 自主性 (autonomy) ： agent可以在沒(méi)有人或其它agent直接干預(yù)的情況下運(yùn)行，并且具備某種對(duì)自己的行為和內(nèi)部狀態(tài)控制的能力。2) 社交性 (sociability) ：agent和其它agent或者是人可以通過(guò)agent交互語(yǔ)言進(jìn)行交流。3) 反應(yīng)性 (reactivity) ：agent觀察其環(huán)境 (可能是物理世界、圖形世界、一系列其它agent等

16、) ，并在一定的時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，以改變?cè)摥h(huán)境。4) 預(yù)動(dòng)性 (pre-activeness) ：agent不僅能簡(jiǎn)單地對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)，而且能夠通過(guò)接受某些啟示信息，體現(xiàn)出面向目標(biāo)的行為。在人工智能領(lǐng)域，研究者們更強(qiáng)調(diào)agent具有人類的特性，即agent除了包含以上那四個(gè)特性外，還應(yīng)該具有知識(shí)和信念、意圖和義務(wù)這兩個(gè)特性。知識(shí) (knowledge)意味著agent不僅要具有動(dòng)態(tài)收集信息的能力，而且可以對(duì)信息進(jìn)行推理，甚至可以按照特定的環(huán)境選擇相應(yīng)的推理策略；信念（beliefs）是對(duì)當(dāng)前事實(shí)的看法，它隨環(huán)境的變化而變化，并可與其它agent交互、共享。意圖（intention）反應(yīng)了agen

17、t在整個(gè)生命周期內(nèi)的長(zhǎng)期目標(biāo)，該目標(biāo)將產(chǎn)生許多短期目標(biāo)；義務(wù)（obligation）體現(xiàn)了為了達(dá)到短期目標(biāo)，agent將執(zhí)行一些單獨(dú)的任務(wù)，并負(fù)責(zé)任務(wù)的完成，即完成一定的義務(wù)。實(shí)際上，對(duì)agent還可以列舉出更多的特性，但目前還沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的一般性準(zhǔn)則來(lái)定義它。1.2.2 多智能體系統(tǒng)（multi-agent system，mas）所謂mas，是指由多個(gè)可計(jì)算的agent組成的集合。其中每個(gè)agent分別對(duì)其具有的不同目標(biāo)、資源等進(jìn)行合理的安排，以協(xié)調(diào)各自行為，最大程度地實(shí)現(xiàn)各自的目標(biāo)。從本質(zhì)上講，mas是一種典型的分布式系統(tǒng)，是由多個(gè)問(wèn)題求解實(shí)體組成，為求解一個(gè)單獨(dú)實(shí)體不能完成的任務(wù)而共同工

18、作的松耦合問(wèn)題求解網(wǎng)絡(luò)。mas的數(shù)據(jù)和資源是分散的，每個(gè)agent對(duì)于所要完成的任務(wù)擁有不全面的信息或能力，其執(zhí)行任務(wù)的觀念是局部的，不存在全局的控制系統(tǒng)，問(wèn)題的求解和計(jì)算異步進(jìn)行。目前，對(duì)mas的研究主要是從宏觀角度去研究，研究多個(gè)agent之間的相互協(xié)調(diào)和協(xié)作的原理以及實(shí)現(xiàn)的方式，包括在mas活動(dòng)中各agent之間的相互作用如何產(chǎn)生；每個(gè)agent成員的推理和行為決策如何考慮系統(tǒng)或環(huán)境中其它agent的存在；agent成員的目標(biāo)和行為之間可能的沖突檢測(cè)與協(xié)調(diào)，以及任務(wù)和資源的劃分與分配等。1.2.3 智能代理技術(shù)的研究?jī)?nèi)容與發(fā)展方向智能代理技術(shù)最初應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，隨著通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)

19、的迅速發(fā)展，其特性和功能也不斷地?cái)U(kuò)展，從軟件工程到分布式系統(tǒng)，從多媒體技術(shù)到internet技術(shù)，從經(jīng)濟(jì)決策到最優(yōu)化等等，都取得了一定的成果。這些領(lǐng)域都采用了mas的相關(guān)方法與技術(shù)，所以說(shuō)對(duì)mas的研究已經(jīng)成為各個(gè)領(lǐng)域的研究主流。 目前關(guān)于多agent系統(tǒng)的研究主要集中在如下幾個(gè)方面：1) agent模型mas中的agent必須對(duì)其它agent進(jìn)行建模，即如何在一定的抽象層次上描述其它agent的知識(shí)。這是多agent推理和協(xié)作的基礎(chǔ)。將agent視為具有意圖的智能系統(tǒng)，基于思維狀態(tài)的agent建模成為研究的主流。借鑒人類思維建立agent的bdi模型，進(jìn)而向多agent擴(kuò)展，分析社會(huì)承諾和聯(lián)

20、合意圖等概念，研究多agent群體的bdi模型。2) agent的通信這是實(shí)現(xiàn)agent間相互作用的基礎(chǔ)，涉及到agent之間聯(lián)系的物理方式、agent通信語(yǔ)言的理解和生成等。如果多agent系統(tǒng)是異質(zhì)的，則如何將不同的知識(shí)表示轉(zhuǎn)換成相同的通信語(yǔ)言也是一個(gè)重要問(wèn)題。3) 多agent間的協(xié)調(diào)與協(xié)作多agent的協(xié)調(diào)是指具有不同目標(biāo)的多個(gè)agent對(duì)其目標(biāo)、資源等進(jìn)行合理安排，以協(xié)調(diào)各自行為，以一致、和諧的方式進(jìn)行交互，最大程度的實(shí)現(xiàn)各自目標(biāo)。多agent協(xié)作是指多個(gè)agent通過(guò)協(xié)調(diào)各自行為，合作完成共同目標(biāo)。 mas在成為當(dāng)今各學(xué)科領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的同時(shí)，也逐漸從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，許多大型復(fù)

