一种基于BDI多智能体的船舶电力系统重构方法

摘要

本发明设计涉及船舶电力系统故障重构控制，公开了一种BDI多智能体船舶电力系统故障重构方法。该方法以船舶区域配电系统为控制对象，研究三相短路接地故障时的重构问题。整个船舶电力系统智能体包含决策智能体和执行智能体两大类；各BDI智能体通过传感器采集电气量和开关状态量信息，在联想记忆单元及混沌神经网络作用下，产生反映船舶电力系统运行状态的信念，生成该故障下系统重构策略意愿和考虑电力系统约束的可执行意图。各BDI智能体的信念、意愿及意图是在数字控制器的支撑下完成的，通过空气断路器、自动装置分断开关及接触器执行器作用于船舶电力系统，实现电力系统故障重构，有效切除故障负荷，保证船舶电力系统安全可靠。

说明书

技术领域：

本发明涉及船舶电力系统故障重构控制，特别是一种基于BDI (信念-意愿-意图)多智能体的船舶电力系统故障重构方法。

背景技术：

随着我国船舶工业及航海事业的迅速发展，船舶电力系统的容量 不断增大，对电力系统的安全可靠性要求越来越高。为满足船舶电力 系统对供电可靠性较高的要求，船舶电力系统故障重构作为故障时的 重构附加优化手段得到了相应的研究与应用。近年来，多智能体技术 (Multi-Agent,MA)作为分布式人工智能的重要组成部分，在电力系统 重构中的应用发展迅速，而BDI智能体作为认知型的典型，能够模 拟人的认知思维逻辑推理能力，不仅具有较好的学习能力、交互能力， 而且具有较强的自主能力，能够在船舶电力系统故障时生成满足船舶 电力系统约束的重构策略，缩短电力系统重构时间，提高重构效率。

船舶电力系统故障重构的BDI多智能体是具有感知能力、问题 求解能力和通信能力独立自治的计算实体，如数字控制器、软件程序、 数字测量仪表及重构算法开发PC机。各BDI智能体通过传感器感知 船舶电力系统电气量及开关状态量信息，并通过通信掌握其他BDI 智能体状态，能够针对船舶电力系统的三相短路接地故障信息生成相 应的重构策略，通过数字控制器控制相应空气断路器、自动装置分断 开关及接触器执行器，实现船舶电力系统的故障重构，保障船舶电力 系统安全可靠供电，维持船舶电力系统稳定高效的运行。

发明内容：

本发明是根据船舶电力系统特点，针对船舶电力系统对供电较高 的可靠性要求和三相短路接地故障时重构问题，提供一种基于BDI 多智能体的船舶电力系统故障重构方法。该方法以船舶环形区域配电 系统为控制对象，采用节点结构多智能体配置，将智能体分为：决策 智能体和执行智能体两大类，决策智能体包含全局决策智能体和各元 件局部决策智能体，各智能体构成梯形结构；基于现场总线各决策智 能体间采用点对点方式通讯，各元件局部决策智能体与相应执行智能 体间采用协调者转发的广播通信方式；各智能体的状态信息可以在 PC机及监视上位机上集中显示，方便监控人员及时了解电力系统的 运行状态；当船舶电力系统故障时，能够在BDI多智能体的作用下 产生满足系统约束的可执行重构策略意图，进而在数字控制器的作用 下，作用于船舶电力系统执行器，实现船舶电力系统故障重构，提高 船舶电力系统的重构效率，保障船舶电力系统供电的安全可靠性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明基于BDI多智能体的船舶电力系统故障重构方法以船舶 环形区域配电系统为控制对象，该电力系统主要由船舶柴油发电机组、 电力推进电动机组、母线直供负荷、区域负荷及电力网络组成，现场 设备层与系统管理层主要采用基于现场总线的通信方式，通过数字控 制器控制船舶柴油发电机组与电力推进电动机组及开关状态的执行 器，整个船舶电力系统多智能体结构分为智能体层、信息交互层与物 理层三个层次。船舶电力系统多智能体分为：决策智能体和执行智能 体，决策智能体又包括全局决策智能体和各元件局部决策智能体。各 元件局部决策智能体包含发电机决策智能体GA、电力推进电动机决 策智能体MA、母线决策智能体BA、母线直供负荷决策智能体LA 及区域负荷决策智能体ZA。各智能体构成梯形结构，基于现场总线 各元件局部决策智能体间采用点对点方式通讯，各元件局部决策智能 体与相应执行智能体间采用协调者转发的广播通信方式通讯。

本发明根据上述船舶电力系统多智能体配置及通讯方式将BDI 多智能体方法应用于船舶电力系统三相短路接地故障重构研究中，通 过各BDI智能体的交互协作实现船舶电力系统的故障重构。具体实 现步骤如下：

