第４０卷 第２期 Ｖ＿ｏ１．４０ Ｎｏ．２ 计算机工程 ２０１４年２月 Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１４ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ・人工智能及识别技术－ 文章编号：１ｏｏｏ—＿３４２８（２ｏ１４）ｏ２—＿ｏ１５３— ５ 文献标识码：Ａ 中图分类号：ＴＰＩ８ 多机器人远程监控系统的多智能体控制结构 刘鑫，于振中，郑为凑，惠晶 （江南大学轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏无锡２１４１２２） 摘要：针对多机器人远程监控系统信息错综复杂、协作不稳定的问题，建立基于多智能体（Ｍｕｌｔｉ—Ａｇｅｎｔ）技术的系统体系结构，描 述系统各组件之间的信息交互关系，优化人一机智能分配。分析系统物理结构的特点，提出一种基于Ｍｕｌｔｉ．Ａｇｅｎｔ技术的共享控制 系统分层体系结构，结合黑板结构和点对点结构，给出Ｍｕｌｔｉ—Ａｇｅｎｔ的混合通信模型。针对遥操作系统的特点，设计一种混合型 Ａｇｅｎｔ体系结构，举例研究Ａｇｅｎｔ的实现方法。通过多操作者控制机器人保持队形的实验，验证了该混合型Ａｇｅｎｔ体系结构的实用 性和有效性。 关键词：体系结构；多智能体技术；多移动机器人；遥操作；远程监控系统 Ｍｕｌｔｉ—Ａｇｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ０ｆ Ｍｕｌｔｉ－－ｒｏｂｏｔ Ｒｅｍｏｔｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ＬＩＵ Ｘｉｎ，ＹＵ Ｚｈｅｎ－ｚｈｏｎｇ，ＺＨＥＮＧ Ｗｅｉ－ｅｏｕ，ＨＵＩ Ｊｉｎｇ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＡｄｖａｎｃｅｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｌｉｇｈｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｊｉａｎｇｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ ２１４１２２，Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－－ｒｏｂｏｔ ｉｎｔｒｉｃａｔｅ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ－－ｒｏｂｏｔ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ ｕｎｓｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ，ａ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｕｌｔｉ—Ａｇｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｂｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｏ ｇｉｖｅ ａ ｃｌｅａｒ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｂｙ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ， ｔｈｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｈａｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—Ａｇｅｎｔ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｎｄ ａ ｍｉｘｅｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—Ａｇｅｎｔ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｂｌａｃｋｂｏａｒｄ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｅｅｒ－ｔｏ－ｐｅｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ａ ｈｙｂｒｉｄ Ａｇｅｎｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ｈｔｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ａｇｅｎｔ ｉｓ ｇｉｖｅｎ，ａｎｄ ａｌｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｈａｔ ｍｕｌｔｉ—ｏｐｅｒａｔｏｒ ｋｅｅｐ ｒｏｂｏｔｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｉｎ ｌｉｎｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｂｒｉｄ Ａｇｅｎｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ；ｍｕｌｔｉ・－Ａｇｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｍｕｌｔｉ・－ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ；ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ；ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－３４２８．２０１４．０２．０３３ １概述 调性。文献［５】讨论了一种新的合作控制系统模型，从而实 现人机之间的友好协作。目前，国内外针对多操作者多机 多机器人操作系统中操作端和机器人之间的容错性、 器人（Ｍｕｌｔｉ．ｏｐｅｒａｔｏｒ Ｍｕｌｔｉ．ｒｏｂｏｔ，ＭＯＭＲ）遥操作系统体系结 冗余性、移动性，提高了机器人的作业范围和适应复杂作 构的研究还很少。 业的能力。但是，由于系统结构层次以及组件之间的信息 Ｍｕｌｔｉ．Ａｇｅｎｔ具有自主性、分布性、协调性，并具有自 错综复杂，使得系统的控制和实现难度大大增加。 组织能力、学习能力和推理能力 Ｊ。使用Ｍｕｌｔｉ—Ａｇｅｎｔ技术 文献［１】提出具有３层操作功能的人机交互结构，以实 建立ＭＯＭＲ遥操作系统的体系结构，把整个系统划分为若 现对多个机器人的组织与协调，但简单的操作命令协商不 干功能分散的Ａｇｅｎｔ，用Ａｇｅｎｔ描述的系统各组件既具有一 能动态协调多个操作命令。文献【２］研究了Ａｇｅｎｔ与黑板模 定智能可以独立完成一定工作，又可以交互协作，能较好 型的交互形式，据此提出通用控制模型。文献［３］基于多智 地发挥ＭＯＭＲ遥操作系统的协作能力。充分发挥Ｍｕｌｔｉ— 能体（Ｍｕｌｉｔ－Ａｇｅｎｔ）模型建立了一种单机器人遥控焊接系统 Ａｇｅｎｔ技术的优势，降低系统的控制难度、实现难度，提高 的控制模型。文献［４】提出引用一种鲁棒性控制框架，通过 系统的稳定性，也有利于实现多机器人的任务分配 ｊ。 使用Ｎ微调分散转移模块保证了系统的稳定性以及运动协 本文在分析ＭＯＭＲ遥操作系统物理结构的基础上，建 基金项日：中央高校基本科研业务费专项基金资助项Ｎ（ＪＵＳＲＰ １ ＩＡ４８） 作者简介：刘鑫（１９８９－），男，硕士研究生，主研方向：机器人遥操作技术；于振中，讲师、博士；郑为凑，硕士研究生；惠晶， 教授 收稿日期：２０１３—０１—０７ 修回日期：２０１３—０３－１５ Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｘｉｎ８９０１２８＠１２６．