基于Swarm的矿难救援复杂系统研究

秦国兴,李大鹏

(唐山学院计算中心,河北唐山 063000)

基于Swarm的矿难救援复杂系统研究

秦国兴,李大鹏

(唐山学院计算中心,河北唐山 063000)

针对当前我国各地突发矿难大规模救援活动存在组织、调度较慢等问题,提出了综合运用计算机Swarm仿真来改进救援行动的方案。在总结了Swarm仿真平台的基本思想和特点,以及对矿难救援主体因素和矿难复杂适应性系统分析的基础上,给出了Swarm平台下矿难救援系统的框架模型,为矿难救援复杂系统的研究提供思路。

Swarm仿真;复杂系统;趋势分析;矿难救援系统

0 引言

我国是一个发展中的大国,在迅速崛起的各个行业中采掘业具有基础地位,有效利用矿产资源是国民经济和社会发展的重要基础和基本源泉。在开采和利用有效资源的同时,我们必须将矿产的开采安全提到首位。据粗略统计,从1990年后,每年的矿难伤亡人数达到4位数字甚至5位数字,并且随着采矿规模的进一步扩大,伤亡人数有增长的趋势,瓦斯爆炸、煤矿透水等事故使生命和社会财产严重损失,令人触目惊心。如果通过救援能进一步将矿难损失降低,会有利于经济建设和和谐社会的发展。

矿难救援涉及救助主体、受灾主体等多主体,还涉及多种要素,面对这种复杂局面如果利用传统数学工具建模来进行分析存在明显弊端,其模型不能涵盖矿难救援过程中涉及到的具有多样性、突发性、随机性的主体。而基于主体的计算机模拟仿真则可以做到这一点,利用它进化性和非线性的特点来模拟各种参数,这样可以和矿难后的救援过程更加相符[1]。

本文将分析Swarm仿真方法,细化矿难救援的多主体和多参数,构建Swarm平台框架,为突发矿难提供可借鉴的救援过程指导数据,为矿难救援指挥者的决策提供科学依据,找到优化的救援流程和救援资源配置方案,减少人员伤亡,降低经济损失,提高矿难救援的效率和成功率,最大限度地实现减灾的目的。

1 基于Agent的Swarm仿真基本理论及方法

多主体系统发展源自分布式人工智能领域,它把问题分解为多个主体(Agent),再以联合或群集的方式找到整体更优的解决方案。Swarm是一个多主体复杂适应系统(CAS)仿真建模软件平台,非常适合于涉及因素或主体较多的仿真分析,是一种支持“自下而上”(bottom2up)的建模工具。在Swarm中将模型涉及的参与者看作一个个主体(agent),首先描述各种主体细节,包括其属性、行为、对信息的评价、期望、学习过程和决策等,然后构建各类不同主体间的交互关系。Swarm还提供一些输入/输出的接口,以便对系统模拟情况进行观察,因此实际上就是一个面向对象的类库,用户可以通过调用这些类库简化模拟工作。通过建立基于Swarm的计算机模型,调用平台中提供的丰富的类库,可以方便地对许多领域的研究进行模拟。

对于矿难救援这样的规模较大、各种因素息息相关的复杂系统,通常可以采用两种方法进行研究:一种是在实际问题产生时直接进行研究;另一种就是采取在虚拟的系统模型上进行研究。我们能够在解决实际问题过程中得到很多方法和经验,但这样的研究速度非常慢,而且要考虑很多因素,比如安全性、系统的不可逆、研究时间过长、系统多样性等,因此第一种方法是不适合的。这就需要我们采用第二种方法来进行研究:在模仿真实环境的各种参数基础上建立模型,通过不同的参数变化来模拟真实场景,以得出有效的方法或经验。

Swarm平台的构架是模块化的,用面向对象的思维去理解Swarm的主体结构和程序仿真实现会起到事半功倍的效果。Swarm系统的Swarm对象就是一个顶层容器,它将各种对象封装在里面。要建立一个模拟环境,需要针对多种主体直接调用相关类就可以实现模型的建立,对于Swarm的高级用户来说,可能需要对Swarm基本类库进行设计加工,产生更实用的子类。Swarm中的基本类库包括:swarm.a-nalysis(分析工具),swarm.defobj(为objective2c扩展提供对象),swarm.sim tools(提供数据分析和显示支持),swarm.sim tool.sgui(GU I相关工具)等等。Swarm仿真系统模型结构都大同小异,其核心是模型Swarm文件、观察员Swarm文件和Main文件。由于仿真系统的模板化程度非常高,建立仿真主要是考虑主体属性和方法[2-3]。

图1是基于Agent多决策系统仿真框架。

图1 Swarm仿真框架示意图

2 矿难救援主体因素分析

矿井灾害的发生都具有突发性、毁灭性,要提高矿难后的救援效率和控制灾后的损失,首先要熟知影响救援效果的各种因素,也就是在仿真系统中各种起作用的主体(Agent)。现将主要的因素和主体以及它们之间的关系总结归纳如下。