21、雜的應(yīng)用系統(tǒng)都采用了agent、mas的相關(guān)方法和技術(shù)，來(lái)解決應(yīng)用中的難點(diǎn)問(wèn)題。今后，mas的研究將著重對(duì)mas中的通信和交互技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)和組織形式、多agent間的協(xié)調(diào)與協(xié)作以及面向agent的程序設(shè)計(jì)方法等方面進(jìn)行研究。1.3 論文的研究背景和意義近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和廠商已經(jīng)意識(shí)到家庭信息化的重要性，把智能家居作為一個(gè)極其重要的方向來(lái)考慮，并紛紛投入技術(shù)力量和資金對(duì)其進(jìn)行研究和產(chǎn)業(yè)化。但智能家居要真正進(jìn)入市場(chǎng)，還有很多障礙需要克服，其技術(shù)障礙主要是如何建立比較經(jīng)濟(jì)的家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以及提供家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下價(jià)格便宜的信息家電產(chǎn)品，另外還有解決不同廠商生產(chǎn)的信息家電之間協(xié)同工作的問(wèn)題。本文

22、著重探討了智能家居系統(tǒng)中占有相當(dāng)比重的一部分家居能量控制系統(tǒng)，它著眼于解決智能家居中能量設(shè)備的集中控制和合理節(jié)能的問(wèn)題。研究如何采用mas技術(shù)的思想、方法和體系構(gòu)建一個(gè)家居能量系統(tǒng)的模型，用agent實(shí)現(xiàn)不同功能單元的控制和管理，最后通過(guò)agent之間的通信與合作實(shí)現(xiàn)整體的有機(jī)融合，分析和解決了其中的部分關(guān)鍵問(wèn)題，具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。信息家電是21世紀(jì)信息產(chǎn)品的發(fā)展方向，最為世界上最大的家電生產(chǎn)國(guó)之一的我們，更應(yīng)加快步伐，推出自己的、有特色的信息家電產(chǎn)品。通過(guò)對(duì)基于mas技術(shù)的家居能量系統(tǒng)進(jìn)行研究，建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能家居網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)加快我國(guó)信息家電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意

23、義。2 家居能量控制系統(tǒng)隨著進(jìn)入家庭的家電產(chǎn)品越來(lái)越多，家電產(chǎn)品的單體分散控制日益不便，迫切要求對(duì)家電設(shè)備集中控制。同時(shí)，為了提高家居生活的便利性與經(jīng)濟(jì)性，集中控制的同時(shí)是還要達(dá)到節(jié)能的目的。因此，根據(jù)當(dāng)前家庭狀況（家庭環(huán)境、時(shí)間、住戶活動(dòng)狀態(tài)）自動(dòng)協(xié)同和控制各家電設(shè)備的工作，便引入了家居能量控制系統(tǒng)。2.1 家居能量系統(tǒng)的內(nèi)容根據(jù)控制的對(duì)象和方式，能量控制系統(tǒng)包括照明控制系統(tǒng)、居室環(huán)境控制系統(tǒng)、廚房設(shè)備控制系統(tǒng)等，如圖2.1所示： 智能家居其他子系統(tǒng) 照明控制系統(tǒng)居室環(huán)境控制系統(tǒng)廚房設(shè)備控制系統(tǒng)其他能量控制子系統(tǒng)各類家庭電器設(shè)備家 庭 網(wǎng) 絡(luò) 家 庭 網(wǎng) 絡(luò)圖2.1家居能量系統(tǒng)的功能模塊圖照

24、明控制系統(tǒng)是對(duì)室內(nèi)的照明系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)住宅燈光的個(gè)性控制，一方面住戶可以通過(guò)控制器方便地管理任一電燈，如遙控其他房間里的電燈，而不用起身操作；另一方面根據(jù)住戶的活動(dòng)和住宅光線的狀態(tài)，自動(dòng)進(jìn)行照明系統(tǒng)的調(diào)整。居室環(huán)境控制系統(tǒng)是指一方面接收住戶的指令啟關(guān)空調(diào)和窗簾等環(huán)境控制設(shè)備，另一方面根據(jù)預(yù)設(shè)的環(huán)境控制條件，自動(dòng)啟停環(huán)境控制設(shè)備。如根據(jù)設(shè)定的溫濕度自動(dòng)啟?？照{(diào)系統(tǒng)，根據(jù)室內(nèi)光線的強(qiáng)弱自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗簾等。廚房設(shè)備控制系統(tǒng)包括3方面的內(nèi)容 ：一是根據(jù)住戶的指令啟停相應(yīng)的廚房設(shè)備，如微波爐、電飯煲等；二是根據(jù)這些設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)和家庭的實(shí)際生活特點(diǎn)，設(shè)置設(shè)備的運(yùn)行規(guī)則，進(jìn)行啟?？刂?，以達(dá)到便利和節(jié)能

25、效果，如飲水機(jī)、電熱水器等，可以使其在家庭成員離家后停止運(yùn)行，在家庭成員歸家前半小時(shí)再啟動(dòng)運(yùn)行；三是根據(jù)住宅狀態(tài)，自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備的開(kāi)啟，如廚房煤氣或天然氣管道發(fā)生泄漏時(shí)打開(kāi)排氣扇。2.2 家居能量系統(tǒng)的功能根據(jù)以上3個(gè)子系統(tǒng)的內(nèi)容和性質(zhì)，可以歸納出能量控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)方面的功能：1) 住戶對(duì)家電設(shè)備的集中控制住戶對(duì)家電設(shè)備的集中控制是指住戶通過(guò)遙控器或電話等方式，可以控制住宅內(nèi)的任一家電設(shè)備，從而大大提高住戶生活的便利性。例如在臥室內(nèi)可以通過(guò)按鈕或遙控器對(duì)其他房間的設(shè)備進(jìn)行相關(guān)控制。從控制方式來(lái)看，住戶對(duì)家電設(shè)備的集中控制還可以分為戶內(nèi)集中控制和戶外遠(yuǎn)程控制兩類，戶內(nèi)集中控制是指在家庭里

