能源系统设计的多智能体框架

能源系统设计拉米亚·本·罗姆丹引用此版本：拉米亚·本·罗姆丹。能源系统设计的多智能体体系结构框架多基因系统[CS.MA]。巴黎萨克雷大学，2020年。英语。NNT：2020UPASS141。电话：02993198HAL ID：电话：02993198https://theses.hal.science/tel-02993198提交日期：2020年11月HAL是一个多学科的开放存取档案馆，用于存放和传播科学研究论文，无论它们是否被公开。论文可以来自法国或国外的教学和研究机构，也可以来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaire专用于能源系统巴黎-萨克雷大学博士论文，在南巴黎大学和原子能委员会替代能源第580号信息科学与技术研究生院通信（STIC）博士专业：计算机科学论文于2020年7月21日在巴黎提交并答辩，作者：艾米亚本·罗姆丹评审团组成：尚塔尔·雷诺南巴黎大学教授Zahia Guessoum兰斯香槟阿登大学HDR高级讲师布拉希姆·哈米德报告员高级讲师，HDR，IRIT报告员奥利维尔·布瓦西耶圣艾蒂安矿业学院教授考官瑞达·本德劳巴黎西南泰尔大学教授国防考试员Chokri Mraidha研究员，HDR，CEA论文主任Saadia Dhouib研究工程师，CEA共同主管苏莱曼·哈桑研究工程师，雷诺联合主管博士论文NNT：2020UPASS141能源系统设计的多智能体框架关键词：模型驱动工程;多智能体系统;能源系统近年来，多智能体系统（SMA）已成为智能能源系统（也称为智能电网）设计和开发中最有前途的然而，在系统本文提出了一个符合ISO 42010标准的体系结构框架，包含了智能电网领域中建立的多智能体体系结构脚本的所有约定、原则和实践，作为解决上述问题的适当解决方案。架构框架s’appuie该框架由一种方法支持，该方法坚持在SMA的分析和设计阶段使用代理标准和能源标准。该框架基于多代理体系结构风格评估方法，此外，还提出了一种独立于代理平台的建模语言，允许对SMA进行建模，并对开发的模型进行分析，以验证它们是否符合所选的SMA体系结构风格。能源系统设计的多智能体体系结构框架关键词：模型驱动工程;多智能体系统;能源系统摘要：近年来，多智能体系统（MAS）已成为智能能源系统（也称为智能电网）设计和开发中最有前途的技术之一然而，在系统工程中使用代理技术来建模、控制和模拟能源系统的行为仍然面临着许多挑战本文提出了一个符合ISO 42010的体系结构框架，包含了智能电网领域建立的多智能体体系结构的所有体系结构框架链接到模型解决技术问题的驱动工程（MDE）方法论问题。此框架是由一种方法支持，该方法在MAS分析和设计阶段坚持使用代理和能量标准。该框架基于一种多代理体系结构风格评估方法，用于选择最合适的风格以满足与特定应用领域相关的非功能要求。此外，还提出了一种与平台无关的代理建模语言来对MASs进行建模，并分析开发的模型以验证它们是否符合所选的MAS体系结构风格。该方法在模型驱动的工程环境中进行了原型化，并在Smarts-Grid领域的代表性应用案例中进行了评估。巴黎萨克雷大学技术空间/发现建筑法国圣奥班128 / 91190号公路iii内容物1简介11.1一般背景。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...12.2研究挑战 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...21.3论文贡献。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...31.4论文结构。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...4我 背景和技术72上下文92.1引言。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...92.2智能电网。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...92.2.1定义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...92.2.2智能电网的优势 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...102.2.3智能电网的特点。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...102.2.4智能电网要求。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...122.2.5微电网：智能配电。 . . . . . . . . . . . . . . ...122.3多智能体系统：概念和方法 . . . . . . . . . . . ...132.4用于电力工程应用的多代理系统。 . . . . . . . ...142.4.1 MAS和智能电网特性。 . . . . . . ...142.4.2 MAS在电力工程中的应用 . . . . . . . . . . . ...152.4.2.1建模和仿真 . . . . . . . . . . . . . . . ...152.4.2.2分布式控制。 . . . . . . . . . . . . . . . . . ...2.4.3用于能源管理应用的MAS体系结构风格智能电网领域。 . . . . . . . . . . . ...15162.4.3.1微电网能源人通信结构行动。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...172.4.3.2微电网能源人的智能控制策略行动。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...193.5模型驱动工程。