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ISO42010标准下的能源系统多智能体设计框架
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更新于2024-06-18
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拉米亚·本·罗姆丹在其博士论文《能源系统设计的多智能体框架》中探讨了在现代能源系统,特别是智能电网的设计与开发中多智能体系统的应用潜力。论文围绕ISO 42010标准,提出了一种创新的体系结构框架,旨在解决智能电网中智能体架构设计中的挑战。这个框架的核心理念是模型驱动工程(Model-Driven Engineering, MDE),它强调在智能体分析和设计过程中采用标准化的代理和能源模型。 论文构建了一个依托于多代理体系结构风格评估方法的架构框架,这种方法确保了智能体行为的一致性和互操作性。作者特别设计了一种独立于具体代理平台的建模语言,这使得能源系统中的多智能体能够被统一地描述和分析,从而验证其是否符合预设的体系结构风格。这种灵活性有助于提升系统的可重用性和适应性。 评审团由南巴黎大学、兰斯香槟阿登大学和原子能委员会的专家组成,包括教授、高级讲师和研究工程师,他们对论文进行了严谨的评审。论文涉及的关键领域包括替代能源、信息科学与技术研究生院的通信(STIC)以及计算机科学。研究不仅限于理论层面,而是具有实际应用价值,旨在推动能源系统向更智能、高效的方向发展。 通过这篇博士论文,拉米亚·本·罗姆丹展示了多智能体框架如何作为解决能源系统复杂性问题的一种强大工具,特别是在标准化和可扩展性方面。她的工作对于理解和优化智能电网的运行,以及推动未来能源管理的创新实践具有重要意义。整个研究过程遵循了严格的学术规范,并通过HAL多学科开放存取档案馆进行分享和传播,促进了科研成果的交流和应用。
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1
第一章
简介
这一章介绍了我们的论文,其中我们概述了它所涉及的主题。首先,我们介绍了本
文的背景和动机,然后是我们已经确定的研究问题。然后,我们列出了论文的贡
献,最后,我们提出了这篇论文的结构
1.1
一般背景
现代能源系统正变得越来越复杂(
Gungor
等人,
2011
年)。它们由不同的相互作用
的实体组成,这些实体允许能源的智能生产、分配和消费。软件技术用于优化电力
的生产、分配和消费,并调节供应商和消费者之间的电力流动。
近年来,多智能体系统(
MAS
)已经成为能源系统设计和开发的一种有前途的
技术(McArthur等人,2007年b; McArthur等人,2007年(a)。MAS技术允许实
现大型和复杂的分布式应用程序,并开发能够以合作和容错的方式进行协调的自治
控制代理(
Wooldridge
和
Jennings
,
1995
)。
MAS
被认为是开发软件解决方案以管
理未来智能电网电力系统的适当技术文献证明,药剂技术适用于SG领域的许多问题
(
McArthur
等人,
2007
年(
b
)。
随着现代系统变得越来越复杂,因此需要一种提高生产率、减少返工并使系统集
成和可维护性更容易的方法。模型驱动开发(
MDD
)是一种将开发人员的注意力从
纯粹的编码转移到分析的方法,并使系统建模独立于将用于系统部署的平台。使用
转换的概念,
MDD
允许将系统模型转换为所需平台上的所需编程语言。
MDE
技术
已被证明是一种缓和的解决方案,可提高设计和实现的可重用性、可移植性和互操
作性(Schmidt,2006)。模型驱动工程(MDE)观点基于经典的模型驱动架构
(
MDA
)方法(
Kleppe
等人,
2006
),
2003
年)。
MDA
技术在
MAS
开发中的使用
