基于多智能體系統(tǒng)的頻譜規(guī)劃研究＊

陳偉尚 劉金霞

（中國電波傳播研究所 青島 266107）

1 引言

在現代高技術條件下，為了實現作戰(zhàn)中的通信、指揮、控制以及偵察、監(jiān)視等功能，各個作戰(zhàn)單元在不同的作戰(zhàn)時節(jié)、在有限的作戰(zhàn)空間內部署了眾多的通信、雷達、導航等電子設備。隨著電子設備電磁兼容標準規(guī)范的不斷完善，單個電子設備本身已經基本能滿足國軍標的要求，但許多設備工作頻段很寬，靈敏度極高，很容易造成電磁頻譜擁擠，電磁干擾嚴重。尤其是針對艦艇平臺上，狹小的空間往往需要布置多個用頻裝備，因此，對各用頻裝備用頻情況進行規(guī)劃、分配已經顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的頻譜規(guī)劃分配主要是采用固定信道分配方式，由指揮人員對各用頻裝備靜態(tài)地分配固定的頻率，在現代化作戰(zhàn)條件下，這種頻譜規(guī)劃分配方式難以滿足戰(zhàn)場環(huán)境的快速實時性和動態(tài)性的要求。需要提出一種分布式的動態(tài)的頻譜規(guī)劃分配方式，來實現對各分散和活動系統(tǒng)節(jié)點的動態(tài)變化進行自動化的管理。

分布式人工智能技術是有效解決分布式動態(tài)控制問題的途徑之一，其中興起的多智能體技術在有關的應用研究中取得了一定程度的應用，并取得了較好的效果。本文提出一種基于多智能體（Multi－Agent）系統(tǒng)的頻譜規(guī)劃分配技術，來實現對用頻裝備進行自動化、智能化的頻率規(guī)劃分配。

2 多智能體系統(tǒng)的定義和屬性

多智能體系統(tǒng)指的是一些自主的智能體（Agent）通過協(xié)作共同完成某些任務的計算機系統(tǒng)。它實質上是在一定的環(huán)境下，獨立的、具有一定的自主性和推斷能力，又能和系統(tǒng)中的其它智能體通信交互以及能對周圍的環(huán)境做出反應，從而完成一個或多個功能目標的計算實體。其典型結構主要包括五個部分［1］，如圖1所示。

智能體一般具有以下屬性：

1）交互性。交互是智能體最重要的屬性之一，它包括與用戶的交互和與其它智能體的交互。智能體從用戶處接受指令，根據自己的“經驗知識”為用戶提供建議；同時充分提高效率。這種交互本身包涵了一個定義，即智能體必須具備主動性，能和環(huán)境及其它智能體進行通信。

2）自主性。能夠在沒有操作用戶或其它智能體直接干涉和指導的情況下感知環(huán)境，對于預知的和非預知的事件做出適時的反應，并能獨立地根據其內部狀態(tài)和感知的環(huán)境信息決定并控制內部狀態(tài)和自身的行為。能根據目標采取主動行為，表現出目標驅動的特性。該屬性是智能體為了適應巨大、復雜的分布式網絡環(huán)境而具有的一項基本能力。

圖1 智能體結構簡圖

3）適應性。因為網絡資源在不斷地發(fā)展、變化，所以智能體應具有適應動態(tài)網絡、調整自身規(guī)程的能力，即智能體具有學習功能，能在一定程度上對其他智能體和外部環(huán)境做出響應，更高形式的智能體的適應性使其能根據以往的經驗修改自身的行為。

除此以外，智能體還具有協(xié)作性、協(xié)調性、反應性、智能性等優(yōu)越特性。

3 多智能體系統(tǒng)應用于頻譜規(guī)劃分配的可行性

多智能體系統(tǒng)是計算機技術、網絡技術和分布式人工智能技術等多學科交叉的一個新的的科研分支，一般來說，具有如下特點的場合，均適宜采用多智能體系統(tǒng)進行研究［3］：