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...212.6结论。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...213最新技术水平233.1引言。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...233.2智能电网核心标准。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...233.2.1智能电网架构模型（SGAM）。 . . . . . . . . . ...233.2.2通用信息模型（CIM）。 . . . . . . . . . . . . ...253.3 MAS工程方法和框架的回顾。 . . . . ...263.4 SG的MAS工程方法综述。 . . . . . . . . . . . . ...283.5总结。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...293.6结论。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...32ivII论文贡献334面向智能电网的4.1导言354.2标准符合性354.3MAS4SG规范364.3.1MAS4SG利益相关者374.3.2MAS4SG视点384.3.3MAS4SG型号394.3.4建模语言ML4代理404.3.4.1ML4理性404.3.4.2ML4代理元模型：核心元素404.4结论665MAS4SG方法675.1导言675.2方法论的先决条件5.3方法论5.4要求规范第70阶段5.5分析阶段705.6设计阶段765.7第77阶段部署5.8第77阶段实施5.8.1混凝土建模775.8.2第78代代码5.9结论79III验证816执行情况836.1导言836.2DSL ML4Agents836.2.1基于UML配置文件的DSL836.2.2使用Java84实现ML4约束代理6.2.3模型和符号：ML4Agents混凝土语法6.3FIPA协议库876.4IEC CIM配置文件库896.5结论907实验和评估937.1导言937.2使用案例：基于微电网的MAS需求响应937.2.1智能电网93型的详细信息7.2.2现实世界场景957.3基于多智能体的微电网能源管理7.3.1要求阶段977.3.1.1建模要求任务977.3.2第98阶段分析7.3.2.1建筑风格探索活动987.3.2.2建筑风格探索活动：评估vMAS建筑风格任务997.3.2.3建筑风格探索活动：选择-MAS建筑风格任务1027.3.2.4选择交互任务1037.3.2.5建模环境任务1047.3.2.6建模域任务1047.3.3设计阶段1047.3.3.1MAS结构设计活动：建模角色任务1057.3.3.2MAS结构设计活动：建模MAS任务1067.3.3.3MAS结构设计活动：建模组织-组织任务1067.3.3.4MAS结构设计活动：建模代理任务1067.3.3.5MAS结构行为活动：建模上校-工作任务1077.3.3.6MAS结构行为活动：建模存在-行为任务1087.3.4部署阶段1097.3.4.1建模部署任务1107.3.5实施阶段1107.4MAS4SG110的评估和功能确认7.4.1可修改性和重用性1107.4.2最佳实践解决方案1137.4.3MAS4SG的7.4.4智能电网的7.5结论1148结论和未来展望1158.1工作审查1158.2前景115总结117A.1 导言117A.2 上下文119A.2.1智能电网119A.2.2多智能体系统120A.2.3SMA在能源网络领域的应用智能标签120A.2.4L’ingénierie dirigée par les modèlesA.3 最新技术水平A.3.1智能电网基本标准123A.3.1.1智能电网架构模型A.3.1.2统一数据模型123A.3.2SMA的工程方法和框架研究 . 124个A.3.3智能电网SMA工程方法的研究A.3.4合成125A.4 智能电网专用SMA设计的架构框架126A.4.1符合标准126A.4.2MAS4SG126框架规范A.4.2.1MAS4SG126框架的利益相关者A.4.2.2MAS4SG127框架的不同视图A.4.2.3建模语言ML4Agents127A.5 方法学方法128viA.5.1方法的先决条件128A.5.2方法概述128A.6 实施129A.6.1特定于域的语言（ML4Agents）129A.6.2FIPA129协议库A.6.3IEC CIM130配置文件库A.7结论131A.7.1评估131A.7.2前景131参考书目133vii图列表2.1传统电网112.2智能电网112.3典型的微电网结构，包括负载和提供服务的DER单元通过分配系统。...................................................................................................122.4集中式体系结构172.5分布式体系结构182.6分层体系结构192.7中央控制结构192.8本地控制结构202.9混合集中式和分布式控制方案的示例。...........................................................203.1完整的智能电网架构模型可视化244.1体系结构框架的概念模型364.2MAS4SG架构框架的利益相关者4.3MAS4SG的4.4ML4代理模型图414.5MultiAgentSystem软件包424.6需求包444.7代理程序包454.8角色包464.9组织方案484.10 行为包504.11 交互包524.12 环境包544.13 部署包564.14 ArchitetcureStyle低级软件包5.1MAS4SG方法概述685.2要求规范第70阶段的过程5.3需求规范第70阶段的详细过程5.4第71阶段分析过程5.5建筑风格探索活动72的过程5.6建筑风格探索活动74的详细过程5.7第74阶段分析的详细过程5.8设计过程第76阶段5.9MAS结构设计活动775.10 MAS结构设计活动的785.11 MAS行为设计活动785.12 MAS行为设计活动的795.13 第79阶段的部署5.14 第80阶段的详细部署流程5.15 第80阶段的实施viii5.16 EPF第80阶段的详细实施流程6.1架构探索UML配置文件846.2一个决策节点约束的Java实现。....................................................................... 