Автоматизация построения мультиагентной системы для проектирования интегрированных энергетических систем

Развитие новых технологий и внедрение инновационного энергетического оборудования оказывает значительное влияние на работу энергетических инфраструктур, включающих системы электро-, тепло-, холодо-, газоснабжения и др. [1]. Объединение этих систем на технологическом и организационном уровнях приводит к формированию интегрированных энергетических систем (ИЭС), которые обеспечивают повышение надёжности и эффективности ИЭС и рациональное использование энергетических ресурсов.

Сложность задачи проектирования ИЭС обусловлена особенностью сетевой конфигурации этих систем, множеством объектов с индивидуальным поведением, наличием ряда центров принятия решений и необходимостью согласования решений [2].

Применение мультиагентного подхода при решении задачи проектирования ИЭС позволяет рассматривать большое количество активных элементов, в т.ч. распределённые источники энергии, и активных потребителей с собственными источниками энергии [3-5]. В осно- ве мультиагентного подхода лежит понятие мобильного программного агента. Решение задачи проектирования ИЭС осуществляется независимыми друг от друга центрами принятия решений, обменивающимися между собой информацией, а на этапе согласования находится компромиссное решение, учитывающее интересы всех участников энергоснабжения [6].

Сложность организации мультиагентного моделирования ИЭС приводит к необходимости разработки подходов, которые обеспечат автоматизацию построения мультиагентной системы (МАС). Эффективным средством автоматизации построения больших программных систем являются концепция модельно-управляемой разработки ( Model-Driven Engineering , MDE ) [7, 8] и концепция разработки программного обеспечения на основе онтологии ( Ontology Driven Software Engineering , ODSE ) [9, 10]. В статье сделана попытка применения этих концепций к особенностям процесса мультиагентного моделирования ИЭС. Автоматизация построения МАС выполняется на основе компьютерной модели ИЭС и знаний, формализованных в виде онтологии.

1    Постановка задачи

При проектировании ИЭС решается комплекс задач с разными содержательными формулировками, и для их решения используются различные методики, специализированное математическое и программное обеспечение [1, 11]. В [12] на примере трубопроводных систем энергетики показано, что в процессе их проектирования требуется интеграция различных подсистем. При построении МАС необходимо объединить составляющие, представленные на рисунке 1. Математическое обеспечение включает математические постановки задач проектирования, математические модели подсистем и элементов ИЭС, методы и алгоритмы. Программное обеспечение включает различные программные компоненты, которые реализуют методики решения задач проектирования ИЭС, математические модели подсистем и элементов ИЭС, методы и алгоритмы, а также сторонние решатели – программные разработки, предназначенные для решения конкретных классов задач.

Иерархия агентов

Сторонние решатели

Модели подсистем и элементов ИЭС

Содержательные формулировки задач

Иерархические модели ИЭС

Мульти а гентн о е модел ирование

Математиче ские постановки задач

Программное обеспечение

Реализации моделей подсистем ИЭС

Методология        [ проектирования ИЭС ]

Математическое обеспечение

Реализации методов и алгоритмов

Методики решения

Рисунок 1 – Составляющие в проектировании интегрированных энергетических систем (ИЭС)

Структура МАС, отражающая особенности построения ИЭС, описывается тремя уровнями (рисунок 2) [6]: уровень централизованной системы; уровень распределённых систем; уровень систем энергопотребления. МАС является неоднородной, и при её построении используются агенты следующих типов:

• ■   агент обычного потребителя;

• ■   агент активного потребителя;

  

  Рисунок 2 – Структура мультиагентной системы

  
  

• ■    сетевой агент централизованной системы;

• ■    агенты источников энергии, которые подразделяются на агенты централизованных источников энергии и агенты распределённых источников энергии;

• ■    агенты участков сетей, которые подразделяются на агенты участков магистральных сетей и агенты участков распределительных сетей;

• ■    сетевые агенты распределённых систем.

Иерархическая модель ИЭС отражает структурную конфигурацию, состав оборудования и технические ограничения, которым должны соответствовать параметры спроектированной системы. Компьютерная модель ИЭС содержит объём информации, достаточный для формирования контекста решаемой задачи. Вместе с тем, при автоматизированном построении МАС необходимо использовать знания, которые не зависят от кон текста решаемой задачи. Хранение этих знаний предлагается организовать в виде онтологии.

