基于Swarm的礦難救援復(fù)雜系統(tǒng)研究

秦國興,李大鵬

(唐山學(xué)院計(jì)算中心,河北唐山 063000)

基于Swarm的礦難救援復(fù)雜系統(tǒng)研究

秦國興,李大鵬

(唐山學(xué)院計(jì)算中心,河北唐山 063000)

針對當(dāng)前我國各地突發(fā)礦難大規(guī)模救援活動(dòng)存在組織、調(diào)度較慢等問題,提出了綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)Swarm仿真來改進(jìn)救援行動(dòng)的方案。在總結(jié)了Swarm仿真平臺(tái)的基本思想和特點(diǎn),以及對礦難救援主體因素和礦難復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上,給出了Swarm平臺(tái)下礦難救援系統(tǒng)的框架模型,為礦難救援復(fù)雜系統(tǒng)的研究提供思路。

Swarm仿真;復(fù)雜系統(tǒng);趨勢分析;礦難救援系統(tǒng)

0 引言

我國是一個(gè)發(fā)展中的大國,在迅速崛起的各個(gè)行業(yè)中采掘業(yè)具有基礎(chǔ)地位,有效利用礦產(chǎn)資源是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)和基本源泉。在開采和利用有效資源的同時(shí),我們必須將礦產(chǎn)的開采安全提到首位。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì),從1990年后,每年的礦難傷亡人數(shù)達(dá)到4位數(shù)字甚至5位數(shù)字,并且隨著采礦規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大,傷亡人數(shù)有增長的趨勢,瓦斯爆炸、煤礦透水等事故使生命和社會(huì)財(cái)產(chǎn)嚴(yán)重?fù)p失,令人觸目驚心。如果通過救援能進(jìn)一步將礦難損失降低,會(huì)有利于經(jīng)濟(jì)建設(shè)和和諧社會(huì)的發(fā)展。

礦難救援涉及救助主體、受災(zāi)主體等多主體,還涉及多種要素,面對這種復(fù)雜局面如果利用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)工具建模來進(jìn)行分析存在明顯弊端,其模型不能涵蓋礦難救援過程中涉及到的具有多樣性、突發(fā)性、隨機(jī)性的主體。而基于主體的計(jì)算機(jī)模擬仿真則可以做到這一點(diǎn),利用它進(jìn)化性和非線性的特點(diǎn)來模擬各種參數(shù),這樣可以和礦難后的救援過程更加相符[1]。

本文將分析Swarm仿真方法,細(xì)化礦難救援的多主體和多參數(shù),構(gòu)建Swarm平臺(tái)框架,為突發(fā)礦難提供可借鑒的救援過程指導(dǎo)數(shù)據(jù),為礦難救援指揮者的決策提供科學(xué)依據(jù),找到優(yōu)化的救援流程和救援資源配置方案,減少人員傷亡,降低經(jīng)濟(jì)損失,提高礦難救援的效率和成功率,最大限度地實(shí)現(xiàn)減災(zāi)的目的。

1 基于Agent的Swarm仿真基本理論及方法

多主體系統(tǒng)發(fā)展源自分布式人工智能領(lǐng)域,它把問題分解為多個(gè)主體(Agent),再以聯(lián)合或群集的方式找到整體更優(yōu)的解決方案。Swarm是一個(gè)多主體復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)(CAS)仿真建模軟件平臺(tái),非常適合于涉及因素或主體較多的仿真分析,是一種支持“自下而上”(bottom2up)的建模工具。在Swarm中將模型涉及的參與者看作一個(gè)個(gè)主體(agent),首先描述各種主體細(xì)節(jié),包括其屬性、行為、對信息的評價(jià)、期望、學(xué)習(xí)過程和決策等,然后構(gòu)建各類不同主體間的交互關(guān)系。Swarm還提供一些輸入/輸出的接口,以便對系統(tǒng)模擬情況進(jìn)行觀察,因此實(shí)際上就是一個(gè)面向?qū)ο蟮念悗?用戶可以通過調(diào)用這些類庫簡化模擬工作。通過建立基于Swarm的計(jì)算機(jī)模型,調(diào)用平臺(tái)中提供的豐富的類庫,可以方便地對許多領(lǐng)域的研究進(jìn)行模擬。

對于礦難救援這樣的規(guī)模較大、各種因素息息相關(guān)的復(fù)雜系統(tǒng),通常可以采用兩種方法進(jìn)行研究:一種是在實(shí)際問題產(chǎn)生時(shí)直接進(jìn)行研究;另一種就是采取在虛擬的系統(tǒng)模型上進(jìn)行研究。我們能夠在解決實(shí)際問題過程中得到很多方法和經(jīng)驗(yàn),但這樣的研究速度非常慢,而且要考慮很多因素,比如安全性、系統(tǒng)的不可逆、研究時(shí)間過長、系統(tǒng)多樣性等,因此第一種方法是不適合的。這就需要我們采用第二種方法來進(jìn)行研究:在模仿真實(shí)環(huán)境的各種參數(shù)基礎(chǔ)上建立模型,通過不同的參數(shù)變化來模擬真實(shí)場景,以得出有效的方法或經(jīng)驗(yàn)。

