智能系统：基于multi-Agent技术的海洋数据智能采集与传输系统

第4卷第6期 智能系统学报 Vol.4 No.6 2009年12月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Dec.2009 doi:10.3969/i.i8sn.1673-4785.2009.06.007 基于multi-Agent技术的海洋数据 智能采集与传输系统 胡 涛，丁永生12，曾献辉2，许武军12，郝矿荣2 (1.东华大学信息科学与技术学院，上海201620：2.数字化纺织服装技术敕育部工程研究中心，上海201620) 摘要：基于multi-Agent技术研究了海洋数据采集与传输系统的体系结构、协调机制等关键技术，阐述了其中的A 行为模型设计，包括任务分解原则、通信机制及开发路线的选择等，以解决多握手协议、多发送地址的复杂环境 中数据传输问题.系统采用分层设计思想和多线程技术，实验结果显示了这种方法的可行性.基于mti-Aget的智 能数据采集与传输系统提高了系统的自组织、自适应能力，具有较好的通用性和可扩展性。 关键词：multi-Agent;海洋数据传输；分层设计；多线程 中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：16734785(2009)06050805 Intelligent data acquisition and transmission system for oceanic data using a multi-Agent technique HU Tao',DING Yong-sheng'.2,ZENG Xian-hui.2,XU Wu-jun'.2,HAO Kuang-rong.2 (1.College of Information Sciences and Technology,Donghua University,Shanghai 201620,China;2.Engineering Research Center of Digitized Textile Fashion Technology,Ministry of Education,Shanghai 201620,China) Abstract:The authors analyzed the architecture and coordination mechanisms of an oceanic data acquisition and transmission system and developed a design scheme for Agent behavior in such a multi-Agent system.This included principles of task decomposition,communication mechanisms and choices of Agent design routes.As a result,the multi-Agent system can solve data transmission problems in a complex environment using a multi-handshake proto- col and multi-send addresses.A multilayer design concept with multithreading was also introduced in the system. Keywords:multi-Agent;oceanic data transmission;multilayer design;multithread 海洋综合规测与试验平台网络的一体化结构由 对象，为此需要解决多种数据的采集、处理和高效动 3部分组成：无线/卫星通讯网、试验平台系统、基站 态传输等集成技术.本文提出利用muli-Agent系统 控制中心网.基站控制中心不仅能通过无线/卫星等 (MAS)技术，对数据传输系统进行设计，以解决多 通信手段接收海洋综合观测与试验平台的信息，还 握手协议、多发送地址的复杂环境中数据传输问 可以对其进行管理，并根据预定程序发送控制指令， 题261.MAS由多个自主或半自主的Agent组成，每 对海洋综合观测与试验平台上的设备进行控制；试 个Agent或者履行自己的职责，或者与其他Agent 验平台系统负责信息的电子化管理、接收基站控制 通信获取信息并互相协作完成整个问题的求解。 中心的控制命令，为相关设备动作提供依据，进行实 MAS侧重研究一组Agent的行为如何协调，各Agent 时数据的分析与处理等 如何进行通信和协调各自的知识、目标、策略和计划 海洋综合规测网络与试验平台网络是以海底水 等.各Agent在地理上可以是分散的，这无疑对完成 文、气象、温度、声学信号、沉积及泥沙等要素为研究 大规模和复杂的任务是富有吸引力的. 针对海洋数据采集与传输系统的体系结构、协 收稿日期：2009-10-05 调机制等关键技术78]，阐述了其中的Agent设计， 基金项目：国家自然科学基金资助项目(60975059)：上海市科学技术 委员会重大科技资助项目(06z12009-2-1);上海市科学技 采用分层设计思想和多线程技术，设计了一种较为 术委员会重点基础研究资助项目(08JG1400100)；上海市 高效、合理的智能数据采集与传输系统。 人才发展资金资助项目(001). 通信作者：丁永生.E-mail:ysding(@dhu.edu.cm