Онтологии всё больше вызывают интерес у специалистов [13, 14] и находят широкое применение при формализации знаний в инженерных системах [15, 16]. В [17] разработанные онтологии направлены на анализ энергетических систем, а в [18] содержат описание основных объектов энергетических сетей и цепочек спроса и предложения на энергию. Онтология используется для интерпретации информации, связанной с рынками электроэнергии [19]. В [20] онтологии рассматриваются как основа для формирования информационных моделей цифровых двойников объектов управления в распределённой энергетике. В [21] предлагается решение для онтологического моделирования децентрализованных данных в интеллектуальных энергетических системах. Фрактальный подход к структурированию знаний в энергетике используется для разработки онтологических пространств [22]. В [23] графически представлены онтологии, отражающие понятия ситуационного управления, включая ситуационный анализ и моделирование, а также онтологию возникающих ситуаций с точки зрения энергетической безопасности. В обзоре [24] обсуждаются вопросы проектирования программного обеспечения под управлением онтологий.

В концепции MDE модели предметных областей рассматриваются как информационные ресурсы для автоматического создания программных систем, а предметно-ориентированные языки позволяют создавать детальные описания предметных областей для автоматизации этапов разработки программного обеспечения [7]. В [25] предлагается подход к проектированию программного обеспечения для теплоснабжающих систем на основе MDE , используя технологии метапрограммирования и онтологии. В концепции ODSE онтологии используются для автоматизации построения сложных программных систем [26].

Концепции MDE и ODSE применимы для автоматизации построения МАС, предназначенной для решения задач проектирования ИЭС.

2 Подход к автоматизации построения мультиагентной системы

Разработанный подход к автоматизации построения МАС для проектирования ИЭС с применением онтологии имеет ряд особенностей (см. рисунок 3):

• ■    в основе лежат концепции MDE и ODSE , которые адаптированы к особенностям построения МАС;

• ■    используемая при автоматизированном построении информация разделена на многократно используемые знания и данные, описывающие контекст решаемой задачи;

• ■    многократно используемые знания хранятся в онтологии;

• ■    данные, описывающие контекст решаемой задачи, извлекаются из модели ИЭС;

• ■    агенты МАС разрабатываются для многократного применения и не зависят от конкретных моделей оборудования;

• ■    настройка агентов выполняется в контексте построения МАС.

  

  Рисунок 3 – Упрощённая схема предлагаемого подхода

  
  

Предлагаемая структура онтологии МАС (см. рисунок 4) включает описание: иерархии агентов и их связей с подсистемами ИЭС; прикладных задач и используемых для их решения методов; математических моделей подсистем ИЭС; программных реализаций математических моделей и методов.

При автоматизированном построении МАС используется компьютерная модель ИЭС, которая хранится в следующем виде:

• ■    в реляционной базе данных, позволяющей сохранить описание подсистем и параметров элементов ИЭС;

• ■    в универсальных форматах хранения данных, таких как JSON и XML .

  

  Рисунок 4 – Структура онтологии мультиагентной системы

  
  

Разработанный подход включает следующие составляющие:

• ■    архитектуру единой программной платформы;

• ■    методику построения онтологии МАС;

• ■    методику автоматизированного построения МАС при проектировании ИЭС.

Мультиагентное моделирование выполняется на базе единой программной платформы, которая обеспечивает интеграцию всех необходимых для решения задачи проектирования ИЭС составляющих в контексте решения задачи. Архитектура платформы представлена на рисунке 5 и включает следующие элементы:

• ■    компьютерную модель ИЭС;

• ■    МАС, построитель МАС и онтологию МАС;

• ■    библиотеку агентов;

■■ библиотеку математических моделей элементов ИЭС, используемых агентами; библиотеку решателей, используемых агентами.

Рисунок 5 – Архитектура программной платформы

Построение МАС автоматизировано на основе описания ИЭС, отражающего конфигурацию системы, знаний из онтологии МАС и программных компонентов, организованных в виде библиотек. Построитель МАС состоит из: построителя графа МАС; загрузчика агентов и программных компонентов; компоновщика МАС.

Построение МАС реализуется в результате выполнения трёх этапов.

На первом этапе выполняется построение графа (рисунок 6), отражающего структурную конфигурацию МАС и решаются следующие подзадачи.