Swarm平臺(tái)的構(gòu)架是模塊化的,用面向?qū)ο蟮乃季S去理解Swarm的主體結(jié)構(gòu)和程序仿真實(shí)現(xiàn)會(huì)起到事半功倍的效果。Swarm系統(tǒng)的Swarm對象就是一個(gè)頂層容器,它將各種對象封裝在里面。要建立一個(gè)模擬環(huán)境,需要針對多種主體直接調(diào)用相關(guān)類就可以實(shí)現(xiàn)模型的建立,對于Swarm的高級用戶來說,可能需要對Swarm基本類庫進(jìn)行設(shè)計(jì)加工,產(chǎn)生更實(shí)用的子類。Swarm中的基本類庫包括:swarm.a-nalysis(分析工具),swarm.defobj(為objective2c擴(kuò)展提供對象),swarm.sim tools(提供數(shù)據(jù)分析和顯示支持),swarm.sim tool.sgui(GU I相關(guān)工具)等等。Swarm仿真系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)都大同小異,其核心是模型Swarm文件、觀察員Swarm文件和Main文件。由于仿真系統(tǒng)的模板化程度非常高,建立仿真主要是考慮主體屬性和方法[2-3]。

圖1是基于Agent多決策系統(tǒng)仿真框架。

圖1 Swarm仿真框架示意圖

2 礦難救援主體因素分析

礦井災(zāi)害的發(fā)生都具有突發(fā)性、毀滅性,要提高礦難后的救援效率和控制災(zāi)后的損失,首先要熟知影響救援效果的各種因素,也就是在仿真系統(tǒng)中各種起作用的主體(Agent)。現(xiàn)將主要的因素和主體以及它們之間的關(guān)系總結(jié)歸納如下。

災(zāi)難控制及救援要素包括以下主體因素:礦難發(fā)生的位置、礦井的深度及規(guī)模、采礦人員、人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失程度、礦難發(fā)生強(qiáng)度、礦難發(fā)生時(shí)間、救援人力資源、救援時(shí)間、救援設(shè)備資源、救援指揮調(diào)度、救援策略、救援知識和現(xiàn)場信息等。這些多主體因素共同牽制著礦難規(guī)模、破壞能量及救援結(jié)果。礦難救援因素關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 礦難救援因素關(guān)系圖

3 基于CAS視角的礦難復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)的分析

復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)(CAS)理論把系統(tǒng)各種成員看成是相互獨(dú)立、有自己目的與主動(dòng)性的積極主體(Agent)。這種主體在與環(huán)境的交互作用中遵循一般的刺激-反應(yīng)模型,所謂適應(yīng)能力表現(xiàn)在它能夠根據(jù)行為的效果修改自己的行為規(guī)則,以便更好地在客觀環(huán)境中生存,這是CAS理論思想的精髓所在。復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論的提出為人們認(rèn)識、理解、控制、管理復(fù)雜系統(tǒng)提供了新的思路。用Swarm來仿真復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)流程一般通過 Main文件啟動(dòng)模型,然后由觀察員Swarm文件結(jié)合設(shè)置好的時(shí)間表對各主體模型進(jìn)行跟蹤記錄調(diào)整。Swarm模板化程度非常高,主要核心工作是對各個(gè)Agent主體進(jìn)行詳細(xì)的屬性和方法設(shè)計(jì),盡可能表述現(xiàn)實(shí)中的主體行為[4]。

礦難的發(fā)生和救援過程由于涉及到多個(gè)主體,各獨(dú)立主體相互影響相互制約從而影響最終結(jié)果,所以將其歸結(jié)為復(fù)雜系統(tǒng)。從復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論角度對礦難救援系統(tǒng)進(jìn)行分析,主要表現(xiàn)在以下幾方面:一是多層次性。礦難救援活動(dòng)可以在地方政府、省級相關(guān)部門乃至國家相關(guān)部委等不同層面分別進(jìn)行,有多種不同調(diào)配組合,這就會(huì)產(chǎn)生完全不同的救援效果,多結(jié)構(gòu)多層次性也正是復(fù)雜性產(chǎn)生的原因之一;二是多主體主動(dòng)適應(yīng)性。礦難的受災(zāi)人員主體和救援人員群體呈現(xiàn)“聚集”特性和智能性,有一定的決策能力,多主體并存且可依環(huán)境變化和自身意愿進(jìn)行規(guī)則調(diào)整,使得混沌狀態(tài)轉(zhuǎn)化為有序結(jié)構(gòu),不斷演變;三是系統(tǒng)非線性及動(dòng)態(tài)開放性。災(zāi)難與救援是雙方向性的,它的發(fā)展是隨時(shí)間和環(huán)境的不斷變化而非線性變化,在這個(gè)開放性的環(huán)境中存在多樣性的各種因素相互影響和制約,導(dǎo)致最終結(jié)果的不確定。基于以上對諸多因素和特性的分析可以充分說明礦難救援是一個(gè)復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)(CAS),可以應(yīng)用積木機(jī)制來構(gòu)建不同的內(nèi)部模型,通過分析各Agent之間的相互作用和適應(yīng)性,得出整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,為不同救援策略提供參考和指導(dǎo)[5]。