26、利用有線或無(wú)線的方式對(duì)家電設(shè)備進(jìn)行集中控制；戶外遠(yuǎn)程控制是指住戶利用電話或互聯(lián)網(wǎng)在異地對(duì)家電設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)家電設(shè)備的啟停。2) 家電設(shè)備的自動(dòng)啟?？刂萍译娫O(shè)備的自動(dòng)啟?？刂浦饕侵讣译娫O(shè)備根據(jù)時(shí)間、家庭環(huán)境的變化而自動(dòng)調(diào)整工作模式。主要應(yīng)用有：根據(jù)室內(nèi)光線的變化自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉房間的電燈；當(dāng)房間的溫度和濕度超過(guò)預(yù)設(shè)的范圍時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)；根據(jù)設(shè)置的運(yùn)行規(guī)則對(duì)電熱水器、飲水機(jī)等設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的電源控制。3) 各種設(shè)備之間的協(xié)同工作在實(shí)際生活中，各個(gè)家電設(shè)備是相互關(guān)聯(lián)的。例如當(dāng)夏天中午開(kāi)啟空調(diào)降溫的時(shí)候，同時(shí)需要拉上窗簾；晚間觀看電視時(shí)，需要調(diào)整房間的燈光亮度等。家居能量控制系統(tǒng)根據(jù)住戶的要求和

27、實(shí)際生活的需要，對(duì)住宅的設(shè)備定義了一套邏輯規(guī)則，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的協(xié)同工作。以上3種功能在給住戶帶來(lái)便利的同時(shí)也大大降低了能耗，達(dá)到了節(jié)能的目的。2.3 家居能量系統(tǒng)的體系組成家居能量控制系統(tǒng)的體系組成是以家庭網(wǎng)絡(luò)為通訊基礎(chǔ)，與智能家居其他部分進(jìn)行交互。根據(jù)系統(tǒng)的工作流程與實(shí)現(xiàn)得出能量控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖，如圖2.2所示：家 庭 網(wǎng) 絡(luò)設(shè)置控制模塊設(shè)備協(xié)同工作模塊能量控制設(shè)置模塊設(shè)備數(shù)據(jù)及規(guī)則控制庫(kù)智能家居其他子系統(tǒng)各類家電設(shè)備各類環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備各類控制接口設(shè)備圖2.2家居能量系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖家電設(shè)備各類家庭電器設(shè)備，通過(guò)與家庭網(wǎng)絡(luò)的接口發(fā)送各類狀態(tài)信息和接收各類操作指令。環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備用于監(jiān)測(cè)家

28、庭環(huán)境情況，如光線、溫度、濕度等，并將這些信息發(fā)送到控制接口模塊中?？刂平涌谠O(shè)備這里主要指各類手持設(shè)備和控制開(kāi)關(guān)，用戶通過(guò)它們來(lái)發(fā)送各類家電設(shè)備的控制指令，控制指令對(duì)應(yīng)的控制對(duì)象和控制內(nèi)容通過(guò)控制規(guī)則庫(kù)來(lái)約定。設(shè)備數(shù)據(jù)及控制規(guī)則庫(kù)用于記錄設(shè)備的狀態(tài)信息、運(yùn)行日志及各類控制規(guī)則。這些控制規(guī)則主要包括各類電器運(yùn)行的規(guī)則和協(xié)同工作的各種約定規(guī)則、各類場(chǎng)景模式的具體設(shè)置，以及各類控制接口設(shè)備與其相關(guān)聯(lián)的控制操作。通過(guò)控制規(guī)則庫(kù)中的約定，使得住戶方便地將手持設(shè)備和控制開(kāi)關(guān)關(guān)聯(lián)到家庭中任一家電設(shè)備，如通過(guò)遙控器和相應(yīng)的接收模塊，可以在任一房間對(duì)其他房間的設(shè)備進(jìn)行控制；將臥室里的按鈕關(guān)聯(lián)到其他房間的照明系統(tǒng)

29、，在臥室開(kāi)關(guān)其他房間的照明設(shè)備。這些信息往往有專門的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。智能家居系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)提供的接口進(jìn)行訪問(wèn)。控制規(guī)則庫(kù)的更新由能量控制設(shè)置模塊完成。能量控制設(shè)置模塊以節(jié)約能耗為原則，主要完成兩部分工作，一是接收家庭網(wǎng)絡(luò)中各類家居控制的設(shè)置請(qǐng)求，根據(jù)請(qǐng)求設(shè)置接口控制設(shè)備的控制規(guī)則，即將控制接口與其控制家庭電器設(shè)備相關(guān)聯(lián)，設(shè)置具體的操作方法，更新相應(yīng)控制規(guī)則庫(kù)。二是提供場(chǎng)景模式設(shè)置接口，所謂場(chǎng)景模式是指根據(jù)家庭不同的狀態(tài)和工作生活的實(shí)際情況來(lái)控制智能家居各系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如無(wú)人模式、睡眠模式、正常模式等。此模塊提供的接口方便用戶設(shè)置各類場(chǎng)景模式和設(shè)置各類家庭設(shè)備的控制邏輯規(guī)則，同時(shí)根據(jù)新加入

30、設(shè)備所提供的信息自行更新各項(xiàng)規(guī)則。設(shè)備控制模塊主要用于控制家電設(shè)備的運(yùn)行，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：根據(jù)接收的家庭環(huán)境信息和設(shè)置條件，判斷是否自動(dòng)啟停家電設(shè)備；接收來(lái)自家庭網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的對(duì)各類設(shè)備的控制請(qǐng)求（包括本地與遠(yuǎn)程的），對(duì)這些請(qǐng)求進(jìn)行分析處理，對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行合法性驗(yàn)證；對(duì)以上的合法請(qǐng)求，向相應(yīng)的家電設(shè)備發(fā)送控制命令。設(shè)備協(xié)同工作模塊監(jiān)測(cè)家庭內(nèi)各類家電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)前家電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和當(dāng)前場(chǎng)景模式，向設(shè)備控制模塊發(fā)送各類設(shè)備控制命令，協(xié)同家電設(shè)備之間的工作。隨著信息家電的發(fā)展，家電設(shè)備的智能化程度越來(lái)越高，家電設(shè)備之間的協(xié)調(diào)和啟?？刂浦械脑S多內(nèi)容逐步由家電設(shè)備本身來(lái)實(shí)現(xiàn)。3 基于mas的家居能