• 1)    анализ компьютерной модели ИЭС.

• 2)    формирование перечня подсистем ИЭС.

• 3)    формирование перечня используемого оборудования.

• 4)    загрузка описания необходимых агентов из онтологии МАС.

• 5)    формирование описания необходимых моделей элементов ИЭС.

• 6)    формирование описания используемых методов.

• 7)    построение графа, отражающего структурную конфигурацию МАС.

  

  Рисунок 6 – Построение графа мультиагентной системы

  
  

На втором этапе выполняется автоматизированное построение МАС при проектировании ИЭС и решаются следующие подзадачи.

• 1)    подключение агентов к формируемой МАС.

• 2)    подключение программных компонентов, реализующих модели элементов ИЭС.

• 3)    подключение программных компонентов, реализующих методы.

• 4)    формирование структур данных для организации вычислительного процесса.

• 5)    формирование среды, в которой функционируют агенты.

На третьем этапе выполняется автоматизированная настройка агентов на решение задачи моделирования, в ходе которой решаются подзадачи для агентов, которые используют:

• ■    оборудование, устанавливаются связи с необходимыми моделями оборудования.

• ■    методы, устанавливаются связи с необходимыми решателями.

В результате строится МАС, на базе которой решается проектная задача с учётом особенностей конфигурации моделируемой ИЭС, полученной из её компьютерной модели.

3 Методика построения онтологии мультиагентной системы

Построение онтологии включает следующие этапы.

• 1)    формальное описание подсистем ИЭС, моделируемых агентами.

Для каждой подсистемы ИЭС формализуется описание отдельных энергетических систем, входящих в состав ИЭС (название, тип, назначение), и подсистем, образующих отдельные энергетические системы (название, тип, оборудование).

• 2)    формальное описание агентов и используемых входных и выходных данных.

Для каждого типа агента формализуется описание следующих его характеристик:

• ■    тип системы энергоснабжения;

• ■    подсистема, которую он предназначен моделировать;

• ■    параметры агента;

• ■    характеристики оборудования, образующего моделируемую подсистему;

• ■    входные и выходные данные для решаемой задачи.

Фрагмент онтологии МАС представлен на рисунке 7.

СОСТОИТ

Иерархия агентов

Мультиагентая

система

представляет

состоит из

состоит

СОСТОИТ из

Место в

имеет

Отдельная ___ си стема |

Рисунок 7 – Фрагмент онтологии мультиагентной системы

В таблице 1 представлены основные задачи для типов агентов и приведены некоторые данные, которыми обмениваются агенты.

Таблица 1 - Описание агентов

Типы агентов	Основные задачи	Данные
Агенты обычных потребителей	Собственное энергоснабжение	Нагрузки на электричество, тепло, холод и газ
Агенты активных потребителей	Расчёт собственного энергоснабжения, загрузка своего энергетического оборудования	Цены на энергию, пропускные способности участков сети, мощности источников, нагрузки: электричество, тепло, холод и газ
Агенты источников энергии	Оптимальная загрузка генерирующего оборудования	Цены на энергию, пропускные способности участков сети, мощности оборудования, кап. вложения
Агенты участков сетей	Оптимальная загрузка сетевого оборудования	Пропускные способности и параметры участков сети, капитальные вложения
Сетевые агенты распределённых систем	Рациональное распределение нагрузки между источниками централизованной и распределённой генерации в распределённых системах	Цены на энергию, пропускные способности участков сети, мощности источников, нагрузки активных потребителей, затраты на энергоснабжение
Сетевой агент централизованной системы	Рациональное распределение нагрузки между источниками централизованной и распределённой генерации, и выбор рационального состава генерирующей мощности централизованных и распределённых источников в ИЭС	Цены на энергию, пропускные способности участков сети, мощности источников, нагрузки обычных и активных потребителей, затраты на энергоснабжение, капитальные вложения

• 3)    Формальное описание связей между агентами в иерархической структуре МАС. Формализуется описание:

• ■    места в интегрированной системе, которое занимает моделируемая агентом подсистема;

• ■    подсистем и элементов, с которыми связана моделируемая подсистема;

• ■    агентов, моделирующих связанные подсистемы;

• ■    типов сообщений и их структур, пересылаемых между определёнными типами агентов;

• ■    уровней в иерархической МАС;

• ■    принадлежности типа агентов уровням иерархической МАС.