ｃｏｒｎ １５４ 计算机工程 ２０１４年２月１５日 立基于Ｍｕｌｔｉ—Ａｇｅｎｔ技术的共享控制 系统分层体系结构。 根据ＭＯＭＲ遥操作系统的特点，设计一种混合型Ａｇｅｎｔ体 系结构，举例说明Ａｇｅｎｔ的具体实现方法。 操作机器人位于同一物理空间，多个操作者分布在不同的 地理位置，借助人机交互界面实时视频的辅助，与其他操 作者合作控制远端的多个机器人完成遥操作任务。按照功 ２系统物理结构 图１所示为ＭＯＭＲ遥操作系统的物理结构，多个移动 能可将系统分为６个子系统：用户交互子系统，实时视频 子系统，通信子系统，安全保护子系统，协调控制子系统 和机器人子系统。系统任务流程如图２所示。 图１ ＭＯＭＲ遥操作系统物理结构 移动操作机器人和多传感器组成。机器人具有一定的智能， 主操 作手 速度 位置 计 操作 算 （模式切换命令） 厂：：： 直接的操作命 Ｌ ， 操作 移动 操作 移动 能够对危险状况做出迅速反应，并能利用其智能为遥操作 精细作业任务提供支持，多个机器人之间能够通过无线传 感网实现通信与一定程度的自主协作。 里 主 （速度命令） 控 如位置／机器 部分１ 操作 人控 龟 。 机器 鼠标 堕 机 键盘 切换 命令 、 位置／速度广＝：：］ 一 制器 人 传感 、信息 ３基于Ｍｕｌｔｉ—Ａｇｅｎｔ的系统体系结构 基于Ｍｕｌｔｉ．Ａｇｅｎｔ能够很清晰地描述多机器人遥操作系 统各个子系统之间以及各子系统Ａｇｅｎｔ之间的关系，根据 各机器人的任务分配，通过无线传感网的资源共享协调各 个子系统Ａｇｅｎｔ之间的关系。 图２系统任务流程 各个子系统的功能如下： （１）用户交互子系统。包括分布式人机交互环境和用户 交互设备（主手、鼠标、键盘等），为操作者与遥操作系统的 交互提供支持。 （２）实时视频子系统。远端的摄像机采集机器人端全局 或局部场景视频信息经处理后，通过网络传至操作者端， 为操作者的操作提供实时视频辅助。 （３）通信子系统。实现整个系统信息的传递。采用多种 根据ＭＯＭＲ遥操作系统的特点，结合Ｍｕｌｔｉ—Ａｇｅｎｔ的 优势，提出基于Ｍｕｌｔｉ．Ａｇｅｎｔ的共享控制分层体系结构。按 照功能对各个Ａｇｅｎｔ描述如下： （１）子系统管理Ａｇｅｎｔ。负责子系统和外部的信息交换管 理，并对子系统内已经启动的Ａｇｅｎｔ进行管理，它的数据 库中存储了子系统内部激活的Ａｇｅｎｔ的名称和功能列表。 （２）系统管理Ａｇｅｎｔ。运行于机器人端网络服务器上，主 通信方式实现，主从端采用ＴＣＰ／ＩＰ协议，以客户端／服务器 的方式实现通信；多个机器人之间以及机器人和网络服务 器之间通过无线局域网实现信息的交换。 （４）安全保护子系统。用来确保系统安全无碰撞的工作。 要有２个功能：１）与各子系统管理Ａｇｅｎｔ通信获取系统中所 有已启动的Ａｇｅｎｔ的名称、所在子系统和功能描述，供其 他Ａｇｅｎｔ招标 Ｊ时使用；２）管理操作者的登录、退出和角色 分配（组长、组员、候选人等），操作者登录成功后，将把操 在主端，通过分布式人机交互环境抑制操作者的误操作； 在从端，机器人子系统借助自身的传感器实现实时避障， 作者所在的子系统中所有Ａｇｅｎｔ的名称、能力等信息存入 数据库中。操作者退出登录时将注销数据库中的相应信息。 （３）操作管理Ａｇｅｎｔ。运行于人机交互子系统，主要功能： １）提供虚拟向导【１叫等工具辅助操作者操作；２）实现机器人路 协调控制子系统通过融合系统所有信息实现安全控制。 （５）协调控制子系统。融合多个操作者的控制命令、机 器人运动的先验知识、多传感器信息等，进行规划与决策， 实现对多个机器人高效无碰撞的控制。 （６）机器人子系统。是遥操作系统的执行部件，由多个 径规划，为操作者提供事件级的操作支持；３）为多个操作者 提供协作支持。 第４０卷第２期 刘鑫，于振中，郑为凑，等：多机器人远程监控系统的多智能体控制结构 作业。 １５５ （４）一致性控制Ａｇｅｎｔ。多个子系统的一致性控制Ａｇｅｎｔ 相互协作，实现分布式人机交互环境的状态一致性控制以 及实时视频模型与物理模型的一致性控制。 （７）运动规划Ａｇｅｎｔ。