1）數據、控制和資源處于分布式環(huán)境，需要協(xié)調運作；

2）系統(tǒng)中軟件模塊相互獨立但又相互通信，需要通過合作或者競爭方式實現某些功能或任務；

3）用不同編程語言或在不同的硬件平臺上實現系統(tǒng)需要的相互間協(xié)作完成的某些功能或任務，進而需要將原有的軟件進行包裝并增加通信功能。

對于頻譜規(guī)劃分配來說［10］，艦艇平臺上的無線電通信裝備、頻譜的監(jiān)測數據、短波探測數據等都具有分布特性。需要通過這些信息的綜合與分析，才能完成整個平臺上用頻裝備的頻譜規(guī)劃分配。并且數據采集程序、分析計算程序和人機界面程序等是由不同的編程語言或者在不同的硬件平臺上實現，并且不同部門在各個作戰(zhàn)時節(jié)從傳感器采集頻譜感知數據和頻譜規(guī)劃分配方案到用頻裝備的頻率協(xié)同等的傳輸通信也是需要解決的重要問題。所以，多智能體系統(tǒng)是非常合適的建模方法。

4 頻譜規(guī)劃分配的架構和建模原則

本部分的目標是通過把各個分離部分的頻譜規(guī)劃分配的小智能體綜合集成為一個系統(tǒng)，使得大系統(tǒng)的工作更加協(xié)調，從而發(fā)揮大系統(tǒng)整體的最大效益，達到更加靈活的進行頻譜的監(jiān)測與分析、短波探測與分析，合理地進行頻譜的規(guī)劃、分配頻率，使得各系統(tǒng)之間兼容工作的目的。

4.1 頻譜分配算法

頻率分配的前提是基于可分配頻率f1，f2，f3，…，fL，從中選擇合適的頻率分配給各個未分配頻率的頻道，直到每一頻道都分到合適的頻率。這種分配必須滿足所要求的頻道間隔，并且使被分配頻率中的最高頻率盡可能地小。

首先建立各個頻道之間的兼容矩陣，如下：

其中F代表各個需求之間要求的頻率間隔。

其次針對各個需求頻道進行排序，總的原則是，先難后易，把頻率分配難度大的頻道排在前面，先分配頻率；反之，排在后邊，后分配頻率。頻道兼容矩陣元素FCij的取值，當它取較大值時，可供選擇的頻率就比較少；當它取較小值時，可供選擇的頻率就多些。所以定義各兼容矩陣行的元素之總和作為第i頻道的頻率分配難度系數是合理的。

最后遵循以下原則進行頻率的分配［6］：

1）可供分配的最低頻率首先分配給排序居首位的頻道。

2）選擇滿足頻道兼容矩陣的最低可供分配頻率依序分配給后續(xù)的信道。當后續(xù)信道是頻率復用信道時，若有已分配的復用頻率并且滿足頻道兼容矩陣，則把該復用頻率也分配給該頻道，否則分配滿足頻道兼容矩陣的最低可供分配頻率。

4.2 頻譜規(guī)劃分配多智能體系統(tǒng)架構

頻譜規(guī)劃分配多智能體系統(tǒng)架構［5］如圖2所示。通過采集智能體從頻譜監(jiān)測設備和短波探測設備中采集頻譜感知數據，經過分析智能體綜合分析計算后，由決策智能體結合頻譜分析結果和頻率分配算法給出頻譜規(guī)劃分配決定，該決定通過控制智能體控制通信設備進行通信。

圖2 頻譜規(guī)劃分配多智能體架構

核心專家決策智能體群結構與基本節(jié)點的專家決策智能體群類似，但是決策級別最高，基本節(jié)點決策智能體無法做出的決策需要通過請示核心節(jié)點完成，實現了頻譜規(guī)劃分配的集中控制與分級管理。