• 4)    Формальное описание используемых программных компонентов, реализующих математические модели, методы и алгоритмы.

Формализуется описание:

• ■    типа внешнего компонента (математическая модель, алгоритм, оптимизатор);

• ■    если тип внешнего компонента - алгоритм или оптимизатор, то для него указывается класс математической задачи и используемый метод решения;

• ■    если тип внешнего компонента - математическая модель, то для него указывается подсистема ИЭС или оборудование, которое он моделирует;

• ■    языка программирования, на котором выполнена реализация;

• ■    интерфейса доступа к внешнему компоненту;

• ■    форматов входных и выходных данных для внешних программных компонентов.

• 5)    Формальное описание связей между агентами и программными компонентами. Формализуется описание:

• ■    необходимости использования внешних программных компонентов агентом;

• ■    типа используемого внешнего программного компонента;

• ■   названия программного компонента;

• ■   метода доступа к программному компоненту.

Онтология МАС реализуется на базе предметно-ориентированного языка, основанного на языке XML . Необходимость разработки этого языка вызвана тем, что онтология имеет прикладное назначение и предназначена для применения в автоматизации построения МАС.

4 Пример применения

Описанный подход применён при автоматизированном построении МАС для решения задачи проектирования на примере тестовой схемы ИЭС.

На первом этапе выполнено формирование структур данных, необходимых для автоматизированного построения МАС и включающих описание конфигурации ИЭС, её подсистем (систем электро-, тепло-, холодо- и газоснабжения), оборудования подсистем, агентов, моделей элементов ИЭС и методов. На основе этих структур данных построен граф МАС.

На втором этапе в автоматизированном режиме построена МАС (рисунок 8).

Рисунок 8 – Графическое представление построенной мультиагентной системы

Общее количество агентов 49, из них: 3 агента обычных потребителей; 3 агента активных потребителей; 3 агента централизованных источников энергии; 38 агентов участков сетей, включая 14 линий электропередачи, 12 тепловых магистралей и 12 газовых магистралей; 1 сетевой агент распределённой системы; 1 сетевой агент централизованной системы.

На третьем этапе выполнена автоматизированная настройка подключённых к МАС агентов на использование необходимых моделей оборудования (источников, участков сетей, систем энергопотребления) и решателей оптимизационных задач.

В процессе проведения мультиагентного моделирования выполняется решение задачи проектирования ИЭС путём взаимодействия агентов. При этом в зависимости от полученного агентом сообщения и логики его поведения может потребоваться выполнение оптимизационных расчётов, результаты которых используются для принятия решений. В этом случае выполняется вызов необходимого решателя, соответствующего математическому классу решаемой задачи. Выполнена автоматизированная настройка МАС на использование необхо- димых моделей оборудования и решателей оптимизационных задач.

Например, на рисунке 9 представлен фрагмент, отражающий схему взаимодействия агентов и использования программных компонентов. Агент А2 вызывает для проведения расчётов программные компоненты, реализующие модели элементов ИЭС. Агент A3, получив необходимую информацию от агентов А1 и А2, решает задачу управления своим энергопотреблением и рациональной загрузкой собственных энергоисточников. В данном случае решается задача смешанного целочисленного линейного программирования (СЦЛП) с использованием решателя.

Фрагмент мультиагентнон системы

Al             А2

( сЙ1 ) (Результат)

Решатель задачи СЦЛП

АЗ

Сбор данных

Решение задачи СЦЛП Управление агентами

Модель элемента

Математические модели

Агенты отдельных элементов

Агент активного потребителя

Рисунок 9 – Пример организации вычислений при взаимодействии агентов

Заключение

Мультиагентный подход к проектированию ИЭС позволяет найти решение задачи путём взаимодействия множества агентов. Автоматизация построения МАС позволяет устранить трудоёмкие этапы её формирования и настройки на особенности моделируемой ИЭС. В статье предложен подход к автоматизации построения МАС для проектирования ИЭС с применением онтологии, который включает следующие составляющие: архитектуру единой программной платформы; методику построения онтологии МАС; методику автоматизированного построения МАС для проведения вычислений при проектировании ИЭС. С использованием этого подхода выполнено построение МАС для тестовой схемы ИЭС.