第6期 胡涛，等：基于muli-Agent技术的海洋数据智能采集与传输系统 ·509· 入CDMA DTU中，通过CDMA实时传送到电信基 1数据采集与传输系统的整体设计 站，作为需要的实时数据.后端的基站控制中心将数 海洋观测系统的数据采集中心由放置在浅海海 据由基站传输给远程多台指定的服务器 底的采集设备负责采集各种海洋信息，然后由光电 基于multi-Agent的数据采集与传输系统结构 适配器转换成光信号，到达海岛后再由光电适配器 如图1所示，它是由多个接收/发送串口和存储设备 转换成电信号.中间的数据传输中心将数据直接接 组成，整个系统共有8个串口。 管理Agent 回馈信息 告知收御数据 回馈信息包 调用、分配 括：数据处 数据处理存理完毕，无可 调送发送 信息L储Agent -川Ant等 Agnet 申口收到 接收数据 传递数据 传递数据 数据发送 CDMA发送数据， 数据 Agnet Agnet 数据处理 与存储Agent 串口发送 数据发送 传递命令 传递命令 接收数据 接收查询命令、 命令 Agnet Agnet 图1基于multi--Agent的数据采集与传输系统结构 Fig.1 The system structure of data acquisition and transmission based on multi-Agent 1.1系统的体系结构 求.信息传递是指发送Agent主动把有关信息传递 在进行multi-Agent系统设计时，首先应确定系 给接受Agent;:服务请求是指发送Agent向接受A- 统的体系结构[4，定义整个系统内个体Agent的相 gent发出请求，要求接受Agent提供所需的服务，并 互关系和功能分配，确定系统和各部分之间的信息 将服务的结果返回给发送Agent.. 流通关系及其逻辑上的拓扑结构，决定任务分解、分 海洋数据采集与传输系统中，各Agent之间消 配、规划、决策及执行等过程的运行机制及系统各部 息传递关系如图2所示.系统的功能就是在各个A 分所担当的角色.系统的体系结构一般可分为集中 gent不断地对其他Agent发送信息或服务请求，或 控制方式、分布控制方式以及集中与分布相结合的 者响应其他Agent的消息过程中得以实现的.图2 混合控制方式3类 描述了各Agent间存在的协作关系，此处仅对图2 海洋数据采集与传输系统主要用于多端口的数 中协作关系“[2]”所代表的端口Agent与管理A- 据接收和发送任务，需要处理各端口在接收/发送数 gent之间存在的协作关系做如下解释说明. 据时的协调和分工、确定接收数据在各端口间的流 [2] 管理Agent 13 向、发送任务的分解以及各端口间的信息交流；因 此，端口的管理十分重要，工作量较大，需要设计专 [] 门的管理单元.为此，采用集中式体系结构，由专门 瑞口Agent [4] 5] 端口Agent 的核心Agent负责各端口的管理，负责接收/发送任 (负责接收数据) 数据 负责发送数据) 16 存储 17 务的分配和调度，并协调各端口Agent之间的通信 单元 方式.但在设计时要保留扩展的接口，以便系统的接 猫口Agent 14 I5]端L口Agent (负责接收数据) (负责发送数据) 口扩充. 1.2系统的通信与协作 图2数据采集与传输系统中Aget间的消息协作关系 在海洋数据采集与传输系统中，Agent之间的 Fig.2 The communication and interaction among Agents 通信行为大致可以分为2类51：信息传递和服务请

510. 智能系统学报 第4卷 图2中“[2]”：所有端口Agent(P)与管理A- 主要功能及设计方案[46)」 gent(M)之间的信息交流. 2.1端▣Agent M-P01:端口当前状况查询； 端口Agent是整个系统的主要功能单元，负责 M-PO2:激活端口线程； 完成数据的接收/发送动作，每个Agent负责一个端 M-PO3:数据发送任务安排计划； 口，使其能根据环境的变化选择合适的功能；端口 P-M03:数据接收 Agent是对端口和其所处环境的整体建模，是对端 为了解决muli-Agent之间的通信，本文采用 口功能进一步地整合，使其模块化，操作更为简单、 KQML通讯语言.当数据存储单元内存有等待发送 快捷 的数据时，管理Agent(IDMA)依次会给所有端口A- 端口Agent包含了接收、发送、与当前环境交流 gent(ID为PA)发送如下信息： 3部分内容，能根据当前环境的不同，灵活地选择接 (ask all 收或发送功能，使串口的利用率得到提高.端口A sender MA gent的设计如下： receiver PA01 1)状态栏.