基于多AGENT的智能航运信息系统关键技术研究

摘要

水路运输具有运能大、能耗小、成本低、占地少、污染轻的明显比较优势，作为综合运输体系的重要组成部分，对中国国民经济、对外贸易和区域经济社会的发展起到了重要支撑作用。伴随着信息技术的发展，航运特别是长江航运，在信息化基础设施、应用系统、数据资源等方面，经历了一个较为快速的建设发展过程，并逐渐显现出重要作用，但同时也暴露出航运信息系统“分散孤立、条块分割”的现状。信息化与航运业务的整合、信息资源共享以及业务协同是内河航运信息化发展的必然趋势。智能航运系统的核心思想就是通过对各种航运信息的实时采集、传输和交换，对各种运输情况的协调和处理，建立起来一种在大范围内、全方位发挥作用，实时、准确、高效的综合水上运输管理体系，从而提高交通效率和安全，使交通设施、社会资源得以充分利用，最终实现交通运输服务社会化和管理智能化。为此，本文以“智能航运”为理念，以交通运输部项目《长江航运公共综合服务一体化关键技术研究》为依托，提出采用多Agent技术构建智能航运综合信息服务体系框架，并对多Agent理论及其在航运系统中应用的关键技术和方法进行深入研究。这里，服务的概念主要体现在各航运要素不仅仅是服务的受众者，更成为体系中的信息服务者，从而实现航运行业各参与方的信息共享和业务协同。
　　 本文首先分析了长江航运的信息资源与组织结构关系，梳理航运系统信息流，得出航运信息处理逻辑框架。针对框架特点，研究分析了MAS理论与技术应用于智能航运系统的可行性。对现有MAS联邦结构进行改进，提出一种新的C-M结构模型。该模型通过水平空间分解和垂直功能分解，将整个系统分解为若干个易处理的子系统，控制作用分解到不同的层次上，并通过局部的协调来实现复杂的控制任务和目标，从而解决了巨型复杂系统的维数灾难和可靠性问题。基于C-M结构模型，本文建立了基于地理区域划分和基于业务功能划分的两种智能航运信息系统(IWTIS)的体系框架，分析比较了两种框架的特点和适用性。文中分别设计了执行层和协调层Agent的典型结构，并基于面向对象的开发语言给出了结构各要素形式定义和Agent基本功能的代码实现。
　　 IWTIS框架的特点是信息的分散性、动态性和异构性，Agent协作行为的协调程度、系统的全局连贯性以及IWTIS组织是否具有自适应性是关系到整个系统性能和开放性的核心研究内容，同时也是衡量系统智能水平的重要指标。本文重点研究了合同网模型这一MAS协作技术中相对成熟的协商机制，针对其在IWTIS的动态信息交换与服务应用中可能存在的通信量大、决策过程复杂、决策效率低的问题，对熟人集招标策略进行改进，引入承诺的概念，提出了基于承诺和能力的改进招标策略，加入招标限制机制，并给出了基于承诺信用度和能力的评标策略。针对多Agent利益冲突和竞争问题，本文研究基于对策论的多边多回合协商算法，提出基于IWTIS架构的改进算法，该算法不依赖于Agent在收益方面的全局性知识，同时又可充分利用Agent对于该问题的局部知识，从而达到消解冲突、实现协作的目的。
　　 最后，本文针对长江交通管理的实际现状和需求，基于IWTIS框架建立面向全流域的交通协同监控与诱导系统，进行了系统结构和功能设计，分析了系统建设中的关键技术和解决方案，并在实验室环境中对交通流协同监控与诱导进行了仿真实验。实验结果表明基于多Agent协同的交通监控与诱导系统能够有效地疏导航道交通，避免交通拥堵的发生，从而提高航道通行效率和船舶航行安全。

目录

文摘

英文文摘

创新点摘要

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 研究的目的和意义

1.3 国内外航运系统研究综述

1.3.1 国外航运系统研究现状

1.3.2 国内航运系统研究现状

1.3.3 E-Navigation

1.4 Agent与MAS理论发展概述

1.5 论文研究内容及组织结构

第2章 航运资源与结构的研究

2.1 业务模型

2.2 航运信息资源分析

2.3 航运体系信息流

2.4 航运体系总体逻辑框架

第3章 基于多Agent的智能航运信息系统体系框架研究

3.1 MAS结构与描述模型

3.1.1 Agent的基本结构

3.1.2 基于BDI框架的Agent描述模型

3.1.3 MAS描述模型

3.1.4 MAS体系结构

3.2 基于MAS的智能航运信息系统的体系架构

3.2.1 系统设计原则

3.2.2 体系框架的提出

3.2.3 纵向信息整合实现机制

3.2.4 横向信息整合实现机制

3.3 协调层Agent设计

3.3.1 协调层Agent结构

3.3.2 协调Agent实现

3.4 执行层Agent设计

3.4.1 执行层Agent结构

3.4.2 执行Agent实现

3.5 本章小结

第4章 IWTIS的协作机制与算法研究

4.1 协作理论概述

4.1.1 协作的概念

4.1.2 主要协作方法

4.2 合同网模型

4.2.1 合同网模型及特点

4.2.2 合同网模型研究的要素

4.3 基于改进合同网的协作任务求解模型

4.3.1 基于任务熟人集的招标策略

4.3.2 基于承诺的招标策略

4.3.3 基于承诺信用度和能力的评标策略

4.4 基于特征值的多边协商算法

4.4.1 问题描述

4.4.2 基于对策论的特征函数

4.4.3 多边协商算法

4.4.4 算法分析

4.5 本章小结

第5章 基于IWTIS的水上交通协同监控与诱导系统研究

5.1 水上交通协同监控与诱导系统设计

5.1.1 水上交通监控的现状与研究意义

5.1.2 系统结构与功能设计

5.2 交通信息采集与预处理

5.3 交通流预测模型

5.4 分级Agent协作模型

5.5 仿真系统的开发及仿真结果分析

5.5.1 仿真系统硬件结构

5.5.2 开发工具的选择

5.5.3 仿真过程及结果分析

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

论文研究依托的科研项目

致谢