31、量系統(tǒng)3.1 基于mas的家居能量系統(tǒng)模型agent的研究起源于分布式人工智能領(lǐng)域，是人工智能與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的產(chǎn)物。學(xué)術(shù)界一般將其理解為能夠模擬人類行為，具備代理性、智能性并能提供相應(yīng)服務(wù)的計(jì)算實(shí)體。多個(gè)agent在一起協(xié)同工作形成了多agent系統(tǒng)mas(mufti-agent system)。mas主要研究一組在邏輯上或物理上分離的agent如何協(xié)調(diào)各自的知識(shí)、目標(biāo)和策略來(lái)共同完成任務(wù)。mas這種按需協(xié)作、松散耦合的運(yùn)行方式適合家電設(shè)備分布、異構(gòu)的特點(diǎn)。在家居系統(tǒng)中，信息的集成為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和智能管理奠定了基礎(chǔ)，利用mas技術(shù)建立家居應(yīng)用集成和控制模型，將對(duì)提高系統(tǒng)的整體性能、優(yōu)化系統(tǒng)管理起

32、到關(guān)鍵作用。建立mas概念模型的第一步就是設(shè)計(jì)各軟、硬件功能單元和高級(jí)管理agent的模型，使它們能夠以agent的概念和方法實(shí)現(xiàn)通信與協(xié)作，從而形成一個(gè)有機(jī)的整體，完成復(fù)雜的功能。于是，提出一個(gè)家居能量系統(tǒng)mas模型（mas-based home energy system，可以簡(jiǎn)稱為mhes），它由四部分組成：代管設(shè)備、設(shè)備agent、agent宿主資源和專有功能agent，其結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。宿主資源代管設(shè)備1代管設(shè)備2代管設(shè)備nagent家庭網(wǎng)絡(luò)/internet專有功能agentagentagent圖3.1 maes模型結(jié)構(gòu)圖mas為用戶提供了家居功能集成和家庭服務(wù)使用的開(kāi)發(fā)、靈活

33、的實(shí)現(xiàn)模型，也提供了友好的人機(jī)交互環(huán)境。建立一個(gè)合理而完善的家居能量系統(tǒng)，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)功能的有機(jī)整合，充分發(fā)揮信息系統(tǒng)的功能等具有重要意義，而且可為系統(tǒng)將來(lái)的發(fā)展提供廣闊的空間。3.1.1 代管設(shè)備代管設(shè)備即家庭網(wǎng)絡(luò)中各信息設(shè)備，是家居設(shè)備的集合，這些設(shè)備通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò)提供的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)完成各種服務(wù)。代管設(shè)備是maes模型中重要的組成部分，主要包括照明類、居室環(huán)境類、廚房電器類和監(jiān)測(cè)類等設(shè)備。隨著技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)需求的產(chǎn)生，如今的代管設(shè)備都將會(huì)具有通信和交互的能力，成為一種網(wǎng)器，這種發(fā)展趨勢(shì)已日漸明顯，但最終以什么樣形式出現(xiàn)，各生產(chǎn)廠商和研究單位似乎還沒(méi)有找到一個(gè)合適的立足點(diǎn)，因?yàn)楣δ艿脑鰪?qiáng)意味著

34、成本的增加和資源的浪費(fèi)，但簡(jiǎn)單的功能缺乏支持環(huán)境，也沒(méi)有合適的可供參考的標(biāo)準(zhǔn)，這也是我們對(duì)家居進(jìn)行系統(tǒng)化研究所要解決的問(wèn)題之一。如果將一個(gè)家居環(huán)境作為一個(gè)mas系統(tǒng)，設(shè)備要加入到其中自然要以agent的形式出現(xiàn)。家居系統(tǒng)中agent就是家居信息設(shè)備抽象化和概念化的表現(xiàn)形式，也就是一定服務(wù)的提供個(gè)體，一般是與具體的家居功能相關(guān)聯(lián)的。3.1.2 設(shè)備agent在maes模型中，每個(gè)代管設(shè)備都對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備agent，設(shè)備agent負(fù)責(zé)代表代管設(shè)備在家庭網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，完成與家庭網(wǎng)絡(luò)或其他agent的信息交互。它一方面具有與設(shè)備通信的能力，另一方面又能夠通過(guò)一定的機(jī)制接收其他agent的任務(wù)請(qǐng)求和數(shù)據(jù)請(qǐng)求

35、，完成對(duì)代管設(shè)備的管理和控制。對(duì)maes來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)并不需要理解各個(gè)設(shè)備agent具體的實(shí)現(xiàn)方式，只需要理解設(shè)備agent提供的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)形式并能根據(jù)設(shè)備agent提供的方式使用它，就可以完成家庭中的各個(gè)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)、注冊(cè)使用、管理維護(hù)等工作。一些計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力非常有限的設(shè)備，正是通過(guò)了設(shè)備agent實(shí)現(xiàn)功能上遷，降低了單個(gè)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)成本。通過(guò)各種設(shè)備agent的交互，以及各個(gè)agent與用戶的交互，實(shí)現(xiàn)了智能家居功能。網(wǎng)絡(luò)中的各agent間以及agent與宿主資源之間通過(guò)統(tǒng)一的通信語(yǔ)言進(jìn)行通信，交換信息。3.1.3 agent宿主資源agent宿主資源為模型中各類agent所處的支撐環(huán)境，對(duì)