串口的开闭状况、串口的工作状态、 reply_with MAid3 采集的信息类型以及当前所使用的功能等. language C 2)规则库. :content[InformationAbout(“空闲”)]) ①接收数据.根据接收的信息类型分为少量信 如果有处于空闲端口Agent时，空闲端口Agent 息传输和文件传输.对于少量信息传输，端口Aget 即可回应管理Agent,并由管理Agent添加进人空闲 的接收功能直接写人存储单元；当传输文件时，端口 端口队列. Agent将文件接收完成之后，调用文件处理模块，由 (tell 文件处理模块对所接收的文件进行分块处理，最后 sender PA02 再存入存储单元，以利于管理Agent的任务分配，预 receiver MA 防文件过大，造成单个串口工作量过于繁忙。 in_reply_to MAid3 ②数据发送.同接收功能相似，端口Agent的发 language C 送功能也具有发送少量信息和文件2种功能.在文件 :content[...]) 发送中，由于文件较大，一般由多个串口协助发送，多 1.3任务的分配算法 个串口之间的协助关系由管理Agent分配协调. 系统采用基于环结构的并行调度算法，该算法 ③握手协议接收器.为了解决传输环境中协议 能使每个节点的任务数达到较好的负载平衡，能减 过多问题，设置了握手协议接收器，通过接收Agent 少各任务的迁移和通讯总量.在该算法中，根据系统 与传输环境的通信，使环境告知接收Agent新增的 的总任务数，主控节点计算出每个节点的平均任务 协议，增加接收Agent的处理能力. 数，每个节点就可获知是否超载；如果超载，则退出 ④地址添加器.在传输环境中，由于地址是不固 多余的任务数；如果少于平均数，则从主控节点处获 定的，需要及时更新发送的地址，所以在发送Agent 得任务数.当任务不能平均分配时，则主控节点给开 中，设置与外界环境通信的模块，方便于接收环境信 始的某几个节点分配“平均任务数+1”个任务，这 息，解决了环境中的多地址问题. 样它们就比别的站点多一个任务.从而在系统调度 3)通信.端口Agent主要有2种通信：写人存储 阶段的最后时刻，每个节点有几乎相同数目的任 务 单元和接收环境消息.前者是对存储信息的更新，后 者是与当前环境进行交流 2 数据采集与传输系统中Agent的 4)文件处理单元.为了缓解管理Agent任务过 行为模型 重的情况，设置了文件管理单元，并由接收Agent直 接调用，文件管理单元的功能为将文件进行固定大 在系统中，设计了3种Agent单元：端口Agent、 小分块，将每一块作为一个消息存入存储队列，即将 管理Agent和存储Agent.由于Agent的分工不同， 任务细化. 且相互间的任务可以同步完成，所以为每个Agent 2.2管理Agent 创建单独的线程，执行各自的功能，各线程间的通信 管理Agent处于核心地位，负责系统各Agent 协调是本系统的关键所在，以下给出了各Agent的 的协调工作，是各个Agent的连接纽带.管理Agent

第6期 胡涛，等：基于muli-Agent技术的海祥数据智能采集与传输系统 511 有数据传输任务的分配、各指标的识别、对存储单元 尽可能提高资源的利用， 读写的控制等.管理Agent的设计是否合理，直接影 3.2系统实现 响系统的整体性能，也是系统效率的瓶颈所在，故要 海洋数据采集与传输系统提供了数据采集，历 采取合理的方式，缓解管理Agent的工作量.本系统 史数据存储及远程管理等功能，从而将观测数据采 中，专门设计了存储单元Aget和文件单元，专门负 集、通讯传输等系统有效地集成在一起.该软件系统 责信息存储与文件分块，以缓解管理Agent作为中 的界面主要包括3个子界面：实时监视、日志查询和 间环节的工作量过重问题. 自定义方案，如图3~5所示 1)状态栏.包括：串口注册表、接收/发送串口 大X 的工作状态、存储队列的信息数量； 计操害： 停上 2)规则库. ①各串口注册，在系统初始化时，将各串口注册 4 到管理Agent中，由管理Agent负责串口的通信， ②存储单元信息的读写控制. 2 ③任务分配.这是管理Agent最主要的任务，通 早州 过基于环结构的并行调度算法，实现任务的分配，使 图3实时监视界面 各发送串口的任务均衡. Fig.3 Real-time monitoring interface 3)通信.由于本系统的体系结构采用集中式体 系结构，因此，管理Agent在通信中担当着主要角 保才额日有台定火全 看洋来代0置 色，起协调连接作用. 开6白魏时性：成年月前习西站東日呢附调：行2前i四1空 2.3存储Agent 花天m笔 存储Agent是数据的存储单元，各Agent间的 已商 信息传递也可通过存储单元完成，即将信息在各A 和 gent之间的转换独立出来，以细化管理Agent的工 作.在本系统中，存储Agent只接受来自管理Agent 的信息，根据管理Agent的指令，分配存储单元的信 图4日志查询界面 息，接收/发送Agent只有在获得存储Agent的许 Fig.4 Record query interface 可，才能对存储单元进行读写访问. 可位阁转置博日无女X 1)状态栏.主要为存储队列， 2)规则库.