将允许异构代理系统之间的互操作性因此,将其用于多智能体系统(MAS)的开发
是一种自然的方式。
2
第一章。 简介
1.2
研究挑战
将MAS系统作为一个复杂的分布式系统进行工程设计需要在基于代理的工程领域付
出大量的努力和专业知识在特定应用领域(如能源系统)中升级此类技术需要基于
代理的软件开发环境的知识和专业技能。这不是能源系统工程师的角色,他们将专
注于他们领域的问题,而不是复杂的软件基础设施。Hence需要提供基于代理的开
发框架来管理这种复杂性。
MAS技术将确保可扩展性、可靠性和灵活性,其中将域标准与FIPA
1标准一起使用可
以保证
MAS本身内部以及来自不同设计者的异构MASS之间的互操作性。文献中的现
有建议侧重于通过提出几种MAS方法(Cossentino和Potts,2002; Wooldridge、
Jennings
和
Kinny
,
2000; Pavón
、
Gómez-Sanz
和
Fuentes
,
2006
)、代理建模语言
(Hahn、Madrigal-Mora和Fischer,2009; Trencansky和Cervenka,2005)、开发
和验证与确认工具来帮助代理系统设计者开发他们的软件解决方案。他们中的一些
人在开发过程中使用模型驱动的技术来增加模型和不同概念模式的重用,并降低从
分析到实施、测试和维护的整个过程的成本(Hahn、Madrigal-Mora和Fischer,
2009; Amor
、
Fuentes
和
Vallecillo
,
2004
)。设计方法为多智能体系统的设计提供
了一种结构化的然而,MAS开发人员应该意识到,当前的方法并不能保证完全灵活
和可扩展的解决方案(
McArthur
等人,
2007
年(
a
)。
所有这些作品通常都是独立于领域的;即,它们可以适应
任何应用程序域。然而,从我们的角度来看,在特定领域使用代理技术的情况下,
问题不仅仅是如何开发基于代理的解决方案,而是所开发的解决方案是否满足系统
的非功能性要求,如在实际执行环境中的可扩展性、可靠性、灵活性和互操作性
为能源系统开发基于智能体的解决方案所面临的挑战可分为以下四个主要方面:
1.
方法学问题,这是由于现有
MAS
设计方法的多样性和不同的药物解剖结构。
2.
技术问题,与实现方法和代理平台的多样性相关
3.
异构MAS之间以及代理之间的互操作性问题,与通信语义学相关。
4.
体系结构评估问题,其中考虑对MAS体系结构样式的评估,以便为给定的应
用程序域选择必须更好地满足目标应用程序域的所选非功能要求的适当体系结
构
这些挑战证明了需要一个体系结构框架来帮助开发满足功能系统的能源行业MAS解
决方案。
1
FIPA 2007,"智能物理代理基金会(FIPA)",可用[在线]:http://www.fipa.org/
1.3.
论文贡献
3
和非功能性要求。要实现这一点,可以区分两个要求:
异构MAS之间以及代理之间的互操作性,这与通信语义学有关
MAS体系结构需要适应电网日益复杂的需求。分散式体系结构倾向于支持可
扩展性;即,资源分配的计算负载在许多计算机之间分配,并且通信瓶颈的风
险较小。然而,在集中式架构中添加或删除提供商或客户端可能会稍好一些,
因为可能只需要在系统的一个部分进行更改。由于这两个目标在大多数情况下
是矛盾的,特别是当期望最佳结果时,必须找到折衷方案来定义适当的
MAS
体系结构,以更好地提高服务质量并响应关于非功能需求(
NFR
)的中心设计
意图(即可扩展性、弹性、可修改性和负载平衡)。
本文的重点是基于代理的系统的设计和开发,特别是它们的体系结构,以满足以
前的要求。下面的研究问题(RQ)是:
1.
(RQ1)如何为智能电网应用轻松高效地设计和简化代理系统?
2.
(RQ2)如何在设计阶段遵守标准以确保互操作性?
3.
(RQ3)
哪种
MAS
体系结构更适合在所需质量属性之间提供最适当的平衡?