846.3协议库876.4CNP序列图886.5CNP服务合同896.6启动器-FIPA-Contract-Net协议状态机906.7CNP合作906.8参与者-FIPA-Contract-Net协议状态机916.9描述启动器CNP相互作用角色的代理行为6.10 CIM数据模型库927.1智能电网的电气网络。.......................................................................................947.2批发能源价格957.3住宅微电网网络图967.4第97阶段要求流程7.5DR方案的需求图。.............................................................................................987.6分析阶段99的过程7.7混合微电网控制的分层MAS架构示意图。....................................................1027.8DR场景103的交互图7.9DR场景104的环境图7.10 DR方案的域模型。...........................................................................................1057.11 设计阶段105的过程7.12 DR场景的角色图。...........................................................................................1067.13 DR场景的MAS图。..........................................................................................1067.14 灾难恢复方案的组织图。.................................................................................1077.15 DR场景107的代理图7.16 DR场景108的协作图7.17 MGCCAgent的行为图7.18 发起人-FIPA-Contract-Net行为行为图1097.19 第109阶段的部署7.21第110阶段的实施过程7.20 DR场景的部署图。............................................................................................ 1117.22 主类112的Java代码部分7.23 LoadAgent类112的Java代码部分7.24 住宅智能电网112的结果ix表列表2.1MAS和代理属性响应智能电网要求 . . . . . ...152.2MDD属性解决了MAS工程问题。 . . . . . . . . . . ...213.1智能电网的IEC标准。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...263.2评估. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...314.1每个MAS4SG视图使用的ML4代理包。. . . . ...655.1MAS4SG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...696.1用于代理建模的UML扩展 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...856.2ML4代理的具体语法。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...867.1住宅区可控设备的数据。 . . . . . . . . . . ...977.2两种建筑风格的每种属性的得分。 . . ... 1007.3层次分析法质量属性的同行评议。... . . . . . . . . . . ... 1017.4限制性公地情况下各种财产的优先权-嵌套和可扩展微电网。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...1017.5两种建筑风格的每种属性的得分。 . . ... 102A.1用于代理建模的UML扩展 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 130xi我把这篇论文献给我的家人和许多朋友。特别感谢我慈爱的父母奥斯曼和埃西亚，他们给了我生命和爱，为我的成功提供了一切条件。感谢我的兄弟姐妹们的支持和宝贵的信任，他们在怀疑的时候加强了我，恢复了我致我的家人，致我所有的朋友。... ...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FIPA1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。1FIPA 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。