包含队列控制单元，对存储队列进 行管理，主要为读取队列，提交给发送Agent.. 1家无 3)通信.存储单元模块只能与管理Agent进行 通信，由管理Agent规划， 3数据采集与传输系统的实现 3.1软件的设计 图5自定义方案 在设计软件过程中，系统整体结构采用分层设 Fig.5 Custom scenarios 计.最低层是串口处理层，负责串口事件，从串口读 本系统每个端口Agent都设计有读写功能，使 入或发送数据：其次是数据分离和数据处理层，负责 得数据传输的通道可以双向传输，与传统的传输系 从串口接收到的原始数据中解析出完整无差错的数 统相比，可以提高串口的利用率，减少对串口的需 据，并将其储存；第3层是数据实时显示层，这一层 求.系统采用自行设计的硬盘文件管理技术，进行历 负责显示收到的数据及相关的系统消息，为用户决 史数据存储，提高存储的效率和系统的可靠性.同时 策提供实时信息 利用实时数据发送与定时历史数据发送的双重机 由于数据传输的不确定性，为使各部分能实时 制，保证采集数据的完整性与实时性.该系统目前已 处理，软件根据并行计算设计理念，采用多线程设 成功应用在某海洋观测系统平台 计，为串口处理层中的每个串口设计了单独的线程

.512. 智能系统学报 第4卷 [6]张洁，高亮，李培根.多Agent技术在先进制造中 4结束语 的应用[M].北京：科学出版社，2004：280-287 随着监控技术、传感器技术的快速发展和普及， [7]宋鹏，严峰斌.基于CDMA的移动无线数据传输系统 数据采集与传输的研究也得到越来越广泛的关注， [J].单片机与嵌入式系统应用，2005,12(2)：37-39. 本文基于muli-Agent研究了传输系统的体系结构、 SONG Peng,YAN Fengbin.Mobile data transfer system based on CDMA J].Microcontrollers Embedded Sys 协调机制等关键技术，设计了一种较为高效、合理的 tems,2005,12(2):37-39. 数据智能传输系统，具有较好的通用性.系统采用了 [8]王海涛，段哲民。多路数据采集与网络远程传输系统实 分层设计，为扩展留下了接口，方便了今后的扩展， 现[J].计算机测量与控制，2008,10：421423. 参考文献： WANG Haitao,DUAN Zhemin.Multi-channel data acquisi- tion and long distance internet transmission system[J]. [1]杨士莪.海洋环境及海洋资源调查、监测技术概述[J]· Computer Measurment Control,2008,10:421-423. 舰船科学技术，2008,23(5)：17-19. 作者简介： YANG Shie.Ocean expedition and ocean exploitation:a 胡涛，男，1985年生，硕士研究 general review about techniques of ocean inspection and sur- 生，主要研究方向为智能系统等。 vey[J].Ship Science and Technology,2008,23(5):17- 19. [2]PARK S,SUGUMARAN V.Designing multi-Agent sys- tems:a framework and application[J].Expert Systems with Applications,2005,28(2):259-271. [3]MONTANO B R,YOON V.Agent leaming in the multi-A- 丁永生，男，1967年生，教授，博士 gent contracting system[J].Decision Support Systems, 生导师，博士，主要研究方向为智能系 2008,45(1):140-149. 统、网络智能、DNA计算、人工免疫系 [4]王俊松，崔世钢.Muli-Agent技术及应用[J].计算机工 统、生物网络结构、生物信息学、数字化 程与应用，2003,28：6163. 纺织服装等研究. WANG Junsong,CUI Shigang.Multi-Agent technique and its application[J].Computer Engineering and Applications, 2003,28:6163. 曾献辉，男，1974年生，博士研究 [5]夏洪山，许峰.分布式实时系统中的多Agent调度 生，副教授，主要研究方向为智能控制、 [J].南京航空航天大学学报，2004,36(3)：302307. 数字化纺织服装、智能决策与分析等. XIA Hongshan,XU Feng.Multi-Agent scheduling in dis- tributed real-time systems[J].Journal of Nangjing Universi- ty of Aeronautics Astronautics,2004,36(3):302-307