4.3 頻譜規(guī)劃分配智能體系統(tǒng)分類

如圖2所示，頻譜規(guī)劃分配多智能體系統(tǒng)包括決策智能體、分析智能體、采集智能體和控制智能體，共四類智能體。

1）決策智能體。依據分析智能體的綜合分析結果，運用頻譜規(guī)劃分配優(yōu)化算法，結合全頻段電波傳播預測模型和EMI／EMC干擾分析預測模型，給出最優(yōu)的頻譜規(guī)劃分配方案，包括靜態(tài)信道分配和動態(tài)信道分配。最高級的核心決策智能體運行于作戰(zhàn)區(qū)域內最高指揮中心的控制計算機中，基本節(jié)點的決策智能體運行于作戰(zhàn)區(qū)域內其它作戰(zhàn)部門的控制計算機中。在作戰(zhàn)區(qū)域任務下達后，決策智能體將根據作戰(zhàn)部門通信網絡的拓撲結構，使用設備、天線等信息，擬定最佳的頻率分配方案，自主地控制通信設備。還可以在部分設備受到干擾的情況下，給出頻率調整方案。通信指揮人員也可以通過人機交互界面參與決策。

2）分析智能體。專門進行數據分析處理功能，每個分析智能體分別負責完成場強預測、干擾分析和頻譜規(guī)劃等相關的各項分析工作。它們有各自的計算推理機制，但是可以共享數據庫和分析結果。

3）采集智能體。采集頻譜監(jiān)測和短波探測數據，并將采集到的數據進行分類整理，添加到相應的數據庫，建立設備目錄，進行數據綜合。

4）控制智能體。根據決策智能體的命令快速地控制監(jiān)測、探測或通信設備。在決策智能體授權的情況下，也可以自主擬制優(yōu)化控制方案。

4.4 建模原則

為使頻譜規(guī)劃分配能夠真正的保證各通信網系兼容工作，達到提高頻譜利用率的目的，建模需要遵循四項原則［3］：

1）集中控制與分級管理

各個作戰(zhàn)單元所能使用的頻譜資源是有限的，必須集中統(tǒng)一控制和使用。集中控制的功能由核心節(jié)點的核心決策智能體實現，通過和核心分析智能體共同分析各個基本節(jié)點決策智能體發(fā)送來的請求和數據，進行最高決策。核心決策智能體也可以在無人干預的情況下，可以根據自己的推理機做出決定，核心節(jié)點的指揮參謀也可以通過人機界面參與決策過程。

基本節(jié)點的決策智能體功能與核心節(jié)點類似，只是決策權利范圍有限。在職責范圍內的頻譜規(guī)劃分配工作可以自主進行，不用請示核心節(jié)點。如果超出職責范圍，就要向核心節(jié)點發(fā)出請求響應。

通過這樣的設置，可以實現集中控制與分級管理相結合，使系統(tǒng)更具主動性、靈活性和實時性，也可避免集中管理的中央處理機負擔過重，出現其軟、硬件方面的問題，影響正常工作。同時在作戰(zhàn)狀態(tài)下，即使核心節(jié)點受到攻擊，運行核心決策智能體的計算機受損，可迅速將基本節(jié)點的專家決策群升級，代替核心節(jié)點的決策工作，使系統(tǒng)的可靠性得到大幅度的提升。

2）互連、互通與互操作

頻譜感知數據是頻譜規(guī)劃的基礎，因此與頻譜監(jiān)測設備、短波探測設備和通信設備的互連、互通和互操作顯得尤為重要。系統(tǒng)中通過采集智能體和控制智能體監(jiān)控其工作狀態(tài)，智能體的交互性可以保證它們之間的通信、交互信息和共享資源。

3）通用化、模塊化和系列化

系統(tǒng)中的每個智能體都是一個可以獨立運行的計算機實體程序，具有良好的通訊接口，并可以通過簡單的修改和補充，實現功能升級，具有通用化、模塊化和系列化的特性。

4）整體效益最優(yōu)化

由于各個智能體具有很強的適應性和協(xié)作性，所以各個智能體可以相互交流計算結果，并由決策智能體通過優(yōu)化推理機做出決策，從而達到系統(tǒng)整體效益最優(yōu)化。

5 結語

多智能體技術作為軟件設計和實現的一種新范例，近年來引起了人們廣泛的關注。本文所介紹的將多智能體技術應用于艦艇平臺，可有效解決各用頻裝備之間兼容工作的問題。

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