36、于很多agent，環(huán)境是它們所感受到的外界刺激的刺激源，也是它們行為的作用對(duì)象，在與環(huán)境的作用過(guò)程中可以獲取知識(shí)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)功能。在多agent系統(tǒng)中，人們所關(guān)心的是如何將已有的agent組織起來(lái)，共同完成那些單個(gè)agent無(wú)法完成的工作，因此在多agent系統(tǒng)中，除了各類agent之外，還必須提供一個(gè)能讓各個(gè)agent運(yùn)行的基礎(chǔ)環(huán)境，這些環(huán)境包括常識(shí)，即agent間的公共知識(shí)；還包括公共的行為規(guī)范，它規(guī)定了多agent在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的聯(lián)合意圖時(shí)應(yīng)該或?qū)⒁扇〉男袆?dòng)。agent宿主資源還包括agent管理器，agent管理器負(fù)責(zé)對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)agent的狀態(tài)進(jìn)行管理，并協(xié)調(diào)它們的活動(dòng)，通過(guò)維護(hù)一張

37、系統(tǒng)agent列表，記錄各個(gè)agent的服務(wù)狀態(tài)，對(duì)其產(chǎn)生、活動(dòng)、消亡等生命周期內(nèi)各階段進(jìn)行管理。3.1.4 專有功能agent專有功能agent主要是在家居能量系統(tǒng)中執(zhí)行某種具體的服務(wù)功能?；趍as的家居能量系統(tǒng)模型可根據(jù)代管設(shè)備的不同功能單元分別由一個(gè)或多個(gè)agent實(shí)現(xiàn)其智能管理。由于agent除了能夠完成一定功能之外，還應(yīng)該具有與其他agent通信與協(xié)作的能力，所以對(duì)于每一硬件實(shí)體都應(yīng)具有一個(gè)軟件部分來(lái)實(shí)現(xiàn)與其他agent的聯(lián)系，這一軟件部分可以是設(shè)備自身具有的，也可以利用其他設(shè)備代理它實(shí)現(xiàn)這一功能，而它們之間可以用更為簡(jiǎn)單的方式傳遞所必需的信號(hào)。 基于以上的分析，可以將模型中的功能

38、agent大致分為常用的幾類，如用戶界面agent、移動(dòng)agent、自動(dòng)控制agent等。用戶界面agent主要用于實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交互功能。在與用戶交互的過(guò)程中，界面agent可以設(shè)計(jì)為具有學(xué)習(xí)和記憶功能、對(duì)用戶的習(xí)慣進(jìn)行學(xué)習(xí)、最終可以自主地實(shí)現(xiàn)符合某一用戶習(xí)慣的家居環(huán)境設(shè)置。移動(dòng)agent可用來(lái)實(shí)現(xiàn)代碼移動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)資源搜索、遠(yuǎn)程交互、用戶個(gè)人助理等功能，一個(gè)移動(dòng)agent應(yīng)該的經(jīng)典例子是移動(dòng)agent存放于用戶的移動(dòng)設(shè)備中，當(dāng)用戶移動(dòng)到一定的環(huán)境中時(shí)，移動(dòng)agent通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)入當(dāng)?shù)叵到y(tǒng)，代表用戶與當(dāng)?shù)叵到y(tǒng)談判、接洽和搜索有用信息，在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)后返回，并通知用戶結(jié)果，當(dāng)然這一功能的實(shí)現(xiàn)還有待

39、于客觀條件的成熟。自動(dòng)控制agent是在無(wú)人管理的情況下，實(shí)現(xiàn)家居能量系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制和緊急情況處理的agent，是家居智能化管理的核心。除此之外，agent的功能還有網(wǎng)絡(luò)搜索agent、數(shù)據(jù)庫(kù)agent、教育/娛樂(lè)agent等形式。3.2 maes模型中多agent的實(shí)現(xiàn)方式通過(guò)前面對(duì)家居能量系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)的分析，用mas技術(shù)的思想、方法和體系建立家居能量系統(tǒng)的應(yīng)用集成模型，用agent實(shí)現(xiàn)不同功能單元的控制和管理，最后通過(guò)agent之間的通信與合作實(shí)現(xiàn)整體的有機(jī)融合。所以說(shuō)，建立一個(gè)合理而完善的家居應(yīng)用集成系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能的有機(jī)整合、充分發(fā)揮信息系統(tǒng)的功能等都具有重要意義，而且可為

40、系統(tǒng)的將來(lái)提供廣闊的發(fā)展空間。3.2.1 maes模型中agent的構(gòu)建在家居能量系統(tǒng)中將硬件實(shí)體和軟件單元都納入多agent系統(tǒng)之中，形成了一個(gè)有機(jī)的整體。在硬件和軟件的結(jié)合方面，利用以下方法靈活實(shí)現(xiàn)：家居能量系統(tǒng)中的設(shè)備需要具有其軟件支持部分，它的軟件支持部分可以處于設(shè)備內(nèi)部，也可以在其他代管設(shè)備上實(shí)現(xiàn)，一方面使其具有與設(shè)備通信的能力，另一方面也具有接受和完成任務(wù)的能力。這樣在進(jìn)行mas整體設(shè)計(jì)時(shí)，我們將其作為一個(gè)整體的agent，根據(jù)設(shè)備的能力為用戶和系統(tǒng)提供一定的服務(wù)。由設(shè)備抽象而來(lái)的agent一般是功能執(zhí)行agent，由于它們的計(jì)算能力和通信能力有限，難以完成復(fù)雜的邏輯推理和任務(wù)規(guī)劃

41、，這一部分工作需要建立專門的agent來(lái)實(shí)現(xiàn)。中級(jí)agent在知識(shí)理解、協(xié)調(diào)能力、規(guī)劃能力和推理能力方面較設(shè)備agent要強(qiáng)，等級(jí)也較高。根據(jù)實(shí)際情況，還需要具有全局知識(shí)、全局規(guī)劃、全局控制與協(xié)作的高級(jí)管理agent，與用戶的交互也往往由高級(jí)agent來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)樗鼈兘邮苋蝿?wù)的能力和為用戶提供服務(wù)的能力是最強(qiáng)的，這一功能可以通過(guò)用戶界面agent或直接交互完成。根據(jù)以上分析現(xiàn)將家居agent分成具有3個(gè)等級(jí)的分層結(jié)構(gòu)，分別是組織規(guī)劃agent層、服務(wù)管理agent層和功能執(zhí)行agent層，如圖3.2所示。功能執(zhí)行agent層組織規(guī)劃agent層服務(wù)管理agent層照明管理agent組織規(guī)劃

