控制改變

多智能體系統(Multi-Agent Systems, MAS)的研究是當前人工智能領域的一個熱點問題和重要的發展方向。足球機器人比賽已經成了MAS 研究的一個標準平台。機器人足球發展的宏偉目標就是要實現自學習、自適應以及具有很強魯棒性的實時多智能機器人系統, 力爭經過大約50年左右的發展,使機器人足球隊能夠打敗當時人類的世界冠軍足球隊。以Mirosot 系列機器人系統為例,給出了一種分層遞階控制設計, 並針對在視覺子系統不採集對方球員信息的情況下, 提出了實力對比函數的概念, 通過這個函數實時的根據場上的情況判斷雙方球隊的形式變化情況, 以提高決策子系統的智能性。

1.1決策系統的分析

足球機器人的決策子系統扮演着教練員和運動員的職責。在真實的綠茵場上, 作為教練員要根據球場上的實際情況來部署球員, 同時也根據不同的對手, 選擇不同的隊形。足球機器人賽場上,決策者也應該根據不同的球隊採取不同的策略,對於錯綜複雜的球場形勢, 運用靈活的策略。一個好的決策系統不可能一勞永逸地一次性開發完成,是一個不斷完善的過程,因此,構建一個可持續開發、合理的決策框架就顯得尤為重要。分層遞進控制方式對決策思路進行邏輯上的分層。一般來説,決策思路是先確定機器人之間的協作關係,然後根據配合的要求確定每個機器人的運動方式。分層的具體方式可以有一定的不同。

比賽時,視覺子系統每 40ms 左右將球場上各機器人的位姿和球的信息傳入計算機 ,決策子系統根據傳入的視覺信息分析球場上的情況 , 做出相應的決策,轉化為每個機器人的左右輪速, 通過通信子系統發送給每個機器人。當決策子系統收到視覺輸入信息後, 對其進行預處理, 根據球和本方機器人的位置對場上攻防形勢進行分析, 並將所作的決策分解為各個任務———這是決策的第一層 。根據分解完的任務從隊形庫中為本方機器人確定一個隊形———這是決策的第二層。根據隊形所需的角色以及我方機器人的位置 , 將每個角色分配給具體的機器人———這是決策的第三層。之後將左右輪速發送給對應的每個機器人。

1 .2 決策系統的設計

決策系統的設計過程是一個由基層到高層逐步構造的過程, 就是如何來實現決策系統分析結果。基於上述足球機器人決策分析過程, 採用如下的足球機器人決策系統設計。

在比賽過程中 , 我們所要求小車的基本運動就是跑位 、轉向, 繼而在此基礎上, 讓小車按照決策者的意圖來完成一些複雜動作, 最後實現決策者的整個策略思想。本設計採用面向對象的程序設計把整個決策系統劃分 3 個類, 他們由基層到高層(即由頂到底)分別為:基本動作類、技術動作類、決策類, 他們是從頂到底依次繼承, 高層可以繼承基層, 但基層不能繼承高層, 高層類中方法的實現需要基層類中方法的支持, 基本動作函數類的方法完成如原地轉動、轉到定角、轉到定點、到定點、到達定點有一定的速度函數等等, 其屬性是可調參數的結構體 ;技術動作函數類中封裝一些比較高級的動作, 如完成射門 、防守、邊界處理等功能;組合動作函數類是更高層次的類, 其方法用來完成多車協作動作, 如點球大戰 、爭球等動作 ; 決策類是整個決策系統的最高層, 是整個決策的核心部分 ,就是用這些底層類來實現決策者的意圖,如信息預處理、態勢分析、角色分配、動作實現等。由上設計實現過程,可以看出,我們可以根據決策者不同的需求,逐步完善這些底層函數類,各個函數類的補充只是改動本身,並不影響其他類,從而提高了整個決策系統的可維護性和可擴充性,為決策者提供了一個施展各種策略思想的平台。

實力對比函數的提出

由於決策系統所能得到的信息僅是由視覺系統傳遞來的球的位置以及本方球員的位置和方向信息,因此如何判斷對方球隊的情況則變成了是一個不容易解決的問題。如果不對對方球隊情況進行判斷, 無論場上形式如何變化我方總是採用一成不變的策略則會降低整個球隊的智能性, 本系統通過實力對比函數來判斷場上情況的變化 , 並根據不同的情況做出不同的策略選擇, 從而提高了系統的智能性。

