方興未艾的多智能體機器人技術(shù)

1、方興未艾的多智能體機器人技術(shù)  薛宏濤沈林成常文森   2001-3-2 機器人技術(shù)與應(yīng)用    前言        目前的工業(yè)系統(tǒng)正向大型、復(fù)雜、動態(tài)和開放的方向轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的工業(yè)系統(tǒng)和多機器人技術(shù)在許多關(guān)鍵問題上遇到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。分布式人工智能(DAI，Distributed     Artificial Intelligence)與多智能體系統(tǒng)(MAS,Multi-Agent

2、60;   System)理論為解決這些挑戰(zhàn)提供了一種最佳途徑。將DAT、MAS充分應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)和多機器人系統(tǒng)的結(jié)果，便產(chǎn)生了一門新興的機器人技術(shù)領(lǐng)域一多智能體機器人系統(tǒng)(MARS，Multi-Agent     Robot System)，MARS技術(shù)正在蓬勃發(fā)展之中。        傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)和多機器人技術(shù)遇到的挑戰(zhàn)        為了在當(dāng)今不斷變化且難以預(yù)測

3、的市場環(huán)境中有效地競爭，產(chǎn)品生產(chǎn)廠家必須能夠迅速且廉價地設(shè)計、實現(xiàn)、改變生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)規(guī)模并維護(hù)制造工具。這就要求敏捷制造的能力，敏捷制造要求短的市場周期、高度部件化多樣化的產(chǎn)品以及由人工完成任務(wù)的進(jìn)一步自動化等。對于這些需求，工業(yè)機器人和制造設(shè)備的傳統(tǒng)的、集中的、單一式控制結(jié)構(gòu)因為它們固有的不靈活性而難以滿足。    傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)也不能滿足敏捷制造的要求。傳統(tǒng)的計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)往往是高度集中的，至少有一個中心數(shù)據(jù)庫，它提供一張企業(yè)狀態(tài)的一致的全局視圖，既用于內(nèi)部訪問又作為與組織的其他部分的接口。典

4、型地，還有一臺中心計算機，它為下層的制造工具計算調(diào)度方案、在整個工廠內(nèi)指派活動并進(jìn)行監(jiān)控與規(guī)劃。這種方法有三個特性妨礙靈機應(yīng)變：它是集中的；它依賴于全局計劃；它優(yōu)先執(zhí)行規(guī)劃與調(diào)度。    機器人技術(shù)的發(fā)展使得機器人的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍不斷擴展，機器人面臨著更復(fù)雜的作業(yè)，這些復(fù)雜的作業(yè)由單一機器人已難以完成，需要多個機器人協(xié)調(diào)與合作共同完成。另外，目前的由多臺、幾十臺甚至上百臺機器人組成的自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)柔性較差，機器設(shè)備組織的改變既困難又昂貴，僅適于長周期、單一式產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)，而難以適應(yīng)小批量、多品種的生產(chǎn)，從而缺乏敏捷制造的能力，難以適應(yīng)靈活多變的市場

5、需求。因此，多機器人系統(tǒng)的組織與控制方法對系統(tǒng)性能的影響極大，如何組織由多個機器人構(gòu)成的群體，以及在這樣的群體中如何實現(xiàn)機器人的協(xié)調(diào)合作問題已成為當(dāng)前的機器人研究領(lǐng)域的一個新課題，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。傳統(tǒng)的多機器人系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)采用分層和集中的結(jié)構(gòu)，采用從上到下的一個過程來進(jìn)行規(guī)劃和制定決策：一個全局任務(wù)路徑規(guī)劃器計算出基本的子目標(biāo)、再由一個集中的全局路徑規(guī)劃器產(chǎn)生要執(zhí)行的聯(lián)合行動序列，最后由控制單元執(zhí)行這些動作序列。這種集中式控制系統(tǒng)有許多致命的缺點限制了它們的應(yīng)用：(1)全局路徑規(guī)劃很費時；(2)系統(tǒng)被局限到一些數(shù)目固定的機器人中；(3)系統(tǒng)的容錯性只能限定在一些小范圍的錯誤之中。80

6、年代末，受到分布式人工智能、多智能體系統(tǒng)研究的啟發(fā)，一些學(xué)者針對集中式擴展的不足，提出了分散化和分布式的多機器人系統(tǒng)合作組織策略、方法和協(xié)調(diào)機制，這些研究正逐漸形成“協(xié)作機器人學(xué)報”(Cooperative     Robotics)，其中基于多智能體概念研究多機器人系統(tǒng)的多智能體機器人系統(tǒng)正逐漸成為研究的熱點和方向。        分布式人工智能和多智能體系統(tǒng)理論發(fā)展概述        DAI和

