基于多智能体系统的频谱规划研究＊

陈伟尚 刘金霞

（中国电波传播研究所 青岛 266107）

1 引言

在现代高技术条件下，为了实现作战中的通信、指挥、控制以及侦察、监视等功能，各个作战单元在不同的作战时节、在有限的作战空间内部署了众多的通信、雷达、导航等电子设备。随着电子设备电磁兼容标准规范的不断完善，单个电子设备本身已经基本能满足国军标的要求，但许多设备工作频段很宽，灵敏度极高，很容易造成电磁频谱拥挤，电磁干扰严重。尤其是针对舰艇平台上，狭小的空间往往需要布置多个用频装备，因此，对各用频装备用频情况进行规划、分配已经显得尤为重要。

传统的频谱规划分配主要是采用固定信道分配方式，由指挥人员对各用频装备静态地分配固定的频率，在现代化作战条件下，这种频谱规划分配方式难以满足战场环境的快速实时性和动态性的要求。需要提出一种分布式的动态的频谱规划分配方式，来实现对各分散和活动系统节点的动态变化进行自动化的管理。

分布式人工智能技术是有效解决分布式动态控制问题的途径之一，其中兴起的多智能体技术在有关的应用研究中取得了一定程度的应用，并取得了较好的效果。本文提出一种基于多智能体（Multi－Agent）系统的频谱规划分配技术，来实现对用频装备进行自动化、智能化的频率规划分配。

2 多智能体系统的定义和属性

多智能体系统指的是一些自主的智能体（Agent）通过协作共同完成某些任务的计算机系统。它实质上是在一定的环境下，独立的、具有一定的自主性和推断能力，又能和系统中的其它智能体通信交互以及能对周围的环境做出反应，从而完成一个或多个功能目标的计算实体。其典型结构主要包括五个部分［1］，如图1所示。

智能体一般具有以下属性：

1）交互性。交互是智能体最重要的属性之一，它包括与用户的交互和与其它智能体的交互。智能体从用户处接受指令，根据自己的“经验知识”为用户提供建议；同时充分提高效率。这种交互本身包涵了一个定义，即智能体必须具备主动性，能和环境及其它智能体进行通信。

2）自主性。能够在没有操作用户或其它智能体直接干涉和指导的情况下感知环境，对于预知的和非预知的事件做出适时的反应，并能独立地根据其内部状态和感知的环境信息决定并控制内部状态和自身的行为。能根据目标采取主动行为，表现出目标驱动的特性。该属性是智能体为了适应巨大、复杂的分布式网络环境而具有的一项基本能力。

图1 智能体结构简图

3）适应性。因为网络资源在不断地发展、变化，所以智能体应具有适应动态网络、调整自身规程的能力，即智能体具有学习功能，能在一定程度上对其他智能体和外部环境做出响应，更高形式的智能体的适应性使其能根据以往的经验修改自身的行为。

除此以外，智能体还具有协作性、协调性、反应性、智能性等优越特性。

3 多智能体系统应用于频谱规划分配的可行性

多智能体系统是计算机技术、网络技术和分布式人工智能技术等多学科交叉的一个新的的科研分支，一般来说，具有如下特点的场合，均适宜采用多智能体系统进行研究［3］：

1）数据、控制和资源处于分布式环境，需要协调运作；

2）系统中软件模块相互独立但又相互通信，需要通过合作或者竞争方式实现某些功能或任务；

3）用不同编程语言或在不同的硬件平台上实现系统需要的相互间协作完成的某些功能或任务，进而需要将原有的软件进行包装并增加通信功能。

对于频谱规划分配来说［10］，舰艇平台上的无线电通信装备、频谱的监测数据、短波探测数据等都具有分布特性。需要通过这些信息的综合与分析，才能完成整个平台上用频装备的频谱规划分配。并且数据采集程序、分析计算程序和人机界面程序等是由不同的编程语言或者在不同的硬件平台上实现，并且不同部门在各个作战时节从传感器采集频谱感知数据和频谱规划分配方案到用频装备的频率协同等的传输通信也是需要解决的重要问题。所以，多智能体系统是非常合适的建模方法。

4 频谱规划分配的架构和建模原则

本部分的目标是通过把各个分离部分的频谱规划分配的小智能体综合集成为一个系统，使得大系统的工作更加协调，从而发挥大系统整体的最大效益，达到更加灵活的进行频谱的监测与分析、短波探测与分析，合理地进行频谱的规划、分配频率，使得各系统之间兼容工作的目的。

4.1 频谱分配算法

频率分配的前提是基于可分配频率f1，f2，f3，…，fL，从中选择合适的频率分配给各个未分配频率的频道，直到每一频道都分到合适的频率。这种分配必须满足所要求的频道间隔，并且使被分配频率中的最高频率尽可能地小。

