摘 要：現(xiàn)場總線綜合了數(shù)字通信技術、計算機技術、自動控制技術、網(wǎng)絡技術和智能儀表等多種技術手段，其數(shù)據(jù)通信具有較高的可靠性、實時性和靈活性。在現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡中，系統(tǒng)的各種設備通過多個節(jié)點連接到一根公共總線上，使得各個節(jié)點之間可以實現(xiàn)點對點的對等通訊和系統(tǒng)中信息資源的共享，同時大大減少系統(tǒng)中的連接線。因此，為了實現(xiàn)低成本的遠距離、大規(guī)模、分散目標的測控系統(tǒng)，本文采用現(xiàn)場總線技術（Lonworks）和單總線構(gòu)建該混合式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。 關鍵字：現(xiàn)場總線；Lonworks；數(shù)據(jù)采集 1 概述 　　集散控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）已經(jīng)發(fā)展到相當成熟的地步,但是他們?nèi)匀淮嬖谥毕莺筒蛔?。因此需要建立具有良好的柔性、系統(tǒng)重構(gòu)能力、容錯能力和快速反應性的網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)。分布式人工智能技術（DAI）, Agent理論、現(xiàn)場總線與單總線的集成技術為設計和實現(xiàn)這種系統(tǒng)提供了一條切實有效的途徑。 　　基于此點出發(fā),本章提出一種基于總線技術的智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,每個測控單元都被構(gòu)造成具有自主性和自適應能力的Agent,通過多個Agent之間的協(xié)同工作來提高整個系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和工作效率。這樣該現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)就具有了信息感知、分布性、并發(fā)性、主動性和自適應性的特性。 　　近來,Agent技術己被認為是進行分布式工業(yè)系統(tǒng)建模的一種重要方法,是設計與實施分布式智能測控環(huán)境的最自然的手段,是構(gòu)建下一代測控系統(tǒng)的重要技術之一。 2 系統(tǒng)的多Agent模型 　　該系統(tǒng)主要由系統(tǒng)管理Agent、控制Agent和感知與執(zhí)行Agent三部分組成,它們都是具有獨立工作能力的自治體或半自治體,通過協(xié)作完成系統(tǒng)分配給它或它們的任務,構(gòu)成一個具有并發(fā)性與分布性的MAS （Multi-Agent System）系統(tǒng)。事實上,對于MAS環(huán)境下的檢測監(jiān)控系統(tǒng)應是一種具有敏捷性的多Agent系統(tǒng),由于任務的不同分解與分配以及其它不可預測因素的出現(xiàn),使得這種多Agent體系能夠隨時改變組織配置,實現(xiàn)系統(tǒng)的重構(gòu),而一旦任務結(jié)束,臨時組建的系統(tǒng)則立即解散?；谏鲜鏊枷?圖1從系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和通信方式定義了該分布式的系統(tǒng)模型。在此系統(tǒng)中,管理Agent是一個綜合狀態(tài)識別系統(tǒng),它完成對系統(tǒng)總體運行狀態(tài)的監(jiān)控,提供對各監(jiān)控對象的實時監(jiān)測、評價與決策功能。 [align=center] 圖1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　控制Agent和感知與執(zhí)行Agent為具有自主性和自適應能力的Agent,但它們之間并沒有嚴格的一一對應關系,而是由管理Agent根據(jù)任務的需要臨時召集組成動態(tài)的節(jié)點Agent。其中,感知與執(zhí)行Agent是運行在控制現(xiàn)場的智能設備,是管理Agent在執(zhí)行任務時信息的主要來源,也是Agent感知能力的基本體現(xiàn)。它們負責現(xiàn)場信號的采集和預處理,提取傳感器信號的特征形成監(jiān)控變量,并確定信號發(fā)往何處。同時該Agent接收來自控制Agent的指令,轉(zhuǎn)化為與現(xiàn)場設備匹配的開關量和模擬量輸出;控制Agent是系統(tǒng)的核心部件,具有自主決策的能力。此外,在這種多Agent系統(tǒng)中,任務的來源是多方面的。既可以是來自某一控制層次的命令,也可以是來自另一多Agent體系中管理Agent的協(xié)作請求。 3 系統(tǒng)工作過程 　　正常情況下,系統(tǒng)的工作過程如圖2所示。 [align=center]　　 圖2系統(tǒng)工作原理圖[/align] 　　當來自任務源的任務傳給管理Agent以后,任務處理模塊首先對任務進行分解,然后通過知識庫查詢其所管理的控制Agent能否完成分解后的所有子任務。如果能夠完成則進行任務分配并啟動系統(tǒng);如果不能完成則放棄任務的執(zhí)行并通知任務源。系統(tǒng)啟動后,控制Agent召集相關的感知與執(zhí)行Agent處理分配給自己的任務,并通過自身的交互機制實現(xiàn)與其它控制Agent的協(xié)作以及信息和資源的共享。當某個控制Agent發(fā)生故障時,管理Agent的監(jiān)控模塊首先根據(jù)檢測到的故障信息做出相應的診斷決策,然后通知任務處理模塊將該控制Agent的控制權(quán)限轉(zhuǎn)交給其它控制Agent或者進行任務的重新分配,從而使整個系統(tǒng)仍能正常運行。這樣就實現(xiàn)了依靠各Agent之間的協(xié)作來提高整個系統(tǒng)的可靠性,而不是通過單個設備的可靠性和關鍵部件的冗余。 