42、agent數(shù)據(jù)庫(kù)agent家電管理agent環(huán)境管理agent用戶界面agent照明設(shè)備agent環(huán)境設(shè)備agent家電設(shè)備agent用戶圖3.2 家居agent的等級(jí)結(jié)構(gòu)圖1) 組織規(guī)劃agent層組織規(guī)劃agent主要負(fù)責(zé)完成用戶設(shè)定的任務(wù)，按預(yù)約安排的計(jì)劃負(fù)責(zé)家居環(huán)境的整體管理，并能對(duì)下級(jí)agent上報(bào)的特殊情況按所擁有的知識(shí)進(jìn)行自動(dòng)處理。組織規(guī)劃agent是實(shí)現(xiàn)與用戶交互功能的主要負(fù)責(zé)者，因?yàn)樗鼡碛休^全面的家居環(huán)境知識(shí)，能夠理解用戶意圖進(jìn)行任務(wù)分解、分配給下級(jí)agent，同時(shí)監(jiān)督任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程，根據(jù)自身知識(shí)或用戶指示隨時(shí)對(duì)任務(wù)做出調(diào)整，最后在需要時(shí)向用戶匯報(bào)執(zhí)行結(jié)果。在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，

43、組織規(guī)劃agent能夠獲取經(jīng)驗(yàn)，豐富知識(shí)，并完成自學(xué)習(xí)優(yōu)化過(guò)程。組織規(guī)劃agent是系統(tǒng)的高級(jí)管理者。2) 服務(wù)管理agent層服務(wù)管理agent主要是針對(duì)某一類事務(wù)或某一類功能agent進(jìn)行綜合管理的中等級(jí)別的agent。服務(wù)管理agent通過(guò)與組織規(guī)劃agent的協(xié)商以及與用戶之間的交互，承擔(dān)相應(yīng)的任務(wù)，然后將任務(wù)交由具體的功能執(zhí)行agent去實(shí)現(xiàn)，并監(jiān)督和管理任務(wù)執(zhí)行過(guò)程。如在環(huán)境管理agent組中，就是由環(huán)境管理agent與組織規(guī)劃agent進(jìn)行協(xié)商并接受所指派的任務(wù)，環(huán)境管理agent對(duì)家庭中需要控制的環(huán)境設(shè)備所對(duì)應(yīng)的設(shè)備agent進(jìn)行查詢和管理，分配并監(jiān)督各個(gè)設(shè)備agent共同完成

44、所需的功能。與此同時(shí)，服務(wù)管理agent之間通常也要進(jìn)行通信與協(xié)作，共同完成一項(xiàng)任務(wù)。3) 功能執(zhí)行agent層功能執(zhí)行agent是由家居環(huán)境中硬件實(shí)體、軟件實(shí)體甚至人根據(jù)需要抽象而成的設(shè)備agent組成的，是負(fù)責(zé)具體任務(wù)執(zhí)行的agent，它們一般具有特定的功能或?qū)?yīng)一個(gè)具體的設(shè)備。功能執(zhí)行agent由服務(wù)管理agent直接管理，但由于彼此的交互和協(xié)作能力有限，所以彼此之間的聯(lián)系并不是非常緊密，對(duì)任務(wù)完成的協(xié)調(diào)工作主要是由組織規(guī)劃agent來(lái)控制實(shí)現(xiàn)的。功能執(zhí)行agent與上層服務(wù)管理agent之間是一種松散的耦合關(guān)系，它們之間的聯(lián)系主要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的語(yǔ)義信息來(lái)實(shí)現(xiàn)，規(guī)范了設(shè)備對(duì)外的交互方法，使

45、得生產(chǎn)廠家按照這一標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范生產(chǎn)出來(lái)的設(shè)備具有即插即用的功能，使這一技術(shù)方案具有很強(qiáng)的靈活性、實(shí)用性和推廣價(jià)值。3.2.2 maes模型中agent的實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同等級(jí)的agent，由于職責(zé)和功能不同，所以在具體的實(shí)現(xiàn)方法上也采用不同的結(jié)構(gòu)與模型。根據(jù)功能執(zhí)行agent的功能要求，這里采用反應(yīng)agent結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備agent模型，如圖3.3所示。反應(yīng)agent結(jié)構(gòu)不對(duì)環(huán)境進(jìn)行描述，采用應(yīng)激響應(yīng)的方式對(duì)其所處環(huán)境的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行響應(yīng)。它們不考慮歷史情況，也不為未來(lái)制定計(jì)劃，而是通過(guò)與其它agent的簡(jiǎn)單交互，使多agent系統(tǒng)表現(xiàn)出復(fù)雜的整體行為。這種特性很有意義，因?yàn)楫?dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，不需要修改

46、它們的環(huán)境模型。因而，堅(jiān)定性和容錯(cuò)能力是反應(yīng)agent結(jié)構(gòu)的兩個(gè)重要屬性。一組agent通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)完成任務(wù)，即使其中某個(gè)agent失敗也不會(huì)對(duì)任務(wù)的完成造成太大影響。另外，反應(yīng)agent結(jié)構(gòu)的響應(yīng)速度較快，不需要進(jìn)行復(fù)雜推理和費(fèi)時(shí)的思考。這是因?yàn)橐话愕脑O(shè)備agent只是向外界提供一定的服務(wù)功能，并不需要復(fù)雜的邏輯推理，而且過(guò)程并不復(fù)雜，完全可以用條件-行為規(guī)則將感知和動(dòng)作表達(dá)出來(lái)。行為效應(yīng)信息交互條件-行為規(guī)則感知信息內(nèi)部狀態(tài)行為動(dòng)作家居環(huán)境設(shè)備agent圖3.3 設(shè)備agent的實(shí)現(xiàn)模型在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，設(shè)備agent接收到上級(jí)agent的任務(wù)指令信息，根據(jù)信息的語(yǔ)義模型感知任務(wù)的要求，根據(jù)