4 基于Swarm的礦難救援體系結(jié)構(gòu)及模型構(gòu)建

礦難救援體系結(jié)構(gòu)由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成,包括管理主系統(tǒng)、時(shí)間分配管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)子系統(tǒng)、主體對象序列管理系統(tǒng)、模型庫、觀察員管理子系統(tǒng)等。在救援復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)中,更著重強(qiáng)調(diào)主體對象序列管理系統(tǒng),利用主體(Agent)的思想,通過仿真主體以及主體之間關(guān)系來精確模擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),用主體(Agent)來描述目標(biāo)系統(tǒng)中單個(gè)個(gè)體的行為,進(jìn)而達(dá)到控制整個(gè)系統(tǒng)的目的。

根據(jù)礦井災(zāi)難發(fā)生的不同情況,需要將救援行為量化,包括救援點(diǎn)、救援資源、受災(zāi)范圍、主體的多少,根據(jù)量化的數(shù)據(jù)所采取的救援模式也會(huì)有所區(qū)分,可以采用不同的救援模擬方式來進(jìn)行:順序救援模式、全局分散救援模式、局部重點(diǎn)救援模式、混合救援模式。每種模式都有其適用對象、適用范圍、適用的特別環(huán)境,要根據(jù)現(xiàn)場或模擬需求來進(jìn)行選擇。

借助以上對救援復(fù)雜系統(tǒng)的分析,依據(jù)Swarm框架的構(gòu)建思想,將系統(tǒng)中不同的要素抽象成不同類型的個(gè)體(A-gent)序列,讓一系列獨(dú)立的Agent通過獨(dú)立事件進(jìn)行交互。在構(gòu)建Swarm模型時(shí)設(shè)置觀察員(ObserverSwarm),根據(jù)模擬不同的受災(zāi)和救援主體(Agent)和不同環(huán)境的變化,如災(zāi)難位置、交通情況等構(gòu)建Swarm礦難救援系統(tǒng)模型,如圖3所示。

5 結(jié)論

針對采掘業(yè)發(fā)生礦難的現(xiàn)狀分析了救援方法,針對礦難救援復(fù)雜系統(tǒng)多主體、多參數(shù)的特點(diǎn)提出了使用Swarm模型的思路。基于Agent的Swarm仿真方法構(gòu)建的Swarm礦難救援基本框架模型,可以為進(jìn)一步研究礦難救援提供參考。

圖3 Swarm礦難救援系統(tǒng)框架模型

[1] 王正中.復(fù)雜系統(tǒng)仿真方法及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)仿真, 2001(1):3-6.

[2] 曹慕昆,馮玉強(qiáng).基于多Agent計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Swarm的綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2005(9):1-3.

[3] 李蕭,田寶國.基于多智能體與Swarm的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)研究[J].軟件導(dǎo)刊,2007(3):10-12.

[4] 范新南,徐立中.基于Swarm平臺(tái)的復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真及其應(yīng)用分析[J].河海大學(xué)常州分校學(xué)報(bào),2006,20 (4):1316.

[5] 孫建,葉民強(qiáng).基于主體的Swarm建模分析及其應(yīng)用[J].福建電腦,2002(11):26-30.

(責(zé)任編校:夏玉玲)

Research of Complex System of Mine Accident Rescure Based on Swarm

QIN Guo-xing,LIDa-peng
(Computer Center Tangshan College,Tangshan 063000,China)

In light of the problems in rescue work in frequent mine accidents all over the country such as slow organization and scheduling,the paper proposes making comprehensive use of computer Swarm simulation to imp rove the rescue efficiency.Based on the summary of basic idea of Swarm simulation platform and features and the analysis of the rescue subjective factors and mine accident complexity adaption system,fremwork model for mine accident rescue system under Swarm platform,providing some guidance for the research of mine disaster rescue complexity.

Swarm Simulation;complex system s;trend analysis;mine accident rescue system

TP391.1

A

1672-349X(2010)06-0054-02

2010-09-28

唐山市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目(09130211c)

秦國興(1976-),男,講師,碩士,主要從事圖形、圖像處理和數(shù)據(jù)庫的研究開發(fā)。