在MiroSot 足球機器人系統中對本文提出的決策策略動態選擇算法進行了驗證, 其中 Team1 在進行決策策略選擇的時候採用傳統的決策策略選擇方法。Team2 ,Team3 ,Team4 也採用傳統的決策策略選擇方法, 並且 3 支球隊的實力一個比一個強(通過實驗得出球隊的強弱)。比賽結果如下表1 所示:

表1 比賽結果(選用本文算法之前)

在選用的決策策略動態選擇算法之後 ,Team1 分別對 Team2 ,Team3 ,Team4 的比賽結果如表 2 所示:

從實驗的比賽結果可以看出, 在採用了決策策略動態選擇算法之後同樣一支球隊在和比它實力弱球隊的比賽時會加強進攻從而可以大比分的戰勝對手, 在和它實力相當的球隊比賽時會適當的分配進攻和防守的比重 ,從而有機會戰勝對手 , 在和比自己實力強的球隊比賽時會加強防守在不輸球的情況下適時進攻 。而實現的, 先進技術手段的引入可能而且應該給企業帶來效率和效益。信息化是企業發展的必然,是重大的機遇和挑戰 ,我們要抓住信息化帶來的機遇 ,在“ 信息化帶動工業化” 的國家戰略指導下,加強對國民經濟與社會信息化的組織領導 ,加快制定並實施國家信息化的總體規劃, 推動經濟與社會各個領域信息化的進程。通過信息化不斷提高企業核心競爭力, 強化綜合國力的微觀基礎 , 這正是我國加入世貿組織、應對經濟全球化挑戰的關鍵所在。 ^[1] 

可編程序控制器( PLC)是以微處理器為基礎,綜合計算機技術、自動控制技術和通信技術發展起來的一種新型、通用的自動控制裝置,廣泛用於機械加工、冶金、紡織、建築等自動化領域。它是構成CIM S的基礎, 是現代工業自動化的3大支柱( PLC、機器人、CAD /C AM )之一。變頻器技術是一門綜合性的技術, 它建立在控制技術、電子電力技術、微電子技術和計算機技術的基礎上。它與傳統的交流拖動系統相比,有許多優點,如節電、容易實現對現有電動機的調速控制、可以實現大範圍內的高效連續調速控制、容易實現電動機的正反轉切換,可以進行高頻度的起停運轉,它具有“自我保護” 的功能,不僅保護了變頻器,還保護了電機不易損壞。通過PLC控制變頻器改變異步電動機轉速,是自動控制中一種典型的應用,有數字量和模擬量兩種控制方式,這裏只用PLC控制數字變頻器,從而實現改變異步電動機轉速的目的。

當在一台三相異步電動機的定子繞組上加上三相交流電壓時,該電壓將產生一個旋轉磁場,當磁場旋轉時,位於該磁場中的轉子繞組將切割磁力線,並在轉子繞組中產生相應的感應電動勢和感應電流,而此感應電流又將受到旋轉磁場的作用而產生電磁力,即轉矩, 使轉子跟隨旋轉磁場旋轉。 當將三相異步電動機繞組的任意兩相進行交換時,所產生的旋轉磁場的方向將發生改變,因此,電動機的轉向也將發生改變。異步電動機定子磁場的轉速被稱為異步電動機。可知 ,改變參數 f , S, N p 中的任意一個就可以改變電動機的轉速 ,即對異步電動機進行調速控制。因此 ,可以通過改變該電源的頻率來實現對異步電動機的調速控制。從某種意義上説 ,變頻器就是一個可以任意改變頻率的交流電源。

應用系統簡介

自動化裝配過程如下: 工件上料—— 零部件的裝配—— 裝配後的質量檢驗—— 不合格品的剔除—— 進入下一個生產環節。為了形象體現此過程 ,本人研製了一個基於 PLC控制的裝配過程實驗台。 系統採用 PLC( SIEM EN S 7-200 ) 控 制 變 頻 器 ( Pa naso nicSMID083A1X)實現三相異步電動機啓動、停止、正反轉及各種轉速的改變,經過減速器、三角帶傳動帶動傳輸帶輸送,從而達到使工件、裝配件在傳送帶上輸送的目的,另一方面,在傳輸帶邊上設置上料工位、機械手工位、檢測工位、剔除工位和入庫工位。 工件和裝配件是通過輸送帶被送到各個工位上去的,為了實現這一功能,設計了由三相異步電動機、蝸輪蝸桿減速器、三角帶傳動、輸送帶組成的傳動系統 。

