李 潔，史騰飛

（青島市排水運(yùn)營服務(wù)中心，山東 青島 266000）

水泵是城市水資源管理和利用的重要設(shè)備之一，其控制效率和穩(wěn)定性對(duì)于城市供水系統(tǒng)的運(yùn)行具有重要意義。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要對(duì)水泵進(jìn)行群控制，以滿足不同的水需求。傳統(tǒng)的水泵群控制方法往往存在著效率低下、控制精度不高、容易產(chǎn)生能耗浪費(fèi)等問題。因此，如何提高水泵群的控制性能成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。多智能體系統(tǒng)作為一種新興的控制方法，具有協(xié)調(diào)控制、分布式計(jì)算等特點(diǎn)，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。

1 緒論

1.1 研究背景及意義

水資源是人類生存和發(fā)展不可或缺的重要資源，而城市化進(jìn)程的加速也使得水資源的管理和利用越來越受到關(guān)注。在城市供水系統(tǒng)中，水泵作為重要設(shè)備之一，其控制效率和穩(wěn)定性對(duì)于城市供水系統(tǒng)的運(yùn)行具有重要意義。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外已經(jīng)有很多關(guān)于水泵群控制的研究，例如基于PID 控制算法的水泵群控制、基于模糊控制算法的水泵群控制、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水泵群控制等。這些方法在一定程度上提高了水泵群的控制性能，但仍然存在一些問題，例如控制精度不高、能耗浪費(fèi)等。

2 多智能體系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)

2.1 多智能體系統(tǒng)的概念與特點(diǎn)

2.1.1 多智能體系統(tǒng)的概念

多智能體系統(tǒng)（Multi-Agent System，MAS）是由多個(gè)智能體（Agent）相互作用所形成的系統(tǒng)，其中每個(gè)智能體都具有自主決策和行為能力。多智能體系統(tǒng)是一種分布式計(jì)算系統(tǒng)，其特點(diǎn)是系統(tǒng)中的智能體相互協(xié)作、相互競爭、相互影響，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的智能化。多智能體系統(tǒng)是人工智能領(lǐng)域的重要研究方向，在機(jī)器人、智能交通、智能制造等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

多智能體系統(tǒng)的研究內(nèi)容主要包括多智能體的建模、協(xié)調(diào)控制、學(xué)習(xí)和交互等方面。多智能體系統(tǒng)的建模是指將系統(tǒng)中的智能體、環(huán)境和任務(wù)等元素進(jìn)行描述和抽象，以便進(jìn)行系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)。多智能體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制是指如何對(duì)多個(gè)智能體進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使得系統(tǒng)整體能夠達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。多智能體系統(tǒng)的學(xué)習(xí)是指如何對(duì)多個(gè)智能體進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高系統(tǒng)整體的性能和適應(yīng)性。多智能體系統(tǒng)的交互是指系統(tǒng)中的智能體之間如何進(jìn)行通信和信息交換，以便相互協(xié)作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的目標(biāo)[2]。

2.1.2 多智能體系統(tǒng)的特點(diǎn)

多智能體系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1.分布式性：多智能體系統(tǒng)中的智能體分布在不同的位置，通過通信和協(xié)作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的目標(biāo)。

2.自主性：每個(gè)智能體都具有自主決策和行動(dòng)的能力，能夠根據(jù)自身的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行決策，并采取相應(yīng)的行動(dòng)。

3.協(xié)作性：多智能體系統(tǒng)中的智能體相互協(xié)作，通過相互協(xié)作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的目標(biāo)。

4.競爭性：多智能體系統(tǒng)中的智能體之間存在競爭關(guān)系，通過競爭提高系統(tǒng)整體的效率和性能。

2.2 多智能體系統(tǒng)的分類與組成

2.2.1 多智能體系統(tǒng)的分類

多智能體系統(tǒng)的分類主要根據(jù)智能體之間的關(guān)系進(jìn)行分類，包括獨(dú)立型多智能體系統(tǒng)、互動(dòng)型多智能體系統(tǒng)和協(xié)同型多智能體系統(tǒng)。

具體如下：

1.獨(dú)立型多智能體系統(tǒng)：系統(tǒng)中的智能體之間相互獨(dú)立，各自為政。

2.互動(dòng)型多智能體系統(tǒng)：系統(tǒng)中的智能體之間通過相互協(xié)作和競爭實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的目標(biāo)。

3.協(xié)同型多智能體系統(tǒng)：系統(tǒng)中的智能體之間相互協(xié)作，通過相互協(xié)作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的目標(biāo)。

根據(jù)智能體之間的交互方式，多智能體系統(tǒng)還可以分為基于協(xié)商的多智能體系統(tǒng)、基于市場機(jī)制的多智能體系統(tǒng)、基于組織的多智能體系統(tǒng)和基于自組織的多智能體系統(tǒng)等。