1.船舶电力系统运行状态监视。由处于现场设备层的发电机执行 智能体，电力推进电动机执行智能体，母线执行智能体，母线直供负 荷执行智能体和区域负荷执行智能体通过传感器采样电力系统电压、 电流、频率等电气量及各开关元件状态量信息，在联想记忆单元的作 用下对不完备信息进行处理产生信念(Belief)，反映船舶电力系统的运 行状态，监视船舶电力系统的运行，更新信念库。

2.船舶电力系统故障信息的提取。船舶电力系统发生三相短路接 地故障时，相应执行智能体通过传感器监测到电气量和开关元件状态 量在故障信息知识库和混沌神经网络的作用下，实现故障诊断及故障 定位，同时将故障信息上传给相应元件局部决策智能体GA、MA、 BA、ZA或LA。

3.船舶电力系统故障隔离。为了减小故障对船舶电力系统的影响， 在完成故障诊断及故障定位后，将故障信息上传的同时各执行智能体 在数字控制器的作用下向相应执行器发出动作指令，切除故障。各元 件局部决策智能体根据接收到的故障信息，首先由局部决策智能体根 据意愿(Desire)库知识，在推理机和混沌神经网络作用下，生成可执 行的重构策略意图(Intention)，当局部决策智能体不能生成满足系统 约束的重构策略意图时，将故障信息上报给全局决策智能体，由全局 决策智能体在推理机和混沌神经网络作用下，生成可执行的重构策略 意图，同时更新策略库。

4.船舶电力系统故障重构方案的生成。该环节是最狭义的船舶电 力系统故障重构，此环节的作用是在船舶电力系统BDI多智能体的 协作下实现了故障的自动定位，并且隔离了故障，产生了可执行的故 障重构策略意图，通过人的参与参考所生成的可执行重构策略意图， 快速地找出一套既能满足船舶电力系统运行约束条件又能保障最多 负荷供电的船舶电力系统重构方案。

5.船舶电力系统故障重构方案的执行。根据生成的可执行重构策 略意图制定相应的开关动作控制方案，确定各动作开关的动作顺序和 时间间隔，在数字控制器的作用下控制各空气断路器、自动装置分段 开关及接触器执行器，实现对故障区域非故障负荷单元的可靠供电。

有益效果：

本发明针对船舶电力系统故障重构问题，设计了一种基于BDI 多智能体的船舶电力系统故障重构方法，该方法体现了多智能体分层 控制的思想，结合船舶电力系统基于现场总线的集中监视，实现了船 舶电力系统实时运行状态的集中监视与故障重构的分散控制；在船舶 电力系统故障时，多智能体以分散的方式寻求重构策略，通过基于 BDI多智能体的重构方法生成可执行重构策略意图，继而根据该重构 策略意图产生重构方案，最终在数字控制器的作用下通过控制执行器， 实现船舶电力系统故障重构，该方法不仅为船舶电力系统调度管理人 员提供了参考执行方案，而且能有效提高船舶电力系统供电可靠性。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明的基于BDI多智能体方法船舶电力系统故障重构 原理框图，其相应的标号说明如表1所示。

表1图1标号说明

图2为本发明的控制对象船舶区域配电系统执行智能体配置示 意图，其相应的标号说明如表2所示。

表2图2标号说明

标号 含义 211、221、231、241 分别表示发电机G1、G2、G3和G4 251、261 分别表示推进电动机M1和M2 215、225、235、245 分别表示发电机执行智能体 252、253、262、263 分别表示电力推进电动机执行智能体 212、222、232、242、271、272、273、274 分别表示母线执行智能体 213、214、223、224、233、234、243、244 分别表示母线直供负荷执行智能体 275、276、277、278 分别表示区域负荷执行智能体

图3为本发明的控制对象船舶区域配电系统智能体层次结构及 交互关系示意图，其相应的标号说明如表3所示。

表3图3标号说明

其中，GA、MA、BA、LA、ZA分别表示船舶柴油发电机、推 进电动机、母线、母线直供负荷和区域负荷局部决策智能体。

图4为本发明的控制对象船舶区域配电系统ZONE1负荷ZL1在 有无BDI多智能体作用下，三相短路接地故障重构前后对比图。

船舶电力系统故障重构是根据图1基于BDI多智能体方法船舶 电力系统故障重构原理在图2所示的船舶区域配电系统执行智能体 配置结构及在图3所示的智能体层次结构及交互关系下实现船舶电 力系统故障重构。

具体实施方式：

基于BDI多智能体的船舶电力系统故障重构方法的多智能体以 分散的方式进行工作来增强电力系统的可靠性，各智能体在船舶电力 系统中的应用采用的是节点结构。该方法是在JADE(Java Agent  Development Framework)平台进行船舶电力系统多智能体的设计与试 验，在MATLAB\Simulink环境下对控制对象船舶区域配电系统进行 仿真，其中，在JADE中所仿真的多智能体间的信息交互没有考虑通 信的时间延迟。