變頻器相關功能簡介

Panaso nic生產的M ID083A1X變頻器,它具有包括緩進、2種速度、4種速度的3種運轉方式,當為4種速度運轉方式時,依據頻率設定選擇端子“短路”/“開路”可進行表1中的4種速度運轉。為了把第0頻率、第1頻率、第2頻率、第3頻率分別送到參數號00, 01, 02, 03中,變成它們的參數值,需要手動輸入到變頻器中 。

電路連接

PLC、變頻器、異步電動機之間的電路連接。PLC、變頻器都接入交流220V 工作電壓, PLC輸入端I0. 0, I0. 1分別接入開始按鈕、停止按鈕, PLC輸出端Q0. 0, Q0. 1, Q0. 2, Q0. 3分別接入正轉端子I1,反轉端子I2,頻率設定端子I3, I4,變頻器輸出端子U, V, W 接入異步電動機。

應用設計要求

應用時要求異步電動機首先正向起動,按時間分段作4速運行; 停車再反向起動作4速運行,照此循環數次。頻率狀態進行分析,只畫出了正轉部分,反轉部分與之相同。T0, T 1, T2, T3, T 4設定時應滿足: T0, T 1, T2遠大於變頻器的第一、第二加速時間之和; T 3遠大於變頻器的第一加速、第二加速、第一減速、第二減速時間之和; T4換向延時時間遠大於電動機的自由停車時間。應用中根據需要確定循環次數,並能隨時按停止按鈕使電動機停下來。 應用設計要求跟變頻器端子之間的關係。 ^[2] 

企業的技術創新能力是企業擁有的通過運用知識、信息和技術, 經過一系列的研發、實驗、生產和銷售等環節的創新過程, 使企業獲得商業利潤或競爭優勢的特性。只有對企業技術創新能力的構成要素進行深入分析, 才能對技術創新能力的衡量指標做有益分解, 從而對其做出科學合理的評價。要想對企業技術創新能力進行正確的分析和評價, 必須有正確和科學的認識論為指導, 這樣才能透過複雜的表面現象, 抓住事物的本質特徵。由於缺乏統一的理論和概念框架的指導, 許多學者在對企業技術創新能力進行分析和評價時, 往往出現指標羅列和概念混淆的現象。利用系統控制原理來對企業的技術創新能力進行分析, 是把企業的技術創新過程看作一個具有自我調節能力的反饋控制系統, 即把企業的技術創新過程看成一個由不同的環節和要素組成的複雜系統, 內部各環節和要素之間不僅產生相互影響和作用, 而且整個系統還要受外部環境因素的影響。同時, 作為企業生產管理系統的一個子系統, 企業的技術創新過程要受管理系統中其他子系統和構成要素的影響。利用反饋控制系統的特性, 可以對企業技術創新能力的構成要素和影響企業技術創新能力效率發揮的要素進行科學的歸類和區分。

反饋控制系統

控制系統是控制論中研究的系統, 是指用某種方式調節和控制信息流、能量流、物質流等的任意一個系統。它一般應包括三個必要的元素: 主控系統( 即控制主體或控制器) 、受控系統( 即受控客體) 以及將控制作用傳遞到受控體的傳遞者。一個開環的控制系統一般由三個子系統組成, 即輸入子系統、輸出子系統和狀態子系統,在開環控制系統中, 輸出量對控制沒有影響,信號從輸入到輸出, 沿前向傳送。其構成簡單, 但控制精度低, 不能對擾動產生控制力, 使用於要求不高的場合, 如馬路的紅綠燈控制。

但在現實的生產活動中, 受外界環境等多種因素科學學與科學技術管理的影響, 輸出的結果可能並不理想, 需要根據輸出的結果及時調節系統的輸入和運行, 以增強系統的環境適應性, 於是就形成了閉環控制系統, 又稱反饋控制系統。在反饋控制系統中,輸出量通過反饋產生控制作用, 信號不再是單向傳輸,提高了控制的精度, 有效的抑制作用於被控對象的干擾。