4 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 　　本文采用現(xiàn)場總線作為系統(tǒng)的通信平臺,構(gòu)建一個開放的,具有互操作性的實時現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實現(xiàn)該測控系統(tǒng)的具體方案如下： 　　考慮到系統(tǒng)降低成本的要求,結(jié)合現(xiàn)有總線控制系統(tǒng)的特點,作者利用現(xiàn)場測控設備、Lonworks節(jié)點和其網(wǎng)絡設備組成現(xiàn)場測控網(wǎng)絡。在此,我們只要在設計每個Agent的時候,給每個模塊加上Neuron芯片,通信線路只需普通的雙絞線即可,這樣便可以實現(xiàn)各Agent之間的任意通信。同時以單片機系統(tǒng)作為硬件支撐,用MCS51語言作為軟件開發(fā)工具,使其與新型傳感器和執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)成相應的智能Agent。主要完成對測控對象的基本控制,通過臨時的現(xiàn)場節(jié)點采集所需要的監(jiān)控信息,進行感知處理,并通過總線傳到管理Agent進行總體數(shù)據(jù)分析、處理和故障診斷。動態(tài)節(jié)點Agent之間遵循Lontalk協(xié)議,采用網(wǎng)絡變量實現(xiàn)各節(jié)點的連接。節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信采用窗口協(xié)議以顯示報文進行數(shù)據(jù)傳輸,并通過網(wǎng)絡變量來管理,這樣就實現(xiàn)了節(jié)點Agent間的相互操作,并采用類KQML的通訊模式實現(xiàn)Agent間的信息和知識的共享。 　　4.1控制Agent 　　控制Agent的主要功能是完成自身的控制算法,并根據(jù)任務需要與其它Agent組成動態(tài)的多Agent合作系統(tǒng)。控制Agent所需要的控制命令和數(shù)據(jù)均通過Lon總線傳輸。控制Agent只帶有Lonworks接口芯片和外部擴展EZPROM,并無任何其它外設。 　　本文采用神經(jīng)元芯片TMP3150與AT89c51單片機連接構(gòu)成Lon總線接口電路,二者之間采用并行通訊方式。單片機AT89c51的P0口與3150的IO0～IO7,相連作為8位的數(shù)據(jù)總線;AT89c51的P3.2與3150的IO8相連,作為單片機請求發(fā)送數(shù)據(jù)的信號線和接收3150控制命令的應答線;P3.3與IO9相連,作為神經(jīng)元芯片接收數(shù)據(jù)的應答信號線;P3.4與I010。相連,用作3150發(fā)送控制命令的信號線。這樣選取P3.2和P3.3。作握手信號,保證了單片機與3150的嚴格同步。同時,為了避免系統(tǒng)受到干擾時死機,在單片機每次等待應答信號時都加入了一個延時。若延時結(jié)束還未收到應答信號,那么單片機就跳到初始狀態(tài)。該Agent的電路原理如圖3所示： [align=center] 圖3 控制原理圖[/align] 　　4.2感知與執(zhí)行Agent 　　該Agent不僅能完成信號的采集,而且能對傳感器信號進行預處理,提取傳感器信號的特征形成監(jiān)控變量,并通過Lonworks接口傳送給控制Agent。同時它也是控制器節(jié)點的信號輸出接口,負責從控制Agent接收控制指令,并轉(zhuǎn)化為與現(xiàn)場設備匹配的控制量或開關量輸出。 　　為了實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的直接采集,作者采用新型單總線數(shù)字溫度傳感器作為現(xiàn)場測量設備。單總線數(shù)字傳感器在測量中無需進行通道切換、A/D轉(zhuǎn)換和結(jié)果修正,而且能夠直接輸出數(shù)字信號,從而使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更趨于簡單,可靠性更高。同時,采用TMP3150構(gòu)建Lon總線接口電路。電路原理如圖4所示： [align=center] 圖4感知與執(zhí)行Agent原理圖[/align] 5 小結(jié) 　　本文設計的基于Lonworks總線技術的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有以下優(yōu)點： 　　（1） 不同于現(xiàn)有控制系統(tǒng)通過單個設備的可靠性和關鍵部件的冗余來提高整個系統(tǒng)的可靠性的做法,依靠各個智能Agent之間的合作來提高可靠性。 　?。?） 整個控制系統(tǒng)在處理系統(tǒng)故障等異常突發(fā)事件方面具有智能性。 　?。?） 系統(tǒng)的性能如可靠性和快速性可以具有很好的擴展性。 本文作者創(chuàng)新點： 　　本文結(jié)合現(xiàn)場總線技術和分布式人工智能技術給出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的多Agent結(jié)構(gòu),并基于Lonworks總線和單總線技術構(gòu)建了該系統(tǒng)。系統(tǒng)具有成本低、可靠性和穩(wěn)定性好,智能化程度高等特。 參考文獻： 　　[1] 王錦標，劉宇?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的集成技術[J]。冶金自動化，2003 （3 ）： 21-230 　　[2] 陽憲惠?，F(xiàn)場總線技術及其應用[M]。北京：清華大學出版社，1999： 1-2, 6-8。 　　[3] 殷波、孟慶春、莊曉東等。多Agent智能現(xiàn)場總現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J]。中國海洋大學學報，2003. 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