灾难控制及救援要素包括以下主体因素:矿难发生的位置、矿井的深度及规模、采矿人员、人员伤亡、财产损失程度、矿难发生强度、矿难发生时间、救援人力资源、救援时间、救援设备资源、救援指挥调度、救援策略、救援知识和现场信息等。这些多主体因素共同牵制着矿难规模、破坏能量及救援结果。矿难救援因素关系图如图2所示。

图2 矿难救援因素关系图

3 基于CAS视角的矿难复杂适应性系统的分析

复杂适应系统(CAS)理论把系统各种成员看成是相互独立、有自己目的与主动性的积极主体(Agent)。这种主体在与环境的交互作用中遵循一般的刺激-反应模型,所谓适应能力表现在它能够根据行为的效果修改自己的行为规则,以便更好地在客观环境中生存,这是CAS理论思想的精髓所在。复杂适应系统理论的提出为人们认识、理解、控制、管理复杂系统提供了新的思路。用Swarm来仿真复杂适应性系统流程一般通过 Main文件启动模型,然后由观察员Swarm文件结合设置好的时间表对各主体模型进行跟踪记录调整。Swarm模板化程度非常高,主要核心工作是对各个Agent主体进行详细的属性和方法设计,尽可能表述现实中的主体行为[4]。

矿难的发生和救援过程由于涉及到多个主体,各独立主体相互影响相互制约从而影响最终结果,所以将其归结为复杂系统。从复杂适应系统理论角度对矿难救援系统进行分析,主要表现在以下几方面:一是多层次性。矿难救援活动可以在地方政府、省级相关部门乃至国家相关部委等不同层面分别进行,有多种不同调配组合,这就会产生完全不同的救援效果,多结构多层次性也正是复杂性产生的原因之一;二是多主体主动适应性。矿难的受灾人员主体和救援人员群体呈现“聚集”特性和智能性,有一定的决策能力,多主体并存且可依环境变化和自身意愿进行规则调整,使得混沌状态转化为有序结构,不断演变;三是系统非线性及动态开放性。灾难与救援是双方向性的,它的发展是随时间和环境的不断变化而非线性变化,在这个开放性的环境中存在多样性的各种因素相互影响和制约,导致最终结果的不确定。基于以上对诸多因素和特性的分析可以充分说明矿难救援是一个复杂适应系统(CAS),可以应用积木机制来构建不同的内部模型,通过分析各Agent之间的相互作用和适应性,得出整个系统的发展趋势,为不同救援策略提供参考和指导[5]。

4 基于Swarm的矿难救援体系结构及模型构建

矿难救援体系结构由多个子系统构成,包括管理主系统、时间分配管理子系统、数据服务子系统、主体对象序列管理系统、模型库、观察员管理子系统等。在救援复杂适应系统中,更着重强调主体对象序列管理系统,利用主体(Agent)的思想,通过仿真主体以及主体之间关系来精确模拟现实系统,用主体(Agent)来描述目标系统中单个个体的行为,进而达到控制整个系统的目的。

根据矿井灾难发生的不同情况,需要将救援行为量化,包括救援点、救援资源、受灾范围、主体的多少,根据量化的数据所采取的救援模式也会有所区分,可以采用不同的救援模拟方式来进行:顺序救援模式、全局分散救援模式、局部重点救援模式、混合救援模式。每种模式都有其适用对象、适用范围、适用的特别环境,要根据现场或模拟需求来进行选择。

借助以上对救援复杂系统的分析,依据Swarm框架的构建思想,将系统中不同的要素抽象成不同类型的个体(A-gent)序列,让一系列独立的Agent通过独立事件进行交互。在构建Swarm模型时设置观察员(ObserverSwarm),根据模拟不同的受灾和救援主体(Agent)和不同环境的变化,如灾难位置、交通情况等构建Swarm矿难救援系统模型,如图3所示。

5 结论

针对采掘业发生矿难的现状分析了救援方法,针对矿难救援复杂系统多主体、多参数的特点提出了使用Swarm模型的思路。基于Agent的Swarm仿真方法构建的Swarm矿难救援基本框架模型,可以为进一步研究矿难救援提供参考。

图3 Swarm矿难救援系统框架模型

[1] 王正中.复杂系统仿真方法及应用[J].计算机仿真, 2001(1):3-6.

[2] 曹慕昆,冯玉强.基于多Agent计算机仿真实验平台Swarm的综述[J].计算机应用研究,2005(9):1-3.

[3] 李萧,田宝国.基于多智能体与Swarm的复杂适应系统研究[J].软件导刊,2007(3):10-12.

[4] 范新南,徐立中.基于Swarm平台的复杂系统建模仿真及其应用分析[J].河海大学常州分校学报,2006,20 (4):1316.

[5] 孙建,叶民强.基于主体的Swarm建模分析及其应用[J].福建电脑,2002(11):26-30.

(责任编校: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

唐山市科学技术研究与发展指导计划项目(09130211c)

秦国兴(1976-),男,讲师,硕士,主要从事图形、图像处理和数据库的研究开发。