这些问题是通过一个应用程序进行研究的,该应用程序不仅证明了回答先前问题
的测试用例,而且还为以下智能电网特定问题提供了答案:
应如何设计住宅需求响应系统以减少高峰期的需求?
根据我们的设计意图,什么是适合此问题的MAS体系结构?
在RQ1、RQ2和RQ3的指导下,对这些研究主题的研究和开发结果导致了本博士的
主要贡献论文。
1.3
论文贡献
本论文解决了指导代理系统设计的框架开发的关键问题,该框架与模型驱动工程的
原则一致,以管理智能电网。
我们的工作贡献在于提出了一种基于工具的能源系统
MAS
开发方法。我们的方
法将使我们能够在早期设计阶段对能源系统进行非功能分析,并选择适当的MAS架
构风格以满足系统要求。我们的方法提供了一种专用于平台独立的建模语言
·
·
·
·
4
第一章。 简介
MAS
设计。该语言基于
UML
语言提供的支持,并扩展了现有
PIM4Agents
元模型的
语义。
为了使我们的方法可供工程师使用,我们实施了
MAS4ES
框架,该框架允许设计
和简化MAS解决方案,帮助用户在分析和设计阶段坚持标准,并满足系统要求。
我们的框架必须处理上述三个研究问题。研究问题(1)如何为智能电网应用设
计和简化代理系统
?
解决了一种方法的定义,该方法支持使用MAS4SG框架,该框
架基于称为
ML4Agents
元模型的平台独立元模型(
PIMM
),该模型从目标执行平
台抽象,并包括用于为管理ES的MAS解决方案建模的相关概念,以促进其互操作
性。我们的方法指导电力系统工程师使用
MAS4SG
框架为能源系统领域的特定问题
开发
MAS
解决方案。此外,我们遵循模型驱动工程(
MDE
)的原则,以便通过允许
模型的重用和验证来简化设计过程。
研究问题(2)"如何在设计阶段坚持标准以保证互操作性?" (1)用于基于标
准化公共信息模型(
CIM
)对本体进行建模的库,以便标准化能量系统应用内的本
体概念,从而允许来自不同
MAS
应用的代理之间的互操作性(语义)以及(
2
)另
一个库,包括用于模拟代理交互的FIPA协议的规范,允许来自不同MAS平台的代理
彼此发现并彼此之间的消息通信。
研究问题(
3
)
"
哪种
MAS
体系结构应优先于在所需质量属性之间提供最适当的平
衡?
"
它是通过
MAS
体系结构的探索方法来解决的,该方法用于为给定的应用程序
选择适当的体系结构样式,该应用程序必须满足给定的一组非功能要求。
1.4
论文结构
本文分为三个部分和几个附录,加上参考书目和缩写。本论文手稿其余部分的内容
如下:
第一部分,第二章和第三章介绍了论文的背景,并概述了在MAS的规范和开发
中使用MDE技术的相关工作和研究,以及在能源系统应用工程中使用代理技术的升
级。
第2部分由第4章和第5章组成。第4章描述了我们提出的体系结构框架工作,以支
持能源系统领域应用中代理技术的升级,其中第5章介绍了我们的签名方法,使我们
的框架可供MAS工程领域的设计人员使用该方法将定义设计MAS体系结构所需的体
系结构设计规则和一组活动。
第
3
部分,由以下第
6
章和第
7
章组成,对论文贡献进行验证
;
即,第
6
章介绍了实
现我们的UML配置文件
1.4.
论文结构
5
第7章描述了所提出的框架所使用的建模语言,并描述了我们为在分析和设计阶段使
用而开发的库,第
7
章介绍了基于微电网的需求响应案例研究,我们在其中应用了我
们的方法
第八章通过分析目标的实现和工作的贡献来结束我们的论文工作,介绍已经完成
的科学出版物,并为未来的工作开辟研究路线。最后,附录扩展并澄清了信息,以
更好地理解前面章节中提出的一些问题。
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cpongm
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