(一)第一部分(BDI多智能体重构实现)

BDI多智能体船舶电力系统重构方法的实现通过模拟人的逻辑 思维推理能力进行，其内部状态有三个核心数据结构：信念、意愿和 意图。信念是BDI智能体通过传感器对船舶电力系统参数信息的采 集产生的认识，反映的是船舶电力系统的运行状态；意愿是在信念产 生的基础上，船舶电力系统三相短路接地故障时系统应该采取的重构 策略；意图是BDI智能体在考虑船舶电力系统约束条件下，经过推 理后得到的可执行的重构策略。

结合图1，对本发明的基于BDI多智能体的船舶电力系统故障 重构原理作进一步详述。系统配置与标号参见图1。

基于BDI多智能体的船舶电力系统故障重构实现是根据BDI智 能体18的推理原理在考虑船舶电力系统功率、电压、电流、频率等 供电约束的条件下进行的，它主要包括以下几个步骤：

1.船舶电力系统运行状态监视。该步骤对应于BDI多智能体信 念产生器3，BDI执行智能体通过传感器量测\感知单元6，感知船舶 电力系统电气量及开关元件状态量，同时通过与各执行智能体的通信 连接掌握其他执行智能体的状态信息。由于传感器量测/感知信息的 传输会造成数据信息丢失使得信息处于不完善状态，为了降低不完备 信息对船舶电力系统的影响，在信念产生器中加入联想记忆单元7， 该单元是利用神经网络的联想记忆功能实现的。传感器量测/感知功 率、电压、电流、频率及开关状态信息x₁,…,x_r19经归一化处理后， 在联想记忆单元7的作用下经过联想、整合20，生成信念数据 ψ₁,…,ψ_s8，反映船舶电力系统的运行状态，并将信念信息存储更新 信念库10。

2.船舶电力系统故障特征提取。BDI智能体基于信念库10与知 识库9的知识信息，在混沌神经网络11的作用下实现对船舶电力系 统运行状态的动态故障诊断。当船舶电力系统发生三相短路接地故障 时，BDI智能体根据监测到的电力系统电气量信息和开关元件状态量 信息产生的信念8在故障信息知识库9和混沌神经网络11的作用下， 诊断出故障类型实现故障信息定位。

3.船舶电力系统故障隔离。当船舶电力系统发生三相短路接地故 障时，混沌神经网络11一方面通过数字控制器在线控制相应执行智 能体的状态，切除故障防止故障范围的进一步扩大，另一方面以离线 的方式生成相应的重构策略。BDI智能体以离线方式产生的重构策略 包括BDI智能体重构策略意愿和可执行重构策略意图两部分。BDI 智能体根据信念库10和知识库9的知识在混沌神经网络11的离线作 用下，生成船舶电力系统故障重构策略意愿12存储在意愿库13中。 所生成的意愿12是在意愿产生器4的作用下，没有考虑船舶电力系 统的安全约束及负荷供电优先级，是船舶电力系统理想运行状态下的 重构策略。本发明的BDI多智能体意愿产生器5是将知识库知识K_i9 和信念库信念ψ_i10作为混沌神经网络神经元的输入量，在混沌神经 网络隐含层21和激活函数f(·)22的作用下生成并存储意愿信息 12，更新意图库13。

4.船舶电力系统故障重构方案的生成。该阶段是BDI多智能体 根据所生成的重构策略意愿信息在船舶电力系统约束条件下，考虑负 荷供电优先级，结合船舶电力系统的特点及多智能体配置，生成的可 执行重构策略意图。BDI多智能体的可执行重构策略意图16是重构 策略意愿12在意图产生器5的作用下产生的，是重构策略意愿信息 13在推理机14和递归混沌神经网络15的共同作用下，再经过激 活函数g(·)23的作用，产生可执行重构策略意图λ₁,…,λ_j16。所产生的 可执行重构策略意图16在数字控制器的作用下作用于船舶电力系统 执行器，实现船舶系统的故障重构，同时更新意图库17。

5.船舶电力系统故障重构方案的执行。决策智能体生成的重构策 略基于现场总线采用点对点的异构型通信方式，直接发送给相应的执 行智能体，各执行智能体根据数字控制器发出的0、1控制信号通过 空气断路器、自动装置隔离开关及接触器执行器2，实现船舶区域配 电系统1的故障重构。