运行于机器人子系统，接收来自协 调控制层的控制任务，根据自身的知识（规划算法）实时进行 （５）异常监测Ａｇｅｎｔ。各个子系统的异常监测Ａｇｅｎｔ功能 相似，都可监测系统危险情况和网络通信情况，并能做出 迅速的反应，根据子系统的具体要求，其实现略有不同。 （６）任务协调Ａｇｅｎｔ。运行于协调控制子系统，主要功能： 运动规划，与实时控制Ａｇｅｎｔ协作完成控制任务。 （８）实时控制Ａｇｅｎｔ。运行于机器人子系统，接收运动规 划Ａｇｅｎｔ规划的运动信息，产生控制指令，实时控制机器 人运动，把执行结果实时反馈给任务协调Ａｇｅｎｔ。 １）实现操作者和机器人的智能分配；２）实现任务分配；３）融 合多个操作者的控制命令和机器人多传感器信息，必要时 进行任务的再规划；４）和异常监测Ａｇｅｎｔ协作实现系统安全 （９）信息采集处理Ａｇｅｎｔ。实时采集机器人的多传感器信 息，进行融合处理，供其他Ａｇｅｎｔ使用。 基于Ｍｕｌｔｉ－Ａｇｅｎｔ的共享控制分层体系结构如图３所示。 人机交互层 Ｉ ｌ 网络通信层 Ｉ ｌ 协调控制层 Ｉｌ 执行层 用户交互ｌ子系统管理 子系统 Ｉ Ａｇｅｎｔ 机器人子系统１ 协调控制子系统 运动规划Ａｇｅｎｔ ｌ—’叶 — ＝＝＝ ＝＝＝＝ ｌ Ａｇｅｎｔｌ’ ｌ 实控制Ａ Ｋｅｎｔ ｌ’ ｌ ”。黑板 一致性控制ｌ ｌ ＝＝＝ ＿＿＝ ｌ Ａｇｅｎｔ ｌｌ”…一 信息采集处理ｆＡｇｅｎｔ｝ ‘＿＿’１ｆ 异常监测Ｉ １ Ａｇｅｎｔ ｌ、 Ｌ——一 网络服务器 异常监测ｌＡｇｅｎｔ ＪＩ ＞ｒ一 实时视频 一例一一 一～ 无 子系统管理Ａｇｅｎｔ 线 网络 子系统管理 传 用户交互Ｉ子系统管理 ＡＫｅｎｔ 感 机器人子系统 子系统ｌ Ａｇｅｎｔ 网 络 运动规划一 ＝＝＝ ＝ Ａｇｅｎｔ卜卜 １ｌ 实时Ａ ｇｅ ｎｔ ｌ、 １ ＡＫ ｅｎｔ ＝＝＝三＝＝＝＝＝ ｌＨ黑板 、 ｌｌ …… 信息采集处理ｌ Ｉ Ａｇｅｎｔ Ｊ Ｊ……、 场景视频图像 Ａｇｅｎｔ ＝＝＝＝＝＝ ＝＝＝＝＝＝＝ ＩＩ 异常监测Ｌ‘＿ＩＪ 采集和处理 异常监测ｌＡＡ，，ｅｎｔ ｝ 一 ｇｅｎｔ ｌｔ＿’Ｊ 实时视频 子系统管理Ａｇｅｎｔ 图３系统的Ｍｕｌｔｉ－Ａｇｅｎｔ分层体系结构 Ａｇｅｎｔ之间的通信采用黑板结构【ＪＩ＿和点对点通信相结 知模块和通信模块的消息，使用知识库中的规则对消息分 合的方式实现。子系统内部Ａｇｅｎｔ运行于同一软件环境下， 类，对于紧急事件或简单事件立即送执行器执行，复杂事 易于实现消息共享，宜采用黑板结构通信。各子系统之间 件由协作规划模块进行复杂行为的规划处理。 的Ａｇｅｎｔ具有分布式的特点，存在随机的网络时延，宜采 （３）通信模块。实现Ａｇｅｎｔ之间的信息交换。一方面， 用点对点的通信方式。此外，系统管理Ａｇｅｎｔ和各子系统 接收其他Ａｇｅｎｔ的消息，送反应模块进行消息分类，做进 管理Ａｇｅｎｔ也采用点对点的通信方式。 一步处理；另一方面，把反应模块和决策模块需要与其他 ４系统Ａｇｅｎｔ功能的实现 Ａｇｅｎｔ交换的信息发送出去。 （４）数据库和知识库。存储Ａｇｅｎｔ的名称、能力、目标 ４．１ Ａｇｅｎｔ体系结构设计 等描述信息、规则信息、控制知识、领域知识和有关数据。 根据以上对ＭＯＭＲ遥操作系统的特点和各Ａｇｅｎｔ功能 （５）协作规划模块。根据自身目标，利用各种知识对复 的分析，设计如图４所示的混合型Ａｇｅｎｔ的体系结构。这 杂行为进行分解、规划、推理、求解，将结果送决策模块。 种体系结构的Ａｇｅｎｔ既能满足快速响应的需求，也能满足 根据合同网协议对Ａｇｅｎｔ之间的协作提供规则上的支持。 较高智能的需求。各模块功能如下： （６）学习机制。根据一定的学习规则对Ａｇｅｎｔ的协作规 （１）感知模块。负责接收外部环境信息（如操作者的操作 划过程进行学习，并用学到的知识更新知识库的内容。 命令、环境的状态变化等信息），并把信息处理成知识级的 （７）决策模块。接收协作规划模块的输出结果，根据一 表达。 定的规则进行冲突检查和消解，把结果送执行器执行，或 （２）反应模块。实现反应型Ａｇｅｎｔ的功能，接收来自感 者通过通信模块传递给其他Ａｇｅｎｔ。