7、MAS是近二十年來蓬勃興起的嶄新的計算機學(xué)科，盡管這個領(lǐng)域還相對年輕，但它有著強勁的發(fā)展勢頭，目前是計算機科學(xué)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。DAI和MAS研究參與由人和計算機組成的社會的智能體所必須的知識模型、通訊和推理技術(shù)，關(guān)注幾個智能體交互作用共同求解一個公共問題。DAI和MASA代表了一種分析、設(shè)計和實現(xiàn)大型、復(fù)雜系統(tǒng)的方法途徑，基于智能體的觀點提供了一種強有力的工具、技術(shù)和途徑來提高人們概念化和實現(xiàn)許多類型系統(tǒng)的能力，也提供了一種自然和藝術(shù)的方式來表述一系列多樣化的問題，并且它提供了很崐好的機會來處理由于工業(yè)和商業(yè)正在向更加模塊化、分布和開放系統(tǒng)的發(fā)展趨勢而引起的一系列新類型應(yīng)用。智能體技術(shù)和方

8、法正在被應(yīng)用于迅速增長的廣闊領(lǐng)域，從很小的個人電子郵件過濾器到大型、復(fù)雜和嚴(yán)格系統(tǒng)如空中交通控制。    目前，DAI和MAS的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：制造業(yè)、過程控制、遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)、控制交通控制、交通和運輸管理、信息過濾和收集、電子商務(wù)、商業(yè)過程管理、娛樂業(yè)和醫(yī)療看護(hù)等。其中，在工業(yè)中的應(yīng)用是被首先開發(fā)的，目前已經(jīng)在很廣泛的工業(yè)系統(tǒng)中獲得應(yīng)用并獲得良好的經(jīng)濟和社會效益。        DAI、MAS在傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)和多機器人系統(tǒng)中的應(yīng)和以及智能體機器人技術(shù)  &#

9、160;     與傳統(tǒng)的CIMS相比，DAI與MAS方法中，每個智能體接近與現(xiàn)實世界的接觸點，所以系統(tǒng)的計算狀態(tài)非常密切地跟蹤了世界的狀態(tài)，而不需要集中的數(shù)據(jù)庫。整個系統(tǒng)的行為根據(jù)局部決策形成，所以對環(huán)境噪聲或智能體的刪除或增加，系統(tǒng)自主地重新調(diào)整自身。對每個智能體的軟件要比集中方式方法所需的簡短得多，容易書寫、調(diào)試和維護(hù)。因為系統(tǒng)運行時調(diào)度它自身，所以沒有分離的操作調(diào)度階段，故沒有必要等待調(diào)度程序完成。    因此，DAI與MAS方法為解決傳統(tǒng)工業(yè)中遇到的挑戰(zhàn)提供了一種最佳途徑，它是分散的而不是集中的

10、，應(yīng)急的而不是計劃好的，并發(fā)的而不是順序的。DAd與MAS方法用一個智能體網(wǎng)絡(luò)代替一個集中的數(shù)據(jù)庫和控制計算機。每個智能體具有其環(huán)境的一個局部視圖并對其環(huán)境具有局部地作了反應(yīng)的能力和權(quán)利。整個系統(tǒng)的性能不是全局計劃好的，而是通過這些智能體的實時動態(tài)相互作用表現(xiàn)出來。因此，系統(tǒng)沒有調(diào)度與執(zhí)行的交替循環(huán)。相反，根據(jù)局部智能體的并發(fā)獨立的決策調(diào)度得以體現(xiàn)。    與傳統(tǒng)的采用多層和集中結(jié)構(gòu)的多機器人體系結(jié)構(gòu)相比，采用DAI和MAS的相關(guān)技術(shù)而建立的分布式式分散式控制結(jié)構(gòu)的多智能體機器人系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)點：模塊化好分散的知識庫容錯性強和冗余度高集成能力強可擴展性

11、強因而，采用多智能體機器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的集中式控制結(jié)構(gòu)正在成為多機器人體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的一種必然趨勢。目前MARS正在蓬勃發(fā)展之中，在國際上代表性的研究工作有：(1)Parunak在1987年提出應(yīng)用合同網(wǎng)協(xié)議的制造系統(tǒng)；(2)F.     Perriolat等在1996年將建立多智能體系統(tǒng)的軟件平臺ARCHON應(yīng)用到過程控制系統(tǒng)中；(3)Liunberg和Lucas在1992年開發(fā)了一種復(fù)雜的多智能體實現(xiàn)的空中交通控制系統(tǒng)；(4)B,Burmeister等于1997年開發(fā)了基于多智能體的交通和運輸管理系統(tǒng)；(5)R,Weihmayer等在1998

12、年概括了遠(yuǎn)程通訊中多智能體技術(shù)的應(yīng)用；(6)德國Karlsruhe卡爾斯魯厄大學(xué)IPR研究所開發(fā)了自主移動機器人(KAMRO)的多智能體機器人系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)KAMARA；(7)從1996年開始的機器人世界杯足球賽典型地應(yīng)用了多智能體技術(shù)來構(gòu)造多機器人系統(tǒng)。代表球隊有：美國CMU大學(xué)的 CMUnited球隊、德國漢堡大學(xué)隊、及日本、韓國、荷蘭等國的球隊。        結(jié)束語        在多智能體機器人系統(tǒng)中，最集中和關(guān)鍵的問題