综上所述，本发明的基于BDI多智能体船舶电力系统重构方法 通过联想记忆对不完备信息的处理，及在混沌神经网络的作用下实现 的。BDI多智能体方法采用集中监视与分散控制相结合实现船舶电力 系统三相短路接地故障重构控制，实现船舶电力系统运行状态监视、 故障信息提取、故障隔离、重构策略生成及故障重构。船舶电力系统 多智能体的状态信息可以通过监视上位机集中显示，方便船舶电力系 统调度管理人员及时了解船舶电力系统的运行状况。同时，各智能体 的状态信息可以通过基于现场总线的TCP\IP协议在重构策略开发PC 机上显示存储，有利于重构策略的优化。

(二)第二部分(多智能体体系结构配置、层次划分及通信结构)

本发明的基于BDI多智能体船舶电力系统重构方法是以船舶区 域配电系统为控制对象进行的，控制对象的执行智能体结构配置如图 2所示，各智能体的层次及交互关系如图3所示。下面结合图2和图 3作进一步详述。

1.船舶电力系统拓扑结构执行智能体配置

本发明以船舶环形区域配电系统为控制对象，该系统由四台船舶 柴油发电机211、221、231、241，两台电力推进电动机251和261， 母线，母线直供负荷，区域负荷及其电力开关元件通过电力网络的连 接而成，相应的执行智能体配置结构如图2所示。船舶柴油发电机是 船舶电力系统的能量产生单元，电力推进电动机作为船舶动力的核心， 由于船舶不允许失去动力，因此在电力推进电动机近母线侧没有装设 断路器。整个船舶电力系统的现场设备层、系统管理层、测量仪表、 PC机及监视上位机采用基于现场总线的通信方式，各执行智能体以 如图2进行布局配置。

如图2所示的船舶区域配电系统执行智能体配置结构，各元件智 能体都包括执行智能体与局部决策智能体两个组成部分，且各执行智 能体受同类型的局部决策智能体控制。如发电机局部决策智能体GA 控制执行智能体215、225、235、245；电力推进电动机局部决策智 能体MA控制执行智能体252、253、262、263；母线局部决策智能 体BA控制执行智能体212、222、232、242、271、272、273、274； 母线直供负荷局部决策智能体LA控制执行智能体213、214、223、 224、233、234、243、244；区域负荷局部决策智能体ZA控制执行 智能体275、276、277、278。各元件局部决策智能体和各元件执行 智能体均受全局决策智能体的直接控制，各智能体间进行双向通信， 如图3所示。

2.智能体层次结构及其交互关系

本发明实例BDI多智能体采用的层次型与异构型相结合的混合 型体系结构，如图3所示。全局决策智能体301与各元件局部决策智 能体302之间、各元件局部决策智能体302与各元件执行智能体303 之间是层次型体系结构，各元件局部决策智能体302及执行智能体 303较全局决策智能体301与各元件局部决策智能体302只具有建议 权无决策权。各元件局部决策智能体302之间是异构型的体系结构， 是平等协作的关系，能够通过协商求解生成重构策略。

在船舶电力系统重构中，各智能体采用的是自下而上的重构策略 求解方式。各元件执行智能体303既是船舶电力系统运行状态的监测 单元，又是动作执行单元，能够在数字控制器的作用下通过信息交互 层的信息交互304作用实现对空气断路器、自动装置隔离开关和接触 器的控制。当船舶区域配电系统发生三相短路接地故障时，各元件执 行智能体303能够实现故障诊断与隔离，同时将故障信息上传给相应 元件局部决策智能体302，通过各元件局部决策智能体302的信息交 互，生成相应的重构策略；当各元件局部决策智能体302不能生成满 足电力系统约束的重构策略时，则将故障信息进一步上传给全局决策 智能体301，由全局决策智能体301生成满足电力系统约束条件的重 构策略，并最终将重构策略执行信息通过控制空气断路器、自动装置 隔离开关及接触器执行器305，实现电力系统故障重构306。

根据图1所示的基于BDI多智能体的船舶电力系统故障重构原 理框图及图2和图3所示的船舶区域配电系统控制对象，对区域 ZONE1负荷ZL1发生三相短路故障在有、无基于BDI多智能体重构 算法作用下，船舶区域配电系统的仿真分析数据如图4所示，可知 G1、G3间的输电线路B相冲击电流由重构算法作用前的3000A降低 为重构算法作用后的800A，电力推进电动机转速波动在重构算法作 用前的波动显著，重构完成后基本无变化。图4(b)所示在ZL1经倒闸 操作由G2、G4间的输电线路供电后G1、G3间输电线路电流为零， 表示G1、G3母线间无能量传输；ZL1由ZONE2供电使得ZONE2 电流由140A增至270A，同时输电线路传输功率增加。

通过对比图4船舶区域配电系统发生短路故障重构前后的数据 可知，所制定的基于BDI多智能体的船舶电力系统重构方法能够有 效实现船舶区域配电系统重构，降低三相短路接地故障对电力推进电 动机转速及输电线路过电流的影响。