首先建立各个频道之间的兼容矩阵，如下：

其中F代表各个需求之间要求的频率间隔。

其次针对各个需求频道进行排序，总的原则是，先难后易，把频率分配难度大的频道排在前面，先分配频率；反之，排在后边，后分配频率。频道兼容矩阵元素FCij的取值，当它取较大值时，可供选择的频率就比较少；当它取较小值时，可供选择的频率就多些。所以定义各兼容矩阵行的元素之总和作为第i频道的频率分配难度系数是合理的。

最后遵循以下原则进行频率的分配［6］：

1）可供分配的最低频率首先分配给排序居首位的频道。

2）选择满足频道兼容矩阵的最低可供分配频率依序分配给后续的信道。当后续信道是频率复用信道时，若有已分配的复用频率并且满足频道兼容矩阵，则把该复用频率也分配给该频道，否则分配满足频道兼容矩阵的最低可供分配频率。

4.2 频谱规划分配多智能体系统架构

频谱规划分配多智能体系统架构［5］如图2所示。通过采集智能体从频谱监测设备和短波探测设备中采集频谱感知数据，经过分析智能体综合分析计算后，由决策智能体结合频谱分析结果和频率分配算法给出频谱规划分配决定，该决定通过控制智能体控制通信设备进行通信。

图2 频谱规划分配多智能体架构

核心专家决策智能体群结构与基本节点的专家决策智能体群类似，但是决策级别最高，基本节点决策智能体无法做出的决策需要通过请示核心节点完成，实现了频谱规划分配的集中控制与分级管理。

4.3 频谱规划分配智能体系统分类

如图2所示，频谱规划分配多智能体系统包括决策智能体、分析智能体、采集智能体和控制智能体，共四类智能体。

1）决策智能体。依据分析智能体的综合分析结果，运用频谱规划分配优化算法，结合全频段电波传播预测模型和EMI／EMC干扰分析预测模型，给出最优的频谱规划分配方案，包括静态信道分配和动态信道分配。最高级的核心决策智能体运行于作战区域内最高指挥中心的控制计算机中，基本节点的决策智能体运行于作战区域内其它作战部门的控制计算机中。在作战区域任务下达后，决策智能体将根据作战部门通信网络的拓扑结构，使用设备、天线等信息，拟定最佳的频率分配方案，自主地控制通信设备。还可以在部分设备受到干扰的情况下，给出频率调整方案。通信指挥人员也可以通过人机交互界面参与决策。

2）分析智能体。专门进行数据分析处理功能，每个分析智能体分别负责完成场强预测、干扰分析和频谱规划等相关的各项分析工作。它们有各自的计算推理机制，但是可以共享数据库和分析结果。

3）采集智能体。采集频谱监测和短波探测数据，并将采集到的数据进行分类整理，添加到相应的数据库，建立设备目录，进行数据综合。

4）控制智能体。根据决策智能体的命令快速地控制监测、探测或通信设备。在决策智能体授权的情况下，也可以自主拟制优化控制方案。

4.4 建模原则

为使频谱规划分配能够真正的保证各通信网系兼容工作，达到提高频谱利用率的目的，建模需要遵循四项原则［3］：

1）集中控制与分级管理

各个作战单元所能使用的频谱资源是有限的，必须集中统一控制和使用。集中控制的功能由核心节点的核心决策智能体实现，通过和核心分析智能体共同分析各个基本节点决策智能体发送来的请求和数据，进行最高决策。核心决策智能体也可以在无人干预的情况下，可以根据自己的推理机做出决定，核心节点的指挥参谋也可以通过人机界面参与决策过程。

基本节点的决策智能体功能与核心节点类似，只是决策权利范围有限。在职责范围内的频谱规划分配工作可以自主进行，不用请示核心节点。如果超出职责范围，就要向核心节点发出请求响应。

通过这样的设置，可以实现集中控制与分级管理相结合，使系统更具主动性、灵活性和实时性，也可避免集中管理的中央处理机负担过重，出现其软、硬件方面的问题，影响正常工作。同时在作战状态下，即使核心节点受到攻击，运行核心决策智能体的计算机受损，可迅速将基本节点的专家决策群升级，代替核心节点的决策工作，使系统的可靠性得到大幅度的提升。

2）互连、互通与互操作

频谱感知数据是频谱规划的基础，因此与频谱监测设备、短波探测设备和通信设备的互连、互通和互操作显得尤为重要。系统中通过采集智能体和控制智能体监控其工作状态，智能体的交互性可以保证它们之间的通信、交互信息和共享资源。

3）通用化、模块化和系列化

系统中的每个智能体都是一个可以独立运行的计算机实体程序，具有良好的通讯接口，并可以通过简单的修改和补充，实现功能升级，具有通用化、模块化和系列化的特性。

4）整体效益最优化

由于各个智能体具有很强的适应性和协作性，所以各个智能体可以相互交流计算结果，并由决策智能体通过优化推理机做出决策，从而达到系统整体效益最优化。

5 结语

多智能体技术作为软件设计和实现的一种新范例，近年来引起了人们广泛的关注。本文所介绍的将多智能体技术应用于舰艇平台，可有效解决各用频装备之间兼容工作的问题。

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