47、當(dāng)前的內(nèi)部狀態(tài)與條件-行為規(guī)則確定需要采取的行為動(dòng)作，并執(zhí)行任務(wù)以產(chǎn)生期望的效果，此行為效應(yīng)可以是對(duì)外界環(huán)境的效應(yīng)，也可以是設(shè)備自身內(nèi)部狀態(tài)的改變。設(shè)備agent可以通過(guò)以下程序?qū)崿F(xiàn)：function deviceagent (task) returns actionstatic: state, /*描述當(dāng)前內(nèi)部狀態(tài)*/rules, /*一組條件-行為規(guī)則*/state interpretinput (task)rule rulematch (state,rules)action ruleaction (rule)return action在上述程序中，interpretinput函數(shù)從任務(wù)指

48、令感知產(chǎn)生對(duì)當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)要求的抽象描述，rulematch函數(shù)返回與給定狀態(tài)描述匹配的規(guī)則組中的相關(guān)規(guī)則，ruleaction函數(shù)是根據(jù)規(guī)則確定相應(yīng)的行為動(dòng)作。其中規(guī)則又可稱為態(tài)勢(shì)規(guī)則，這些規(guī)則將任務(wù)和行為聯(lián)系起來(lái)，提供任務(wù)直接實(shí)現(xiàn)的方法。態(tài)勢(shì)規(guī)則的表達(dá)式為：ifthen基于反應(yīng)agent結(jié)構(gòu)建立的設(shè)備agent結(jié)構(gòu)模型，具有很強(qiáng)的針對(duì)性，適用于行為較為簡(jiǎn)單的個(gè)體，對(duì)于需要邏輯推理與表示的任務(wù)，就需要在上面的反應(yīng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加相應(yīng)的能力，總體上可以通過(guò)增加知識(shí)庫(kù)和新行為來(lái)實(shí)現(xiàn)。于是，我們?cè)O(shè)計(jì)出較高級(jí)別的agent結(jié)構(gòu)模型中級(jí)服務(wù)管理agent模型，來(lái)完成系統(tǒng)較高層次的任務(wù)。服務(wù)管理agent

49、位于三層結(jié)構(gòu)中的中層，有著承上啟下的作用，同時(shí)具有局部范圍內(nèi)較為全面的知識(shí)和能力，可以解決較為復(fù)雜的問(wèn)題。同設(shè)備agent相比，服務(wù)管理agent具有更為復(fù)雜的邏輯和推理能力，因此其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也相對(duì)復(fù)雜，不宜采用反應(yīng)agent結(jié)構(gòu)。于是，從慎思型agent的結(jié)構(gòu)出發(fā)，由通信模塊、協(xié)作模塊、任務(wù)規(guī)劃模塊、任務(wù)管理模塊和相關(guān)知識(shí)庫(kù)來(lái)組成服務(wù)管理agent，采用如圖3.4所示的基本結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。組織規(guī)劃agent功能執(zhí)行agent協(xié)作模塊任務(wù)規(guī)劃模塊任務(wù)管理模塊知識(shí)庫(kù)agent列表任務(wù)列表通信模塊家居環(huán)境圖3.4 服務(wù)管理agent的實(shí)現(xiàn)模型其中，通信模塊負(fù)責(zé)服務(wù)管理agent與高級(jí)組織規(guī)劃agent以及

50、下級(jí)功能執(zhí)行agent之間的通信，這是服務(wù)管理agent實(shí)現(xiàn)一切功能的基礎(chǔ)。協(xié)作模塊負(fù)責(zé)向高級(jí)agent報(bào)告局部群體的能力，接受能力范圍之內(nèi)的任務(wù)。經(jīng)高級(jí)agent授權(quán)的子任務(wù)，由任務(wù)規(guī)劃模塊負(fù)責(zé)分解和規(guī)劃為下級(jí)agent所能完成的任務(wù)，再由協(xié)作模塊實(shí)現(xiàn)與具體功能agent關(guān)于具體任務(wù)的協(xié)商，將任務(wù)分配至下級(jí)agent執(zhí)行。任務(wù)管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)具體任務(wù)執(zhí)行情況的管理以及意外情況的處理。組織規(guī)劃agent處于maes的最高層，對(duì)能力和知識(shí)具有更高的要求，一般要具有全局性的知識(shí)和數(shù)據(jù)，可以對(duì)任務(wù)進(jìn)行粗劃分，并將子任務(wù)通過(guò)協(xié)商或分派到各中級(jí)agent管理執(zhí)行，同時(shí)具有很強(qiáng)的協(xié)調(diào)能力。在maes中，組織

51、規(guī)劃agent往往也負(fù)責(zé)與用戶的交互功能，并負(fù)責(zé)任務(wù)的規(guī)劃管理和協(xié)作執(zhí)行。在無(wú)人管理的情況下，高級(jí)agent也應(yīng)具有系統(tǒng)的自動(dòng)管理能力，維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，處理發(fā)生的緊急情況，具有自主規(guī)劃和調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)的功能。圖3.5描述了組織規(guī)劃agent的基本功能實(shí)現(xiàn)模型。組織規(guī)劃agent的功能主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是與用戶的交互過(guò)程中根據(jù)用戶的命令組織和管理系統(tǒng)運(yùn)行以達(dá)到用戶的目標(biāo)；另一方面是系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行和管理的實(shí)現(xiàn)，agent根據(jù)自己的心智模型對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)不斷加以調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)正常而可靠的管理。這兩方面的功能也可分開(kāi)來(lái)由不同的agent實(shí)現(xiàn)。通信模塊自動(dòng)管理模塊目標(biāo)規(guī)劃模塊任務(wù)執(zhí)行模塊狀態(tài)監(jiān)控模塊