2.2.2 多智能體系統(tǒng)的組成

多智能體系統(tǒng)通常由以下幾個(gè)部分組成：

1.智能體：多智能體系統(tǒng)中的基本單元，每個(gè)智能體都具有自主決策和行為的能力。

2.通信網(wǎng)絡(luò)：多智能體系統(tǒng)中的智能體之間通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信和信息交換。

3.環(huán)境：多智能體系統(tǒng)中智能體的行為受到環(huán)境的影響，環(huán)境對(duì)智能體的行為產(chǎn)生反饋。

4.控制器：多智能體系統(tǒng)中的控制器通過對(duì)智能體的行為進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的目標(biāo)。

2.3 多智能體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方法

在多智能體系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)控制是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體目標(biāo)的關(guān)鍵。目前，常用的協(xié)調(diào)控制方法包括以下幾種：

1.集中式控制：集中式控制是指通過一個(gè)中央控制器對(duì)多個(gè)智能體進(jìn)行控制和調(diào)度。

2.分布式控制：分布式控制是指每個(gè)智能體都具有一定的控制能力，通過相互協(xié)作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的目標(biāo)。

3.基于市場機(jī)制的控制：基于市場機(jī)制的控制是指通過市場機(jī)制對(duì)智能體的行為進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的目標(biāo)。

4.基于自組織的控制：基于自組織的控制是指智能體通過相互協(xié)作和競爭，自發(fā)形成系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)和行為。

在實(shí)際應(yīng)用中，不同的協(xié)調(diào)控制方法適用于不同的場景和問題。因此，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的協(xié)調(diào)控制方法。

3 水泵群控制的基本原理

3.1 水泵群控制的概念與應(yīng)用

水泵群控制是指通過控制多臺(tái)水泵的啟停、流量和壓力等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵群的智能化控制。水泵群控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于供水、排水、循環(huán)水處理等領(lǐng)域，能夠提高水泵群的運(yùn)行效率和安全性，降低能耗和維護(hù)成本。

水泵群控制的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.城市供水系統(tǒng)，水泵群控制可以實(shí)現(xiàn)城市供水系統(tǒng)的智能化控制和管理，提高供水系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。

2.排水系統(tǒng)，水泵群控制可以實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的智能化控制和管理，提高排水系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性。

3.工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)，水泵群控制可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的智能化控制和管理，提高循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。

4.農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，水泵群控制可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的智能化控制和管理，提高灌溉效率和節(jié)約水資源[3]。

3.2 水泵群控制的技術(shù)路線

水泵群控制的技術(shù)路線主要包括：

1.系統(tǒng)建模，根據(jù)水泵群的工作原理和系統(tǒng)特點(diǎn)，建立水泵群控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

2.控制策略設(shè)計(jì)：根據(jù)水泵群的工作特點(diǎn)和實(shí)際需求，設(shè)計(jì)適合的控制策略，包括啟?？刂啤⒘髁靠刂坪蛪毫刂频?。

3.控制器設(shè)計(jì)：根據(jù)控制策略，設(shè)計(jì)相應(yīng)的水泵群控制器，包括硬件電路和軟件控制程序。

4.通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)水泵群控制系統(tǒng)所需的通信網(wǎng)絡(luò)，包括局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等。

5.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：將控制器和通信網(wǎng)絡(luò)等組成完整的水泵群控制系統(tǒng)，并進(jìn)行調(diào)試和測試。

6.系統(tǒng)優(yōu)化：根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)水泵群控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。

3.3 水泵群控制的關(guān)鍵問題

1.系統(tǒng)建模：水泵群控制的系統(tǒng)建模是實(shí)現(xiàn)控制的基礎(chǔ)，需要準(zhǔn)確地描述水泵群的工作原理和系統(tǒng)特點(diǎn)。

2.控制策略設(shè)計(jì)：水泵群控制的控制策略直接影響系統(tǒng)的控制效果，需要根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)合適的控制策略。

3.控制器設(shè)計(jì)：水泵群控制器的設(shè)計(jì)需要考慮硬件電路的實(shí)現(xiàn)和軟件控制程序的編寫，同時(shí)需要保證控制器的穩(wěn)定性和可靠性。

4.通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)：水泵群控制的通信網(wǎng)絡(luò)需要滿足實(shí)時(shí)性和可靠性的要求，同時(shí)需要考慮網(wǎng)絡(luò)的安全性和擴(kuò)展性。

5.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：水泵群控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)控制器、通信網(wǎng)絡(luò)和其他硬件設(shè)備進(jìn)行選型、集成和調(diào)試等工作，確保系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