由於企業的技術創新過程是個複雜的系統過程,在現有的技術條件下, 很難對其整個過程進行精確描述, 這樣我們可以藉助系統的“黑箱”原理, 把複雜問題相對簡單化。所謂“黑箱”原理是指, 在認識的某一階段, 把認識對象看作一個封閉的箱子, 只瞭解外界對它的輸入、輸出, 而不深入其內部瞭解其具體機構。這種方法可以引導人們自覺、主動地討論問題的層次和範圍, 在這一層次的問題弄清楚之後, 再根據需要深入到下一層次的細節, 這樣通過逐步分解法, 可以逐步把“黑箱”變成“灰箱”,最後變為“白箱”。把企業的技術創新過程看成一個反饋控制系統,是因為它符合反饋控制系統的基本特徵: 企業技術創新的目的是通過不斷創新產品、工藝、服務等來增加企業的價值; 而且整個創新過程需要在人、財、物、信息的投入和運行方面相互協調配合; 企業的技術創新過程是由創新的各個階段構成的複雜整體, 各個階段又有其相應的構成要素; 作為一個連續性的過程, 它需要根據企業內外環境的變換、創新的實施情況, 對創新過程的內部結構及運行進行及時協調, 以便使企業的創新更符合市場的需求。因此企業的技術創新過程具有反饋控制系統的目的性、整體性、層次性、環境適應性和反饋性。按照反饋控制系統的結構, 可以把企業的技術創新過程看成由輸入、創新過程、輸出、反饋等要素組成的系統。

(1)創新輸入

創新輸入是技術創新系統之外對企業技術創新過程投入的資源、信息、能量。主要包括企業生產組織管理系統投入的資金、人力資源、儀器設備、技術、信息、知識等要素。在創新的輸入過程中不僅要保證各種輸入的來源, 而且要處理好投入要素在不同創新項目間的分配問題。需要企業提前進行相應的預算、策劃和籌措, 根據企業的實際情況確定最佳的投入方案, 即保證創新的投入水平, 又要提高資源的配置效率。企業技術創新的過程也是一個知識的生產過程,信息、知識、技術等無形資源的投入能實現邊際效益的遞增, 因此在創新的輸入階段, 企業尤其要重視相關知識和信息的輸入。

(2)創新過程

創新過程是企業技術創新系統的受控對象, 是利用企業投入的資源進行技術創新的具體實施過程。對企業技術創新系統整個的輸入到輸出的過程來講, 這個過程是指相對狹義的創新過程, 即從新概念的產生然後經過細緻的設計或試驗計劃, 再通過反覆的試驗和測試到最後新技術成果的產生過程。正如威爾特和克拉克所説的那樣, 企業技術創新的過程是一個循序漸進地通過解決一系列問題降低不確性的過程, 從審視階段進入選擇階段, 再到最後的實施階段, 從而最終將技術和市場結合在一起。他們將這一過程稱為“開發漏斗” , 即從最初創意的出現到最後的成果輸出, 通過不斷的設計、試驗, 不確定逐步減少,成果目標越來越明確。

市場的競爭日趨激烈, 創新過程充滿複雜性和不確定性, 機會稍縱即逝。所以需要採用先進的手段對創新過程進行管理和控制, 對創新的實施進行隨時的跟蹤和檢查, 以儘可能提高創新速度, 減少創新風險,避免不必要的損失。

(3)創新輸出

創新的輸出是企業技術創新系統的最終成果, 也是整個系統存在和運行的目的。對於企業來説, 創新的輸出過程也是企業技術創新成果與市場結合的過程, 是企業進行新技術推廣應用的過程。技術創新的輸出階段也是一個複雜的系統工程, 因為在新產品的推廣過程中, 需要大量的市場投入。一方面需要加大宣傳力度, 增加客户對新技術產品的認知程度。另外,要選擇目標客户羣進行推廣試驗, 通過現身説法來增強潛在客户對新產品的信心。面對激烈的市場競爭和一些不法企圖, 在新技術產品的推廣過程中, 企業要加大對自己產品的知識產權保護力度, 避免受到不法侵害。