52、知識(shí)庫(kù)用戶交互模塊任務(wù)規(guī)劃模塊任務(wù)協(xié)作模塊通信模塊通信模塊服務(wù)管理agent功能執(zhí)行agent用戶應(yīng)急管理模塊家居環(huán)境圖3.5 組織規(guī)劃agent的實(shí)現(xiàn)模型在上述的框架中，根據(jù)感知信息（包括系統(tǒng)狀態(tài)信息和用戶命令信息）實(shí)現(xiàn)了任務(wù)的規(guī)劃，心智狀態(tài)決定了系統(tǒng)行為的傾向性，知識(shí)則是系統(tǒng)決策的支柱，知識(shí)庫(kù)的內(nèi)容包括任務(wù)知識(shí)、協(xié)作知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、系統(tǒng)全局知識(shí)以及應(yīng)急管理知識(shí)等。agent根據(jù)環(huán)境及自身運(yùn)行情況不斷調(diào)整自己的環(huán)境模型，同時(shí)也具有更新知識(shí)和調(diào)整自己心智狀態(tài)的功能，在交互過(guò)程中逐漸體現(xiàn)出一種對(duì)用戶習(xí)慣行為的傾向性。agent技術(shù)在家居能量系統(tǒng)中的應(yīng)用，一方面為用戶屏蔽家庭分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境所帶

53、來(lái)的操作和控制的不便，以服務(wù)的概念集成一系列相關(guān)操作，減輕用戶在使用過(guò)程中的負(fù)擔(dān)，形成一種新的家居環(huán)境理念；另一方面agent的應(yīng)用也為家居應(yīng)用集成帶來(lái)了一種全新的概念、方法和結(jié)構(gòu)，這些也是agent本身所具有的特性。3.3 maes模型中的多agent組織結(jié)構(gòu)mas的組織為agent成員之間的交互與協(xié)作提供了構(gòu)架和基礎(chǔ)，多數(shù)成員agent都具有完成任務(wù)和實(shí)現(xiàn)協(xié)作所需的整體或局部觀點(diǎn)以及相關(guān)信息，以便與其他agent協(xié)同工作，共同完成任務(wù)。mas是以人類社會(huì)規(guī)范進(jìn)行研究的，在agent所構(gòu)成的mas中，agent的行為必須遵循某些社會(huì)規(guī)則和規(guī)范，以順利地實(shí)現(xiàn)agent之間的聯(lián)盟與協(xié)作。于是，j

54、ennings將agent的模型、agent交互和多agent組織定義為基于agent計(jì)算的三個(gè)要素，他認(rèn)為多agent的組織是系統(tǒng)中各agent之間交互與協(xié)作的基礎(chǔ)，只有在agent設(shè)計(jì)時(shí)具有良好的組織結(jié)構(gòu)，才能順利地實(shí)現(xiàn)agent之間的聯(lián)盟與協(xié)作。在maes模型中采用按需聯(lián)盟、分級(jí)管理的層次組織方式，這種方式具有很好的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性，并能通過(guò)適當(dāng)?shù)摹皺?quán)力”分散平衡各agent的負(fù)擔(dān)，明確各agent的職能，適于建立agent的權(quán)力與義務(wù)模型，在不同層次范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)承擔(dān)任務(wù)的協(xié)同管理，提高組織和管理效率，保障系統(tǒng)的可靠性、適應(yīng)性和高效性。在介紹maes的組織形式之前，先建立agent組（age

55、nt team）的概念。一個(gè)agent組是由多個(gè)關(guān)系較為密切或功能類型相近的agent組成的一個(gè)多agent團(tuán)體。組成員往往具有某一方面或幾方面的共性，這些共性能為組管理者用來(lái)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的管理，或?qū)ν獗憩F(xiàn)出agent組的特性和能力。agent組是mas的基層組織單元，agent以組為單位更能容易實(shí)現(xiàn)多agent共同學(xué)習(xí)和任務(wù)優(yōu)化。3.3.1 agent組一般是將功能、類型或管理方式上具有共性的一組agent定義為agent組。建立agent組相當(dāng)于成立不同的職能部門，形成較具體agent更高層次的分工合作，agent組的建立將為實(shí)現(xiàn)mas層次化組織結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。在多agent系統(tǒng)中，agent之

56、間存在著伙伴及“親友”的關(guān)系，這種關(guān)系是建立agent組的主要依據(jù)。agent組是多個(gè)具有一定共性，且互相聯(lián)系、互相信任的agent集合。相似功能指功能相同或相近。比如照明系統(tǒng)中，各種燈都具有相同的功能，代理agent都采用類似的方法，所以可以劃在一個(gè)agent組。關(guān)系密切的agent往往是指彼此之間經(jīng)常合作完成某種功能的agent。相互聯(lián)系指每個(gè)agent的功能是同一個(gè)功能中不同的子功能。比如廚房家電設(shè)備代理agent是家電管理agent總的功能中的具體細(xì)節(jié)部分，這樣需要家電完成的任務(wù)可以在組內(nèi)找到合適的agent完成?；ハ嘈湃沃竌gent之間通過(guò)合作，結(jié)果證明能夠互相提供正確的信息并能夠主動(dòng)互相協(xié)助完成給定任務(wù)。一個(gè)組內(nèi)的所有agent互相信任，使agent之間能夠積極合作，快速完成任務(wù)。組內(nèi)的agent可以分布在家庭中的各個(gè)位置，它們通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò)，以統(tǒng)一的語(yǔ)言通訊交流，并互相協(xié)作。當(dāng)遇到單個(gè)agent不能求解的問(wèn)題時(shí)，先向同組的agent尋求協(xié)作，如果在組內(nèi)找不到合適的伙伴時(shí)，委托組管理者到其他組尋找。所謂兩個(gè)組是互相信任的，是指兩個(gè)agent組為了共同的目標(biāo)協(xié)同工作。具有信任關(guān)系的兩個(gè)組內(nèi)的agent可以透明地互訪，即這兩個(gè)組之間的agent可以像訪問(wèn)本組內(nèi)的agent一樣互訪。agent組具有如下特點(diǎn)：1) 自主性每個(gè)agent組都是由一些功能相近或緊密聯(lián)系的agent