6.系統(tǒng)優(yōu)化：水泵群控制系統(tǒng)的優(yōu)化需要通過實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)整，包括控制策略、控制器參數(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)等方面的優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。

4 控制策略的設(shè)計(jì)思路

基于多智能體系統(tǒng)的水泵群控制策略是一種分布式控制策略，它將多個(gè)智能體組成一個(gè)智能體系統(tǒng)，每個(gè)智能體負(fù)責(zé)控制一個(gè)水泵，通過智能體之間的通信和協(xié)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)水泵群的控制。

該控制策略的設(shè)計(jì)思路是將水泵群控制問題轉(zhuǎn)化為多智能體系統(tǒng)的協(xié)作問題，通過智能體之間的信息交換和協(xié)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵群的啟停、流量和壓力等參數(shù)的智能化控制。其中，每個(gè)智能體需要具備自主決策能力和協(xié)作能力，能夠根據(jù)當(dāng)前的工作狀態(tài)和群體目標(biāo)，自主地調(diào)整自己的控制策略，同時(shí)與其他智能體進(jìn)行協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)群體的控制目標(biāo)[4]。

5 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

5.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及參數(shù)設(shè)置

為了驗(yàn)證基于多智能體系統(tǒng)的水泵群控制策略的有效性，我們進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境采用MATLAB/Simulink 軟件，仿真模型由水泵群、控制器和通信網(wǎng)絡(luò)三部分組成。水泵群包括四臺(tái)水泵，控制器采用基于多智能體系統(tǒng)的控制策略，通信網(wǎng)絡(luò)采用無線局域網(wǎng)。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：

1.水泵參數(shù)：每臺(tái)水泵的額定流量為500m3/h，額定揚(yáng)程為100m，額定功率為90kW。

2.控制器參數(shù)：每個(gè)智能體的決策規(guī)則采用模糊控制算法，控制周期為1s。

3.通信網(wǎng)絡(luò)參數(shù)：無線局域網(wǎng)通信半徑為50m，通信延時(shí)為0.1s。

4.工況參數(shù)：仿真工況包括常規(guī)工況和突發(fā)工況。常規(guī)工況下，水泵群需滿足穩(wěn)定的供水需求；突發(fā)工況下，水泵群需迅速響應(yīng)并處理突發(fā)水位上升的情況。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在仿真實(shí)驗(yàn)中，我們對(duì)基于多智能體系統(tǒng)的水泵群控制策略進(jìn)行了測試和驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在常規(guī)工況下，控制器能夠及時(shí)響應(yīng)水泵群的流量和壓力變化，保證水泵群的穩(wěn)定供水；在突發(fā)工況下，控制器能夠迅速調(diào)整水泵的啟停和流量，有效處理水位上升的情況，保證水泵群的安全運(yùn)行。

同時(shí)，我們對(duì)控制策略的性能進(jìn)行了評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于多智能體系統(tǒng)的水泵群控制策略具有較高的控制精度和響應(yīng)速度，能夠有效降低能耗和維護(hù)成本，提高水泵群的運(yùn)行效率和可靠性[5]。

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

綜上，基于多智能體系統(tǒng)的水泵群控制策略是一種有效的水泵群控制方法。該控制策略能夠通過智能體之間的通信和協(xié)作實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵群的智能化控制，具有較高的控制精度和響應(yīng)速度，能夠降低能耗和維護(hù)成本，提高水泵群的運(yùn)行效率和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，該控制策略可以有效應(yīng)用于城市供水、排水、循環(huán)水處理等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵群的智能化控制和管理。

6 研究不足與展望

盡管本文所提出的基于多智能體系統(tǒng)的水泵群控制策略在實(shí)驗(yàn)中取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。首先，本文只考慮了水泵群的控制問題，未對(duì)水泵的故障診斷和維護(hù)進(jìn)行研究。其次，本文的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和參數(shù)設(shè)置較為簡單，需要進(jìn)一步擴(kuò)展和優(yōu)化。最后，本文只對(duì)控制策略進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，需要進(jìn)一步在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行驗(yàn)證。

針對(duì)以上不足之處，我們展望未來的研究方向：

1.水泵故障診斷和維護(hù)：在基于多智能體系統(tǒng)的水泵群控制策略的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究水泵的故障診斷和維護(hù)問題，提高水泵群的運(yùn)行可靠性和效率。

2.現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化：在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化控制策略參數(shù)，提高控制效果和穩(wěn)定性。

3.與其他系統(tǒng)的協(xié)同控制：將基于多智能體系統(tǒng)的水泵群控制策略與其他系統(tǒng)的協(xié)同控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)供水、排水、循環(huán)水處理系統(tǒng)的智能化控制和管理。

4.機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的應(yīng)用：引入機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的技術(shù)，優(yōu)化控制策略和算法，提高控制效果和精度。