(4)反饋過程

由於當前國內外對企業技術創新的研究中, 很少有人把企業的技術創新過程看成一個反饋控制系統,使企業的技術創新過程始終處於一個直線輸入和輸出過程, 而不是一個閉環的連續過程。反饋過程的引入, 使企業的技術創新過程變成有計劃、有目的的系統工程, 使其更加科學合理, 符合實際情況。一個完善的企業創新系統就是一個需要根據技術創新的實際結果不斷完善和提高的自適應系統, 因為創新過程本身就是一個反覆試驗的過程, 其不確定或不可控因素很多, 需要根據變化的情況及時調節創新投入和實施過程, 為今後技術創新工作提供有益的指導意見, 這樣才能更好地實現創新系統的總體目標。技術創新的反饋過程實際上是一個信息的蒐集和傳遞過程, 反饋控制過程需要明確反饋內容、反饋方式、反饋時間等,企業需要根據自己的實際情況確定反饋過程的具體實施。反饋的內容包括要客户對新技術產品的反應信息、市場的潛在需求信息、競爭對手的相關信息等。在信息反饋過程中, 既要保證獲得企業創新發展所需要的信息, 又不至於使企業陷入垃圾信息的汪洋大海,浪費相關人員的時間和精力。既要保證信息的及時傳送, 又要防止信息傳送過程的失真變形。二、企業技術創新能力的構成要素按照企業技術創新系統的構成要素, 可以把企業技術創新能力分為投入能力、研發製造能力、產出能力和反饋能力。

創新投入能力是指企業投入創新資源的數量和質量。一般分為R&D 投入和非R&D 投入,R&D 投入能力集中體現在經費、人員和設備的投入上, 包括技術人員的數量、文化技術素養、設備的投資額、設備的先進程度等。非R&D 投入是指企業技術引進和技術改造的費用, 還包括政府對企業的支持和投入。由於我國目前大多數企業自主研發能力比較弱, 技術引進與消化吸收及技術改造可能成為企業技術創新的重要內容。

研發製造能力反映了企業利用現有的信息、知識、人力及各種物質投入, 通過選題、制定方案、反覆試驗, 從而解決企業生產經營過程中碰到的技術難題的能力。研發製造能力一方面反映了企業對現有的科學技術知識進行新的組合和綜合, 並結合當地市場環境和本企業的特點, 對基礎研究成果進行進一步的開發, 增強其市場適用性的應用研究能力。另一方面反映了企業通過新材料、新工藝、新產品等的研製來提高企業收益水平和市場份額的技術開發能力。對於通過外部的合作引進技術的企業來説, 任何一項技術都有它的使用條件和設備人員要求, 因此企業的研發制科學學與科學技術管理能力則表現在企業對引進技術的消化、吸收、甚至創新的能力。只有對引進的新技術進行很好的消化、吸收, 才能在技術引進中提高企業的自主創新能力,減少企業對外部的技術依賴。

企業創新的產出能力是反映企業通過一系列的投入、研發過程產生成果的能力, 創新產出是企業創新系統運行的目標, 其能力的強弱反映了企業技術創新系統運行的效果。企業技術創新產出可以分為直接產出和間接產出。直接產出包括一種新產品、新材料、新工藝、新技術、新知識產權, 甚至是企業產品的一種新包裝等, 是企業技術創新的直接成果。間接產出是直接產出通過產品的市場化給企業帶來的效益, 包括銷售額的增加、利潤率的提高、收益的增加等。直接產出只有化為間接產出即給企業帶來效益才真正實現企業技術創新的目的。只有具有較高的間接產出能力才能提高技術成果的商品化程度, 增加企業創新的動力。間接產出能力同時也受直接產出能力的制約, 如果企業直接產出能力較弱, 同樣不可能帶來較高的創新收益。直接產出能力和間接產出能力只有相互配合, 協調發展, 才能提高企業的創新效率。

反饋控制能力反映的是企業在技術創新過程中信息的蒐集、甄別、加工處理和傳遞能力。信息的蒐集能力需要企業能及時的獲得儘可能全面的、有益提高企業技術創新水平的相關信息, 尤其是創新產出及實施方面的信息, 以便能跟預期的目標作比較, 找出差異和應對措施。但是由於信息的來源和渠道各不相同, 有些信息可能對企業技術創新能力的提高並沒有多大的利用價值, 甚至有些可能是虛假信息, 因此需要企業有較高的甄別水平和分辨能力, 要去偽存真,提高信息的質量。簡單的信息羅列一方面不利於信息的傳輸和使用, 同時可能很難從這些原始的信息中發現其反映的實質問題, 因此需要對蒐集到的原始信息進行歸類整理、加工分析, 增強信息的實用性。加工整理好的信息要通過一定方式和渠道反饋到相關的技術研發部門, 這樣才能發揮信息對技術創新過程的指導作用。信息傳輸的能力要求企業快速、準確的把加工整理好的信息傳遞給信息的使用部門。 ^[3]